周奇智，王 匡，邵 瑞

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

能源與國家經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展之間始終密切相關(guān)，科學(xué)合理開發(fā)新能源，可在一定程度上推動經(jīng)濟長遠穩(wěn)定發(fā)展，而可再生能源同樣是未來能源實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵載體。在現(xiàn)階段能源迅速發(fā)展趨勢下，全球一直在致力于發(fā)展新能源技術(shù)，清潔能源應(yīng)用則演變成了當前世界各國能源發(fā)展主要態(tài)勢。在大量可再生能源中，風能與太陽能開發(fā)利用最為便捷，在新能源發(fā)展態(tài)勢越來越好的形勢下，二者占據(jù)著重要位置，近年來風力與光伏發(fā)電裝機容量不斷增加[1]。風力與光伏發(fā)電有機結(jié)合彌補了獨立發(fā)電的缺陷，尤其是時間與空間不足的問題。白天通過光伏電池板與風機同時發(fā)電，而晚上則通過風機發(fā)電。陽光與風主要受季節(jié)影響，夏季陽光充足，冬季風力充足，這就表明風能與太陽能之間的互補可最大限度地利用新能源，以陜西為例。就陜北的地理位置而言，風力與光伏互補發(fā)電的發(fā)展前景十分廣闊[2]。雖然經(jīng)濟不斷進步發(fā)展，但是我國在貧富分布不均下，依然有許多貧困地區(qū)電力不足，尤其是陜北地域廣闊，人煙稀少，風能與太陽能資源豐富，可在發(fā)電中充分合理利用。

1 陜北貧困地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成部分

陜北貧困地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由4個模塊共同構(gòu)成[3]，具體如圖1所示。

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)框架Fig.1 Wind-solar hybrid power generation system framework

風力發(fā)電機通過將風能轉(zhuǎn)換為機械能，以帶動發(fā)電機生成電能，而風力發(fā)電機所生成的為三相交流電，因此以整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后經(jīng)過風光互補控制器；光伏電池板發(fā)電將光能轉(zhuǎn)化為電能，同步輸出直接通過風光互補控制器?？刂破魉敵鲭娏骺芍苯永茫蛘哚槍π铍姵剡M行充電，或者基于逆變轉(zhuǎn)化成交流電。

逆變器負責將直流電轉(zhuǎn)化為交流電壓以供交流負載加以利用；控制器作為系統(tǒng)核心，負責控制風力發(fā)電機與光伏電池板的輸出最大功率以及蓄電池充電，在系統(tǒng)電量匱乏時，蓄電池發(fā)揮作用進行發(fā)電，以供負載應(yīng)用；蓄電池負責儲能，儲存多余電能。

1.2 變換電路

風力與光伏發(fā)電極易受外界環(huán)境影響，通常需以DC/DC變換電路實時跟蹤最大功率。如果以普通DC/DC電路并聯(lián)成負載進行供電，只有電壓較高時才會面向負載提供電能[4]。陜北貧困地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的功率電路設(shè)計引用了雙輸入Boost電路，如圖2所示。

圖2 雙輸入Boost電路Fig.2 Dual input Boost circuit

其中開關(guān)管上分別并聯(lián)二極管，以確保電源獨立運行時，分別負責導(dǎo)通與關(guān)斷。在2個電源同步供電時，二極管不運行。開關(guān)管占空比以D1與D2代表，輸出電壓關(guān)系即：

(1)

DC/DC變換電路應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足[5]具體見表1。

表1 DC/DC變換電路Tab.1 DC/DC conversion circuit

基于對比可知，陜北貧困地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計以雙輸入Boost電路為載體，其輸出電壓與2個Boost電路電壓之和相同，且于系統(tǒng)內(nèi)可實現(xiàn)風力與光伏同步發(fā)電供電，可防止并聯(lián)使用時發(fā)生環(huán)流現(xiàn)象。

1.3 儲能裝置

2 陜北貧困地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

陜北貧困地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)硬件[7]設(shè)計具體如圖3所示。通過風力發(fā)電機與光伏電池板將風能與光能轉(zhuǎn)化為電能，基于雙輸入Boost電路實時跟蹤最大功率，并利用Buck-Boost電路將輸出電壓控制于既定值，以面向蓄電池充電，并供直流負載加以利用。升降壓電路輸出直流通過DC/DC電路轉(zhuǎn)化直流電為交流電，經(jīng)過濾波電路與變壓器，以供交流負載應(yīng)用。系統(tǒng)以DSP芯片為主控制芯片，以其豐富的PWM輸出接口通過驅(qū)動電路，有效控制功率電路與逆變電路的開關(guān)管，并通過采樣電路采集系統(tǒng)電壓電流信號，基于芯片ADC轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號加以處理，以此實現(xiàn)系統(tǒng)控制。

