離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制器一體機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)乾¹、陳寶²、伍儒彬³、陳冰⁴

（1,2,3,4北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京昌平，102200）

摘要：太陽(yáng)能和風(fēng)能作為清潔能源，是目前研究新能源開(kāi)發(fā)利用的熱點(diǎn)，單獨(dú)利用太陽(yáng)能或風(fēng)能存在穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制器一體機(jī)，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可以最大限度的利用風(fēng)能和太陽(yáng)能，穩(wěn)定的為用戶提供電能。本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理和特性入手，采用太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)、最大功率跟蹤技術(shù)及高效風(fēng)機(jī)發(fā)電控制技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制器一體機(jī)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的逆變控制一體機(jī)控制電路性能優(yōu)良，逆變部分輸出正弦波電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效提高風(fēng)能和光能的利用率，解決風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)中使用復(fù)雜，安全性低，生產(chǎn)成本較高的問(wèn)題，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)；MPPT；SPWM；H橋；神經(jīng)模糊算法

0 引言

隨著環(huán)境問(wèn)題及能源問(wèn)題的日益突出，發(fā)展并研究新能源技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外的高度重視，太陽(yáng)能和風(fēng)能作為清潔能源，是目前研究新能源開(kāi)發(fā)利用的熱點(diǎn)，單獨(dú)利用太陽(yáng)能或風(fēng)能存在穩(wěn)定性較差，受天氣影響較為嚴(yán)重，對(duì)周邊環(huán)境依賴性較高，區(qū)域影響較為嚴(yán)重等缺陷。太陽(yáng)能和風(fēng)能在同一區(qū)域往往存在互補(bǔ)性，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可以最大限度的利用風(fēng)能和太陽(yáng)能，穩(wěn)定的為用戶提供電能，隨著風(fēng)光互補(bǔ)新能源技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。

本文從風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案入手，完成了一體機(jī)整體方案設(shè)計(jì)和需求分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了功能電路和系統(tǒng)軟件。在功能電路設(shè)計(jì)部分，按照風(fēng)光互補(bǔ)最大功率跟蹤需要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一體機(jī)控制電路，其中控制器電路分為電力主電路、信號(hào)采集電路和單片機(jī)智能控制電路，電力主電路包括太陽(yáng)能整流電路，太陽(yáng)能MPPT控制電路，風(fēng)機(jī)整流電路，風(fēng)機(jī)MPPT控制器電路，信號(hào)采集電路，過(guò)壓保護(hù)電路，卸荷電路，制動(dòng)電路及軟件控制策略等。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)能量最優(yōu)化管理，風(fēng)機(jī)能量管理算法以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)N-P曲線為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)選取最大功率點(diǎn)，建立基于風(fēng)機(jī)的NPR模型，實(shí)時(shí)進(jìn)行最大功率動(dòng)態(tài)跟蹤；光伏能量管理算法采用了積分微移法，通過(guò)對(duì)V-P曲線的定時(shí)跟蹤實(shí)現(xiàn)最大功率動(dòng)態(tài)跟蹤。該套離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)充分考慮到了影響蓄電池壽命的關(guān)鍵因素，通過(guò)中央處理單元及蓄電池保護(hù)電路對(duì)蓄電池進(jìn)行全面保護(hù)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，本文進(jìn)行了樣機(jī)的制作，通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的逆變控制一體機(jī)控制電路性能優(yōu)良，逆變部分工作穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用本設(shè)計(jì)方法可以有效提高風(fēng)能和光能的利用率，解決風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)中使用復(fù)雜，安全性低，生產(chǎn)成本較高的問(wèn)題，從而也延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。

1、風(fēng)光互補(bǔ)逆變一體機(jī)的設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為離網(wǎng)型民用發(fā)電系統(tǒng)，在產(chǎn)品可靠性及安全性方面都提出了較高要求，其中能源輸入包含風(fēng)能、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備的能量引入接口，在安全及可靠性方面提供了風(fēng)機(jī)電子剎車卸荷接口，確保風(fēng)機(jī)輸入回路工作在允許電壓范圍內(nèi)。在逆變器輸出電路上，提供了隔離變壓器，可以有效的防止單端接觸觸電，有效提高了產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)程中的安全性。系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案圖

