北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司 王海龍

摘要：通過本文提出的風(fēng)光互補逆變系統(tǒng)，實現(xiàn)對風(fēng)機充電、太陽能充電和逆變電路的控制，輸出民用交流電，同時可通過調(diào)節(jié)BUCK電路的開關(guān)管的占空比來提高系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率。

關(guān)鍵詞：微處理器；充電控制；逆變器；占空比

1　概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于能源的需求與日俱增，傳統(tǒng)能源的日益枯竭、環(huán)境污染等問題，使可再生能源的開發(fā)成為當(dāng)下的主要研究方向。清潔能源中的風(fēng)能和光能是極具開發(fā)價值的資源，風(fēng)光互補逆變系統(tǒng)正是為解決將風(fēng)光能源轉(zhuǎn)化為日常所使用的電能而開發(fā)的一套實用型系統(tǒng)。本文介紹一種將風(fēng)機控制、太陽能控制以及逆變電路結(jié)合在一起，在微處理器控制下實現(xiàn)風(fēng)光互補控制逆變功能的裝置，可將風(fēng)光能源高效率地轉(zhuǎn)化為電能。常見的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 常見風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)

采用上述這種設(shè)計方案，風(fēng)機控制器、太陽能控制器和逆變電路都獨立工作，必然存在以下一些問題：整個系統(tǒng)中采用2套控制電路，重復(fù)投資；由于每套裝置都獨立工作，可以使各自都處于最佳工作狀態(tài)，但整個系統(tǒng)不一定運行于最佳工作狀態(tài)，資源利用率低；維護效率低，維護工作量大，而且傳統(tǒng)的風(fēng)機發(fā)電模式輸出功率受蓄電池電量的限制，并受轉(zhuǎn)化效率的影響容易造成資源的浪費。本文在傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出一種新的控制方法，可以提高風(fēng)電能源的轉(zhuǎn)化效率，提高資源的利用率。

2　主電路結(jié)構(gòu)圖（如圖2所示）

風(fēng)光互補逆變系統(tǒng)由光伏板和二極管串聯(lián)形成的光電支路、由風(fēng)力發(fā)電機和整流橋串聯(lián)形成的風(fēng)電支路、所述光電支路與所述風(fēng)電支路并聯(lián)向干路中的蓄電池充電，其中光電支路和風(fēng)電支路均串聯(lián)BUCK電路。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)還設(shè)有可對光電支路和風(fēng)電支路交替進行控制的MPPT控制裝置。克服現(xiàn)有風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機和光伏板的輸出功率遠(yuǎn)小于其最大輸出功率，造成清潔能源的浪費，并使得蓄電池充電效率低下，本系統(tǒng)提供可追蹤風(fēng)力發(fā)電機和光伏板的最大輸出功率，以提高光伏板和風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

2.1　風(fēng)機控制部分

由于風(fēng)力發(fā)電機工作環(huán)境惡劣，風(fēng)力的不均勻性，造成發(fā)電機轉(zhuǎn)速極不穩(wěn)定。若要風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定可靠的工作，必須準(zhǔn)確測量風(fēng)力發(fā)電的轉(zhuǎn)速，及配合各種保護電路做參考。由于風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不定，因此要求轉(zhuǎn)速測量電路必須要有較寬的工作范圍；風(fēng)機位置較高，易遭受雷擊等自然災(zāi)害，交流部分存在很大干擾和過功率風(fēng)險，因此電路必須實現(xiàn)隔離。

風(fēng)力發(fā)電機輸出的交流電，一路通過三相整流得到直流電壓給蓄電池充電；另一路通過三相固態(tài)繼電器接至卸載電阻。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到風(fēng)機卸載電壓值時，開通三相固態(tài)繼電器，使風(fēng)力發(fā)電機卸載，禁止對蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓降至風(fēng)機卸載恢復(fù)電壓值時，關(guān)斷三相固態(tài)繼電器，禁止卸載，恢復(fù)充電。

