小型風力發電智能控制系統及方法
2023-06-03 12:10:36 1
專利名稱：小型風力發電智能控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種電力控制系統，尤其涉及一種小型風力發電載荷智能控制系統及方法。
背景技術：
在現有技術中出於控制成本考慮，獨立運行的戶用小型風力發電一般沒有專門的鉛酸蓄電池充放電保護電路，作為代替的是，用戶需經常觀察蓄電池電壓顯示值，防止發生過充或者過放。用戶在使用過程中，若發現蓄電池電壓過低時，就必須切除載荷，風力發電機只用於給蓄電池充電；另外即使蓄電池的電壓高於放電下限電壓，若用戶切入大功率的載荷時， 仍很可能會導致蓄電池電壓的大幅下降。嚴重時還會導致系統內其它小功率載荷無法正常運行甚至損壞。在這種條件下，對用戶操作水平提出了過高的要求，很容易發生蓄電池過充和過放，從而損壞蓄電池。
發明內容
本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種小型風力發電載荷智能控制系統及方法，它具有可以根據蓄電池的荷電狀態以及載荷的大小決定是否允許切入等優點。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種小型風力發電載荷智能控制系統，包括風力發電機、整流器、蓄電池、逆變器、 變壓器、控制器、若干執行模塊，風力發電機、整流器、蓄電池、逆變器、變壓器依次串聯，並且在蓄電池和逆變器之間設有電流傳感器和電壓傳感器，若干執行模塊依次並聯在變壓器輸出端；控制器分別與電流傳感器、電壓傳感器，若干執行模塊連接。執行模塊上設有輸入輸出電路和三極體，輸入輸出電路的輸入端與變壓器的輸出端連接，並且輸入輸出電路上串聯負載傳感器和繼電器常開開關；負載傳感器信號輸出端與控制器的信號輸入端連接，控制器的信號輸出端與三極體的基極連接，並且控制器的信號輸出端與三極體的基極連接線路上串聯電阻。輸入輸出電路上並聯電阻和繼電器常閉開關，電阻和繼電器常閉開端串聯。三極體集電極接低電壓，並且集電極上串聯繼電器線圈，三極體發射極接地。SOC state of charge的縮寫，在電池行業，SOC指的是充電狀態，指荷電狀態，又稱剩餘容量，表示電池繼續工作的能力，當蓄電池使用一段時間或長期擱置不用後的剩餘容量與其完全充電狀態的容量的比值，常用百分數表示。SOC= 1即表示為電池充滿狀態。 控制蓄電池運行時必須考慮其荷電狀態。一種小型風力發電載荷智能控制系統及方法，控制步驟如下步驟一系統初始化，智能判斷系統中是否有載荷請求切入；用戶對所有可能連接載荷的性質進行初始化設定，如載荷的額定功率，是否為關鍵性載荷，屬於阻性、感性或容性，季節性、均衡性還是隨機性等。
當沒有載荷連接時，右端開路，負載傳感器輸出低電平至控制器，控制器對應埠輸出低電平使三極體截至，繼電器線圈不通電，相應的常開觸點斷開。當有載荷連接時，載荷與電阻R、負載傳感器形成一個閉合迴路。負載傳感器兩檢測端之間阻值小於50K，其輸出端為高電平。此時控制器檢測到這一高電平信號，判斷出有載荷請求切入。根據電壓傳感器採集的蓄電池輸出電壓，估算出當前蓄電池的S0C，以及此時可以輸出的最大電流。控制器根據當前蓄電池SOC以及載荷性質，包括功率、起動電流、 是否為關鍵性載荷來判斷是否允許載荷切入。步驟二 智能判斷載荷優先級切入、切出載荷；當蓄電池剩餘電量充足，可以提供載荷啟動及正常工作的電流，則控制器相應埠輸出高電平，三極體導通，繼電器線圈通電，相應的常開觸點閉合，同時常閉觸點斷開，系統允許新的載荷切入。