青島科技大學(xué) 趙慶峰 王展旭

1.前言

隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的日益枯竭，太陽能、風(fēng)能等可再生能源的開發(fā)和利用成為研究熱點(diǎn)。太陽能和風(fēng)能是目前全球在新能源利用方面技術(shù)最成熟、最具規(guī)模化的行業(yè)，事實(shí)上無論是風(fēng)電還是光伏發(fā)電，都有各自的缺點(diǎn)，穩(wěn)定性差、能量密度低常受天氣影響無法連續(xù)供電，如果兩者結(jié)合在一起，能量同時(shí)處于較低值的幾率就要小的多，可最大限度地開發(fā)和利用可再生能源。太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電兩者互補(bǔ)性的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了兩種新能源在自然資源的配置方面、技術(shù)方案的整合方面、價(jià)格與性能的對(duì)比方面達(dá)到了對(duì)新能源綜合利用的最合理的要求。一般小型戶用風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、逆交變儲(chǔ)電系統(tǒng)，充放電控制系統(tǒng)構(gòu)成。逆變器是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中的關(guān)鍵設(shè)備，因此，研究開發(fā)高性能的逆變器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

一套完善的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要包括發(fā)電部分、控制部分、負(fù)載部分、蓄電池和泄荷器等。各部分受風(fēng)光互補(bǔ)控制器控制，為離網(wǎng)型獨(dú)立電源。如圖1所示，逆變系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，也是技術(shù)的關(guān)鍵所在。該部分的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇與優(yōu)化，主開關(guān)元件的計(jì)算與選取，濾波、變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)，控制波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)，功率開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，輔助開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和各種檢測(cè)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)等等；泄荷器的作用是：當(dāng)蓄電池已充滿，系統(tǒng)發(fā)電量大于負(fù)載用電量時(shí)，即發(fā)電量過剩時(shí)，為防止蓄電池過充以及確保逆變器正常工作，充電電路應(yīng)受控接通泄荷器，將多余的電能通過泄荷器消耗掉，充電和泄荷的轉(zhuǎn)換是通過智能充放電控制器實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過采集相關(guān)的電流、電壓、溫度等檢測(cè)信號(hào)輸入到單片機(jī)的A/D接口作為控制充放電條件，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)而來判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，這樣既可控制風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的充電、泄荷，同時(shí)又可以在設(shè)定條件到達(dá)時(shí)對(duì)儲(chǔ)能組件充電。因此，充放電控制器軟硬件設(shè)計(jì)的合理是整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。

3.系統(tǒng)模型及MPPT控制

光伏電池是一種能夠吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)換為電流的半導(dǎo)體裝置。流過負(fù)載的電流I與光伏電池輸出電壓U的關(guān)系可近似描述為：

式中：k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×1O-23；q為電子的電荷量，q=1.6O×1O-19；Iph為光伏電池產(chǎn)生的電流；IO為光伏電池?zé)o光照時(shí)的飽和電流；T為溫度；Rsh為串聯(lián)電阻；n為p-n結(jié)因子。

由光伏電池的數(shù)學(xué)模型及U-I曲線可知，雖然其模型為非線性曲線，且隨光強(qiáng)和溫度變化，但曲線上光伏電池的輸出功率有一個(gè)單調(diào)的極值點(diǎn)，即U與I的乘積最大。據(jù)此調(diào)整負(fù)載，跟蹤最大功率點(diǎn)，即能得到光伏電池最大

功率的輸出。

小功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般為直流無刷發(fā)電機(jī)，從風(fēng)中捕獲的能量為：

式中：Cp為風(fēng)機(jī)葉片效率；ρ為空氣密度；R為風(fēng)機(jī)葉片半徑；v為風(fēng)速。

在一定風(fēng)速下，如何提高Cp是提升風(fēng)機(jī)發(fā)電效率的關(guān)鍵。Cp表示為風(fēng)輪葉尖速比TSR的函數(shù)風(fēng)機(jī)的功率和速度曲線具有明確的單個(gè)極值點(diǎn)，因此獲取最大能量的運(yùn)行模式是隨變化的風(fēng)速改變風(fēng)力機(jī)速度，使Cp保持在最大值，即可通過正確調(diào)節(jié)占空比的大小來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的MPPT控制。

4.逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)以及可再生新能源的日益發(fā)展，逆變器作為與大電網(wǎng)或微電網(wǎng)的接口電路，起著越來越關(guān)鍵的作用。逆交變控制技術(shù)必須滿足在各種復(fù)雜負(fù)載條件下為電網(wǎng)或負(fù)載提供高質(zhì)量的交流輸出。同時(shí)，可再生能源系統(tǒng)和分布式發(fā)電的快速發(fā)展，對(duì)逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、穩(wěn)態(tài)跟蹤特性以及抗干擾能力提出了更高的要求。

高性能逆變器數(shù)字控制策略有重復(fù)控制、無差拍控制和滑?？刂频?。重復(fù)控制調(diào)整時(shí)間較長；無差拍控制性能對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性強(qiáng)，魯棒性較差；滑?？刂茀?shù)設(shè)計(jì)較困難，存在開關(guān)頻率不定等問題?，F(xiàn)今逆變器廣泛應(yīng)用于可再生能源系統(tǒng)，例如光伏和風(fēng)電等系統(tǒng)中，逆變器通常需同時(shí)承受輸入電壓和輸出負(fù)載的擾動(dòng)，變流器經(jīng)常工作在大信號(hào)擾動(dòng)下。這時(shí)基于某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的小信號(hào)模型而設(shè)計(jì)的控制器會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生很大誤差，降低其輸出性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

