小型风光互补发电装置设计与制作--毕业设计-开题报告.docx

本科毕业设计（论文）开题报告

题目 小型风光互补发电
装置设计与制作

目录
1.选题背景和历史意义 1
1.1选题背景 1
1.2历史意义 1
2．风光互补发电系统的应用前景和发展现状 2
2.1应用前景 2
2.2风光互补发电系统的发展现状 4
2.2.1先进发展 4
2.2.2目前实际风光互补发电系统发展中存在问题 5
3.风光互补发电系统的目的和任务 6
3.1本次设计的目的 6
3.2 本次设计的任务 6
4.设计路线 7
5.风光互补发电系统的结构及控制策略 7
5.1 风光互补发电系统的结构 7
5.1.1风力发电部分 7
5.1.2太阳能发电部分 8
5.1.3锂电池 9
5.1.4 控制器 9
5.1.5 负载 11
5.2风光互补发电系统的工作原理 12
5.3小型风光互补发电系统的控制策略 12
5.3.1. 本设计将对两种独立发电进行独立控制 12
5.3.2. 对锂电池的控制 15
6.设计（论文）的预期结果 18
7.设计各阶段内容 18
参考文献 18

小型风光互补发电装置的设计与制作
1.选题背景和历史意义
1.1选题背景
能源是国民经济发展和人民生活所必须的重要物质基础，在过去的200多年里，煤炭，石油，天然气等化石燃料体系极大的推动了人类社会的发展。然而人类在使用化石燃料的同时，造成了严重的环境污染和生态系统破坏。近年来，各国逐渐认识大能源对人类的重要性，同样认识到常规能源在利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。
太阳能：据统计地球赤道上的平均太阳能辐射强度为1369w/m。地球赤道的周长为40000km，从而可以计算地铺获得能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度峰值为1kw/ m,地球表面上某一点24h的年平均辐射强度为0.2kw/ m,相当于有102000TW的能量。尽管太阳能辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已经高达173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于5000万吨煤。而我们知道燃料煤对大气的污染很严重，而太阳能直接来自于太阳，绿色无污染，也不会产生二氧化碳，是最理想的清洁能源；不需要运输，存储简单方便；太阳能具有普遍性，全球任何一个地方都可以使用；从长远来看太阳能可以说是用之不竭的。
风能：在中国距地面10m的高度，风能资源总储量约为32.26亿千瓦，可实际开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦。虽然可以利用的风能占总储量很小的一部分，但是2.53亿千瓦的能量任然不是一个小数目。
风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源在时间、季节上的互补性来实现的，是具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。
1.2历史意义
随着地球上不可再生能源储量的日益减少，风能和太阳能作为一种清洁，无污染，且储能丰富的绿色能源，已经越来越被人们重视，开发和利用风能和太阳能也成为世界性的研究课题。
一般情况下，白天风小，太阳辐射比较强；夜晚风大，太阳辐射较弱，晴天风小，雨天风大；夏天相对风小而太阳辐射强，冬季相对风大而太阳辐射较弱等。风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后发电系统可靠性更高，更具有使用价值。因此，风光互补发电系统的出现可以很好的弥补风电可靠性低和光电独立装置造价高等缺陷，实现不间断供电。
由于地域差异，远离电网的地区，如游牧民区，边防哨所，山区信号站等，电力来源需依靠独立供电系统，要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源，风光互补发电无疑是解决独立供电的最佳方案。
2．风光互补发电系统的应用前景和发展现状
2.1应用前景
1．无电农村的生活，生产用电
中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还没能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储能丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。
2．室外照明中的应用
世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧张的能源和环保背景下，它的节能工作日益引起全世界的关注。太阳能和风能互补通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类LED室外灯具。智能化控制器和后台计算机实现遥测，遥讯，遥控三遥管理。 室外照明包括：车行道路照明工具，小区道路照明（路灯，庭院灯，草坪灯，地埋灯，壁灯等）。现在我们以高速公路上的路灯为例进行简单的计算：
空气质量密度=1.2258kg/m, 汽车极限行驶速度Vr=27.8m/s,风力机械叶轮掠过的面积S=0.2m, 路段平均日交通量Q=60000puc,风能密度W=150w/ m, 风能利用系数Cp=0.4,年太阳能辐射总量中间值Ws=5400*10J/m，太阳能电池板面积Ss=0.2*2 m,太阳能转换效率Cs=10%，LED灯额定功率Pr=80W, 车道宽D=3.75m，车身宽d=1.8m, 身长l=3.5m,高速路公路车道旁安全距离d=0.5m,车道数n=3。通过计算汽车行驶每日所引发的风能发电量为Ev=0.7*10J，每日太阳能发电量为Es=3.6*10J，而一台LED路灯每日工作12h的输出能量为Ep=Tr*tp=12*3600Pr=43200Pr,其中tp为LED等工作时间，Tr为LED等的额定功率。可知：Ev+Es＞Ep，能量供给大于需求，能满足系统要求。
3．航标上的应用
