錢陣 張熠雯 陳思婕 梁遠(yuǎn)情

摘 要：基于PWM控制技術(shù)的多種能源互補智能供電系統(tǒng)，主要是由光伏供電裝置以及其配套系統(tǒng)、余熱能供電裝置以及其配套系統(tǒng)、風(fēng)力供電以及其配套系統(tǒng)、負(fù)反饋系統(tǒng)、逆變與負(fù)載等部分組成。本系統(tǒng)充分利用風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池方陣等輸入設(shè)備，將電能輸入至本機控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)通過智能識別輸入端，電能較強者為主輸入，其余輸入端為輔助輸入。系統(tǒng)通過智能脈沖“PWM”特殊的充電方式，可以有效減少電池的發(fā)熱，大大提高充電時能源的利用率，同時延長了電池的使用壽命。該供電系統(tǒng)的研發(fā)，能夠更進(jìn)一步的高效利用可再生能源，且大大彌補了單一能源發(fā)電受自然環(huán)境影響而產(chǎn)生的不足。

關(guān)鍵詞：智能脈沖;能源;供電

中圖分類號：TM769 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

當(dāng)前利用水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能光發(fā)電、火力發(fā)電是我們國家的主要發(fā)電方式。除此之外還存在著海洋溫差發(fā)電、潮汐發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等發(fā)電方式。但是目前我國大規(guī)模的發(fā)電方式主要還是火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電[1]。

傳統(tǒng)能源消耗巨大，且有些能源不可再生。風(fēng)能、太陽能、潮汐能、余熱能等清潔能源逐漸被開發(fā)利用。但是單一的風(fēng)力發(fā)電或者單一的光伏發(fā)電易受到自然環(huán)境的影響[2]。例如，當(dāng)沒有風(fēng)或者風(fēng)力不強時，風(fēng)力發(fā)電將會效率低甚至無法運作。當(dāng)連續(xù)陰雨天、無太陽光或者太陽光線不足時，光伏發(fā)電將會效率低甚至無法運作。另外，傳統(tǒng)的充電方式導(dǎo)致電池散熱不均勻，容易引起電池爆炸。隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，能源需求強烈，為了可持續(xù)發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)多種能源互補且智能控制的發(fā)電系統(tǒng)越來越重要[3]。

1 設(shè)計方案

1.1 電器控制

本套系統(tǒng)的組成部分：風(fēng)力供電裝置以及配套系統(tǒng)、光伏供電裝置以及配套系統(tǒng)、余熱能供電以及配套系統(tǒng)、逆變與負(fù)載、負(fù)反饋系統(tǒng)等。內(nèi)部系統(tǒng)實拍圖如圖1所示。

電器控制部分采用自動控制比較容易實現(xiàn)，考慮到系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)（陣列電池組）在充電的過程中散熱。系統(tǒng)采用了“PWM控制”，“PWM控制”時利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制。

為什么要用“PWM控制”技術(shù)對蓄電池進(jìn)行充電呢？蓄電池在充電時電解液會發(fā)熱、產(chǎn)生氣泡?！癙WM控制”可以實現(xiàn)充電+停止相結(jié)合的方式，比如充電0.8秒，停止0.2秒。在停止充電的0.2秒內(nèi)，利于蓄電池內(nèi)部的散熱和氣泡揮發(fā)。不同階段使用不同的PWM信號充電，不同的工作環(huán)境采用不同的PWM信號充電控制不同的充電模式，這種結(jié)構(gòu)非常有利于保護蓄電池并且延長蓄電池的使用壽命。

1.2 逆變器

為了充分適應(yīng)逆變過程中蓄電池的波動范圍比較大且電壓比較低，本套基于PWM控制技術(shù)的多種能源互補智能供電系統(tǒng)的逆變器采用了兩級式變流器，與此同時縮小了體積。

為了將蓄電池的輸出電壓升至380 V并且實現(xiàn)隔離，于是前級我們采用了隔離式DC/DC變換器。為了實現(xiàn)可以獨立/并網(wǎng)雙模式工作，于是后級我們采用了DC/AC變換器。

當(dāng)逆變器處在獨立逆變模式下工作時，將采用電壓反饋閉環(huán)控制。

1.3 保護電路

為了適應(yīng)工作環(huán)境的復(fù)雜多變，克服惡劣環(huán)境對系統(tǒng)可能帶來的不利影響，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定安全地進(jìn)行電力輸出，所以逆變器必須要具備完善的保護功能。

