独立运行的风光互补发电系统的研究与设计

摘 要：本文设计了一种以Microchip公司生产的dsPIC30F2010微处理器为下位机控制核心和以Winbond公司的W77E58单片机作为上位机的风光互补发电系统。

关键词：风光互补发电系统；dsPIC30F2010微处理器；逆变；MPPT跟踪；功率控制

引言

电站系统设计的目标是确定发电系统各部件的容量及运行控制策略，合理的设计方案能降低系统成本，增加系统运行的可靠性。太阳能与风能在时间和地域上有很强的互补性，且风电的单位发电成本低于光伏发电，因此，风光互补能够降低系统的总成本。在风光互补发电系统的优化设计中，应该在获得安装点的气候数据和负载容量后，通过选择不同的系统部件组合方式确定系统容量，然后再选择在给定系统容量下的最优运行策略。

风光互补发电系统结构

图1 风光互补发电系统结构框图

图2 风机充电控制模块系统结构框图

图3 光伏阵列充电控制系统结构框图

图4 风机充电控制电路方框图

图5功率控制系统方框图

图6 监控系统运行策略

图7阵列 MPPT控制下的跟踪曲线

图8风机充电器充电电流波形

本文所设计的风光互补发电系统的结构框图如图1所示。各充电控制器和逆变器以16位微处理器dsPIC30F2010为控制核心，可独立运行，并通过RS-485于上位W77E58单片机通讯，组成监控系统。在系统中，W77E58主要用于完成对键盘、液晶和指示灯的控制，与X5045交换数据及与微型机通信等功能。系统中逆变器模块主电路采用隔离式全桥逆变电路，用IPM模块作为逆变电路的开关器件，采用通用的单极性SPWM控制方式。

风机充电控制模块

被控对象是两组三相全控桥式整流电路，系统总体结构框图如图2所示。当风速达到启动风速时，控制器进入工作状态；低于额定风速时，控制器依功率控制方式跟踪风电机组的功率变化；高于额定风速时，通过风电机组的机械式结构限制风电机组的转速，使之接近恒功率运行。同步脉冲形成电路产生同步脉冲，作为同步信号加至单片机外部中断引脚。根据蓄电池的充电特性，控制可控硅导通角对三相桥式整流电路的SCR进行触发和控制输出。当蓄电池足压时，驱动卸载电路对风机进行卸载，以防止风机飞车。图中Isun是来自光伏支路的输出电流，为蓄电池综合充电。

光伏阵列充电控制模块

该模块的系统结构框图如图3所示。光伏电池的V-I输出特性曲线表示最大功率点与日照及电池板温度有关，为了提高太阳电池的发电效率，在系统中加入一个太阳电池峰值功率跟踪器，即CVT(Constant Voltage Tracking)式的MPPT跟踪器。由于曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，可以假定阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计。人们仅需从生产厂商处获得Vmax数据并使阵列的输出电压钳位于Vmax值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。通过改变开关管的脉冲宽度，可以控制变换器给蓄电池充电的电流，保证蓄电池具有最大可能的充电电流，从而达到最大功率点跟踪的目的。为保证对蓄电池有效地充电，在控制回路中应增加蓄电池充电电压与电流的反馈，以实现过压和过流保护，以及恒压充电控制。同时，为适应温度变化对光伏阵列的影响，根据不同的温度或季节调节阵列的输出电压，可利用微处理器采集光伏阵列温度，并根据温度查表或计算在当前温度下光伏阵列最大功率点的输出电压。

风光互补发电系统的

运行策略分析

在风光互补电站的主要部件中，太阳电池阵列和逆变器的使用寿命较长，而风力发电机和蓄电池的使用寿命较短，所以，如何对风力发电机与蓄电池进行保护成为系统的主要任务。

蓄电池充电的

恒压限流充电法分析

对蓄电池的充电可以采用常规的先恒流、再恒压的控制方法。考虑到蓄电池对充电电流的限制，以及充电控制从恒流到恒压的切换，风电机组采用恒压限流的控制方式对蓄电池进行充电管理，原理框图如图4所示。由于光伏支路的输出电流Isun较小，故设计成浮充和辅助充电器功能。在电流控制环节(虚线框内)的给定端I*，框外有一个限幅环节，用来限制充电电流。由于采用电流闭环控制，这个限定值就是恒流充电的电流给定值。在初始充电时，电池电压Vb'较低，小于蓄电池的给定电压Vb*，因此有Vb*-Vb'>0，由于PI调节中积分环节的作用，使输出达到最大值，从而电流给定以限幅值输入，实现限流充电。当充电电压超过给定电压时，充电电流从限流状态退出。蓄电池的电压作为充电控制的外环，以Vb*这个经过温度补偿计算得到的充电电压作为给定，由于电压闭环的作用使蓄电池的电压始终不会超过此值。充电电流降低，系统自动转入恒压充电状态，随着蓄电池电压的不断升高，充电电流不断减小，直至为零，此时蓄电池的电压等于给定电压。

风电机组的功率控制

为了有效地控制变化的风速引起的功率波动，该控制系统采用了调节卸载负荷大小的方法，如图5所示。当实测功率与蓄电池回路消耗功率的差达到一定值时，关闭门限开关，投入卸载回路功率伺服环，通过调节卸载负荷回路的电流来跟踪发电机组的功率，从而控制由于瞬时风速引起的功率波动。

监控系统运行策略

在蓄电池的充电过程中，比较蓄电池的端电压和设置的控制点电压，分级切除光伏支路和风力发动机组；在蓄电池的放电过程中，同样比较这两个电压，分级投入光伏支路和风力发动机组。在无风无光的情况下，当蓄电池的端电压下降到一定程度时，需切断逆变器，退出系统。监控系统运行策略如图6所示，其中U1为浮充电压，U2为风力发动机组切入点。

实验结果分析

MPPT控制在为蓄电池进行充电时的跟踪曲线如图7所示。由图可知，系统能够有效地工作在阵列的最大功率点，而且误差很小，说明控制方法可行。

图8所示的风机充电器充电电流波形是在风速为8m/s的情况下获得的，风机输出功率为4KW，蓄电池电压为190V，电流钳定位于10mV/1A档位，风机充电器充电输出电流均值为20A，卸载回路不工作，符合控制系统要求。

结语

根据上述控制思想研制的独立运行的风光互补发电系统，具有过充、过流等完善的保护功能，人机界面友好，系统对每一个部件的工作状态都能进行实时的检测和控制，以保证整个系统始终工作在良好的状态。风光互补发电系统作为合理的独立电源系统，有着广泛的应用前景。■

参考文献

1 E. Koutroulis, K. Kalaitzakis, and N. C. Voulgaris. Development of a Microcontroller-Based Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No. 1, January 2001, pp. 46-54.

2 曹承志. 微型计算机控制新技术. 机械工业出版社，2001.6

3 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术. 机械工业出版社，2002.5