我国部分地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但是也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良情况下太阳能发电不足，易造成电池过放，灯光熄灭，影响了电池的使用性能或损坏。冬季和春季太阳能发电不足的问题尤为严重。天气不良情况下往往是伴随大风，也就是说，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候，针对这种情况，可以用风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补发电系统代替传统的太阳能发电系统。风光互补发电系统具有环保，无污染，免维护，安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。在太阳能配置满足春夏季能源供应的情况下，不启动风光互补发电系统；在冬春季或连续天气不良状况，太阳能发电不良情况下，启动风光互补发电系统。由此可见，风光互补发电系统在航班上的应用具备了季节性和气候性的特点。事实证明，其应用可行，效果明显。
4．监控摄像机电源中的应用
目前，高速公路摄像机通常是24小时不间断运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，也好消耗不少电能，采用传统电源系统不利于节能，并且由于摄像机电源的线缆经常被盗，损失大，造成使用维护费用大大增加，加大了高速公路经营单位的运营成本。应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗的可能。
5．通信基站中的应用
目前国内许多海岛，山区等地远离电网，但由于当地旅游，渔业，航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。这些基站用电负荷都不会很大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若采用柴油机供电，存在柴油机储运成本高，系统维护困难，可靠性不高的问题。而当地的自然资源如太阳能风能作为取之不尽的可再生资源，在海岛相当丰富，而且两者在时间和地域上都有很强的互补性，海岛风光互补发电系统是可靠性，经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。
2.2风光互补发电系统的发展现状
2.2.1先进发展
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，其中Colorado State University和National renewable energy laboratory合作开发了hybrid2应用软件。 hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。
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型计算机控制技术 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。
在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。
目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。各科研单位主要在以下几个方面进行研究：风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。
2.2.2目前实际风光互补发电系统发展中存在问题
1. 技术问题
众所周知，风能和太阳能都存在一定的间歇性，并不是连续的，这样，风力发电机和太阳能电池板的发电就不好平衡，从而不能连续提供电能给负载，导致负载用电负荷也产生不平衡的问题。因而在风光互补发电系统中引入蓄电池来储存电能，以保证供电稳定。但由于整个系统受天气的影响比较大，当用电过多时，会使蓄电池长期处于亏电状态，这样会直接引起蓄电池使用寿命的降低。
太阳能电池板的转换效率直接影响电能的产生。转换效率高，则产生的电能较多；转换效率低时，产生的电能较少。目前，太阳能电池板转换效率问题还有待进一步提高。
风力发电机方面也存在一定的技术问题，由于风能的不稳定性，风力时而大，时而小，这会对风机产生很大的影响。当风力大于风力发电机的额定转速时，容易使风机损坏。因此，需要给风机增加可靠性高的限速装置，从而保护风机，防止风机失效或者剧烈震动等问题。但目前使用的限速装置大部分都是机械性质的，动作的可靠性较差。
2. 资源利用问题
风光互补发电系统主要依靠风能和太阳能，分别通过风能和太阳能资源的转换来发电。然而，风能和太阳是极不稳定的资源，随天气，气候，地点的变化而变化，这就给资源的利用增加了很大的难度，并使得系统的运行很不平稳。如果将这样的系统接入电网，就有可能造成电网的运行问题，甚至会使电网崩溃。
3. 成本问题
风光互补发电系统具有很大的优势，不需要提供燃料就能够工作，相对来说，风能和太阳能资源比较丰富，随意整个系统的运行成本非常低。但是风光互补发电系统的造价非常昂贵，风力发电机，太阳能电池板的价格都比较高，如果没有政府的支持，在推广方面还面临着许多的问题。
4. 推广过程中会产生的问题
在一些边远地区，农村地区，海岛，高速公路，野外活动等方面风光互补发电系统应用很广泛。但存在许多技术问题，比如蓄电池中含有大量的重金属，由于蓄电池的使用寿命有限，使得蓄电池在使用过程中会对周围的环境造成很大的污染。
3.风光互补发电系统的目的和任务
3.1本次设计的目的
风光互补发电利用了两种当前应用较广泛的可再生能源，是一种经济可行的发电方式。本次设计的目的是为了完善风光互补发电系统，从而对各个部分进行合理有效的控制，方能使系统运行在安全，稳定的状态，并提高效率，延长寿命。良好的风光互补发电系统不但可以解决远离电网地区独立供电的问题，而且将成为微电网研究所关注的重要内容。对现有的独立风光互补发电系统控制技术进行归纳和分类，分析各种控制技术的工作原理，特点，实现方法及适用场合，为进一步应用提供参考。
3.2 本次设计的任务
本次设计要求设计制作一款小型风光混合型发电装置，能为LED灯提供电能实现照明。具体要求如小：
1.所完成的风光互补发电装置能够提供3-9V/3W的稳定直流电能输出；
2.能显示剩余电量，系统异常时能及时报警。
4.设计路线
2.明确设计目的
1.查阅资料
3.明确设计方案
4.研究设计
5.综合调试
6.成果总结
设计流程