本系統(tǒng)設(shè)置了硬件保護功能，滿足輸入、輸出電壓以及過熱保護等都要求響應(yīng)速度極快的需求。

其中硬件接口電路的主要工作是向保護電路模塊傳遞出保護信號，模塊接收到保護信號時將響應(yīng)保護，繼而輸出信號并且作出應(yīng)答，關(guān)閉功率管驅(qū)動，與此同時向微控制器發(fā)出邏輯電平。當(dāng)微控制器接收到其發(fā)出的信號后，會在面板上自動顯示故障類型或者傳遞至上位機。對于那些不需要快速響應(yīng)的保護，可以先由單片機判斷，再將信號傳遞給保護模塊[4]。

1.4 變換器

該系統(tǒng)采用了MPPT變換器。因為蓄電池的外部端電壓一般情況下變化很小，可以近似認(rèn)為沒有變化。即MPPT控制器的輸出電壓固定不變。在系統(tǒng)工作在最大功率點附近時，占空比基本穩(wěn)定不變，控制器輸入電壓的變化主要是由于風(fēng)力機上的風(fēng)速變化或光伏板的工作環(huán)境（光強、環(huán)境溫度等）變化而引起的[5]。如果系統(tǒng)的最大功率點的電壓值落在蓄電池電壓兩側(cè)，那么MPPT控制器必須設(shè)計為兼有升壓和降壓功能，所以單獨的Boost和Buck變換器將不能勝任，而Cuk或Buck-Boost電路雖能解決升降壓問題，但它們的輸出反壓，Cuk電路更是需要用無極性電容傳輸能量，這會增加電路設(shè)計的不可靠性和成本[6]。

本套系統(tǒng)在設(shè)計上采用了Boost/Buck結(jié)合的變換器，充分發(fā)揮其性能安全可靠，結(jié)構(gòu)簡單容易的優(yōu)點。

2 設(shè)計時解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計部分如圖2所示。

2.1 太陽能光伏發(fā)電板的采光率受到太陽高度角的影響問題

為解決太陽能光伏發(fā)電板的采光率受到太陽高度角的影響問題，本系統(tǒng)裝置設(shè)計了鉸鏈滑動升降機構(gòu)。包括感光器、鉸鏈、升降桿、導(dǎo)向輪。系統(tǒng)通過感光器自動識別太陽高度角及補償角，升降桿每隔一定時間段實現(xiàn)一次調(diào)節(jié)，升降桿推動導(dǎo)向輪在導(dǎo)軌移動，在鉸鏈的配合下實現(xiàn)角度調(diào)節(jié)。

2.2 陣列電池組的物理散熱問題

為解決陣列電池組的散熱問題，本系統(tǒng)裝置設(shè)計了獨立儲能倉。每一個儲能倉都有足夠的空間進(jìn)行空氣的流動，從而實現(xiàn)散熱。儲能倉的底部由導(dǎo)熱性良好的金屬材料制作而成，便于電池的底部散熱。

2.3 防水性問題

因設(shè)備需要放置在室外，考慮設(shè)備的使用壽命，必須要考慮防水性問題。從內(nèi)部防水性問題和外部防水性問題兩方面考慮。

（1）內(nèi)部防水性問題：裝置采用緊密的機械組合，以及在連接處使用防水墊圈、防水墊片來提高內(nèi)部的防水性能。

（2）外部防水性問題：在塑料連接處使用耐力膠進(jìn)行粘合，并且使用復(fù)合防水涂料。根據(jù)實驗，結(jié)果顯示本裝置防水等級可以達(dá)到IP67級。

2.4 設(shè)備固定問題

為解決本供電系統(tǒng)長時間放置于戶外的固定問題，裝置設(shè)計了自鎖萬向輪，當(dāng)自鎖時，可以實現(xiàn)將其固定在戶外。

3 工作原理及性能分析

3.1 工作原理

本套多種能源互補智能供電系統(tǒng)，將太陽能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機、儲能裝置——蓄電池組、控制器、電力變換裝置——逆變器、整流器等集于一體，為各類直流或交流用電負(fù)載供電。