從上圖可以看出，風(fēng)光互補(bǔ)逆變一體機(jī)的主要組成設(shè)備有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、主功率回路及控制系統(tǒng)、鉛酸蓄電池及逆變電路等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板通過(guò)風(fēng)機(jī)接口和光伏接口將電能輸送至風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)整流電路，經(jīng)能源控制回路整合后通過(guò)控制電路為鉛酸電池充電或?yàn)楹蠖四孀兤麟娐饭╇?，?shí)現(xiàn)電池充電功能并驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。

1.2關(guān)鍵技術(shù)分析

風(fēng)能發(fā)電部分是利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)控制器對(duì)蓄電池充電，經(jīng)過(guò)逆變器對(duì)負(fù)載供電風(fēng)機(jī)采用具有特別適合大多內(nèi)陸地區(qū)低風(fēng)速、時(shí)發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點(diǎn)。通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)MPPT功能，可以確保在高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi)，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓。

光伏電池具有抗風(fēng)、防潮、工作穩(wěn)定、無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)。它能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，但是太陽(yáng)電池輸出功率并不是隨著光照強(qiáng)度的加強(qiáng)和正比變化的，若要達(dá)到高效利用太陽(yáng)能，就需要依賴于控制器的MPPT功能，從而做到對(duì)充電電流的高效控制。

鉛酸蓄電池作為整套系統(tǒng)的核心部分，對(duì)鉛酸電池進(jìn)行有效管理十分重要，電路控制部分根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載的變化，不斷對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，把調(diào)整后的電能直接送往逆變器，以滿足直流或交流負(fù)載的使用，盡量減少蓄電池的充放電次數(shù)，另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)，以備風(fēng)光能源不足時(shí)使用。

中央控制單元是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，它保證整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。另外本系統(tǒng)受應(yīng)用環(huán)境的要求，本身就要求實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，所以無(wú)論從硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對(duì)系統(tǒng)有保護(hù)作用，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的運(yùn)維和管理，整個(gè)系統(tǒng)需要提供風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)的工作狀態(tài)診斷功能及遠(yuǎn)程傳輸功能。

逆變電路是把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的220V工頻交流電，保證常用家用負(fù)載的正常工作，是直接提供給用戶的關(guān)鍵部分，該部分設(shè)計(jì)要確保穩(wěn)定的同時(shí)，又要保障用戶使用的安全性。

2、風(fēng)光互補(bǔ)逆變一體機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1主功率功能電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)電路要實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和光能的最大化利用，電路設(shè)計(jì)上應(yīng)包含風(fēng)機(jī)及光伏的MPPT充電電路，要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，就需要通過(guò)中央控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)卸荷管理，同時(shí)中央控制單元負(fù)責(zé)對(duì)BUCK驅(qū)動(dòng)電路管理，實(shí)現(xiàn)BUCK主功率回路的控制，在電池充滿并沒(méi)有負(fù)載需求時(shí)，斷開(kāi)主功率回路，降低整機(jī)功耗。具體功能電路關(guān)聯(lián)圖如圖2所示。

圖2風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)硬件架構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)逆變一體機(jī)的充電電路主要通過(guò)整流橋來(lái)實(shí)現(xiàn)AC-DC變換，是一套高效、可靠的風(fēng)能光能控制系統(tǒng)，具有獨(dú)立穩(wěn)壓功能電路，風(fēng)能及光伏供電系統(tǒng)可脫離蓄電池組工作，使系統(tǒng)工作的可靠性大大提高，并有效減少蓄電池組的循環(huán)充電次數(shù)。該電路輸出部分具有輸出功率限定功能，控制單元可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定值，限定風(fēng)機(jī)的輸出的功率，從而保證風(fēng)機(jī)的輸出功率控制在額定功率之內(nèi)，不會(huì)造成風(fēng)機(jī)飛轉(zhuǎn)，出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)功率輸出的情況，從而大大保護(hù)了風(fēng)機(jī)，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。同時(shí)該電路具有風(fēng)機(jī)及太陽(yáng)能 MPPT功能，其輸出電流大于輸入電流，較蓄電池穩(wěn)壓式控制系統(tǒng)提高使用效率至少20%以上，能夠使風(fēng)能系統(tǒng)充分利用風(fēng)力資源，降低風(fēng)機(jī)內(nèi)耗，提高風(fēng)機(jī)輸出效率。

