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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：风光互补发电系统的研究
层 次： 专科起点本科
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年5月17日
在太阳光资源和风资源丰富的地区,风光互补发电系统与单一风电系统和光电系统相比具有供电的连续性好、稳定性和可靠性高等特点,风光互补发电系统是相对较好的独立电源系统,已经在我国的西部很多地区得到了广泛的应用,解决了农牧民的用电问题。此系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，由太阳能电池板与风力发电机发电，经蓄电池充电，给负载供电的一种新型能源。它既不消耗任何矿物燃料，又完成了对自然能源的合理利用。本文设计了系统的硬件和软件，其中，选用AT89S52单片机作为控制核心，AT89S52单片机是一种高度集成的芯片，基于AT89S52单片机的风光互补发电系统具有很好的环境适应能力和抗干扰能力，提高了系统的可靠性。
关键词：风光互补发电；软硬件设计；可靠性
目 录
1.2 风光互补发电的提出及发展现状................................................................. 1
1.2.1 风能、太阳能的特点......................................................................... 1
1.2.2 风光互补发电的应用现状................................................................. 3
2 风光互补发电系统的运行结构................................................................................. 5
2.2.2 风力机工作特性................................................................................. 6
2.2.3 风电机组的工作方式......................................................................... 6
2.3.2 光伏阵列工作特性............................................................................... 7
2.4.1 铅蓄电池充放电原理........................................................................... 9
2.4.2 铅蓄电池工作状态............................................................................... 9
2.4.3 铅蓄电池的运行方式......................................................................... 10
3 风光互补发电控制系统的研发............................................................................... 12
3.1 风光互补发电系统运行控制分析............................................................... 12
3.2 控制系统的总体方案.................................................................................. 12
3.2.1 控制系统结构..................................................................................... 13
3.2.2 控制系统的具体功能......................................................................... 13
3.3.1 基于AT89S52单片机的硬件设计..................................................... 14
3.3.4系统程序设计流程图.......................................................................... 20
1.1 课题的背景及意义
可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用。在当前可利用的几种可再生能源中，太阳能和风能是利用比较广泛的两种。太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性，在电能作为能量主要能量消耗形式的当今社会，综合考虑太阳能和风能在多方面的互补特性而建立起来的风光互补发电系统是一种经济合理的供电方式。该供电方式在解决边远地区的能源供应问题中发挥着积极的作用。关于风光互补发电的推广应用，系统的优化设计和运行控制是两个研究重点，前者是根据系统应用地点的资源条件和负载特性对系统各个部件进行合理的选型以达到最小投资配置；后者则是通过对系统的动态运行分析，提出切实可行的运行控制策略，而后采取相应的技术手段实现系统可靠、高效地运行，减少系统的运行维护，也是体现系统设计初衷的有力保障。
