一種風(fēng)光互補(bǔ)逆變系統(tǒng)

★北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司 王海龍

★張方杰，王強(qiáng)（中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）★陶翠（北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

一種風(fēng)光互補(bǔ)逆變系統(tǒng)

★北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司 王海龍

通過(guò)本文提出的風(fēng)光互補(bǔ)逆變系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)充電、太陽(yáng)能充電和逆變電路的控制，輸出民用交流電，同時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)BUCK電路的開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)提高系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率。

微處理器；充電控制；逆變器；占空比

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)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(wèn)題，使可再生能源的開(kāi)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(kāi)發(fā)價(jià)值的資源，風(fēng)光互補(bǔ)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(kāi)發(fā)的一套實(shí)用型系統(tǒng)。本文介紹一種將風(fēng)機(jī)控制、太陽(yáng)能控制以及逆變電路結(jié)合在一起，在微處理器控制下實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)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(jiàn)的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)

采用上述這種設(shè)計(jì)方案，風(fēng)機(jī)控制器、太陽(yáng)能控制器和逆變電路都獨(dú)立工作，必然存在以下一些問(wèn)題：整個(gè)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(dú)立工作，可以使各自都處于最佳工作狀態(tài)，但整個(gè)系統(tǒng)不一定運(yùn)行于最佳工作狀態(tài)，資源利用率低；維護(hù)效率低，維護(hù)工作量大，而且傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)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(fèi)。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(bǔ)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(jī)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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)還設(shè)有可對(duì)光電支路和風(fēng)電支路交替進(jìn)行控制的MPPT控制裝置?？朔F(xiàn)有風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fèi)，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(jī)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(jī)的輸出功率。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 風(fēng)機(jī)控制部分

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境惡劣，風(fēng)力的不均勻性，造成發(fā)電機(jī)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(cè)量風(fēng)力發(fā)電的轉(zhuǎn)速，及配合各種保護(hù)電路做參考。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不定，因此要求轉(zhuǎn)速測(cè)量電路必須要有較寬的工作范圍；風(fēng)機(jī)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(guò)功率風(fēng)險(xiǎn)，因此電路必須實(shí)現(xiàn)隔離。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電，一路通過(guò)三相整流得到直流電壓給蓄電池充電；另一路通過(guò)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(jī)卸載電壓值時(shí)，開(kāi)通三相固態(tài)繼電器，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)卸載，禁止對(duì)蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓降至風(fēng)機(jī)卸載恢復(fù)電壓值時(shí)，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(jī)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(guò)充值時(shí)，關(guān)閉場(chǎng)效應(yīng)管，光伏陣列輸出斷路，禁止對(duì)蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓降至光伏陣列過(guò)充恢復(fù)值時(shí)，開(kāi)通場(chǎng)效應(yīng)管，恢復(fù)光伏陣列對(duì)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(jì)

硬件電路中包含對(duì)光電支路和風(fēng)電支路交替進(jìn)行控制的MPPT控制裝置，可跟蹤發(fā)電過(guò)程中的最大功率點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用“擾動(dòng)法”來(lái)追蹤光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大輸出功率。光電支路驅(qū)動(dòng)電路與光電支路的BUCK電路的開(kāi)關(guān)管連接，當(dāng)MPPT控制裝置控制光電支路時(shí)，DSP控制器向光電支路驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(cè)電路再次檢測(cè)光電支路的電壓和電流強(qiáng)度，并將新的數(shù)據(jù)傳送至DSP控制器，DSP控制器計(jì)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(dòng)繼續(xù)增大光電支路BUCK電路的開(kāi)關(guān)管的占空比，使光伏板的輸出功率進(jìn)一步增大。如果DSP控制器計(jì)算后發(fā)現(xiàn)調(diào)整前后輸出功率變小，則這時(shí)控制器控制光電支路驅(qū)動(dòng)減小光電支路BUCK電路的開(kāi)關(guān)管的占空比，來(lái)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(guò)對(duì)風(fēng)電支路或者光電支路中的一路進(jìn)行控制，來(lái)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)間越短，整個(gè)風(fēng)力互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率越高，從而可顯著提高整個(gè)風(fēng)力互補(bǔ)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(shí)MPPT控制裝置還包括DSP控制器引出的蓄電池檢測(cè)電路，使蓄電池檢測(cè)電路與所述干路連接以檢測(cè)蓄電池的充電電壓和電流強(qiáng)度，保護(hù)整套系統(tǒng)的安全及保證系統(tǒng)的正常工作。

圖4 “擾動(dòng)法”執(zhí)行流程

4 結(jié)語(yǔ)

利用本文所介紹的風(fēng)光互補(bǔ)逆變系統(tǒng)，已成功開(kāi)發(fā)出220V/50Hz，600W風(fēng)光互補(bǔ)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(jì)方法相比，可以達(dá)到技術(shù)升級(jí)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(qiáng)、易于生產(chǎn)、維護(hù)和升級(jí)等特點(diǎn)，并且成本不高于模擬電路或PWM專用集成電路。對(duì)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(hù)功能的場(chǎng)合。對(duì)于開(kāi)發(fā)使用太陽(yáng)能、風(fēng)能及其他清潔能源有著非常重要的意義。AP

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★張方杰，王強(qiáng)（中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）
★陶翠（北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

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?yàn)殡娏﹄娮印?/p>