太陽能和風(fēng)能通過光電系統(tǒng)和風(fēng)電系統(tǒng)利用控制器將能量轉(zhuǎn)化的電能儲(chǔ)存在蓄電池中。蓄電池輸出的低壓直流經(jīng)過直流升壓環(huán)節(jié)后整流濾波得到高壓直流。再通過逆變主電路和濾波電路，得到本文所需要的標(biāo)準(zhǔn)交流電壓，供用戶負(fù)載使用。

基于逆變的幾種主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，全橋逆變最適用于大功率場(chǎng)合。由正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理可知，從直流電壓到全橋輸出相當(dāng)于一個(gè)比例環(huán)節(jié)；即Ui=MUdc，其中Ud為直流母線電壓，Ui為逆變器輸出電壓，M為調(diào)制系數(shù)。逆變輸出為5O Hz的正弦波，逆變器的開環(huán)電氣模型如圖3所示：

圖2 逆變系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)框圖

圖3 逆變器開環(huán)模型

逆變器開環(huán)模型的傳遞函數(shù)為：流；IE為逆變器所需負(fù)載電流；C為直流平波電容容量。

根據(jù)系統(tǒng)模型，總控制器檢測(cè)直流母線消耗電流，分配給每個(gè)獨(dú)立的發(fā)電模塊進(jìn)行閉環(huán)電流控制，輸出主控制器指定的電流。總控制器外環(huán)控制、監(jiān)測(cè)Udc，做電壓閉環(huán)。得到穩(wěn)定的Udc。同時(shí)與逆變器的電壓閉環(huán)進(jìn)行均衡控制，優(yōu)化逆變器輸出性能。

5.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)智能充電控制的設(shè)計(jì)

當(dāng)逆變器做電壓閉環(huán)控制，根據(jù)負(fù)載和直流母線電壓Udc的變化調(diào)節(jié)PWM脈寬，得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的交流電壓輸出。除負(fù)載變化外，Udc的變化直接影響系統(tǒng)給負(fù)載提供電能的質(zhì)量和可靠性，因而穩(wěn)定的Udc是系統(tǒng)逆變電力質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。取Udc為被控量，可得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：IPV為光伏發(fā)電模塊輸出電流；IWT為風(fēng)力發(fā)電模塊輸出電流；ICT為蓄電池儲(chǔ)能模塊輸出電流；ICD為電網(wǎng)整流輸出電

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸入端的能量來源于蓄電池，而蓄電池中儲(chǔ)存的能量來源于太陽能和風(fēng)能這兩種綠色能源。系統(tǒng)具體構(gòu)成參數(shù)由使用時(shí)最大用電負(fù)荷與日平均用電量所決定。最大用電負(fù)荷是選擇系統(tǒng)逆變器容量的最根本依據(jù)，而平均日發(fā)電量則是選擇太陽能光伏板及風(fēng)機(jī)和蓄電池組容量的依據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的風(fēng)光資源狀況也是確定光電板和風(fēng)機(jī)容量的另一個(gè)依據(jù)。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中鉛酸蓄電池的充電控制方法直接影響到系統(tǒng)的性能。充電控制方法的優(yōu)劣影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，也關(guān)系到蓄電池的使用壽命。選擇合理的充電控制方法尤為重要。本設(shè)計(jì)采用了基于單片機(jī)控制的三階段智能充電方法。所謂三階段智能充電是指充電過程中的3個(gè)階段，即主充電階段、限流充電階段、浮充階段。

第一階段主充電階段，由電壓采樣電路獲取蓄電池的電壓狀況，當(dāng)電壓小于標(biāo)準(zhǔn)開路電壓時(shí)，由最大功率點(diǎn)跟蹤策略來找出風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的最佳工作點(diǎn)，以最大功率點(diǎn)電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。太陽能電源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以其所能提供的最大電流對(duì)蓄電池充電。由于太陽能光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流與天氣狀況有關(guān)，所以大電流的取值將在一定范圍之內(nèi)。保持大電流充電至后，進(jìn)入第二階段。第一階段的充電程度可達(dá)7O%～9O%。

第二階段過限流充電階段，以恒定的過標(biāo)準(zhǔn)電壓充電，以恒定的過標(biāo)準(zhǔn)電壓充電，在此階段，蓄電池仍未充滿，但是為了避免充電電流過大而造成電池極化，要對(duì)充電電流進(jìn)行逐漸的降低。隨著蓄電池端電壓的進(jìn)一步升高，電池電流進(jìn)一步降低，直到到達(dá)浮充電流（浮充電流一般為O.O15C）值時(shí)，第二階段結(jié)束。

進(jìn)入第三階段。第二階段的充電程度近1OO%。但為了防止蓄電池淺放電，并且使端電壓維持在相對(duì)穩(wěn)定的值域，要對(duì)其進(jìn)行浮充電。即以浮充電流值對(duì)蓄電池進(jìn)行涓流充電，直到蓄電池虧電，然后進(jìn)行下一個(gè)周期的充電過程。

6.結(jié)束語

總之，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為獨(dú)立的電源系統(tǒng)，具有一定的合理性和可靠性，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，獨(dú)立供電系統(tǒng)已經(jīng)成為人們最必須的電源。邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路、漁船和鐵路信號(hào)站、地質(zhì)勘探野外的工作站以及偏遠(yuǎn)的農(nóng)牧民都需要低成本、高可靠性的獨(dú)立電源系統(tǒng)；對(duì)于城市里的景觀燈、路燈等，隨著政府對(duì)節(jié)能環(huán)保的重視，應(yīng)用前景也相當(dāng)廣闊。

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