CN102527569A - 基于风光互补的音乐喷泉*** - Google Patents
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Abstract
基于风光互补的音乐喷泉***，包括：风光互补发电电源，由风力发电***、太阳能发电***，蓄电池和音乐喷泉***组成；控制***，包括风光互补协调控制器，风光互补协调控制器预先对无风和无阳光对应的电信号阈值进行设定，然后根据外接的采集光强用光线感应器采集的光强信号和采集风力用风速传感器采集的风力信号，得到四种气象条件，根据该四种气象条件，风光互补协调控制器对风力发电***、太阳能发电***、蓄电池及负载的工作状态进行实时监测并进行协调控制；以及音乐喷泉控制***和执行机构，本发明采用风光互补协调控制策略，使得风光互补发电***能够可靠和连续运行。
Description
技术领域
本发明属于音乐喷泉技术领域，具体涉及一种基于风光互补的音乐喷泉***。
背景技术
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们越来越注重居住环境的改善和美化，在城市建设与规划中，人们对休闲场所的建设提出更高的要求，各种休闲广场、公园的建设也越来越美化，其中音乐喷泉***以声、光、水、色结合的独特效果成为城市景观建设的重要组成部分。然而，目前的音乐喷泉***来说，***采用的是电网供电方式。随着一次性化石能源煤炭、石油、天然气等被疯狂开采，传统能源日益枯竭，开发、寻找、应用新的绿色能源已迫在眉睫。新型能源比如太阳能、核能、风能、地热、潮汐能等也得到了日益发展；其中太阳能和风能以储量巨大、持续长久、绿色环保等优点分别赢得了广泛关注。而风光互补发电***已经成为最合理的独立电源***，充分利用风光互补发电能够减少采用单一资源可能造成的电力供应不足或不平衡，提高***的性价比与供电可靠性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于风光互补的音乐喷泉***，将音乐喷泉和风光互补发电***相结合，降低了能耗，保护了资源，具有可靠性高和供电稳定的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
基于风光互补的音乐喷泉***，包括：
风光互补发电电源，由风力发电***、太阳能发电***和蓄电池组成，风力发电***的电力输出经整流和DC/DC变换后，由控制器控制输入到负载或者为蓄电池充电，太阳能发电***的电力输出经DC/DC变换后，由控制器控制输入到负载或者为蓄电池充电，风力发电***与太阳能发电***经直流母线并联运行；
控制***，包括风光互补协调控制器，风光互补协调控制器预先对无风和无阳光对应的电信号阈值进行设定，然后根据外接的采集光强用光线感应器采集的光强信号和采集风力用风速传感器采集的风力信号，得到四种气象条件，分别是：有风有阳光、有风无阳光、无风有阳光以及无风无阳光，根据该四种气象条件，风光互补协调控制器对风力发电***、太阳能发电***、蓄电池及负载的工作状态进行实时监测，并根据蓄电池的荷电状态和用电负载的情况，对蓄电池的充放电状态、风力发电***以及太阳能发电***的发电状态进行协调控制，协调控制方案包含：最大功率点跟踪控制、负载功率跟踪控制、蓄电池充放电控制及发电机超速保护控制，设定Pw为风力发电机输出功率，Ps为光伏电池的输出功率，PL为负载消耗的功率，PB为蓄电池可以接受的充电功率，则协调控制方案如下：
有风有阳光，风力发电***和太阳能发电***并行工作：
如果0＜Pw+Ps-PL＜PB，则风力发电***工作于最大功率点，太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Pw+Ps-PL＞PB，则风力发电***工作于负载功率点，为负载供电，太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Pw+Ps-PL＜0，则风力发电***工作于最大功率点，太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于放电状态；
有风无阳光，风力发电***单独工作，太阳能发电***停止工作：
如果Pw＞PL且0＜Pw-PL＜PB，则风力发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Pw＞PL且Pw-PL＞PB，则风力发电***工作于负载功率点，蓄电池处于充电状态；
如果风力发电***的发电机转速达到极限值，则风力发电***进行能耗负载卸荷，消耗多余能量的能耗负载去掉，蓄电池处于充电状态；
如果Pw＜PL，则风力发电***工作于最大功率点，蓄电池处于放电状态；