5.风光互补发电系统的结构及控制策略
5.1 风光互补发电系统的结构

图5.1 风光互补发电系统的结构
如上图5.1，风光互补发电系统主要由风力发电机组，太阳能光伏电池组，控制器，蓄电池及负载几部分组成的一种复合可再生能源发电系统。
5.1.1风力发电部分
由风力机，传动机构，发电机组成。利用风力机捕获风能并将其转换为机械能，然后通过风力发电机将机械能转换成电能。
（1） 风力机：水平轴风力机（如图5.2）和垂直轴风力机（如图5.3）
一般采用采用垂直轴风力发电机，因为从结构，风能利用，环保方面都比水平轴风力发电机更有优势：

图5.2 水平轴风力机 图5.3 垂直轴风力机
a.结构上，垂直轴风力发电机传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维护且不需要迎风装置，简化了结构。
b.在风能利用上，垂直轴风能利用率在40%以上，不存在“对风损失”，而水平轴风力机风能利用率只有23%-29%。
c.环保方面，水平轴风力机在高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪声，而垂直轴风机速度低，几乎不产生气动噪声。
（2）传动机构
一般包括低速轴，高速轴，齿轮箱，联轴节和制动器等。
（3）发电机
在电力系统中承担着机械能到电能转化的过程，他直接影响这个转换过程的性能，效率和供电质量。一般有三相永磁同步发电机，直流发电机，电磁式发电机，磁阻式发电机和感应式发电机等。本次设计采用12V/6W的风力发电机。
5.1.2太阳能发电部分
利用”光生伏特效应” 将太阳光辐射转换成电能，太阳能电池是由半导体材料制成的，太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子-空穴对，成为“光生载流子”两者的电性相反；然后，电性相反的光生载流子被半导体PN结所产生的静电场分离开；最后光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正负极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。本次设计采用18V/5W,315*190*17mm的单晶硅光伏太阳能电池板。
太阳能电池相当于与受光面平行的极薄P-N结的大面积等效二极管，因此可以假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源并联的等效电路，如图5.4示。