圖3風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)充電管理電路

針對(duì)電池管理電路，為中央控制單元設(shè)計(jì)了電池電壓、電池溫度、電池充電電流，風(fēng)機(jī)輸入電壓、風(fēng)機(jī)輸入電流、光伏輸入電壓、光伏輸入電流、逆變器輸入電流的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和蓄電池充電斷開(kāi)電路、蓄電池放電截止電路、蓄電池容量監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)對(duì)輸入、輸出電壓、電流及蓄電池溫度的監(jiān)測(cè)，可以有效的保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)電池使用壽命。風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)蓄電池管理電路如圖4所示：

圖4風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)充電管理電路

2.2診斷及通訊電路設(shè)計(jì)

離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)診斷及通訊功能，需要硬件電路的支持。其中診斷功能通過(guò)對(duì)蓄電池、光伏及風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓、電流的采集來(lái)實(shí)現(xiàn)，關(guān)于斷相檢測(cè)功能我們采用了頻率檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，通訊電路主要通過(guò)DTU模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。診斷及通訊電路設(shè)計(jì)圖5所示：

圖5風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)診斷及通訊電路

2.3逆變器電路設(shè)計(jì)

逆變電路是離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心電路之一，實(shí)現(xiàn)了直流電向AC220V市電轉(zhuǎn)換的功能，滿足用戶常用負(fù)載的驅(qū)動(dòng)需要。該電路采用了SPWM驅(qū)動(dòng)電路和H橋主功率電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)測(cè)試，該電路工作穩(wěn)定。逆變器電路設(shè)計(jì)圖6所示：

圖6風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)逆變器電路

2.4軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維、管理需求，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、一體機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)監(jiān)測(cè)，將一體機(jī)代碼進(jìn)行接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提供設(shè)備管理接口、數(shù)據(jù)上傳接口、人機(jī)交互接口、歷史數(shù)據(jù)管理接口、傳感器參數(shù)管理接口、傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及通訊協(xié)議接口等。如圖7所示：

圖7一體機(jī)固件接口圖

組態(tài)監(jiān)測(cè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)和C/S架構(gòu)，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，通過(guò)Server端收集、解析數(shù)據(jù)，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存放至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，組態(tài)界面及配套的client端從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)并做出展示，系統(tǒng)工作原理如圖8所示：

圖8組態(tài)監(jiān)測(cè)軟件工作原理

2.5  太陽(yáng)能MPPT跟蹤功能實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的MPPT功能，就需要有效的控制太陽(yáng)能輸入端電壓，將其穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，這里需要用到PWM技術(shù)，采用DC-DC變換的開(kāi)關(guān)電源模式工作，其電路原理如圖12 所示。太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)能整流組件連接，整流組件受控制器控制，由太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤電路（MPPT）和PWM電路實(shí)現(xiàn)管理，可任意調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的輸入脈沖寬度，可使太陽(yáng)能電池的輸出電壓接近太陽(yáng)能電池最大功率工作點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤。

圖9 DC-DC變換的開(kāi)關(guān)電源模式工作原理

由于直流變換穩(wěn)壓型太陽(yáng)能電源的輸入不受蓄電池電位的影響，控制器的工作效率在蓄電池充飽前不變，因此太陽(yáng)能控制器的效率就是系統(tǒng)的整體工作效率。蓄電池電壓越低、系統(tǒng)的輸入輸出電壓差越大，具有MPPT功能的太陽(yáng)能電源體現(xiàn)出的效能就越大。因此，具有MPPT功能的太陽(yáng)能控制器首先提高了太陽(yáng)能系統(tǒng)的整體工作效率。其次，DC-DC直流變換穩(wěn)壓型太陽(yáng)能控制器對(duì)蓄電池具有多重保護(hù)和管理功能，一方面系統(tǒng)具有獨(dú)立穩(wěn)壓輸出功能，能夠真正實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的均浮充管理。

2.6  風(fēng)力發(fā)電機(jī)MPPT跟蹤功能實(shí)現(xiàn)

