【思考】風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)能量需求的不斷增加，以及傳統(tǒng)能源消耗帶來的環(huán)境污染問題，可再生能源越來越受到人們的關(guān)注，風(fēng)能和太陽(yáng)能作為兩種應(yīng)用廣泛的可再生能源，在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都具互補(bǔ)性，成為了最具開發(fā)前景的兩種可再生能源。與單一的風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)或光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，在滿足相同負(fù)載要求的前提下，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有供電質(zhì)量穩(wěn)定、發(fā)電效率高、綜合發(fā)電成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于風(fēng)速和太陽(yáng)輻照強(qiáng)度處于時(shí)刻變化中，新能源發(fā)電設(shè)備在固定參數(shù)下難以實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電，甚至有時(shí)發(fā)電效率極其低下，因此，有必要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)一種新能源發(fā)電控制器，在發(fā)電過程中實(shí)時(shí)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、日照強(qiáng)度等變化動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電設(shè)備和蓄電池充放電的有效管理，以提高新能源發(fā)電工程的供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹一種風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，該控制器采集風(fēng)電機(jī)組、光伏電池的充電電流和蓄電池電壓以及負(fù)荷情況，經(jīng)過計(jì)算和處理后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制主功率回路電路上的功率開關(guān)器件，實(shí)時(shí)對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能的充電情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到有效利用兩種能源的目的。
　　風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
　　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)電機(jī)組、光伏電池陣列、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池組、逆變器和用電負(fù)荷等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 　　系統(tǒng)控制原理如下：太陽(yáng)能經(jīng)過光伏陣列的轉(zhuǎn)換得到直流電，直流電經(jīng)功率開關(guān)器件對(duì)蓄電池充電，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組所發(fā)的電通過三相橋式整流后變?yōu)橹绷麟娡ㄟ^功率開關(guān)器件對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。風(fēng)電機(jī)組和太陽(yáng)能電池陣列的電量可由單片機(jī)發(fā)出的PWM波觸發(fā)相應(yīng)的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制。蓄電池的充電電壓及電流由相關(guān)傳感器檢測(cè)并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)，由單片機(jī)依據(jù)控制流程和相關(guān)參數(shù)對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制。當(dāng)蓄電池電壓充滿或風(fēng)電機(jī)組電壓過高時(shí)通過開關(guān)管進(jìn)行卸荷，以免造成蓄電池過充和危害其他設(shè)備安全。
　　硬件控制電路設(shè)計(jì)
　　該控制系統(tǒng)采用芯片PIC16F877A作為控制核心，配以電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、卸荷模塊等組成。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、可擴(kuò)展性好、可移植性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。 　　本系統(tǒng)采用風(fēng)光互補(bǔ)的形式給蓄電池充電，即利用風(fēng)能和太陽(yáng)能同時(shí)給蓄電池充電，太陽(yáng)能電池的正負(fù)極分別接于圖示中的SP和SN，給蓄電池充電：風(fēng)電機(jī)組三相輸出接U、V、W，經(jīng)整流后給蓄電池充電，通過對(duì)開關(guān)管的PWM斬波控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池充電的控制。系統(tǒng)的控制單位包括以下主要模塊：
　　(1)主控模塊
　　主控模塊是整個(gè)通用型新能源智能控制系統(tǒng)的大腦，其主要完成對(duì)系統(tǒng)各子模塊狀態(tài)的信息采集、監(jiān)測(cè)(如風(fēng)電機(jī)組、光伏輸入電壓、電流信號(hào)，蓄電池端電壓、充放電電流信號(hào)，IGBT溫度信號(hào)等)，并根據(jù)軟件控制算法，發(fā)出執(zhí)行指令以保證系統(tǒng)在各工況下正常工作。本系統(tǒng)開發(fā)的控制模塊運(yùn)行頻率為4MHz，可實(shí)現(xiàn)對(duì)8路信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并同時(shí)輸出3路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，5路開關(guān)量信號(hào)(可擴(kuò)展到20路)，具有RS232串口通訊接口，可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)對(duì)PC端的實(shí)時(shí)傳輸。
　　(2)電源模塊
　　通用型新能源智能控制系統(tǒng)的電源模塊主要完成對(duì)系統(tǒng)其它子模塊硬件電路供電的功能，考慮到新能源如風(fēng)電、太陽(yáng)能的能量具有波動(dòng)性，所以電源模塊在保證供電穩(wěn)定的前提下，必須具有較寬的輸入電壓范圍，以適應(yīng)新能源的特性。本系統(tǒng)研制的電源模塊可適應(yīng)電壓范圍：輸入交流85V-265V、直流70V-360V;輸出直流電壓：+5V、+15V、±12V。電源模塊經(jīng)測(cè)試工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制板、驅(qū)動(dòng)板、各傳感器等的可靠供電。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將電壓檢測(cè)部分功能集成在電源模塊上。
　　(3)驅(qū)動(dòng)模塊
　　驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是驅(qū)動(dòng)IGBT并對(duì)IGBT具有保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)關(guān)閉IGBT，并輸出故障信號(hào)。本驅(qū)動(dòng)模塊采用DC+15V供電，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)300A/1700V以下的IGBT，驅(qū)動(dòng)頻率最大60kHz;還具有輸入電源極性保護(hù)、IGBT過流保護(hù)功能，同時(shí)保護(hù)報(bào)警輸出與其它部分是電隔離的，每路均有故障指示燈。
　　(4)卸載模塊
　　卸載電路是當(dāng)風(fēng)力很大，但沒有到過速保護(hù)限定值，風(fēng)電機(jī)組仍需要對(duì)蓄電池或負(fù)載進(jìn)行供電時(shí)使用，這是由于風(fēng)電機(jī)組輸出功率比較大，會(huì)對(duì)控制器造成很大的沖擊，可以利用卸載電路，卸載一部分功率，從而減小由于風(fēng)大對(duì)控制器造成的沖擊。卸荷控制采用PWM無級(jí)卸荷與完全接通卸荷相結(jié)合的方式，可以避免過度卸荷，通過這兩種卸荷方式的結(jié)合，既可以有效保護(hù)風(fēng)電機(jī)組、防止風(fēng)車，又保證了盡可能多的利用電能，提高了系統(tǒng)效率。