鄭婷婷，黨 樂，任景龍，劉實秋

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010041；2.北京?？瓶萍加邢薰?，北京 海淀 100085；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 海淀 100049）

我國可再生能源資源開發(fā)潛力巨大，內(nèi)蒙古草原地區(qū)風(fēng)光資源豐富，冬季氣溫低、寒冷時間長，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，供電困難[1]。離網(wǎng)型的風(fēng)光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)可以為遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)牧區(qū)、邊防哨所提供電力供應(yīng)，在這些地區(qū)和場所的生產(chǎn)生活中越來越發(fā)揮重要的作用。要保證離網(wǎng)型風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)及可靠運(yùn)行，其控制器起著核心的作用。

現(xiàn)有的風(fēng)光發(fā)電控制器基本有兩種類型，一種是大型場站安裝的風(fēng)光控制器，另一種是滿足智能路燈和小農(nóng)舍類的微小型風(fēng)光控制器[2-4]。文獻(xiàn)[2]提出了大型新能源場站發(fā)電的集群協(xié)調(diào)控制框架。文獻(xiàn)[3]基于“多級協(xié)調(diào)，逐級細(xì)化”的思路，提出適應(yīng)風(fēng)光電集群接入系統(tǒng)的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[4]研究了離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計和控制策略。大型場站安裝的風(fēng)光控制器，控制容量較大，裝置復(fù)雜，通信控制手段完備，造價很高；小型的風(fēng)光控制器技術(shù)含量較低，大多為固定的充電設(shè)備如景觀路燈等設(shè)計，沒有考慮風(fēng)光能源的高效利用。

為提高離網(wǎng)型風(fēng)光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)的供電效率和可靠性，本文提出了一種基于動態(tài)功率尋優(yōu)PWM技術(shù)，設(shè)計完成實時感知能量模式的風(fēng)光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)智能控制器。本智能控制器參照大型風(fēng)光場站的控制思路，同時簡化電力開關(guān)柜一類的硬件裝置，達(dá)到高效利用能源、動態(tài)感知能源可利用量級的功能，智能分配風(fēng)光能源應(yīng)用比例，大大提高了整個系統(tǒng)的工作效率。而且，在充放電控制環(huán)節(jié)，考慮系統(tǒng)在極寒地區(qū)的應(yīng)用，本設(shè)計增加了電池組的溫度監(jiān)測和補(bǔ)償功能，保證在不同環(huán)境溫度下電池都能具備相對最大的荷電狀態(tài)[5]。本文設(shè)計的智能控制器在內(nèi)蒙古東部極寒地區(qū)無電牧戶離網(wǎng)型風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用，取得良好效果。

1 總體設(shè)計方案

離網(wǎng)型的風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)電機(jī)組、光伏電池組、智能控制器、蓄電池組、逆變器、交流負(fù)載和直流負(fù)載組成[6]。本文研究提出了基于風(fēng)光功率動態(tài)尋優(yōu)實現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT）和可控限流恒壓PWM技術(shù)的智能控制器，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)

在智能控制器的設(shè)計上參照大型風(fēng)光場站的控制思路，同時簡化電力開關(guān)柜一類的硬件裝置，通過實時采集多參數(shù)數(shù)據(jù)的計算，實現(xiàn)工作模式的實時轉(zhuǎn)換，極大提高了系統(tǒng)工作效率。

實時檢測跟蹤風(fēng)光發(fā)電特性，實現(xiàn)系統(tǒng)整體最大功率跟蹤（MPPT），達(dá)到動態(tài)感知能源可利用量級、高效利用能源的功能，智能分配風(fēng)光能源應(yīng)用比例。

實現(xiàn)對電池電壓、光伏發(fā)電電壓、風(fēng)力發(fā)電電壓的采樣，根據(jù)電池電壓及發(fā)電電壓，采用微控制器進(jìn)行PWM調(diào)制技術(shù)，對蓄電池進(jìn)行充放電控制，實現(xiàn)蓄電池過充和過放保護(hù)。

寒冷地區(qū)氣候?qū)π铍姵匦阅艿挠绊懯潜鞠到y(tǒng)設(shè)計考慮的要素之一。本系統(tǒng)實時監(jiān)測蓄電池溫度，實現(xiàn)對蓄電池的溫度補(bǔ)償，保障蓄電池的性能，延長其使用壽命。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作模式

根據(jù)風(fēng)光資源和負(fù)載狀態(tài)，為系統(tǒng)設(shè)計3 種工作模式。

關(guān)閉模式。當(dāng)檢測到風(fēng)光共同直流母線電壓低于蓄電池電壓時，關(guān)閉系統(tǒng)的PWM 工作，系統(tǒng)處于測量待機(jī)狀態(tài)，既控制器處于關(guān)閉模式。此時系統(tǒng)功耗最低，小于1 W（其中顯示屏消耗0.6 W）。

最大功率模式。與連網(wǎng)蓄電池限流限壓的充電模式不同，本設(shè)計的控制器工作在最大功率模式的條件是：其一，只要檢測到蓄電池未充滿，就處于最大功率模式；其二，蓄電池已經(jīng)充滿，但負(fù)載仍有大功率用電需求。

限功率模式。蓄電池已經(jīng)充滿，負(fù)載消耗較少，系統(tǒng)尚有待轉(zhuǎn)換的風(fēng)光資源。此狀態(tài)可以實時提示給用戶，提示用戶可優(yōu)先使用能源。

2.2 最大功率模式的實現(xiàn)