图5.4 太阳能电池的理想状态等效电路
5.1.3锂电池
在小型风光互补发电系统中，蓄电池是必不可少的辅助设备 。它有三个作用：
1.储能：由于风能和太阳能的不确定性，在风能和太阳能充足的条件下储存供给负载后多余的电能，在风力和日照不佳的情况下，给负载供能；
2.稳压：风力发电机的转速和电压取决于风速的大小，由于风的随机性很强，使得电压浮动大，通过蓄电池可以使电压保持稳定；
3.风光互补：风力发电机与光伏发电是两个独立发电系统，在不同时刻不同地域发电强度有很大差别，利用蓄电池可以实现两者的互补。
本次设计采用3.7V/2000mah的锂电池作为储能装置。蓄电池工作于半浮充制运行方式，所谓半浮充制就是负载一段时间由蓄电池供电，另一段时间由整流设备供电，并且这段时间给蓄电池补给电量。
5.1.4 控制器
控制器是整个风光互补发电系统的核心。根据日照强度，风力大小及负载的变化，不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节:一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池储存。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证率整个系统工作的连续性和稳定性。本次设计采用8051单片机，在一块芯片上集中了CPU,RAM,定时器/计数器和多功能的I/O线等计算机所需要的基本功能部件。他们都是通过片内单一总线连接而成，并采用了特殊功能寄存器SFR的集中控制方法。
1. 8051单片机有三个存储空间：
A. 片内外统一编制的64K的程序存储器地址空间（MOVC）,用于存放用户程序，数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，此时的单片机的EA端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051，正常运行时，则接高电平，使CPU从内部的程序存储器中读取程序，当PC值超过内部的ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。当EA=1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。当EA=0时，程序从外部存储器开始执行。
程序内存ROM寻址范围：0000H~FFFFH。其中：
0003H～000AH 外部中断0中断地址区
000BH～0012H定时/计数器0中断地址区
0013H～001AH外部中断1中断地址区
001BH～0022H定时/计数器1中断地址区
0023H～002AH串行中断地址区
B. 256B的片内数据存储器的地址空间（MOV），作数据缓冲器用，物理上分为00H~7FH即12B内RAM和SFR（80H～FFH）区。
C. 64K的片外数据存储器的地址空间(MOVX)
2.通用寄存器区（00F～1FH），见表5.1
表5.1
组
RS1 RS0
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
0
0 0
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
07H
1
0 1
08H
09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
2
1 0
10H
11H
12H
13H
14H
15H
16H
17H
3
1 1
18H
19H
1AH
1BH
1CH
1DH
1EH
1FH
3.高128区（80H～FFH）见表5.2

表5.2
符号
地址
功能介绍
TCON
88H
定时器/计数器控制寄存器
DPH
83H
数据地址指针（高8位）
DPL
82H
数据地址指针（低8位）
SP
81H
堆栈指针
P0
80H
PO口锁存器
PCON
87H
电源控制寄存器
B
F0H
B寄存器
ACC
E0H
累加器
PSW
D0H
程序状态字
IP
B8H
中断优秀级控制寄存器
P3
B0H
P3口锁存器
IE
A8H
中断优先级控制寄存器
P2
A0H
P2口锁存器
SBUF
99H
串行口锁存器
SCON
98H
串行口控制寄存器
P1
90H
P1口锁存器
TH1
8KH
定时器/计数器1（高8位）
TH0
8CH
定时器/计数器1（低8位）
TL1
8BH
定时器/计数器0（高8位）
TL0
8AH
定时器/计数器0（低8位）
TMOD
89H
定时器/计数器方式控制寄存器

5.1.5 负载
包括直流负载和卸荷负载。其中卸载电路的主要作用是当风速很高时，但任未达到过速保护的状态时，系统依旧需要给负载和蓄电池供电，为了减少大风给开关及其电路造成的损坏，控制器可以开启卸载电路，使一部分功率在卸载电路消耗掉，从而减少大风对控制器的冲击；
本设计中的直流负载是LED灯。LED照明灯是一种节能光源，发光稳定，无污染，没有频闪，具有很高的安全性，相对于普通照明装置节电40%～60%。LED灯的低压、低功耗、高亮度决定了LED灯照明系统可以采用小型风光互补发电机供电。并且LED光源可省去逆变器，从而降低风光互补照明装置成本。
5.2风光互补发电系统的工作原理
离网风光互补发电设备既可以自动将太阳能发来不稳定的直流电调控为稳定的一定电压值的直流电，并自动按需输入蓄电池蓄存；又可以同步自动将风能发来不稳定的三相交流电调控、逆变为稳定的一定电压值直流电，且又可同步自动按需输入蓄电池蓄存。随之再将蓄电池所蓄存的直流电依需要供直流LED灯照明。
5.3小型风光互补发电系统的控制策略
主控制电路通常采用PLC或单片机，DSP等控制芯片，通过控制DC/DC变换器实现功率变换，同时还可以对各种信息，参数进行数据采集，处理，从而实现设备保护，风险预警等功能。
5.3.1. 本设计将对两种独立发电进行独立控制
1．太阳能电池板的控制
自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，光伏电池板的输出是非线性的，而且输出受光照强度，温度和负载特性的影响。为了在相同日照强度下使太阳能光伏电池的输出功率保持最大值，这就是最大功率点跟踪控制（MPPT）。目前，主要的太阳能电池板MPPT控制技术主要有恒压控制和扰动控制两种。
A.恒压控制法（CVT）
在相同温度，不同光照强度下，太阳能电池板的最大功率点P近视处于某一恒定的电压值V附近，因此，只需要通过调节DC/DC变换器的占空比改变负载阻抗，使电池板的输出电压稳定在V附近，便可实现MPPT控制。控制框图如图5.5。但是在不同温度下，V的值不是一个定值，尤其是在温度变化比较大的情况下，这种影响更为明显。由于这种控制方法比较简单，容易实现，因此在温度变化不是很明显的情况下，经常采用。

