王聰慧，張順星，張 維

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

近年來(lái)新能源在全世界范圍內(nèi)發(fā)展很快，結(jié)合目前我國(guó)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)存在電力供應(yīng)不足的實(shí)際問(wèn)題以及對(duì)于家庭式微電網(wǎng)、小型微電網(wǎng)的需求，基于風(fēng)能、光能等新能源的微電網(wǎng)系統(tǒng)成為了新的研究與應(yīng)用方向[1]。微電網(wǎng)系統(tǒng)作為新型電力供應(yīng)系統(tǒng)，采用分布式電源結(jié)構(gòu)，主要選擇風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源作為電網(wǎng)中的電源，而由于這些能源受到光照強(qiáng)度、風(fēng)速、溫濕度等因素的影響，電網(wǎng)中風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不穩(wěn)定[2]，同時(shí)當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池板的輸出電壓比較低時(shí)不能對(duì)鉛酸蓄電池組進(jìn)行有效充電，這時(shí)給不同負(fù)載供電時(shí)，往往由于系統(tǒng)不能有效地進(jìn)行能源優(yōu)化選擇，從而導(dǎo)致有時(shí)不能給負(fù)載正常供電[3]。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文結(jié)合小功率微電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，基于STC15W系列單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能進(jìn)行優(yōu)化選擇控制和蓄電池低壓充電控制。

1 小功率微電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

本文中小功率微電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)主要由2組垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)(12V/12W)、風(fēng)速儀、8塊(6V/3W)太陽(yáng)能電池板、溫濕度光照傳感器、蓄電池組(12V/18A·h)、逆變器和交/直流負(fù)荷(交流負(fù)載：LED 燈，220V 3W；直流負(fù)載：風(fēng)扇，24V 2W)、交直流電流和電壓表等部件組成，平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 小功率微電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

2 智能控制器總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中選擇STC15W系列單片機(jī)作為核心控制器，總體設(shè)計(jì)如圖2所示。該控制器主要由電壓數(shù)據(jù)采集電路、電壓比較電路、太陽(yáng)/風(fēng)能升壓電路、降壓電路、串口通信電路和數(shù)碼顯示電路等部分構(gòu)成[4]。這個(gè)控制器的主要功能是通過(guò)STC15W系列單片機(jī)對(duì)太陽(yáng)能光伏陣列電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，并對(duì)蓄電池進(jìn)行合理充電，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①把所發(fā)電能直接送往直流負(fù)載；②通過(guò)逆變器將電能轉(zhuǎn)化為交流電送往交流負(fù)載；③把多余的能量按蓄電池的特性曲線對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電；④當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載；⑤蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過(guò)充，當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的電能放完時(shí)，控制器要控制蓄電池不被過(guò)放電，保護(hù)蓄電池；⑥通過(guò)RS485接口電路，可以與其他上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理。

圖2 智能控制器總體設(shè)計(jì)

3 控制器硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，要求硬件電路能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理與控制、電壓比較、光能/風(fēng)能輸出電壓升壓、給負(fù)載輸出時(shí)降壓以及數(shù)據(jù)顯示和通信連接等功能。下面對(duì)主要電路進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

3.1 主控制器電路

本文中核心控制器采用的是STC15W系列單片機(jī)，它采用STC-Y5CPU內(nèi)核，能超高速運(yùn)行。芯片內(nèi)部有6 路CCP/PWM/PCA輸出和8路超高速10 位 A/D轉(zhuǎn)換輸入，以及4Kbyte的大容量?jī)?nèi)置SRAM，還擁有4個(gè)獨(dú)立的高速異步串行通信端口及1 組高速同步串行通信端口SPI。STC15W系列單片機(jī)功能很強(qiáng)大[5]?；赟TC15W的主控電路通過(guò)外部引腳連接輸入模擬電壓采集電路、電壓比較電路、數(shù)碼管顯示電路、 RS232/RS485串口通信電路等。

3.2 升壓電路

利用太陽(yáng)能和風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)出的電壓不穩(wěn)定、而且一般達(dá)不到正常電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，因此需要對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)出的電能進(jìn)行升壓處理，以保證電能正常使用[6]。本文在設(shè)計(jì)時(shí)利用MC34063A集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)光能輸入升壓和風(fēng)能輸入升壓，硬件電路如圖3所示。MC34063A可用極少的開(kāi)關(guān)元器件，構(gòu)成升壓變換開(kāi)關(guān)、降壓變換開(kāi)關(guān)和電壓反向電路，這種開(kāi)關(guān)電源相對(duì)線性穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō)，效率較高。圖3(a)中J8 為太陽(yáng)能輸入端口，經(jīng)過(guò)電源芯片 MC34063A 升壓后輸出 15 V 電壓。圖3(b)中J9 和 J10 為風(fēng)能輸入端口，由于風(fēng)能輸入為交流電，首先通過(guò) D24～D36 進(jìn)行整流，再由 MC34063A升壓至15 V輸出。

