離網型風光互補逆變控制器一體機的設計與實現

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有限責任公司，北京昌平，102200）

摘要：太陽能和風能作為清潔能源，是目前研究新能源開發(fā)利用的熱點，單獨利用太陽能或風能存在穩(wěn)定性較差的問題。本文設計了一種離網型風光互補逆變控制器一體機，通過風光互補發(fā)電系統(tǒng)，可以最大限度的利用風能和太陽能，穩(wěn)定的為用戶提供電能。本文從風力發(fā)電機的工作原理和特性入手，采用太陽能電池的最大功率點、最大功率跟蹤技術及高效風機發(fā)電控制技術，設計制作了離網型風光互補逆變控制器一體機樣機，通過實際測試驗證，本文設計的逆變控制一體機控制電路性能優(yōu)良，逆變部分輸出正弦波電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效提高風能和光能的利用率，解決風光互補一體機發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設計中使用復雜，安全性低，生產成本較高的問題，從而延長產品的使用壽命。

關鍵詞：風光互補；MPPT；SPWM；H橋；神經模糊算法

0 引言

隨著環(huán)境問題及能源問題的日益突出，發(fā)展并研究新能源技術引起了國內外的高度重視，太陽能和風能作為清潔能源，是目前研究新能源開發(fā)利用的熱點，單獨利用太陽能或風能存在穩(wěn)定性較差，受天氣影響較為嚴重，對周邊環(huán)境依賴性較高，區(qū)域影響較為嚴重等缺陷。太陽能和風能在同一區(qū)域往往存在互補性，通過風光互補發(fā)電系統(tǒng)，可以最大限度的利用風能和太陽能，穩(wěn)定的為用戶提供電能，隨著風光互補新能源技術的不斷發(fā)展與成熟，風光互補發(fā)電系統(tǒng)應用前景廣闊。

本文從風光互補發(fā)電系統(tǒng)的整體設計方案入手，完成了一體機整體方案設計和需求分析，并在此基礎上設計了功能電路和系統(tǒng)軟件。在功能電路設計部分，按照風光互補最大功率跟蹤需要設計并實現了一體機控制電路，其中控制器電路分為電力主電路、信號采集電路和單片機智能控制電路，電力主電路包括太陽能整流電路，太陽能MPPT控制電路，風機整流電路，風機MPPT控制器電路，信號采集電路，過壓保護電路，卸荷電路，制動電路及軟件控制策略等。為實現風光互補一體機能量最優(yōu)化管理，風機能量管理算法以實時監(jiān)測N-P曲線為驅動點，根據負載變化自動選取最大功率點，建立基于風機的NPR模型，實時進行最大功率動態(tài)跟蹤；光伏能量管理算法采用了積分微移法，通過對V-P曲線的定時跟蹤實現最大功率動態(tài)跟蹤。該套離網發(fā)電系統(tǒng)充分考慮到了影響蓄電池壽命的關鍵因素，通過中央處理單元及蓄電池保護電路對蓄電池進行全面保護。

根據上述設計，本文進行了樣機的制作，通過實際測試驗證，本文設計的逆變控制一體機控制電路性能優(yōu)良，逆變部分工作穩(wěn)定，達到了設計目標。利用本設計方法可以有效提高風能和光能的利用率，解決風光互補一體機發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設計中使用復雜，安全性低，生產成本較高的問題，從而也延長了產品的使用壽命。

1、風光互補逆變一體機的設計方案

1.1系統(tǒng)整體設計

本文設計的風光互補發(fā)電系統(tǒng)為離網型民用發(fā)電系統(tǒng)，在產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能、太陽能轉換設備的能量引入接口，在安全及可靠性方面提供了風機電子剎車卸荷接口，確保風機輸入回路工作在允許電壓范圍內。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，有效提高了產品應用過程中的安全性。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，風光互補逆變一體機的主要組成設備有風力發(fā)電機、太陽能電池板、主功率回路及控制系統(tǒng)、鉛酸蓄電池及逆變電路等。風力發(fā)電機、太陽能電池板通過風機接口和光伏接口將電能輸送至風光互補一體機整流電路，經能源控制回路整合后通過控制電路為鉛酸電池充電或為后端逆變器電路供電，實現電池充電功能并驅動負載工作。

1.2關鍵技術分析

風能發(fā)電部分是利用風力機將風能轉化為機械能，通過風力發(fā)電機將機械能轉換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經過逆變器對負載供電風機采用具有特別適合大多內陸地區(qū)低風速、時發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點。通過控制器實現MPPT功能，可以確保在高風速時，風機轉速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓。

