專利名稱：基于風光互補的音樂噴泉系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于音樂噴泉技術領域，具體涉及一種基于風光互補的音樂噴泉系統。
背景技術：
隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，人們越來越注重居住環境的改善和美化，在城市建設與規劃中，人們對休閑場所的建設提出更高的要求，各種休閑廣場、公園的建設也越來越美化，其中音樂噴泉系統以聲、光、水、色結合的獨特效果成為城市景觀建設的重要組成部分。然而，目前的音樂噴泉系統來說，系統采用的是電網供電方式。隨著一次性化石能源煤炭、石油、天然氣等被瘋狂開采，傳統能源日益枯竭，開發、尋找、應用新的綠色能源已迫在眉睫。新型能源比如太陽能、核能、風能、地熱、潮汐能等也得到了日益發展；其中太陽能和風能以儲量巨大、持續長久、綠色環保等優點分別贏得了廣泛關注。而風光互補發電系統已經成為最合理的獨立電源系統，充分利用風光互補發電能夠減少采用單一資源可能造成的電力供應不足或不平衡，提高系統的性價比與供電可靠性。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于風光互補的音樂噴泉系統，將音樂噴泉和風光互補發電系統相結合，降低了能耗，保護了資源，具有可靠性高和供電穩定的特點。為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是基于風光互補的音樂噴泉系統，包括風光互補發電電源，由風力發電系統、太陽能發電系統和蓄電池組成，風力發電系統的電力輸出經整流和DC/DC變換后，由控制器控制輸入到負載或者為蓄電池充電，太陽能發電系統的電力輸出經DC/DC變換后，由控制器控制輸入到負載或者為蓄電池充電，風力發電系統與太陽能發電系統經直流母線并聯運行；控制系統，包括風光互補協調控制器，風光互補協調控制器預先對無風和無陽光對應的電信號閾值進行設定，然后根據外接的采集光強用光線感應器采集的光強信號和采集風力用風速傳感器采集的風力信號，得到四種氣象條件，分別是有風有陽光、有風無陽光、無風有陽光以及無風無陽光，根據該四種氣象條件，風光互補協調控制器對風力發電系統、太陽能發電系統、蓄電池及負載的工作狀態進行實時監測，并根據蓄電池的荷電狀態和用電負載的情況，對蓄電池的充放電狀態、風力發電系統以及太陽能發電系統的發電狀態進行協調控制，協調控制方案包含最大功率點跟蹤控制、負載功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制及發電機超速保護控制，設定Pw為風力發電機輸出功率，I3S為光伏電池的輸出功率，Pl為負載消耗的功率，Pb為蓄電池可以接受的充電功率，則協調控制方案如下有風有陽光，風力發電系統和太陽能發電系統并行工作如果0 < Pw+Ps-PL < IV則風力發電系統工作于最大功率點，太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態；
如果Pw+Ps-h> IV則風力發電系統工作于負載功率點，為負載供電，太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態；如果Pw+PS-Pl<0，則風力發電系統工作于最大功率點，太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于放電狀態；有風無陽光，風力發電系統單獨工作，太陽能發電系統停止工作如果Pw > Pl且0 < Pw-PL < 1\，則風力發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態；如果Pw > Pl且PW-PL > IV則風力發電系統工作于負載功率點，蓄電池處于充電狀態；如果風力發電系統的發電機轉速達到極限值，則風力發電系統進行能耗負載卸荷，消耗多余能量的能耗負載去掉，蓄電池處于充電狀態；如果Pw < &，則風力發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于放電狀態；如果蓄電池的電池端電壓低于規定值，則風力發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態，該規定值是指蓄電池的放電終止電壓值；無風有陽光，太陽能發電系統單獨工作，風力發電系統停止工作如果I^s > P[且0 < I3S-P^ < IV則太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態；如果I^s > Pl且I3S-PL > IV則太陽能發電系統工作于負載功率點，蓄電池處于充電狀態；如果I^s < &，則太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于放電狀態；如果蓄電池的電池端電壓低于規定值，則太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態，該規定值是指蓄電池的放電終止電壓值；無風無陽光，太陽能發電系統和風力發電系統都停止工作如果有負載用電，則蓄電池處于放電狀態；如果蓄電池的電池端電壓低于規定值，則蓄電池進行去負載，以保護電池，該規定值是指蓄電池的放電終止電壓值；音樂噴泉控制系統，包括第二控制器，第二控制器從揚聲器兩端采集音樂節奏信號，音樂的節奏信號經第二控制器處理后轉換成相應的頻率信號，該頻率信號經過信號轉換電路和信號調理電路轉換成控制器可以識別的電壓或電流信號，并送入調速控制器的控制端去實現電機的調速；執行機構，由水泵去實現，電機控制，根據電機不同的轉速提供不同的水壓從而使水通過噴頭噴灑出來具有特定形狀的水花。所述風光互補協調控制器采用PWM無極卸載方式控制風力發電系統和太陽能發電系統對蓄電池進行智能充電。所述電機為單相異步電機。所述電機的調速方法采用調壓調速的方式，采用雙向晶閘管調壓，用調速控制器實現雙向晶閘管導通角的控制，從而來改變電機兩端的平均電壓來實現異步電機的調速。與現有技術相比，本發明的優點是(1)采用小型風光互補獨立電源系統供電，全面利用風能和太陽能自然資源為音樂噴泉系統供電，緩解了電網用電的壓力，同時又節約了能源，經濟環保。(2)風光互補協調控制器采用FPGA，充分利用了 FPGA的內部資源來產生PWM波， 降低了系統硬件難度，同時也節約了成本。(3)系統采用風光互補協調控制策略，使得風光互補發電系統能夠可靠和連續運行。


圖1是風光互補音樂噴泉總體框圖。圖2是風光互補發電系統控制結構。圖3是蓄電池電壓檢測電路。圖4是蓄電池電壓檢測電路。圖5是基于單片機的音樂噴泉系統。圖6是頻率電壓轉換電路。圖7是異步電機速度控制電路。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。參見附圖1，風光互補音樂噴泉系統主要由風力發電系統，太陽能發電系統，DC/DC 模塊，風光互補協調控制器，蓄電池，卸荷回路，逆變器和音樂噴泉系統組成。風力發電系統的輸出通過整流和DC/DC變換后，太陽能發電系統的輸出通過DC/DC變換后，都由由風光互補協調控制器控制通過逆變器與音樂噴泉系統連接，同時根據風光互補協調控制器的控制選擇是否為蓄電池充電。參見附圖2，風光互補發電系統中，光伏陣列將太陽能轉化為電能，產生直流電，通過DC/DC變換器輸出到直流母線上。風力發電機將風能轉變成電能，產生的是交流電，經整流后通過DC/DC變換器輸出到直流母線上。控制器的主要功能是根據風和光的自然條件， 確定系統運行狀況，可由系統兩部分聯合供電或單獨供電，通過分別調節系統兩部分的DC/ DC變換器以實現最大功率控制、蓄電池充電控制和負載跟蹤控制等。蓄電池是風光互補發電系統的儲能裝置，主要作用是為了盡量消除由于天氣等原因引起的能量供應和需求的不平衡，在整個系統中起到能量調節和平衡負載的作用。逆變器的作用是將直流電轉變成交流電。風力發電系統的作用是，當風力達到一定的風速時，風力發電機組將風能轉換為交流形式的電能，但由于所產生的交流電壓不太穩定，需要通過整流器整流，給蓄電池充 H1^ ο太陽能發電系統的作用是，將太陽能直接轉換成直流形式的電能，并向蓄電池充 H1^ ο所述的蓄電池起著儲存和調節電能的作用，當日照充足或風力很大導致產生的電能過剩時，蓄電池將多余的電能儲存起來；當系統發電量不足或負荷用電量增加時，則由蓄電池向負荷補充電能，并保持供電電壓的穩定。