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北京中油瑞飛信息技術有限責任公司 王海龍

摘要：通過本文提出的風光互補逆變系統，實現對風機充電、太陽能充電和逆變電路的控制，輸出民用交流電，同時可通過調節BUCK電路的開關管的占空比來提高系統的能源轉化效率。

關鍵詞：微處理器；充電控制；逆變器；占空比

1　概述

隨著經濟的發展，人們對于能源的需求與日俱增，傳統能源的日益枯竭、環境污染等問題，使可再生能源的開發成為當下的主要研究方向。清潔能源中的風能和光能是極具開發價值的資源，風光互補逆變系統正是為解決將風光能源轉化為日常所使用的電能而開發的一套實用型系統。本文介紹一種將風機控制、太陽能控制以及逆變電路結合在一起，在微處理器控制下實現風光互補控制逆變功能的裝置，可將風光能源高效率地轉化為電能。常見的風光發電系統示意圖如圖1所示。

圖1 常見風光發電系統

采用上述這種設計方案，風機控制器、太陽能控制器和逆變電路都獨立工作，必然存在以下一些問題：整個系統中采用2套控制電路，重復投資；由于每套裝置都獨立工作，可以使各自都處于最佳工作狀態，但整個系統不一定運行于最佳工作狀態，資源利用率低；維護效率低，維護工作量大，而且傳統的風機發電模式輸出功率受蓄電池電量的限制，并受轉化效率的影響容易造成資源的浪費。本文在傳統系統結構的基礎上提出一種新的控制方法，可以提高風電能源的轉化效率，提高資源的利用率。

2　主電路結構圖（如圖2所示）

風光互補逆變系統由光伏板和二極管串聯形成的光電支路、由風力發電機和整流橋串聯形成的風電支路、所述光電支路與所述風電支路并聯向干路中的蓄電池充電，其中光電支路和風電支路均串聯BUCK電路。風光互補發電系統還設有可對光電支路和風電支路交替進行控制的MPPT控制裝置。克服現有風光互補發電系統的風力發電機和光伏板的輸出功率遠小于其最大輸出功率，造成清潔能源的浪費，并使得蓄電池充電效率低下，本系統提供可追蹤風力發電機和光伏板的最大輸出功率，以提高光伏板和風力發電機的輸出功率。

圖2 主電路結構圖

2.1　風機控制部分

由于風力發電機工作環境惡劣，風力的不均勻性，造成發電機轉速極不穩定。若要風力發電穩定可靠的工作，必須準確測量風力發電的轉速，及配合各種保護電路做參考。由于風力發電機的轉速不定，因此要求轉速測量電路必須要有較寬的工作范圍；風機位置較高，易遭受雷擊等自然災害，交流部分存在很大干擾和過功率風險，因此電路必須實現隔離。

風力發電機輸出的交流電，一路通過三相整流得到直流電壓給蓄電池充電；另一路通過三相固態繼電器接至卸載電阻。當蓄電池電壓達到風機卸載電壓值時，開通三相固態繼電器，使風力發電機卸載，禁止對蓄電池充電；當蓄電池電壓降至風機卸載恢復電壓值時，關斷三相固態繼電器，禁止卸載，恢復充電。

圖3 風機控制部分

2.2　光伏控制部分

光伏陣列輸出一路給蓄電池充電，光伏陣列產生的直流輸出給蓄電池充電，當蓄電池電壓達到光伏陣列過充值時，關閉場效應管，光伏陣列輸出斷路，禁止對蓄電池充電；當蓄電池電壓降至光伏陣列過充恢復值時，開通場效應管，恢復光伏陣列對蓄電池充電。圖2中引入二極管是為了防止蓄電池反向漏電。蓄電池為全橋電路提供直線母線電壓。全橋電路在控制信號驅動下獲得交流輸出，經變壓器升壓后得到所需幅值的交流輸出電壓。

3　軟件設計

硬件電路中包含對光電支路和風電支路交替進行控制的MPPT控制裝置，可跟蹤發電過程中的最大功率點。本設計中采用“擾動法”來追蹤光伏板和風力發電機的最大輸出功率。光電支路驅動電路與光電支路的BUCK電路的開關管連接，當MPPT控制裝置控制光電支路時，DSP控制器向光電支路驅動電路發出指令，改變所述光電支路的BUCK電路的BUCK電路的開關管的占空比，從而調整光伏板的輸出功率。光電支路檢測電路再次檢測光電支路的電壓和電流強度，并將新的數據傳送至DSP控制器，DSP控制器計算光電支路調整后的輸出功率，并比較調整前后的輸出功率，如調整后的輸出功率比調整前的輸出功率大，則DSP控制器控制光電支路驅動繼續增大光電支路BUCK電路的開關管的占空比，使光伏板的輸出功率進一步增大。如果DSP控制器計算后發現調整前后輸出功率變小，則這時控制器控制光電支路驅動減小光電支路BUCK電路的開關管的占空比，來保證當前最大功率，并繼續追蹤當前輸出功率。風電的控制方法與上述方法類似。

MPPT控制裝置通過對風電支路或者光電支路中的一路進行控制，來使風力發電機和光伏板幾乎以接近其各自最大的輸出功率的狀態工作，且設定的間隔時間越短，整個風力互補發電系統的輸出功率越高，從而可顯著提高整個風力互補發電系統的輸出功率，提高光能和風能的利用率。同時MPPT控制裝置還包括DSP控制器引出的蓄電池檢測電路，使蓄電池檢測電路與所述干路連接以檢測蓄電池的充電電壓和電流強度，保護整套系統的安全及保證系統的正常工作。

圖4 “擾動法”執行流程

4　結語

利用本文所介紹的風光互補逆變系統，已成功開發出220V/50Hz，600W風光互補正弦波逆變器。該方法與模擬電路或PWM專用繼承電路設計方法相比，可以達到技術升級與降低成本并舉，具有使用方便可靠、交流輸出穩定、帶感性負載能力強、易于生產、維護和升級等特點，并且成本不高于模擬電路或PWM專用集成電路。對上述硬件和軟件稍微改定，即可用于不同直流電壓輸入、不同交流電壓輸出、不同輸出功率、不同頻率以及不同保護功能的場合。對于開發使用太陽能、風能及其他清潔能源有著非常重要的意義。

作者簡介：

王海龍（1985-），男，北京人，學士學位，現就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，主要研究方向為電力電子。

摘自《自動化博覽》2017年1月刊