太陽能光伏發(fā)電的過程如下：通過本系統(tǒng)的太陽能電池板所產(chǎn)生的光伏效應(yīng)，可以將光能轉(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)為蓄電池充電。當(dāng)太陽光輻射到本裝置的光伏板上，光伏板的正負(fù)兩極形成了電壓差——開路電壓，再將正負(fù)兩極直接連接起來，形成短路電流。將直流負(fù)載直接接到光伏兩極之間，就會產(chǎn)生電流通過。為了光伏發(fā)電系統(tǒng)可以輸出最大功率，我們采用了DC/DC電路。

該套風(fēng)電機組的發(fā)電過程如下：本系統(tǒng)充分利用裝備的風(fēng)力機，通過風(fēng)能吹動系統(tǒng)上端的風(fēng)輪裝置，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，將清潔能源——風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，帶動其交流發(fā)電機發(fā)電，從而將機械能轉(zhuǎn)換成了電能。再利用整流橋?qū)l(fā)電機所輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，繼而通過控制器實現(xiàn)為蓄電池充電，最后逆變器實現(xiàn)為負(fù)載供電的功能。該套風(fēng)電機組控制電路的基本功能：過流過壓的保護、MPPT、控制負(fù)載電流電壓等。

3.2 性能分析

根據(jù)調(diào)研，得到圖3，分析得出：多種能源互補智能供電系統(tǒng)在一月份至三月份發(fā)電量與負(fù)載耗電量的差值呈現(xiàn)上漲趨勢，溫度低導(dǎo)致自然風(fēng)量增大，四月份至五月份發(fā)電量與負(fù)載耗電量的差值呈現(xiàn)陡坡下降的趨勢，原因是隨著天氣溫度的上升人們的用電量在增大，自然風(fēng)量也有明顯的減小。六月份至九月份發(fā)電量與負(fù)載耗電量的差值最小，正處夏季導(dǎo)致人們的用電量大大的增加，發(fā)電量也有增加。十月份至十二月份發(fā)電量與負(fù)載耗電量的差值慢慢地上升。由上述分析可得該供電系統(tǒng)能夠很好的滿足日常家庭用電。

4 創(chuàng)新點及應(yīng)用

4.1 創(chuàng)新點

（1）風(fēng)能、光能、余熱能互補協(xié)調(diào)使用，打破傳統(tǒng)單一能源供電局限，大大提高清潔能源的綜合利用率。（2）系統(tǒng)通過智能脈沖“PWM”特殊的充電方式，可以有效減少電池的發(fā)熱，大大提高充電時能源的利用率，同時延長了電池的使用壽命。（3）防水性強，不受惡劣環(huán)境影響，工作環(huán)境的適應(yīng)性強。（4）系統(tǒng)操作和控制簡便，使用方法簡便。（5）設(shè)備占地小，移動、運輸方便，適用范圍非常廣。

4.2 應(yīng)用

多種能源互補智能供電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍極廣，不僅僅適用于應(yīng)急用電、居民用電，還可以應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。例如：利用多能源互補供電系統(tǒng)為景觀景點照明、利用多能源互補供電系統(tǒng)為農(nóng)村或者城市居民供暖、利用多能源互補系統(tǒng)打造便攜式電源、利用多能源互補供電系統(tǒng)助力海水淡化等。近年來，我國積極倡導(dǎo)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。中小型能源發(fā)電機產(chǎn)品隨之而多樣化，多能源互補供電系統(tǒng)在市政項目、偏遠(yuǎn)地區(qū)、邊防哨所的應(yīng)用前景非常廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文超.小型風(fēng)光互補發(fā)電體系的認(rèn)識[J].科技與創(chuàng)新，2017，4（07）：71

[2]張歡.風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的設(shè)計[D].蘇州大學(xué)，2017.

[3]金曉航，孫毅，單繼宏，等.風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷與預(yù)測技術(shù)研究綜述[J].儀器儀表學(xué)報，2017，38（05）：1041-1053.

[4]李俊華.組合型風(fēng)能與光能互補發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019，16（19）：83-84+86.

[5]盧佳.風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能控制研究[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2019，14（03）：321-326.

[6]白健美，黃文娟，李柯，等.微型風(fēng)光互補穩(wěn)定發(fā)電模型[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019，8（21）：216-217.