當蓄電池剩餘電量不足以提供載荷啟動所需電流，但該載荷為關鍵性載荷，則檢測系統內是否接有其它優先級低的載荷若有且功率大於欲切入載荷的功率，則給出提示， 由用戶決定是切斷其它低優先級載荷而接入新載荷，還是不進行任何操作；若欲切入載荷為非關鍵性載荷，或者為關鍵性載荷但其餘載荷功率小於欲切入載荷的功率，則給用戶發出無法切入載荷的警告。當無新載荷接入，但由於蓄電池SOC的降低，無法滿足所有載荷的需要，則對用戶發出警告，要求用戶採取措施。如果在一定時間內用戶無反應，則按照優先級從低到高的順序，依次斷開相應載荷的繼電器觸點，直到蓄電池可以滿足載荷需求。類似電視機、印表機等用電設備來講，即使關閉開關，如不拔下插頭仍然會消耗少量的待機功率(一般在IOW以內)。這個功率雖小，但累計下來也要消耗不少能量。由於待機功率相比於正常工作要小很多，因此在檢測到載荷進入待機(載荷等效阻值突然增大)， 延時一段時間後斷開繼電器，以便把載荷完全切出。步驟三智能切出非關鍵性載荷，給蓄電池充電通過電壓傳感器以及電流傳感器，累計計算蓄電池充放電安時數，並實時顯示。當放電安時數逼近設定值，默認設定值為蓄電池總容量的70%，發出警告通知用戶，並在超過設定值5%後切出所有非關鍵性載荷。直到蓄電池重新充電達到或超過設定值，給出提示後才恢復非關鍵性載荷供電。
負載傳感器型號的選擇
型號額定電流(A)型號額定電流(A)ZAlN0. 4ZA5N5. 0ZA2N1. 0ZA6N8. 0ZA3N1. 5ZAlNG12. 0ZA4N3. 0ZA2NG16. 0載荷性質從電壓和電流的關係來區分，可分為阻性載荷、感性載荷和容性載荷三類；按重要程度來區分，可分為關鍵性載荷和非關鍵性載荷；從全天使用時間上來區分，大致可分為白天、晚上和全天三種；在全年使用時間上來區分，載荷性質有分為均衡性、季節性和隨機性三種情況。對典型家庭用戶的載荷進行分類，並使用各自的供電線路及插座。按照載荷額定
5功率的大小，將插座分為小功率、中等功率、大功率等幾檔。其中每一檔也進行細化。用戶在初次使用以及新增或替換載荷時，可以通過鍵盤設定載荷的關鍵參數，如額定功率，所屬類別等。如白熾燈額定功率為40W，屬於阻性小功率，全年均衡，晚上使用的載荷，在夜晚時屬於關鍵性載荷；製冷立式空調額定功率1500W，屬於感性大功率，季節性，白天使用的載荷，在夏季屬於關鍵性載荷。控制器根據輸入的額定功率，計算出載荷正常工作時的額定電流。而對於感性載荷而言，還有一個啟動電流的問題。通常起動電流為正常工作電流的2 3倍，有時甚至高達5 7倍。例如一臺在正常運轉時功率150W左右的電冰箱，其啟動功率可高達1000W以上。本發明的有益效果本發明可以通過對載荷狀態的實時監控，防止發生蓄電池過放的情況，可以有效提高蓄電池的使用壽命，另外還可以避免發生因切入載荷超過蓄電池的最大輸出能力進而啟動保護裝置，導致所有接入的設備均無法正常工作的情況，還可以依據載荷的重要程度和蓄電池的S0C，自動給出載荷的切入、切出策略。
圖1為載荷智能控制系統示意圖；圖2為執行模塊結構圖；圖3為載荷智能控制系統控制方法流程圖。其中，1.風力發電機，2.整流器，3.蓄電池，4.電壓傳感器，5.電流傳感器，6.逆變器，7.控制器，8.變壓器，9.執行模塊，10.繼電器線圈，11.負載傳感器。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。如圖1、圖2、圖3所示，本發明一種小型風力發電載荷智能控制系統，包括風力發電機1、整流器2、蓄電池3、逆變器6、變壓器8、控制器7、若干執行模塊9，風力發電機1、整流器2、蓄電池3、逆變器6、變壓器8依次串聯，並且在蓄電池3和逆變器6之間設有電流傳感器5和電壓傳感器4，若干執行模塊9依次並聯在變壓器輸出端；控制器7分別與電流傳感器5、電壓傳感器4，若干執行模塊9連接。