在太阳光资源和风资源丰富的地区,风光互补发电系统与单一风电系统和光电系统相比具有供电的连续性好、稳定性和可靠性高等特点,风光互补发电系统是相对较好的独立电源系统,已经在我国的西部很多地区得到了广泛的应用,解决了农牧民的用电问题。此系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，由太阳能电池板与风力发电机发电，经蓄电池充电，给负载供电的一种新型能源。它既不消耗任何矿物燃料，又完成了对自然能源的合理利用。此系统可以应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、无电扇区、村庄、海岛的电力提供。而且为了适应偏远地区不便利的地理环境。
1.2 风光互补发电的提出及发展现状
1.2.1 风能、太阳能的特点
在当前可利用的几种可再生能源中，风能和太阳能是目前利用比较广泛的两
种。同其它能源相比，风能和太阳能有着其自身的优点:
一、取之不尽、用之不竭
我国地处北半球欧亚大陆的东部，幅员辽阔，有着丰富的太阳能资源，但随着纬度、地形和气候条件的不同，太阳能在全国的分布有很大的区别。中国各地的太阳能年辐射总量大约在3.3×106～8．4×106千焦/米2之间，其平均值是5.9×106千焦/米2·年。我国太阳能资源丰富和比较丰富的I、Ⅱ类地区面积约占全国总面积的2/3以上[1]。
我国的风力资源也比较丰富，近十几年来，对风能资源状况作了较深入的勘测调查，全国可开发利用的风能资源总量约2.5亿千瓦。东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿，内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速≥6米/秒，有效风能密度≥200瓦/米2，具有很好的开发利用条件。
就地可取无需运输。煤炭和石油这类矿物能源地理分布不均，加之工业布局的不平衡，从而造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些都给交通运输带来了压力。即使通过电力调度，对高山、古道、草原和高原这类电网不易到达的地区也有很大的局限性。风能和太阳能的分布虽然也有一定的局限性，但相对于矿物能、水能和地热能等能源而言可视为分布较广的一种能源。各个地区都可根据当地的风力、日照状况采取合理的利用方式。
无环境污染。人们在利用矿物能源过程中，释放出大量的有害物质，这是造成大气污染的主要原因。此外，其它新能源中，水电、核能、地热能等在开发利用过程中也都存在着一些不容忽视的环境问题。而风能和太阳能在利用中不会给环境带来污染，也不会破坏生态。
风能、太阳能虽然存在上述优点，但也存在着一些弊端:
能量密度低。空气在标准状况下的密度为水密度的1/773，所以在3m/s的风速时，其能量密度为0.02KW／m2，水流速度为3m/s时，能量密度为20KW/m2。在相同的流速下，要获得与水能同样大的功率，风轮直径为水轮的27.8倍。太阳能在晴天平均密度为1KW/m2，昼夜平均为0.16KW/m2。其能量密度也很低，故必须配备足够大的受光面积，才能得到足够的功率。由此可见，不论是风能还是太阳能都是一种能量密度很低的能源，给推广利用带来了困难。
能量稳定性差。不论风能还是太阳能，都随天气和气候的变化而变化。虽然各地区的太阳辐射和风力特性在一较长的时间内有一定的统计规律可循，但是风力和日照强度无时无刻都在不断地变化。不但各年问有变化，甚至在很短的时间内还有无规律的脉动变化。这种能量的不稳定性也给这两中能源的使用带来了困难。
由于这些不利因素的存在，在单独利用其中一种能源转变成为经济可靠的电能过程中存在着很多技术问题。这也是几个世纪以来，两种能源利用发展缓慢的原因。但是，随着现代科学技术的发展，风能和太阳能的利用在技术上都有突破和进展，特别是将风能、太阳能综合利用，充分利用它们在多方面的互补性，可以建立起更加稳定可靠、经济合理的能源系统。
1.2.2 风光互补发电的应用现状
风光互补发电系统的研究一方面集中在系统的计算机仿真和优化设计目前，国外进行这方面研究的大学有Colorado State University，University of Massachusetts等。其中Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory(美国可再生能源研究室)合作开发了hybrid2应用软件。该软件功能强大，能对一个风光互补发电系统进行精确的模拟运行，根据输入的发电系统的结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度数据获得8760小时的运行结果。但它只是一个功能强大的仿真程序，并不具备优化设计功能。而在国内，香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作提出了了一整套利用以CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。该方法采用了更精确地表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型，精确确定系统每小时的运行状态。采用比较寻优的方法找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置。
风光互补发电系统另一方面的研究主要是利用飞速发展的电力电子技术和微计算机控制技术提高系统的供电高效性和运行稳定性。通过电力电子技术来实现风力发电和光伏发电的最大输出功率追踪捕捉以及负载端的交流/直流逆变输出。在这方面的技术创新层出不穷。华南理工大学研究设计了新型无刷双馈发电机，并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输通过微计算机控制技术来实现对系统的控制与保护，保证系统在无人职守的情况下能稳定可靠地运行。这方面的研究多见于西北部偏远山区农牧民供电系统以及海岛居民生活用电系统。西藏K4w风光互补电站示范工程的完成、内蒙古户用风光互补系统的推广以及山东省某海岛30WK风光互补发电系统的成功运行都能体现出微计算机控制技术对风光互补发电系统控制带来的优越性。这方面的研究也是本文的重点。