圖3 風光互補發(fā)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Wind and solar hybrid power generation system hardware structure

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)所需實現(xiàn)功能具體即電壓電流采樣功能、最大功率跟蹤功能、蓄電池充放電功能、SPWM逆變控制功能。主控制芯片可于能夠在完成用戶編程、調(diào)試、分析的軟件內(nèi)實現(xiàn)軟件編程與功能程序調(diào)試。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含主程序、A/D采樣子程序、最大功率跟蹤子程序、寄存器設(shè)置、SPWM子程序、蓄電池管理與充放電子程序的設(shè)計。

主程序所需實現(xiàn)的系統(tǒng)初始化主要有定時器、I/O接口、外設(shè)中斷、各個模塊的初始化。在主程序設(shè)計過程中，需先進行變量初始化，然后合理設(shè)置主控芯片的事件管理器寄存器，以待中斷。在定時器溢出中斷時，核查系統(tǒng)新工作狀態(tài)，以明確系統(tǒng)工作模式。主程序流程[8]具體如圖4所示。

圖4 主程序流程Fig.4 Main program flow

3 系統(tǒng)驗證

風光互補控制器是發(fā)電系統(tǒng)核心組成部分，通過實驗對各個模塊進行驗證，以測試硬件模塊是否可以順利實現(xiàn)對應(yīng)功能[9]。通過風光互補控制器調(diào)試，驗證是否能夠?qū)崿F(xiàn)風力發(fā)電、光伏發(fā)電、風光互補發(fā)電，并基于數(shù)據(jù)采集驗證系統(tǒng)最大功率跟蹤輸出。

3.1 實驗平臺

實驗風力發(fā)電機選用NE-200小型水平軸發(fā)電機，其具體參數(shù)見表2。光伏電池板選用M-10型與SUN-5D-5型，二者串聯(lián)工作，參數(shù)具體見表3。

表2 風力發(fā)電機參數(shù)Tab.2 Wind turbine parameters

表3 光伏電池板參數(shù)Tab.3 Photovoltaic panel parameters

風力發(fā)電過程中受外界風力不穩(wěn)影響，且對于天氣要求過多，選擇功率340 W、轉(zhuǎn)速1 400 m/s的工業(yè)風扇當作送風機，以面向風力發(fā)電機傳輸風能，促使其達到穩(wěn)定工作狀態(tài)正常輸出電能。光伏電池板通過外界光照，促使電池板輸出電能。以數(shù)字示波器與萬能表為測量設(shè)備，供電電源則以多個開關(guān)電源與1個數(shù)字電源為主。實驗平臺[10]具體如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實驗平臺Fig.5 System experiment platform

3.2 硬件測試

3.2.1 輔助電源

系統(tǒng)設(shè)計中包含輔助電源，輸入端電壓為24 V，以2個12 V開關(guān)電源串聯(lián)作為輸入電源，以此輔助電源模塊進行供電。測試結(jié)果具體見表4。

表4 測試結(jié)果Tab.4 Test results

3.2.2 檢測電路

檢測電路測試以萬用表與DSP芯片A/D采樣模塊加以開展，通過直流數(shù)字電源設(shè)置給定電壓電流，并采樣對比，以萬用表采集輸出端口值，通過A/D采樣觀察分析寄存器值，以對比分析。光伏電池電壓采樣電路與電流采樣電路數(shù)據(jù)采樣結(jié)果具體見表5。

通過軟件觀察采樣數(shù)據(jù)可知，輸出穩(wěn)定性較高，控制在誤差允許范圍之內(nèi)。

表5 采樣結(jié)果Tab.5 Sampling result

3.2.3 最大功率跟蹤

為驗證風光互補控制器功率跟蹤輸出可行性，面向光伏發(fā)電與風力發(fā)電通過控制器，進行了最大功率跟蹤，并測量了風光同時運行時控制器的最大功率跟蹤輸出。

雙輸入最大功率跟蹤輸出測試，以外界光照為光伏電池板能量輸入，轉(zhuǎn)變風扇檔位與距離，以驗證輸出電壓與采集電流，風力與光伏同時發(fā)電時，在雙輸入Boost電路輸出端接入100 Ω電阻。所采集負載側(cè)數(shù)據(jù)具體見表6。