執行模塊上設有輸入輸出電路和三極體，輸入輸出電路的輸入端與變壓器8的輸出端連接，並且輸入輸出電路上串聯負載傳感器11和繼電器常開開關；負載傳感器11信號輸出端與控制器7的信號輸入端連接，控制器7的信號輸出端與三極體的基極連接，並且控制器7的信號輸出端與三極體的基極連接線路上串聯電阻。輸入輸出電路上並聯電阻和繼電器常閉開關，電阻和繼電器常閉開端串聯，三極體集電極接低電壓，並且集電極上串聯繼電器線圈10，三極體發射極接地。一種小型風力發電載荷智能控制系統及方法，控制步驟如下步驟一系統初始化，智能判斷系統中是否有載荷請求切入；用戶對所有可能連接載荷的性質進行初始化設定，如載荷的額定功率，是否為關鍵性載荷，屬於阻性、感性或容性，季節性、均衡性還是隨機性等。
當沒有載荷連接時，右端開路，負載傳感器11輸出低電平至控制器7，控制器7對應埠輸出低電平使三極體截至，繼電器線圈10不通電，相應的常開觸點斷開。當有載荷連接時，載荷與電阻R、負載傳感器11形成一個閉合迴路。負載傳感器 11兩檢測端之間阻值小於50K，其輸出端為高電平。此時控制器7檢測到這一高電平信號， 判斷出有載荷請求切入。根據電壓傳感器4採集的蓄電池3輸出電壓，估算出當前蓄電池 3的S0C，以及此時可以輸出的最大電流。控制器7根據當前蓄電池3S0C以及載荷性質，包括功率、起動電流、是否為關鍵性載荷來判斷是否允許載荷切入。步驟二 智能判斷載荷優先級切入、切出載荷；當蓄電池3剩餘電量充足，可以提供載荷啟動及正常工作的電流，則控制器7相應埠輸出高電平，三極體導通，繼電器線圈10通電，相應的常開觸點閉合，同時常閉觸點斷開，系統允許新的載荷切入。當蓄電池3剩餘電量不足以提供載荷啟動所需電流，但該載荷為關鍵性載荷，則檢測系統內是否接有其它優先級低的載荷若有且功率大於欲切入載荷的功率，則給出提示，由用戶決定是切斷其它低優先級載荷而接入新載荷，還是不進行任何操作；若欲切入載荷為非關鍵性載荷，或者為關鍵性載荷但其餘載荷功率小於欲切入載荷的功率，則給用戶發出無法切入載荷的警告。當無新載荷接入，但由於蓄電池3S0C的降低，無法滿足所有載荷的需要，則對用戶發出警告，要求用戶採取措施。如果在一定時間內用戶無反應，則按照優先級從低到高的順序，依次斷開相應載荷的繼電器觸點，直到蓄電池可以滿足載荷需求。類似電視機、印表機等用電設備來講，即使關閉開關，如不拔下插頭仍然會消耗少量的待機功率(一般在IOW以內)。這個功率雖小，但累計下來也要消耗不少能量。由於待機功率相比於正常工作要小很多，因此在檢測到載荷進入待機(載荷等效阻值突然增大)， 延時一段時間後斷開繼電器，以便把載荷完全切出。步驟三智能切出非關鍵性載荷，給蓄電池充電通過電壓傳感器4以及電流傳感器5，累計計算蓄電池充放電安時數，並實時顯示。當放電安時數逼近設定值，默認設定值為蓄電池總容量的70%，發出警告通知用戶，並在超過設定值5%後切出所有非關鍵性載荷。直到蓄電池3重新充電達到或超過設定值，給出提示後才恢復非關鍵性載荷供電。負載傳感器的選擇
權利要求
1.一種小型風力發電載荷智能控制系統，包括風力發電機、整流器、蓄電池、逆變器、 變壓器、控制器、若干執行模塊，其特徵是，所述風力發電機、整流器、蓄電池、逆變器、變壓器依次串聯，並且在蓄電池和逆變器之間設有電流傳感器和電壓傳感器，所述若干執行模塊依次並聯在變壓器輸出端；所述控制器分別與電流傳感器、電壓傳感器，若干執行模塊連接。
2.如權利要求1所述小型風力發電載荷智能控制系統，其特徵是，所述執行模塊上設有輸入輸出電路和三極體，所述輸入輸出電路的輸入端與變壓器的輸出端連接，並且輸入輸出電路上串聯負載傳感器和繼電器常開開關；所述負載傳感器信號輸出端與控制器的信號輸入端連接，控制器的信號輸出端與三極體的基極連接，並且控制器的信號輸出端與三極體的基極連接線路上串聯電阻。
