離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制一體機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳冰，高潔，衛(wèi)乾，陳寶（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102200）

離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制一體機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳冰，高潔，衛(wèi)乾，陳寶（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102200）

太陽(yáng)能和風(fēng)能作為清潔能源，是目前研究新能源開(kāi)發(fā)利用的熱點(diǎn)，單獨(dú)利用太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電存在穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制一體機(jī)，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可以最大限度地利用風(fēng)能和太陽(yáng)能，穩(wěn)定地為用戶提供電能。本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理和特性入手，采用太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)、最大功率跟蹤技術(shù)及高效風(fēng)機(jī)發(fā)電控制技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制一體機(jī)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的逆變控制一體機(jī)控制電路性能優(yōu)良，逆變部分輸出正弦波電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效提高風(fēng)能和光能的利用率，解決風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)中使用復(fù)雜、安全性低、生產(chǎn)成本較高的問(wèn)題，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

風(fēng)光互補(bǔ)；MPPT；SPWM；H橋；神經(jīng)模糊算法

隨著環(huán)境問(wèn)題及能源問(wèn)題的日益突出，發(fā)展并研究新能源技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外的高度重視，太陽(yáng)能和風(fēng)能作為清潔能源，是目前研究新能源開(kāi)發(fā)利用的熱點(diǎn)，單獨(dú)利用太陽(yáng)能或風(fēng)能存在穩(wěn)定性較差，受天氣影響較為嚴(yán)重，對(duì)周邊環(huán)境依賴性較高，區(qū)域影響較為嚴(yán)重等缺陷。太陽(yáng)能和風(fēng)能在同一區(qū)域往往存在互補(bǔ)性，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可以最大限度地利用風(fēng)能和太陽(yáng)能，穩(wěn)定地為用戶提供電能，隨著風(fēng)光互補(bǔ)新能源技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。

本文從風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案入手，完成了一體機(jī)整體方案設(shè)計(jì)和需求分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了功能電路和系統(tǒng)軟件。在功能電路設(shè)計(jì)部分，按照風(fēng)光互補(bǔ)最大功率跟蹤需要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一體機(jī)控制電路。其中控制器電路分為電力主電路、信號(hào)采集電路和單片機(jī)智能控制電路。電力主電路包括太陽(yáng)能整流電路、太陽(yáng)能MPPT控制電路、風(fēng)機(jī)整流電路、風(fēng)機(jī)MPPT控制器電路、信號(hào)采集電路、過(guò)壓保護(hù)電路、卸荷電路、制動(dòng)電路及軟件控制策略等。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)能量最優(yōu)化管理，風(fēng)機(jī)能量管理算法以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)N-P曲線為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)選取最大功率點(diǎn)，建立基于風(fēng)機(jī)的NPR模型，實(shí)時(shí)進(jìn)行最大功率動(dòng)態(tài)跟蹤；光伏能量管理算法采用了積分微移法，通過(guò)對(duì)V-P曲線的定時(shí)跟蹤實(shí)現(xiàn)最大功率動(dòng)態(tài)跟蹤。該套離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)充分考慮到了影響蓄電池壽命的關(guān)鍵因素，通過(guò)中央處理單元及蓄電池保護(hù)電路對(duì)蓄電池進(jìn)行全面保護(hù)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，本文進(jìn)行了樣機(jī)的制作，通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的逆變控制一體機(jī)控制電路性能優(yōu)良，逆變部分工作穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用本設(shè)計(jì)方法可以有效提高風(fēng)能和光能的利用率，解決風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)中使用復(fù)雜，安全性低，生產(chǎn)成本較高的問(wèn)題，從而也延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。

1 風(fēng)光互補(bǔ)逆變一體機(jī)的設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為離網(wǎng)型民用發(fā)電系統(tǒng)，在產(chǎn)品可靠性及安全性方面都提出了較高要求，其中能源輸入包含風(fēng)能、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備的能量引入接口，在安全及可靠性方面提供了風(fēng)機(jī)電子剎車(chē)卸荷接口，確保風(fēng)機(jī)輸入回路工作在允許電壓范圍內(nèi)。在逆變器輸出電路上，提供了隔離變壓器，可以有效地防止單端接觸觸電，提高了產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)程中的安全性。系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案圖