表6 雙輸入測試結(jié)果Tab.6 Dual input test results

由表6可知，風光互補控制器可實現(xiàn)風力與光伏同步發(fā)電，可隨外界光照與風速變化實現(xiàn)最大功率跟蹤輸出；風光互補控制器可實現(xiàn)單輸入最大功率點實時跟蹤，可實現(xiàn)光伏與風力互補發(fā)電雙輸入最大功率跟蹤輸出。

4 結(jié)論

綜上所述，在能源問題不斷激化的態(tài)勢下，能源演變成了社會發(fā)展的主要關(guān)注點。風能與太陽能作為可再生能源備受社會各界高度重視。據(jù)此本文針對陜北貧困地區(qū)設(shè)計了風光互補發(fā)電系統(tǒng)，通過實驗驗證了硬件系統(tǒng)，并進行了風光互補控制器測試。結(jié)果表明，通過軟件觀察采樣數(shù)據(jù)，可知輸出穩(wěn)定性較高，控制在誤差允許范圍之內(nèi)；風光互補控制器可實現(xiàn)風力與光伏同步發(fā)電，可隨外界光照與風速變化實現(xiàn)最大功率跟蹤輸出；風光互補控制器可實現(xiàn)單輸入最大功率點實時跟蹤，可實現(xiàn)光伏與風力互補發(fā)電雙輸入最大功率跟蹤輸出。

參考文獻(References)：

[1] 于東霞，張建華，王曉燕，等.并網(wǎng)型風光儲互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2019，31(10)：59-65.

Yu Dongxia，Zhang Jianhua，Wang Xiaoyan，et al.Grid-connected wind-solar hybrid power generation system capacity optimization configuration[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2019，31(10)：59-65.

[2] 榮浩博.基于雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化策略研究[J].電子測試，2020(9)：72-74.

Rong Haobo.Research on optimization strategy of wind-solar hybrid power generation system based on dual-rotor generator[J].Electronic Test，2020(9)：72-74.

[3] 李益民，王關(guān)平，馬建立，等.基于天牛須搜索遺傳算法的風光柴儲互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化配置研究[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2020，9(3)：918-926.

Li Yimin，Wang Guanping，Ma Jianli，et al.Research on optimal allocation of wind-solar diesel-storage complementary power generation system capacity based on Tianniu whisker search genetic algorithm[J].Energy Storage Science and Technology，2020，9(3)：918-926.

[4] 趙志強，戴擁民，呂盼，等.基于電力系統(tǒng)雙側(cè)隨機性的源荷跨時空互補特性研究[J].能源與環(huán)保，2018，40(4)：176-181.

Zhao Zhiqiang，Dai Yongmin，Lü Pan，et al.Research on complementary characteristics of source and load across time and space based on double-sided randomness of power system[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(4)：176-181.

[5] 王童.風光互補發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2019.

[6] 項雯，顧曉慶，李慧，等.風浪流發(fā)電功率計算方法與綜合發(fā)電評估新概念[J].能源與環(huán)保，2017，39(12)：100-104，108.

Xiang Wen，Gu Xiaoqing，Li Hui，et al.Wind，wave and current power calculation method and new concept of comprehensive power generation evaluation[J].China Energy and Environmental Protection，2017，39(12)：100-104，108.

[7] 戴嘉彤，董海鷹.基于抽水蓄能電站的風光互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2019，35(6)：76-82.

Dai Jiatong，Dong Haiying.Research on capacity optimization of wind-solar hybrid power generation system based on pumped-storage power station[J].Power System and Clean Energy，2019，35(6)：76-82.

[8] 胡瀅，臧大進，張勇，等.基于知識融合PSO的風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化[J].控制工程，2019，26(5)：799-805.

Hu Ying，Zang Dajin，Zhang Yong，et al.Wind-solar hybrid power generation system optimization based on knowledge fusion PSO[J].Control Engineering of China，2019，26(5)：799-805.

[9] 郭瑞峰，史叢林.三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的雙?？刂茖崿F(xiàn)[J].能源與環(huán)保，2017，39(12)：223-226.

Guo Ruifeng，Shi Conglin.Realization of dual-mode control of three-phase grid-connected photovoltaic power generation system[J].China Energy and Environmental Protection，2017，39(12)：223-226.

[10] 于東霞.風光互補發(fā)電系統(tǒng)容量配置及逆變器研究[D].揚州：揚州大學(xué)，2018.