风光互补发电系统的应用，就目前来看，如前所述，多作为独立的供电系统，用于远离电网的地区。如部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远山区及海岛。风光互补并网发电还不多见，但目前我国在广东省南澳县投资兴建大型的风光互补并网发电项目，同时承担一定的技术课题研发工作。
1.3 本文的主要内容
论文本着风能、太阳能综合利用的思想，从风光互补发电的目标入手，以典型的风光互补发电系统的结构为对象认真分析系统在整个运行过程中的能量生产、转换、储备和消费环节的工作状态，对系统的运行控制方式及方法进行剖析，归纳总结出切实可行的控制策略。最后，通过系统地分析和比较研究，结合微计算机控制技术开发研制了为风光互补发电提供可靠运行保障的控制系统，最后对未来风光互补发电系统的发展作了展望。
本文研究的是风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证发电系统的供电可靠性，又可降低发电系统的造价，是一种经济合理的供电方式。
全文共分为4章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章先总体介绍风光互补发电系统的总体结构，然后分别分析了风力发电机组、太阳能列阵以及蓄电池组的工作原理以及工作特性，为风光互补发电系统的设计和实现提供了一个很好的理论基础；
第三章介绍了AT89S52单片机的原理，并详细介绍了本文的设计方案，进行了软硬件设计；
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2 风光互补发电系统的运行结构
2.1 风光互补发电系统
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风光互补发电系统的典型结构如下图所示。整个系统由能量产生环节、能量 存储环节、能量消费三个环节三部分组成。能量的产生环节又分为风力发电和光伏发电部分了，分别将风力、日照资源转化为高品位的电力能源；能量的存储环节由蓄电池来承担，如前文所述，引入蓄电池的主要作用就是为了尽量消除由于天气等原因引起能量供应和需求的不平衡，在整个系统中起到能量调节和平衡负载的作用；能量消耗环节就是各种用电负载，可分为直流负载和交流负载两类，交流负载连入电路时需要逆变器。另外，为了增强系统供电的不间断性，可以考虑引入后备柴油机，后备柴油机的选配很大程度上还是根据当地的风力、日照资源条件确定的。风光互补发电系统结构如图2-1所示。
图2 -1 风光互补发电系统结构
2.2 风力发电机组
风力发电机组是风光互补发电系统中风能的吸收和转化设备。从能量转换角度来看，风力发电机组由两大部分组成，其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换成电能。
2.2.1 风力机类型
作为风能接收装置的风力机，自古以来就有多种形式，特别是在近代得到了很大的发展。其分类方法有两种：
（1）以接受风能的形式可以分为升为式和阻力式；
阻力型的气动力效率远小于升力型，故当今大型并网型垂直轴风力机的风轮全部为升力型。阻力型的风轮转矩是由两边物体阻力不同形成的，其典型代表是风杯，大型风力机不用。升力型的风轮转矩由叶片的升力提供，是垂直轴风力发电机的主流，尤其是风轮像打蛋形的最流行，当这种风轮叶片的主导载荷是离心力时，叶片只有轴向力而没有弯矩，叶片结构最轻。
（1） 以风轮回转轴的方向，可以分为竖直轴式和水平轴式。
风轮轴线的安装位置与水平面垂直的风力机称作垂直轴风力机。垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。它可以接受来自任何方向的风而无需调向装置。另外，垂直轴风力机的齿轮箱和发电机可以安装在地面上，便于维护和检修。但是，垂直轴风力机同样存在着工作限速问题，其限速机构相当复杂，加之一些技术上的难题仍未得到解决，因此目前在实际的应用中还有很大的局限性[2]。
水平轴风力发电机组，是指风轮轴线基本与地面平行安置在垂直地面的塔架上，是当前使用最广泛的机型。水平轴风力发电机组还可分为上风向及下风向两种机型，上风向机组其风轮面对风向，安置在塔架前方。上风向机组需要主动调向机构以保证风轮能随时对准风向。下风向机组其风轮背对风向安置在塔架后方。当前大型并网风力发电机几乎都是水平轴上风向型。当前，风电界所看好的机型是水平轴风力机[3]。
2.2.2 风力机工作特性
风力机起动时，需要一定的力距来克服其内部的摩擦力，这一力距称作风力机的起动力矩。起动力距与风力机本身传动机构的摩擦阻力有关，因此风力机有一个最低的工作风速，只有风速大于最低的工作风速时风力机才能工作。而当风速超过某一值的时候，基于安全上考虑，风力机应当停止运转，所以每台风力机都规定有最高工作风速，该风速值与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。介于最低风速和最高风速之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出，风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速称为该风力机的额定风速。为充分利用风力资源进行发电，应按当地的风力资源来确定风力机的起动风速和额定风速，进而选择合适的机型。
2.2.3 风电机组的工作方式
可用于风力发电的变速恒频发电方式有多种。如交流/直流/交流系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阶发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些方式的实现都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。
在风光互补发电系统中，风电机组采用交流/直流/交流的运行方式同光伏方