從圖1可以看出，風(fēng)光互補(bǔ)逆變一體機(jī)的主要組成設(shè)備有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、主功率回路及控制系統(tǒng)、鉛酸蓄電池及逆變電路等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板通過(guò)風(fēng)機(jī)接口和光伏接口將電能輸送至風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)整流電路，經(jīng)能源控制回路整合后通過(guò)控制電路為鉛酸電池充電或?yàn)楹蠖四孀兤麟娐饭╇?，?shí)現(xiàn)電池充電功能并驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

風(fēng)能發(fā)電部分是利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)控制器對(duì)蓄電池充電，經(jīng)過(guò)逆變器對(duì)負(fù)載供電風(fēng)機(jī)采用具有特別適合大多內(nèi)陸地區(qū)低風(fēng)速、時(shí)發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點(diǎn)。通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)MPPT功能，可以確保在高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi)，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓。

光伏電池具有抗風(fēng)、防潮、工作穩(wěn)定、無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)。它能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，但是太陽(yáng)電池輸出功率并不是隨著光照強(qiáng)度的加強(qiáng)和正比變化的，若要達(dá)到高效利用太陽(yáng)能，就需要依賴于控制器的MPPT功能，從而做到對(duì)充電電流的高效控制。

鉛酸蓄電池作為整套系統(tǒng)的核心部分，對(duì)鉛酸電池進(jìn)行有效管理十分重要。電路控制部分根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載的變化，不斷對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，把調(diào)整后的電能直接送往逆變器，以滿足直流或交流負(fù)載的使用，盡量減少蓄電池的充放電次數(shù)。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)，以備風(fēng)光能源不足時(shí)使用。

中央控制單元是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，它保證整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。另外本系統(tǒng)受應(yīng)用環(huán)境的要求，本身就要求實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，所以無(wú)論從硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對(duì)系統(tǒng)有保護(hù)作用，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的運(yùn)維和管理，整個(gè)系統(tǒng)需要提供風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)的工作狀態(tài)診斷功能及遠(yuǎn)程傳輸功能。

逆變電路是把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的220V工頻交流電，保證常用家用負(fù)載的正常工作，是直接提供給用戶的關(guān)鍵部分，該部分設(shè)計(jì)要確保穩(wěn)定的同時(shí)，又要保障用戶使用的安全性。

2 風(fēng)光互補(bǔ)逆變一體機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 主功率功能電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)電路要實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和光能的最大化利用，電路設(shè)計(jì)上應(yīng)包含風(fēng)機(jī)及光伏的MPPT充電電路，要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，就需要通過(guò)中央控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)卸荷管理，同時(shí)中央控制單元負(fù)責(zé)對(duì)BUCK驅(qū)動(dòng)電路管理，實(shí)現(xiàn)BUCK主功率回路的控制，在電池充滿并沒(méi)有負(fù)載需求時(shí)，斷開(kāi)主功率回路，降低整機(jī)功耗。具體功能電路關(guān)聯(lián)圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)硬件架構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)逆變一體機(jī)的充電電路主要通過(guò)整流橋來(lái)實(shí)現(xiàn)AC-DC變換，是一套高效、可靠的風(fēng)能光能控制系統(tǒng)，具有獨(dú)立穩(wěn)壓功能電路，風(fēng)能及光伏供電系統(tǒng)可脫離蓄電池組工作，使系統(tǒng)工作的可靠性大大提高，并有效減少蓄電池組的循環(huán)充電次數(shù)。該電路輸出部分具有輸出功率限定功能，控制單元可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定值，限定風(fēng)機(jī)的輸出功率，從而保證風(fēng)機(jī)的輸出功率控制在額定功率之內(nèi)，不會(huì)造成風(fēng)機(jī)飛轉(zhuǎn)，出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)功率輸出的情況，從而大大保護(hù)了風(fēng)機(jī)，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。同時(shí)該電路具有風(fēng)機(jī)及太陽(yáng)能MPPT功能，其輸出電流大于輸入電流，較蓄電池穩(wěn)壓式控制系統(tǒng)提高使用效率至少20%以上，能夠使風(fēng)能系統(tǒng)充分利用風(fēng)力資源，降低風(fēng)機(jī)內(nèi)耗，提高風(fēng)機(jī)輸出效率。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)充電管理電路