如果蓄电池的电池端电压低于规定值，则风力发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态，该规定值是指蓄电池的放电终止电压值；
无风有阳光，太阳能发电***单独工作，风力发电***停止工作：
如果Ps＞PL且0＜Ps-PL＜PB，则太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Ps＞PL且Ps-PL＞PB，则太阳能发电***工作于负载功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Ps＜PL，则太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于放电状态；
如果蓄电池的电池端电压低于规定值，则太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态，该规定值是指蓄电池的放电终止电压值；
无风无阳光，太阳能发电***和风力发电***都停止工作
如果有负载用电，则蓄电池处于放电状态；
如果蓄电池的电池端电压低于规定值，则蓄电池进行去负载，以保护电池，该规定值是指蓄电池的放电终止电压值；
音乐喷泉控制***，包括第二控制器，第二控制器从扬声器两端采集音乐节奏信号，音乐的节奏信号经第二控制器处理后转换成相应的频率信号，该频率信号经过信号转换电路和信号调理电路转换成控制器可以识别的电压或电流信号，并送入调速控制器的控制端去实现电机的调速；
执行机构，由水泵去实现，电机控制，根据电机不同的转速提供不同的水压从而使水通过喷头喷洒出来具有特定形状的水花。
所述风光互补协调控制器采用PWM无极卸载方式控制风力发电***和太阳能发电***对蓄电池进行智能充电。
所述电机为单相异步电机。
所述电机的调速方法采用调压调速的方式，采用双向晶闸管调压，用调速控制器实现双向晶闸管导通角的控制，从而来改变电机两端的平均电压来实现异步电机的调速。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)采用小型风光互补独立电源***供电，全面利用风能和太阳能自然资源为音乐喷泉***供电，缓解了电网用电的压力，同时又节约了能源，经济环保。
(2)风光互补协调控制器采用FPGA，充分利用了FPGA的内部资源来产生PWM波，降低了***硬件难度，同时也节约了成本。
(3)***采用风光互补协调控制策略，使得风光互补发电***能够可靠和连续运行。
附图说明
图1是风光互补音乐喷泉总体框图。
图2是风光互补发电***控制结构。
图3是蓄电池电压检测电路。
图4是蓄电池电压检测电路。
图5是基于单片机的音乐喷泉***。
图6是频率电压转换电路。
图7是异步电机速度控制电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参见附图1，风光互补音乐喷泉***主要由风力发电***，太阳能发电***，DC/DC模块，风光互补协调控制器，蓄电池，卸荷回路，逆变器和音乐喷泉***组成。风力发电***的输出通过整流和DC/DC变换后，太阳能发电***的输出通过DC/DC变换后，都由由风光互补协调控制器控制通过逆变器与音乐喷泉***连接，同时根据风光互补协调控制器的控制选择是否为蓄电池充电。
参见附图2，风光互补发电***中，光伏阵列将太阳能转化为电能，产生直流电，通过DC/DC变换器输出到直流母线上。风力发电机将风能转变成电能，产生的是交流电，经整流后通过DC/DC变换器输出到直流母线上。控制器的主要功能是根据风和光的自然条件，确定***运行状况，可由***两部分联合供电或单独供电，通过分别调节***两部分的DC/DC变换器以实现最大功率控制、蓄电池充电控制和负载跟踪控制等。蓄电池是风光互补发电***的储能装置，主要作用是为了尽量消除由于天气等原因引起的能量供应和需求的不平衡，在整个***中起到能量调节和平衡负载的作用。逆变器的作用是将直流电转变成交流电。
风力发电***的作用是，当风力达到一定的风速时，风力发电机组将风能转换为交流形式的电能，但由于所产生的交流电压不太稳定，需要通过整流器整流，给蓄电池充电。
太阳能发电***的作用是，将太阳能直接转换成直流形式的电能，并向蓄电池充电。
所述的蓄电池起着储存和调节电能的作用，当日照充足或风力很大导致产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能储存起来；当***发电量不足或负荷用电量增加时，则由蓄电池向负荷补充电能，并保持供电电压的稳定。