首先是核心處理器的選擇。本設(shè)計中智能控制器的核心處理器是國產(chǎn)STC8G2K64S4，其內(nèi)部資源豐富，僅數(shù)字外設(shè)方面，有5 個16 位定時器，4 個高速串口；45 組15 位增強(qiáng)型PWM，可實現(xiàn)帶死區(qū)的控制信號，同時芯片內(nèi)部集成了硬件16位乘除法器，可極大縮短軟件計算時間。

其次是風(fēng)光功率的實時測量。本方案設(shè)計了獨(dú)立的風(fēng)電、光伏、蓄電池電壓電流實時測量電路，為PWM 的功率計算提供了實時數(shù)據(jù)，也為在線評估風(fēng)光資源提供了基本的技術(shù)支持。以風(fēng)機(jī)直流電壓測量為例，如圖2 所示。圖中，R28、R30、R31是低阻值（25 mΩ）分流取樣電阻。當(dāng)電流10 A時，F(xiàn)JA1點(diǎn)有1.75 V電位值；同樣，風(fēng)機(jī)整流后的直流電壓經(jīng)R24、R29分壓，要由UZ2A緩沖得到測量電壓。

圖2 風(fēng)機(jī)電壓電流測量原理圖

當(dāng)控制器工作在最大功率模式時，軟件不斷測量當(dāng)前的風(fēng)光功率之和，并與上次的計算結(jié)果相比較，如果功率增加，繼續(xù)沿上次的PWM調(diào)整方向進(jìn)行；如果功率減少，則反向調(diào)整PWM。同時保存本次的PWM方向調(diào)整特征，為下一次軟件迭代計算使用。

2.3 蓄電池的精細(xì)溫補(bǔ)充電管理

控制器設(shè)計能夠滿足在極寒地區(qū)使用，如果按照常規(guī)簡易的充電管理，蓄電池在低溫（低于0 ℃）時的充電容量會大打折扣。本智能控制器設(shè)計實時測量電池組溫度，依據(jù)溫度的變化對電池組的充電電壓限制條件進(jìn)行調(diào)整，保證在不同環(huán)境溫度下電池都能具備相對最大的荷電狀態(tài)。

創(chuàng)造性地設(shè)計了“充電限制值+溫度補(bǔ)償電壓”的充電控制方式，提升了電池在低溫條件下的充電性能，優(yōu)化電池運(yùn)行條件，延長電池使用壽命，非常適合寒冷地區(qū)的應(yīng)用條件。溫度補(bǔ)償電壓Utc的計算公式：

式中：Ucc為充電補(bǔ)償電壓；tf為參考溫度；ta為環(huán)境溫度。

根據(jù)膠體蓄電池的充電特性，對于48 V電池系統(tǒng)，充電補(bǔ)償電壓取-75 mV/℃（以25 ℃為參考）。例如，電池工作于-15 ℃環(huán)境，則補(bǔ)償電壓為3.0 V。即在-15 ℃時，控制器自動將充電電壓補(bǔ)償3 V，使蓄電池在該環(huán)境條件下仍能工作在最大荷電狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計

智能控制器軟件功能框圖如圖3 所示。單片機(jī)對采得的風(fēng)力發(fā)電電壓、光伏發(fā)電電壓和蓄電池電壓進(jìn)行分析計算，根據(jù)電池電壓及發(fā)電電壓，采用微控制器進(jìn)行PWM 調(diào)制技術(shù)，對蓄電池進(jìn)行充放電控制，實現(xiàn)蓄電池過充和過放保護(hù)。

圖3 智能控制器軟件功能框圖

4 試驗運(yùn)行分析

對研發(fā)的風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)智能控制器進(jìn)行了全面大量的試驗，并經(jīng)過現(xiàn)場實際運(yùn)行，證明智能控制器實現(xiàn)了設(shè)計的功能和性能指標(biāo)。

圖4 最大功率模式驗證電源

測試分別取RW=5、10、20 Ω 3 種情況。開啟逆變器，泄放部分電池容量，使控制器工作在最大功率充電模式。啟動控制器工作，觀察輸出的PWM波形，當(dāng)PWM 處于動態(tài)+/-調(diào)整時，測量電路輸出電流。表1 為最大功率模式試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明， 穩(wěn)態(tài)電流趨近于限制條件I=(U0-E)/R及U0/(2R)中的較小值，充電功率趨近于限制條件下的最大值。

表1 最大功率模式試驗結(jié)果

設(shè)計的智能控制器在內(nèi)蒙古東部極寒地區(qū)無電牧戶離網(wǎng)型風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文以離網(wǎng)型風(fēng)光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計了基于風(fēng)光功率動態(tài)尋優(yōu)的新型風(fēng)光儲智能控制器。該控制器采用PWM 控制技術(shù)和蓄電池溫度補(bǔ)償管理技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)光能量的動態(tài)優(yōu)化利用。該控制器已在內(nèi)蒙古東部極寒地區(qū)無電牧戶離網(wǎng)型風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)中得到的應(yīng)用，現(xiàn)場運(yùn)行情況良好。經(jīng)試驗分析，該控制器實現(xiàn)了設(shè)計的功能和性能指標(biāo)，為智能化的風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，為極寒偏遠(yuǎn)無電地區(qū)的持續(xù)穩(wěn)定供電、農(nóng)牧區(qū)民生問題的解決提供了方案，具有良好的實用價值和經(jīng)濟(jì)社會綜合效益。