針對(duì)電池管理電路，為中央控制單元設(shè)計(jì)了電池電壓、電池溫度、電池充電電流，風(fēng)機(jī)輸入電壓、風(fēng)機(jī)輸入電流、光伏輸入電壓、光伏輸入電流、逆變器輸入電流的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和蓄電池充電斷開(kāi)電路、蓄電池放電截止電路、蓄電池容量監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)對(duì)輸入、輸出電壓、電流及蓄電池溫度的監(jiān)測(cè)，可以有效保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)電池使用壽命。風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)蓄電池管理電路如圖4所示。

圖4 風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)充電管理電路

2.2 診斷及通訊電路設(shè)計(jì)

離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)診斷及通訊功能，需要硬件電路的支持。其中診斷功能通過(guò)對(duì)蓄電池、光伏及風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓、電流的采集來(lái)實(shí)現(xiàn)，關(guān)于斷相檢測(cè)功能筆者采用了頻率檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，通訊電路主要通過(guò)DTU模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。診斷及通訊電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)診斷及通訊電路

2.3 逆變器電路設(shè)計(jì)

逆變電路是離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心電路之一，實(shí)現(xiàn)了直流電向AC220V市電轉(zhuǎn)換的功能，滿足用戶常用負(fù)載的驅(qū)動(dòng)需要。該電路采用了SPWM驅(qū)動(dòng)電路和H橋主功率電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)測(cè)試，該電路工作穩(wěn)定。逆變器電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)逆變器電路

2.4 軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維、管理需求，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、一體機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)監(jiān)測(cè)，將一體機(jī)代碼進(jìn)行接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提供設(shè)備管理接口、數(shù)據(jù)上傳接口、人機(jī)交互接口、歷史數(shù)據(jù)管理接口、傳感器參數(shù)管理接口、傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及通訊協(xié)議接口等。如圖7所示。

圖7 一體機(jī)固件接口圖

組態(tài)監(jiān)測(cè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)和C/S架構(gòu)，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，通過(guò)Server端收集、解析數(shù)據(jù)，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存放至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，組態(tài)界面及配套的client端從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)并做出展示，系統(tǒng)工作原理如圖8所示。

圖8 組態(tài)監(jiān)測(cè)軟件工作原理

2.5 太陽(yáng)能MPPT跟蹤功能實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的MPPT功能，需要有效控制太陽(yáng)能輸入端電壓，將其穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，這里需要用到PWM技術(shù)，采用DC-DC變換的開(kāi)關(guān)電源模式工作，其電路原理如圖9所示。太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)能整流組件連接，整流組件受控制器控制，由太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤電路（MPPT）和PWM電路實(shí)現(xiàn)管理，可任意調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的輸入脈沖寬度，可使太陽(yáng)能電池的輸出電壓接近太陽(yáng)能電池最大功率工作點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤。

由于直流變換穩(wěn)壓型太陽(yáng)能電源的輸入不受蓄電池電位的影響，控制器的工作效率在蓄電池充飽前不變，因此太陽(yáng)能控制器的效率就是系統(tǒng)的整體工作效率。蓄電池電壓越低、系統(tǒng)的輸入

輸出電壓差越大，具有MPPT功能的太陽(yáng)能電源體現(xiàn)出的效能就越大。因此，具有MPPT功能的太陽(yáng)能控制器首先提高了太陽(yáng)能系統(tǒng)的整體工作效率。其次，DC-DC直流變換穩(wěn)壓型太陽(yáng)能控制器對(duì)蓄電池具有多重保護(hù)和管理功能，一方面系統(tǒng)具有獨(dú)立穩(wěn)壓輸出功能，能夠真正實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的均浮充管理。

圖9 DC-DC變換的開(kāi)關(guān)電源模式工作原理

2.6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)MPPT跟蹤功能實(shí)現(xiàn)