標(biāo)稱相同的風(fēng)機(jī)其輸出電壓比太陽(yáng)能為高，以 48V風(fēng)機(jī)為例，其輸出電壓為AC 0~207V 之間，經(jīng)整流后，電壓更會(huì)高達(dá)300V以上。正常工作時(shí)，風(fēng)機(jī)電壓也會(huì)在直流100V以上，當(dāng)然，不同風(fēng)機(jī)工作電壓會(huì)有所不同。如果采用直接整流濾波后接入蓄電池充電的工作方式， 100V 左右的脈動(dòng)電壓直接被蓄電池降到48V左右，有50%的電壓會(huì)降在風(fēng)機(jī)繞組上，也使大量電能消耗在風(fēng)機(jī)繞組上，風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出效率將大打折扣，風(fēng)機(jī)要想得到額定輸出功率，只能在依賴更大的風(fēng)速。因此風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作效率和風(fēng)能利用率都大大地降低，同時(shí)，風(fēng)機(jī)的可靠性和平均無(wú)故障時(shí)間 MTBF 也會(huì)大打折扣。

高效風(fēng)機(jī)發(fā)電控制技術(shù)是采用開(kāi)關(guān)電源的工作模式而設(shè)計(jì)的風(fēng)能控制電源，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的交流電能經(jīng)整流后進(jìn)入斬波器轉(zhuǎn)換成脈沖波，由脈沖變壓器將前級(jí)的脈沖電壓變換成所需的電壓，并經(jīng)整流穩(wěn)壓后輸出給蓄電池和負(fù)載。輸出電壓可任意調(diào)控，不依靠蓄電池組穩(wěn)壓，其工作原理圖如圖13所示。

圖10 AC-DC風(fēng)能控制器工作原理

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電一體機(jī)加入風(fēng)能 MPPT 電路后，可使得系統(tǒng)的輸入輸出端維持最大的壓差，降低繞組內(nèi)阻的損耗，使風(fēng)能系統(tǒng)有最佳的輸出效率。其等效電路原理如圖14所示：

圖11 DC-DC變換的開(kāi)關(guān)電源模式工作原理

在等效電路圖中，風(fēng)機(jī)與蓄電池和負(fù)載分別在兩個(gè)回路里，脈沖變壓器將初級(jí)線圈上100V左右的脈沖電壓變換為次級(jí)43-56V的脈沖電壓，經(jīng)整流濾波后，輸送給蓄電池和負(fù)載。在變壓器降壓過(guò)程中，電壓降低，電流增大，因此變換穩(wěn)壓型控制系統(tǒng)的輸出電流大于風(fēng)機(jī)提供的輸入電流。輸入輸出電壓差異越大，體現(xiàn)出的效能提升也越高。風(fēng)機(jī)的MPPT功能提高了風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率。

3、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

如圖12所示，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電智能物聯(lián)監(jiān)控管理系統(tǒng)將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的坐標(biāo)信息與地圖結(jié)合，根據(jù)實(shí)際的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)信息，將設(shè)備在地圖上標(biāo)注出來(lái)，可直觀的看到各個(gè)設(shè)備的位置分布。同時(shí)集成天氣預(yù)報(bào)控件，可預(yù)報(bào)當(dāng)?shù)匚磥?lái)5天的天氣。

在圖12中，單擊某個(gè)設(shè)備圖標(biāo)，跳轉(zhuǎn)到該設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫(huà)面，如圖13所示，每個(gè)設(shè)備采集44個(gè)變量，包括風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)能電壓、太陽(yáng)能發(fā)電量等，同時(shí)根據(jù)采集的風(fēng)速值動(dòng)畫(huà)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)，更加直觀的顯示設(shè)備狀態(tài)。

圖12 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電智能物聯(lián)監(jiān)控管理系統(tǒng)界面圖1

圖13風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電智能物聯(lián)監(jiān)控管理系統(tǒng)界面圖2

4、結(jié)束語(yǔ)

目前，現(xiàn)有的風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)主要存在著風(fēng)光配比不合理、存在蓄電池壽命短、斷電頻繁、感性負(fù)載啟動(dòng)困難等問(wèn)題，其原因主要為對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)配置不足和蓄電池管理功能不完善。本文采用了太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)和最大功率跟蹤技術(shù)、高效風(fēng)機(jī)發(fā)電控制技術(shù)來(lái)提升風(fēng)光系統(tǒng)的效能和增加供電能力，設(shè)計(jì)制作了離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制器一體機(jī)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的逆變控制一體機(jī)控制電路性能優(yōu)良，逆變部分輸出正弦波電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效提高風(fēng)能和光能的利用率，解決了風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)中使用復(fù)雜，安全性低，生產(chǎn)成本較高的問(wèn)題，從而延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。

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