圖3 風(fēng)機控制部分

2.2　光伏控制部分

光伏陣列輸出一路給蓄電池充電，光伏陣列產(chǎn)生的直流輸出給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到光伏陣列過充值時，關(guān)閉場效應(yīng)管，光伏陣列輸出斷路，禁止對蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓降至光伏陣列過充恢復(fù)值時，開通場效應(yīng)管，恢復(fù)光伏陣列對蓄電池充電。圖2中引入二極管是為了防止蓄電池反向漏電。蓄電池為全橋電路提供直線母線電壓。全橋電路在控制信號驅(qū)動下獲得交流輸出，經(jīng)變壓器升壓后得到所需幅值的交流輸出電壓。

3　軟件設(shè)計

硬件電路中包含對光電支路和風(fēng)電支路交替進行控制的MPPT控制裝置，可跟蹤發(fā)電過程中的最大功率點。本設(shè)計中采用“擾動法”來追蹤光伏板和風(fēng)力發(fā)電機的最大輸出功率。光電支路驅(qū)動電路與光電支路的BUCK電路的開關(guān)管連接，當(dāng)MPPT控制裝置控制光電支路時，DSP控制器向光電支路驅(qū)動電路發(fā)出指令，改變所述光電支路的BUCK電路的BUCK電路的開關(guān)管的占空比，從而調(diào)整光伏板的輸出功率。光電支路檢測電路再次檢測光電支路的電壓和電流強度，并將新的數(shù)據(jù)傳送至DSP控制器，DSP控制器計算光電支路調(diào)整后的輸出功率，并比較調(diào)整前后的輸出功率，如調(diào)整后的輸出功率比調(diào)整前的輸出功率大，則DSP控制器控制光電支路驅(qū)動繼續(xù)增大光電支路BUCK電路的開關(guān)管的占空比，使光伏板的輸出功率進一步增大。如果DSP控制器計算后發(fā)現(xiàn)調(diào)整前后輸出功率變小，則這時控制器控制光電支路驅(qū)動減小光電支路BUCK電路的開關(guān)管的占空比，來保證當(dāng)前最大功率，并繼續(xù)追蹤當(dāng)前輸出功率。風(fēng)電的控制方法與上述方法類似。

MPPT控制裝置通過對風(fēng)電支路或者光電支路中的一路進行控制，來使風(fēng)力發(fā)電機和光伏板幾乎以接近其各自最大的輸出功率的狀態(tài)工作，且設(shè)定的間隔時間越短，整個風(fēng)力互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率越高，從而可顯著提高整個風(fēng)力互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，提高光能和風(fēng)能的利用率。同時MPPT控制裝置還包括DSP控制器引出的蓄電池檢測電路，使蓄電池檢測電路與所述干路連接以檢測蓄電池的充電電壓和電流強度，保護整套系統(tǒng)的安全及保證系統(tǒng)的正常工作。

圖4 “擾動法”執(zhí)行流程

4　結(jié)語

利用本文所介紹的風(fēng)光互補逆變系統(tǒng)，已成功開發(fā)出220V/50Hz，600W風(fēng)光互補正弦波逆變器。該方法與模擬電路或PWM專用繼承電路設(shè)計方法相比，可以達(dá)到技術(shù)升級與降低成本并舉，具有使用方便可靠、交流輸出穩(wěn)定、帶感性負(fù)載能力強、易于生產(chǎn)、維護和升級等特點，并且成本不高于模擬電路或PWM專用集成電路。對上述硬件和軟件稍微改定，即可用于不同直流電壓輸入、不同交流電壓輸出、不同輸出功率、不同頻率以及不同保護功能的場合。對于開發(fā)使用太陽能、風(fēng)能及其他清潔能源有著非常重要的意義。

作者簡介：

王海龍（1985-），男，北京人，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向為電力電子。

摘自《自動化博覽》2017年1月刊