所述的风光互补协调控制器是整个***的核心，采用FPGA实现PWM波的生成和风光互补发电协调控制和蓄电池的充放电状态的切换。直接调用FPGA内部资源(数字比较器和锯齿波发生器)就可以产生2路PWM波形，2路PMW波的输出端分别与光伏模块和风电模块的控制端相连接，这样在FPGA中，通过软件进行控制算法的优化来调节PWM的占空比，即调节DC/DC变换器的控制端电压来实现最大功率点跟踪控制。同时，FPGA接收蓄电池的电流和电压信号，通过辅助***电路和控制算法，该控制器可根据日照的强弱、风力的大小及负荷的变化，不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或去负载等多种工况下交替运行，以保证风力、光伏及互补发电***工作的连续性和稳定性。
蓄电池的电流检测电路见图3，电流互感器的3脚接地，0脚(电流输出端1)与3(电流输出端2)脚之间通过电阻R1连接，0脚通过电阻R2连接放大器A3的反相端，放大器A3的反相端与输出端之间连接并联的电阻R3和电容C1，放大器A3的同相端接地，输出端接电阻R4的一端，R4的另一端通过电容C2接地，R4的另一端同时接二极管D1的阳极，二极管D1阴极接+5V电压，完成对蓄电池的充放电电流检测。
电池的电压检测电路见图4，放大器A1的反相端与输出端之间接电容R7，放大器A1的同相端接电阻R6(R5和R6使用0.1％的高精度电阻)，适当的选择R5和R6可以将蓄电池的电压转化为可供信号调理的低压信号。放大器A1起到隔离缓冲并减小输出阻抗的作用。A2、A3和HCNR201构成了信号调理和电气隔离电路，同时为了提高检测电路的精度和线性度，检测电路中的运算放大器均采用CAJ3140。
控制器采用PWM无极卸载方式控制风机和太阳能电池对蓄电池进行智能充电。在太阳能电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储能量时，控制***必须将多余的能量消耗掉，但能量全部消耗在卸荷上，从而造成了能量的浪费。有的则采用分阶段接上卸荷，阶段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍不够理想。最好的控制方式是采用PWM方式进行无极卸载，既可以达到上千级的卸载。所以，在正常卸载情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，而只是将多余的电能释放到卸荷上。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用。
按照气象条件的变化，风光互补发电***主要有风电***与光伏***联合工作、风电***单独工作、光伏***单独工作以及蓄电池单独工作4种运行模式。随着气象条件和负载的不断变化，上述工作模式或工作状态之间相互转换。具体的控制策略如表1所示。
表1风光互补发电协调控制和控制策略
风光互补控制策略：控制器对风力发电机、太阳能电池阵列、蓄电池及用电负载的工作状态进行实时监测，并根据蓄电池的荷电状态和用电负载的情况，对蓄电池的充放电状态及风力发电机及光伏电池阵列的发电状态进行协调控制。协调控制方案主要包含最大功率跟踪控制、负载跟踪控制、蓄电池充放电控制及发电机超速保护控制策略。具体的协调控制和控制策略如表1所示。其中，Pw为风力发电机输出功率，Ps为光伏电池的输出功率，PL为负载消耗的功率，PB为蓄电池可以接受的充电功率。
参见附图5，音乐喷泉控制***包括第二控制器，可采用单片机作为该控制器。第二控制器从扬声器两端采集音乐节奏信号，音乐的节奏信号经第二控制器处理后转换成相应的频率信号，该频率信号经过信号转换电路和信号调理电路转换成变频器可以识别的电压或电流信号，并送入调速控制器的控制端去实现电机的调速；
使用单片机控制输出不同的频率信号，就可以产生不同的音调；利用单片机的计时***可以控制各个音调的时间，即实现节拍的控制。单片机将采集到的音乐的高低音与相应的频率对应，并将该频率通过I/O输出，输出的频率信号经过信号转换(F/V)和信号调理电路，最后变换成调速电路的控制端，并据此实现电机的调速。
输出的频率进行F/V转换的电路如图6所示，1脚是输出端(恒流源输出)，6脚为输入端(输入脉冲链)，7脚接参考电平。当6脚的输入负脉冲到达时，6脚电平低于7脚电平，C7由Vcc经R17充电，同时，LM331内部的恒流源与1脚接通，使C5充电，输出电压Vout成线性增大(恒流源对C5充电)。经过1.1R17C7，7脚电压增大到
时，C7和C5再次开始充电，然后经过1.1R17C7的时间C7和C5又开始放电。以后重复以上过程，于是就在6脚得到了一个直流电压Vout。
参见附图7，单相异步电机的调速方法采用调压调速的方式，采用双向晶闸管调压，调速控制器实现双向晶闸管导通角的控制，从而来改变电机两端的平均电压来实现异步电机的调速。其中Vin为音乐信号的高低音和音符经过频压转换电路后的输出电压，op1负端输入为与水泵交流电源同步的脉冲流，这个脉冲流与Vin在op1中进行比较输出与电源同步的脉冲，其低电平强度与声音信号成正比，通过U1控制CSR的导通角，从而来控制电机的转速来调整喷泉的输出高度。