图 5.5CVT控制框图

B.扰动观察法（P&O）
是目前研究较多且常用的MPPT控制方法。控制对象可以是太阳能电池板的电压或者电流。工作原理为：周期性的给对象加扰动，比较输出功率与加扰动前的输出功率的大小，若功率增加则在下一个周期以相同的方向加扰动；反之，则改变扰动方向，如图5.6。

图5.6 扰动观察法控制框图
P&O结构简单，被测参数少，容易实现，是一种真正的最大功率跟踪。但是也存在一些问题，系统在最大功率点附近会产生震荡；步长较小时太阳能电池板容易工作于低功率输出区，而步长较大时最大功率点附近的波动又会加大；当外部环境发生较快变化时，很有可能发生误判等缺点。该方法适用于光照强度变化较小及对电能质量要求不高的场合。为了增加控制的精度，可以采用变步长扰动观察法。
上述两种控制方法各有优点，前者控制简单，但受温度影响大，后者可以跟踪不同温度下的最大功率点，但是存在波动，不利于系统的稳定。根据实际需要，本文将两者结合起来，首先根据经验值V，采用CVT启动，因为CVT发具有良好的启动特性，然后采用扰动观察法，取得最大功率点，这样便获得一个最大功率点处的V，由于温度不可能突变，因此在一定时间内，光伏发电系统的V基本保持不变；然后采用CVT法，将系统的输出电压控制在测得的V附近。过一段时间后，重复上述步骤，实现光伏发电系统最大功率输出控制。
如图5.7为光伏系统MPPT控制器充放电主回路及控制电路框图。太阳能光伏阵列发出的直流电经过控制器对蓄电池充电，在蓄电池未充满时，控制器的作用是最大限度地对其充电；当蓄电池被充满时，控制器切断充电电路，使系统处于停充状态。当蓄电池放电至接近过放电压时，控制器将 发出储能器件电量不足告警并切断放电电路，以保护蓄电池。

图5.7光伏系统MPPT控制器控制电路框图
如果将MPPT电路串联在光伏和负载之间，光伏板产生的所有电能都有经过DC/DC变换器进行处理，因此整个光伏发电系统的效率就依赖于DC/DC变换器的效率，而本次设计将MPPT电路与之并联，这样只有一少部分光伏板产生的电能经过DC/DC变换器，可以大大提高光伏板的利用效率。
2．风力发电机的控制：最大功率给定法
通过测量风力发电机转速来推测风力机的最佳叶尖速比，根据与风机的最大输出功率，将作为发电机功率的给定，而最大输出功率与风能利用系数有关，对于某一定值时，达到最大值，风力机输出最大机械功率，与系统输出的实际功率进行比较，其误差通过PID调节 后产生PWM信号来调节DC/DC变换器的占空比而实现MPPT控制，如图5.8，其中＜0.593。

图5.8最大功率给定法控制框图

图5.9 叶尖速比与关系
由于风的随机性，风速经常变化，使得经常不能工作在最大点上，风机常常处于低效状态。可以控制风机，使其变速运行，在很大风速范围内，让处于或接近于最大值运行，使得叶尖速比处于附近，实现最大程度的利用风能，也就是常说的最大功率点跟踪控制。图8喂叶尖速比与关系。
与有如下关系： =
K=0.5/
式中，为空气密度；为最大风能利用系数；R为风轮机半径；为风轮机的角速度。控制过程中，发电机转速可以根据输出交流电压频率与转速之间关系获得，整个系统无需机械传感器，提高了可靠性。
5.3.2. 对锂电池的控制
1.充电控制
根据蓄电池的特性可知，在蓄电池电压较低时，其接受电流的能力较强，允许充电电流较强；随着蓄电池电压的上升，接受电流的能力逐渐减弱。为了保护蓄电池，必须降低充电电流，理想充电电压电流曲线如图5.10所示。T1时刻之前，蓄电池接受电流能力较强，采用恒流充电（采用大电流给蓄电池充电）；到达T1时刻后，蓄电池电压较高，接受电流能力下降，采用恒压给蓄电池充电。