所述的風光互補協調控制器是整個系統的核心，采用FPGA實現PWM波的生成和風光互補發電協調控制和蓄電池的充放電狀態的切換。直接調用FPGA內部資源(數字比較器和鋸齒波發生器)就可以產生2路PWM波形，2路PMW波的輸出端分別與光伏模塊和風電模塊的控制端相連接，這樣在FPGA中，通過軟件進行控制算法的優化來調節PWM的占空比， 即調節DC/DC變換器的控制端電壓來實現最大功率點跟蹤控制。同時，FPGA接收蓄電池的電流和電壓信號，通過輔助外圍電路和控制算法，該控制器可根據日照的強弱、風力的大小及負荷的變化，不斷對蓄電池的工作狀態進行切換和調節，使其在充電、放電或去負載等多種工況下交替運行，以保證風力、光伏及互補發電系統工作的連續性和穩定性。蓄電池的電流檢測電路見圖3，電流互感器的3腳接地，0腳(電流輸出端1)與 3 (電流輸出端2)腳之間通過電阻Rl連接，0腳通過電阻R2連接放大器A3的反相端，放大器A3的反相端與輸出端之間連接并聯的電阻R3和電容Cl，放大器A3的同相端接地，輸出端接電阻R4的一端，R4的另一端通過電容C2接地，R4的另一端同時接二極管Dl的陽極， 二極管Dl陰極接+5V電壓，完成對蓄電池的充放電電流檢測。電池的電壓檢測電路見圖4，放大器Al的反相端與輸出端之間接電容R7，放大器 Al的同相端接電阻R6(R5和R6使用0. 的高精度電阻)，適當的選擇R5和R6可以將蓄電池的電壓轉化為可供信號調理的低壓信號。放大器Al起到隔離緩沖并減小輸出阻抗的作用。A2、A3和HCNR201構成了信號調理和電氣隔離電路，同時為了提高檢測電路的精度和線性度，檢測電路中的運算放大器均采用CAJ3140。控制器采用PWM無極卸載方式控制風機和太陽能電池對蓄電池進行智能充電。在太陽能電池板和風力發電機所發出的電能超過蓄電池存儲能量時，控制系統必須將多余的能量消耗掉，但能量全部消耗在卸荷上，從而造成了能量的浪費。有的則采用分階段接上卸荷，階段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六級左右，所以效果仍不夠理想。最好的控制方式是采用PWM方式進行無極卸載，既可以達到上千級的卸載。所以，在正常卸載情況下，可確保蓄電池電壓始終穩定在浮充電壓點，而只是將多余的電能釋放到卸荷上。從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用。按照氣象條件的變化，風光互補發電系統主要有風電系統與光伏系統聯合工作、 風電系統單獨工作、光伏系統單獨工作以及蓄電池單獨工作4種運行模式。隨著氣象條件和負載的不斷變化，上述工作模式或工作狀態之間相互轉換。具體的控制策略如表1所示。表1風光互補發電協調控制和控制策略
權利要求
1.基于風光互補的音樂噴泉系統，其特征在于，包括風光互補發電電源，由風力發電系統、太陽能發電系統和蓄電池組成，風力發電系統的電力輸出經整流和DC/DC變換后，由控制器控制輸入到負載或者為蓄電池充電，太陽能發電系統的電力輸出經DC/DC變換后，由控制器控制輸入到負載或者為蓄電池充電，風力發電系統與太陽能發電系統經直流母線并聯運行；控制系統，包括風光互補協調控制器，風光互補協調控制器預先對無風和無陽光對應的電信號閾值進行設定，然后根據外接的采集光強用光線感應器采集的光強信號和采集風力用風速傳感器采集的風力信號，得到四種氣象條件，分別是有風有陽光、有風無陽光、無風有陽光以及無風無陽光，根據該四種氣象條件，風光互補協調控制器對風力發電系統、太陽能發電系統、蓄電池及負載的工作狀態進行實時監測，并根據蓄電池的荷電狀態和用電負載的情況，對蓄電池的充放電狀態、風力發電系統以及太陽能發電系統的發電狀態進行協調控制，協調控制方案包含最大功率點跟蹤控制、負載功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制及發電機超速保護控制，設定Pw為風力發電機輸出功率，Ps為光伏電池的輸出功率，Pl 為負載消耗的功率，Pb為蓄電池可以接受的充電功率，則協調控制方案如下 有風有陽光，風力發電系統和太陽能發電系統并行工作如果0 < Pw+Ps-h < IV則風力發電系統工作于最大功率點，太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態；如果Pw+Ps-h> IV則風力發電系統工作于負載功率點，為負載供電，太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態；如果Pw+Ps-h<0，則風力發電系統工作于最大功率點，太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于放電狀態；有風無陽光，風力發電系統單獨工作，太陽能發電系統停止工作 如果Pw > P[且0 < Pw-P^ < Pb,則風力發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態；如果PwIV則風力發電系統工作于負載功率點，蓄電池處于充電狀態；如果風力發電系統的發電機轉速達到極限值，則風力發電系統進行能耗負載卸荷，消耗多余能量的能耗負載去掉，蓄電池處于充電狀態；如果Pw < &，則風力發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于放電狀態； 如果蓄電池的電池端電壓低于規定值，則風力發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態，該規定值是指蓄電池的放電終止電壓值；無風有陽光，太陽能發電系統單獨工作，風力發電系統停止工作 如果I^s > &且0 < I^s-K < IV則太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態；如果I3S > &且I3S-K > IV則太陽能發電系統工作于負載功率點，蓄電池處于充電狀態；如果I^s < &，則太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于放電狀態； 如果蓄電池的電池端電壓低于規定值，則太陽能發電系統工作于最大功率點，蓄電池處于充電狀態，該規定值是指蓄電池的放電終止電壓值；無風無陽光，太陽能發電系統和風力發電系統都停止工作；如果有負載用電，則蓄電池處于放電狀態；如果蓄電池的電池端電壓低于規定值，則蓄電池進行去負載，以保護電池，該規定值是指蓄電池的放電終止電壓值；音樂噴泉控制系統，包括第二控制器，第二控制器從揚聲器兩端采集音樂節奏信號，音樂的節奏信號經第二控制器處理后轉換成相應的頻率信號，該頻率信號經過信號轉換電路和信號調理電路轉換成控制器可以識別的電壓或電流信號，并送入調速控制器的控制端去實現電機的調速；執行機構，由水泵去實現，電機控制，根據電機不同的轉速提供不同的水壓從而使水通過噴頭噴灑出來具有特定形狀的水花。
2.根據權利要求1所述的音樂噴泉系統，其特征在于，所述風光互補協調控制器采用 PWM無極卸載方式控制風力發電系統和太陽能發電系統對蓄電池進行智能充電。
3.根據權利要求1所述的音樂噴泉系統，其特征在于，所述電機為單相異步電機。
4.根據權利要求3所述的音樂噴泉系統，其特征在于，所述電機的調速方法采用調壓調速的方式，采用雙向晶閘管調壓，用調速控制器實現雙向晶閘管導通角的控制，從而來改變電機兩端的平均電壓來實現異步電機的調速。
全文摘要
基于風光互補的音樂噴泉系統，包括風光互補發電電源，由風力發電系統、太陽能發電系統，蓄電池和音樂噴泉系統組成；控制系統，包括風光互補協調控制器，風光互補協調控制器預先對無風和無陽光對應的電信號閾值進行設定，然后根據外接的采集光強用光線感應器采集的光強信號和采集風力用風速傳感器采集的風力信號，得到四種氣象條件，根據該四種氣象條件，風光互補協調控制器對風力發電系統、太陽能發電系統、蓄電池及負載的工作狀態進行實時監測并進行協調控制；以及音樂噴泉控制系統和執行機構，本發明采用風光互補協調控制策略，使得風光互補發電系統能夠可靠和連續運行。
文檔編號B05B12/00GK102527569SQ20121000667
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者于新穎, 張玲, 李明勇, 杜紅霞, 楊浩, 鄭恩讓, 靳亞麗 申請人:陜西科技大學