最终，执行机构由水泵去实现，水泵由电机控制，根据电机不同的转速提供不同的水压从而使水通过喷头喷洒出来具有特定形状的水花。
Claims (4)
1.基于风光互补的音乐喷泉***，其特征在于，包括：
风光互补发电电源，由风力发电***、太阳能发电***和蓄电池组成，风力发电***的电力输出经整流和DC/DC变换后，由控制器控制输入到负载或者为蓄电池充电，太阳能发电***的电力输出经DC/DC变换后，由控制器控制输入到负载或者为蓄电池充电，风力发电***与太阳能发电***经直流母线并联运行；
控制***，包括风光互补协调控制器，风光互补协调控制器预先对无风和无阳光对应的电信号阈值进行设定，然后根据外接的采集光强用光线感应器采集的光强信号和采集风力用风速传感器采集的风力信号，得到四种气象条件，分别是：有风有阳光、有风无阳光、无风有阳光以及无风无阳光，根据该四种气象条件，风光互补协调控制器对风力发电***、太阳能发电***、蓄电池及负载的工作状态进行实时监测，并根据蓄电池的荷电状态和用电负载的情况，对蓄电池的充放电状态、风力发电***以及太阳能发电***的发电状态进行协调控制，协调控制方案包含：最大功率点跟踪控制、负载功率跟踪控制、蓄电池充放电控制及发电机超速保护控制，设定Pw为风力发电机输出功率，Ps为光伏电池的输出功率，PL为负载消耗的功率，PB为蓄电池可以接受的充电功率，则协调控制方案如下：
有风有阳光，风力发电***和太阳能发电***并行工作：
如果0＜Pw+Ps-PL＜PB，则风力发电***工作于最大功率点，太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Pw+Ps-PL＞PB，则风力发电***工作于负载功率点，为负载供电，太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Pw+Ps-PL＜0，则风力发电***工作于最大功率点，太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于放电状态；
有风无阳光，风力发电***单独工作，太阳能发电***停止工作：
如果Pw＞PL且0＜Pw-PL＜PB，则风力发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Pw＞PL且Pw-PL＞PB，则风力发电***工作于负载功率点，蓄电池处于充电状态；
如果风力发电***的发电机转速达到极限值，则风力发电***进行能耗负载卸荷，消耗多余能量的能耗负载去掉，蓄电池处于充电状态；
如果Pw＜PL，则风力发电***工作于最大功率点，蓄电池处于放电状态；
如果蓄电池的电池端电压低于规定值，则风力发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态，该规定值是指蓄电池的放电终止电压值；
无风有阳光，太阳能发电***单独工作，风力发电***停止工作：
如果Ps＞PL且0＜Ps-PL＜PB，则太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Ps＞PL且Ps-PL＞PB，则太阳能发电***工作于负载功率点，蓄电池处于充电状态；
如果Ps＜PL，则太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于放电状态；
如果蓄电池的电池端电压低于规定值，则太阳能发电***工作于最大功率点，蓄电池处于充电状态，该规定值是指蓄电池的放电终止电压值；
无风无阳光，太阳能发电***和风力发电***都停止工作；
如果有负载用电，则蓄电池处于放电状态；
如果蓄电池的电池端电压低于规定值，则蓄电池进行去负载，以保护电池，该规定值是指蓄电池的放电终止电压值；
音乐喷泉控制***，包括第二控制器，第二控制器从扬声器两端采集音乐节奏信号，音乐的节奏信号经第二控制器处理后转换成相应的频率信号，该频率信号经过信号转换电路和信号调理电路转换成控制器可以识别的电压或电流信号，并送入调速控制器的控制端去实现电机的调速；
执行机构，由水泵去实现，电机控制，根据电机不同的转速提供不同的水压从而使水通过喷头喷洒出来具有特定形状的水花。
2.根据权利要求1所述的音乐喷泉***，其特征在于，所述风光互补协调控制器采用PWM无极卸载方式控制风力发电***和太阳能发电***对蓄电池进行智能充电。
3.根据权利要求1所述的音乐喷泉***，其特征在于，所述电机为单相异步电机。
4.根据权利要求3所述的音乐喷泉***，其特征在于，所述电机的调速方法采用调压调速的方式，采用双向晶闸管调压，用调速控制器实现双向晶闸管导通角的控制，从而来改变电机两端的平均电压来实现异步电机的调速。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120704 |