標(biāo)稱相同的風(fēng)機(jī)其輸出電壓比太陽(yáng)能高，以48V風(fēng)機(jī)為例，其輸出電壓為AC0~207V之間，經(jīng)整流后，電壓更會(huì)高達(dá)300V以上。正常工作時(shí)，風(fēng)機(jī)電壓也會(huì)在直流100V以上。當(dāng)然，不同風(fēng)機(jī)工作電壓會(huì)有所不同。如果采用直接整流濾波后接入蓄電池充電的工作方式，100V左右的脈動(dòng)電壓直接被蓄電池降到48V左右，有50%的電壓會(huì)降在風(fēng)機(jī)繞組上，也使大量電能消耗在風(fēng)機(jī)繞組上，風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出效率將大打折扣，風(fēng)機(jī)要想得到額定輸出功率，只能依賴更大的風(fēng)速。因此風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作效率和風(fēng)能利用率都大大降低。同時(shí)，風(fēng)機(jī)的可靠性和平均無(wú)故障時(shí)間MTBF也會(huì)大打折扣。

高效風(fēng)機(jī)發(fā)電控制技術(shù)是采用開(kāi)關(guān)電源的工作模式而設(shè)計(jì)的風(fēng)能控制電源，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的交流電能經(jīng)整流后進(jìn)入斬波器轉(zhuǎn)換成脈沖波，由脈沖變壓器將前級(jí)的脈沖電壓變換成所需的電壓，并經(jīng)整流穩(wěn)壓后輸出給蓄電池和負(fù)載。輸出電壓可任意調(diào)控，不依靠蓄電池組穩(wěn)壓，其工作原理圖如圖10所示。

圖10 AC-DC風(fēng)能控制器工作原理

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電一體機(jī)加入風(fēng)能MPPT電路后，可使得系統(tǒng)的輸入輸出端維持最大的壓差，降低繞組內(nèi)阻的損耗，使風(fēng)能系統(tǒng)有最佳的輸出效率。其等效電路原理如圖11所示。

圖11 DC-DC變換的開(kāi)關(guān)電源模式工作原理

在等效電路圖中，風(fēng)機(jī)與蓄電池和負(fù)載分別在兩個(gè)回路里，脈沖變壓器將初級(jí)線圈上100V左右的脈沖電壓變換為次級(jí)43~56V的脈沖電壓，經(jīng)整流濾波后，輸送給蓄電池和負(fù)載。在變壓器降壓過(guò)程中，電壓降低，電流增大，因此變換穩(wěn)壓型控制系統(tǒng)的輸出電流大于風(fēng)機(jī)提供的輸入電流。輸入輸出電壓差異越大，體現(xiàn)出的效能提升也越高。風(fēng)機(jī)的MPPT功能提高了風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

如圖12所示，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電智能物聯(lián)監(jiān)控管理系統(tǒng)將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的坐標(biāo)信息與地圖結(jié)合，根據(jù)實(shí)際的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)信息，將設(shè)備在地圖上標(biāo)注出來(lái)，可直觀地看到各個(gè)設(shè)備的位置分布。同時(shí)集成天氣預(yù)報(bào)控件，可預(yù)報(bào)當(dāng)?shù)匚磥?lái)5天的天氣。

在圖12中，單擊某個(gè)設(shè)備圖標(biāo)，則跳轉(zhuǎn)到該設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫(huà)面，如圖13所示，每個(gè)設(shè)備采集44個(gè)變量，包括風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)能電壓、太陽(yáng)能發(fā)電量等，同時(shí)根據(jù)采集的風(fēng)速值動(dòng)畫(huà)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)，更加直觀地顯示設(shè)備狀態(tài)。

Design and Implementation of Wind-Solar Complementation Hybrid off Grid Inverter

The solar and wind energy, as the clean energy, are the most popular point of new energy development and utilization research. It is less stability if only applying solar energy or wind energy. This paper designed the Windsolar Complementation hybrid off grid inverter, which can maximize the effect of wind and solar energy and provide the electric energy to the end user with the wind-light complementary system. Based on working principle and characteristics of wind turbines, by adopting the maximum power point of solar cell, the tracking technique with maximum power, and the efficient fan power control technology, this paper designed the Wind-Solar Complementation hybrid off grid inverter. The experimental test shows the inverter control has high performance of control circuit, and the output voltage and frequency of the sine wave inverter are stable t, which can increase the efficiency of wind and solar energy utilization. It also solves the problems of convention designs, such as the complex application, the low safety, the high cost, so that the service life of the product can be extended.

Wind-Solar complementation; MPPT; SPWM; H-bridge; Neurofuzzy algorithm

圖12 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電智能物聯(lián)監(jiān)控管理系統(tǒng)界面圖1

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1003-0492(2015)12-0092-04

TP273