3.3 電壓比較電路

為了保證新能源發(fā)電后能夠正常接入使用，同時(shí)也為了避免光能/風(fēng)能不夠時(shí)不消耗電網(wǎng)電能，本文中設(shè)計(jì)了電壓比較電路，用來(lái)控制新能源的接入和斷開(kāi)[7]，如圖4所示。圖4中，5 V 電壓通過(guò) R100 和 R105 分壓后得到 2 V 的基準(zhǔn)電壓介入 LM393 的 2 管腳，15VOUT通過(guò)2個(gè)2 kΩ電阻分壓后接入 3 管腳，若 3 管腳電壓大于 2V，則 1 管腳輸出高電平(R97 為上拉電阻)，否則管腳輸出低電平。

圖3 升壓電路

圖4 電壓比較電路

3.4 電壓采集電路

由于STC15W系列單片機(jī)ADC采集的電壓范圍為0～5 V，因此當(dāng)被測(cè)電壓大于5V時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行降壓處理，本設(shè)計(jì)采用電阻分壓方式進(jìn)行ADC采集[8]，電路如圖5所示。

3.5 降壓電路

為了保證負(fù)載正常使用，使用新能源供電時(shí)，輸出電壓必須經(jīng)過(guò)降壓處理[9]。本文中設(shè)計(jì)的降壓電路如圖6所示，此電路中MP1584 是一個(gè)高頻率的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，具有一個(gè)集成的內(nèi)部高端高壓功率 MOSFET。它具有4.5～28 V輸入電壓，可滿足多種降壓場(chǎng)合的應(yīng)用。

圖5 電壓采集電路

此外為了提高系統(tǒng)與多種外圍設(shè)備通信的能力，本文還設(shè)計(jì)了RS485串口通信電路。

圖6 降壓電路

3.6 智能控制器實(shí)物

根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)出的智能控制器實(shí)物如圖7(a)所示，圖7(b)為實(shí)際控制柜中安裝布局圖。

圖7 風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器實(shí)物圖

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

電源優(yōu)化分配及智能選擇是本文設(shè)計(jì)的主要目的，為了使程序高效穩(wěn)定的運(yùn)行，具體設(shè)計(jì)時(shí)所有功能進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)[10]。本文設(shè)計(jì)中，通過(guò)電壓采集電路和電壓采集程序完成新能源輸入電壓的采集及A/D轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算后將電壓具體數(shù)值通過(guò)數(shù)據(jù)顯示模塊進(jìn)行輸出顯示。程序設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上風(fēng)光能發(fā)電裝置的實(shí)際發(fā)電能力，設(shè)定電壓參考標(biāo)準(zhǔn)為15 V。當(dāng)新能源發(fā)電電壓大于4 V時(shí)，系統(tǒng)允許接入新能源，否則斷開(kāi)新能源接入市電進(jìn)行供電；接入新能源后，如果電壓大于5 V，允許給用戶供電，當(dāng)電壓大于12 V，則同時(shí)可以給蓄電池進(jìn)行充電，否則使用蓄電池進(jìn)行供電；如果蓄電池電壓小于最低限制時(shí)，斷開(kāi)蓄電池供電，切入市電，互補(bǔ)控制器程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

完成軟、硬件設(shè)計(jì)后，把控制器接入微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，表1中給出了部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表1中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：此控制器采集后顯示的電壓值誤差在±0.3 V，電壓數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確，而且系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)力和光伏發(fā)電能源充足(>12 V)時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)控制器輸出使用新能源供電，帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行同時(shí)給蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)力和光伏發(fā)電能源不足(<4 V)時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)控制器輸出使用蓄電池的儲(chǔ)能進(jìn)行供電；當(dāng)蓄電池儲(chǔ)能不足(<12 V)時(shí)，為了防止蓄電池過(guò)放電，蓄電池停止放電，使用市電補(bǔ)償保證系統(tǒng)持續(xù)供電。風(fēng)光互補(bǔ)控制器可以根據(jù)風(fēng)力、光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)情況，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了多種能源的動(dòng)態(tài)切換及優(yōu)化控制。

圖8 風(fēng)光互補(bǔ)控制程序流程

表1 控制器實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù) V

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的小功率微電網(wǎng)智能控制器通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)使用后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)L(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能對(duì)蓄電池進(jìn)行高效率充電，而且還提供了強(qiáng)大的控制功能，通過(guò)能源的優(yōu)化選擇控制，使交流 LED 燈(220V 3W)和直流風(fēng)扇(24V 2W)這兩種負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間保持可靠穩(wěn)定地工作。此外該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可根據(jù)不同用戶需求進(jìn)行靈活開(kāi)發(fā)。