3.如權利要求2所述小型風力發電載荷智能控制系統，其特徵是，所述輸入輸出電路上並聯電阻和繼電器常閉開關，所述電阻和繼電器常閉開端串聯。
4.如權利要求2所述小型風力發電載荷智能控制系統，其特徵是，所述三極體集電極接低電壓，並且集電極上串聯繼電器線圈，所述三極體發射極接地。
5.一種利用權利要求1的小型風力發電載荷智能控制系統及方法，其特徵是，所述控制步驟如下步驟一系統初始化，智能判斷系統中是否有載荷請求切入；步驟二 智能判斷載荷優先級切入、切出載荷；步驟三智能切出非關鍵性載荷，給蓄電池充電。
6.如權利要求5所述小型風力發電載荷智能控制系統及方法，其特徵是，所述步驟一 系統初始化，智能判斷系統中是否有載荷請求切入；當沒有載荷連接時，右端開路，負載傳感器輸出低電平至控制器，控制器對應埠輸出低電平使三極體截至，繼電器線圈不通電，相應的常開觸點斷開；當有載荷連接時，載荷與電阻R、負載傳感器形成一個閉合迴路。負載傳感器兩檢測端之間阻值小於50K，其輸出端為高電平，此時控制器檢測到這一高電平信號，判斷出有載荷請求切入，根據電壓傳感器採集的蓄電池輸出電壓，估算出當前蓄電池的荷電狀態，以及此時可以輸出的最大電流，控制器根據當前蓄電池的荷電狀態以及載荷性質，包括功率、起動電流、是否為關鍵性載荷來判斷是否允許載荷切入。
7.如權利要求5所述小型風力發電載荷智能控制系統及方法，其特徵是，所述步驟二 智能判斷載荷優先級切入、切出載荷；當蓄電池剩餘電量充足，可以提供載荷啟動及正常工作的電流，則控制器相應埠輸出高電平，三極體導通，繼電器線圈通電，相應常開觸點閉合，同時常閉觸點斷開，系統允許新的載荷切入；當蓄電池剩餘電量不足以提供載荷啟動所需電流，但該載荷為關鍵性載荷，則檢測系統內是否接有其它優先級低的載荷若有且功率大於欲切入載荷的功率，則給出提示，由用戶決定是切斷其它低優先級載荷而接入新載荷，還是不進行任何操作；若欲切入載荷為非關鍵性載荷，或者為關鍵性載荷但其餘載荷功率小於欲切入載荷的功率，則給用戶發出無法切入載荷的警告；當無新載荷接入，但由於蓄電池的荷電狀態的降低，無法滿足所有載荷的需要，則對用戶發出警告，要求用戶採取措施，如果在一定時間內用戶無反應，則按照優先級從低到高的順序，依次斷開相應載荷的繼電器，直到蓄電池功率滿足需求。
8.如權利要求5所述小型風力發電載荷智能控制系統及方法，其特徵是，所述步驟三 智能切出非關鍵性載荷，給蓄電池充電通過電壓傳感器以及電流傳感器，累計計算蓄電池充放電安時數，並實時顯示，當放電安時數逼近設定值，默認設定值為蓄電池總容量的70%，發出警告通知用戶，並在超過設定值5%後切出所有非關鍵性載荷，直到蓄電池重新充電達到或超過設定值，給出提示後才恢復非關鍵性載荷供電。
全文摘要
本發明公開了一種小型風力發電載荷智能控制系統及方法，控制步驟如下步驟一系統初始化，智能判斷系統中是否有載荷請求切入；步驟二智能判斷載荷優先級切入、切出載荷；步驟三智能切出非關鍵性載荷，給蓄電池充電。包括蓄電池、逆變器、變壓器、控制器、若干執行模塊，蓄電池、逆變器、變壓器依次串聯，並且在蓄電池和逆變器之間設有電流傳感器和電壓傳感器，若干執行模塊依次並聯變壓器輸出端；控制器分別與電流傳感器、電壓傳感器，若干執行模塊連接，防止發生蓄電池過放的情況，有效提高蓄電池的使用壽命，避免突然切入載荷導致無法正常工作，依據載荷的重要程度和蓄電池的SOC，自動給出載荷的切入、切出策略。
文檔編號H02J3/00GK102427231SQ20111043310
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者張承慧, 李珂, 荊業飛, 褚曉廣 申請人:山東大學