图5.10 蓄电池理想充电曲线
本设计的风光互补发电系统，可以对两个充电模块进行单独充电控制。由于太阳能光伏发电相对比较稳定，而风力发电机波动性比较强，但本系统以风力发电的供电为主，即充电过程中优先选用光伏充电，因为很稳定，在光伏充电电流I的基础上，控制风力发电充电电流I，使得满足蓄电池充电要求。I=I+ I，将蓄电池的充电过程分为三个阶段，如图5.11所示。

图5.11蓄电池实际充电电流曲线
A. 限流充电阶段：采用限流充电的电流最大上限可以设定为理想充电的恒流值，或略高一点。这时光伏发电采用MPPT控制，是光伏太阳能电池板工作在最大功率点附近，最大程度使用太阳能；风力发电部分在满足I=（I+ I）≤的情况下采用最大功率点跟踪控制方式，尽可能多的利用风能发电，当I=（I+ I）＞时，放弃风力发电的MPPT控制，必须舍弃一部分风机功率，维持充电电流小于等于。
B. 恒压充电阶段：一般蓄电池容量达到95%时，采用恒压充电。在这个阶段，控制蓄电池的充电电压为一个恒定值，只需一个PI控制分别控制风力发电和光伏发电。
C. 浮充阶段：在这个充电阶段，是为了弥补由于蓄电池自放电造成的储能损失。通过调节电流使蓄电池维持在浮充电压之上。
采用分段式充电方法就是将整个充电过程进行分段控制，每一段采用一种充电方法。蓄电池的充电控制主要有：二段式和三段式。
1）二段式充电
先以恒定电流充电至预定的电压值—再以恒定的电压进行充电。一般情况两阶段的转换电压即为第二阶段的恒定电压。采用二段式控制，蓄电池初期不会出现大电流，后期也不会出现高电压。
2）三段式充电。可最大限度的利用了蓄电池的容量，同样延长了蓄电池的使用寿命。
①大电流充电-限流充电-浮充。先对蓄电池进行大电流充电，使电池电压迅速上升至阈值电压（电池容量80%左右），然后利用限流充电进行补充充电，逐渐降低充电电流至浮充电压时电池基本充满，最后进行小电流充电（浮充），以弥补蓄电池的自放电。
②恒流充电-恒压充电-浮充。先对蓄电池采用恒流充电，蓄电池达到一定容量后，采用恒压充电，在蓄电池容量达到额定容量的80%~90%时，对蓄电池进行浮充，但这一阶段的充电电压要比恒压阶段低。
2.放电控制：采用电压控制法，在蓄电池组进行放电时，维持蓄电池输出电压稳定，保证负载变化时能够及时提供足够的能量。
3.运行保护控制：蓄电池的过充过放保护控制。
当蓄电池组的电压接近于蓄电池过放电压时，系统报警；到达蓄电池过放电保护阈值电压时，切除负载供电回路，蓄电池停止放电，当蓄电池电压再次上升到蓄电池启动电压时才允许重新放电；当蓄电池处于过充状态时，提前发出报警信号，切断风力发电和太阳能发电部分对蓄电池充电，防止进一步充电。
6.设计（论文）的预期结果
1.通过收集阅读与设计题目相关的中外文资料，完成具体合理的设计方案；
2.完成风光互补放电装置设计，制作，调试与发电效果评价；
3.所完成的风光互补放电装置能提供3-9V/3W的稳定直流电能输出，并能显示剩余电量，系统异常时能及时报警；
7.设计各阶段内容

设计（论文）的进程安排
序号
设计（论文）各阶段内容
起止日期
1
收集相关资料并整理，了解工作任务，准备毕业设计开题答辩
2015.03.23～2015.04.03
2
确定小型风光发电装置设计方案，明确设计重难点
2015.04.07～2014.04.10
3
模块设计，仿真优化，硬件参数确定，控制软件程序编写调试，装置制作调试
2015.04.13～2015.05.08
4
系统连调，放电效果测试分析，整改及程序优化
2015.05.11～2015.05.22
5
撰写毕业设计报告（论文）
2015.05.25～2015.05.29
6
准备毕业设计报告（论文）
2015.05.25～2015.05.29
7
毕业设计（论文）答辩
2015.06.08～2015.06.10

参考文献
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