光伏電池具有抗風、防潮、工作穩(wěn)定、無需維護等特點。它能將太陽能轉化為電能，但是太陽電池輸出功率并不是隨著光照強度的加強和正比變化的，若要達到高效利用太陽能，就需要依賴于控制器的MPPT功能，從而做到對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，對鉛酸電池進行有效管理十分重要，電路控制部分根據日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調節(jié)，把調整后的電能直接送往逆變器，以滿足直流或交流負載的使用，盡量減少蓄電池的充放電次數，另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲，以備風光能源不足時使用。

中央控制單元是整個設計的核心，它保證整個系統(tǒng)安全、可靠運行。另外本系統(tǒng)受應用環(huán)境的要求，本身就要求實現免維護，所以無論從硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對系統(tǒng)有保護作用，同時考慮到系統(tǒng)的運維和管理，整個系統(tǒng)需要提供風光互補一體機的工作狀態(tài)診斷功能及遠程傳輸功能。

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

2、風光互補逆變一體機的技術實現

2.1主功率功能電路設計

根據系統(tǒng)整體設計，風光互補一體機電路要實現風能和光能的最大化利用，電路設計上應包含風機及光伏的MPPT充電電路，要實現風機的穩(wěn)定、可靠運行，就需要通過中央控制單元實現對風機的動態(tài)卸荷管理，同時中央控制單元負責對BUCK驅動電路管理，實現BUCK主功率回路的控制，在電池充滿并沒有負載需求時，斷開主功率回路，降低整機功耗。具體功能電路關聯圖如圖2所示。

圖2風光互補一體機硬件架構

風光互補逆變一體機的充電電路主要通過整流橋來實現AC-DC變換，是一套高效、可靠的風能光能控制系統(tǒng)，具有獨立穩(wěn)壓功能電路，風能及光伏供電系統(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。該電路輸出部分具有輸出功率限定功能，控制單元可以通過預先設定值，限定風機的輸出的功率，從而保證風機的輸出功率控制在額定功率之內，不會造成風機飛轉，出現過壓、過流和過功率輸出的情況，從而大大保護了風機，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。同時該電路具有風機及太陽能 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，能夠使風能系統(tǒng)充分利用風力資源，降低風機內耗，提高風機輸出效率。

圖3風光互補一體機充電管理電路

針對電池管理電路，為中央控制單元設計了電池電壓、電池溫度、電池充電電流，風機輸入電壓、風機輸入電流、光伏輸入電壓、光伏輸入電流、逆變器輸入電流的監(jiān)測節(jié)點和蓄電池充電斷開電路、蓄電池放電截止電路、蓄電池容量監(jiān)測電路，通過對輸入、輸出電壓、電流及蓄電池溫度的監(jiān)測，可以有效的保護蓄電池，延長電池使用壽命。風光互補一體機蓄電池管理電路如圖4所示：

圖4風光互補一體機充電管理電路

2.2診斷及通訊電路設計

離網型風光互補系統(tǒng)要實現診斷及通訊功能，需要硬件電路的支持。其中診斷功能通過對蓄電池、光伏及風機的關鍵節(jié)點電壓、電流的采集來實現，關于斷相檢測功能我們采用了頻率檢測電路來實現，通訊電路主要通過DTU模塊來實現。診斷及通訊電路設計圖5所示：

圖5風光互補一體機診斷及通訊電路

2.3逆變器電路設計

逆變電路是離網型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的核心電路之一，實現了直流電向AC220V市電轉換的功能，滿足用戶常用負載的驅動需要。該電路采用了SPWM驅動電路和H橋主功率電路來實現，經測試，該電路工作穩(wěn)定。逆變器電路設計圖6所示：

圖6風光互補一體機逆變器電路

2.4軟件功能設計

根據離網型風光互補一體機遠程運維、管理需求，需要實現對風速監(jiān)測、風機轉速監(jiān)測、一體機運行狀態(tài)等參數監(jiān)測，將一體機代碼進行接口標準化設計，提供設備管理接口、數據上傳接口、人機交互接口、歷史數據管理接口、傳感器參數管理接口、傳感器實時數據采集及通訊協議接口等。如圖7所示：

圖7一體機固件接口圖

組態(tài)監(jiān)測軟件采用模塊化設計和C/S架構，以實時數據庫為核心，通過Server端收集、解析數據，將關鍵數據存放至實時數據庫中，組態(tài)界面及配套的client端從數據庫讀取數據并做出展示，系統(tǒng)工作原理如圖8所示：

圖8組態(tài)監(jiān)測軟件工作原理

2.5  太陽能MPPT跟蹤功能實現

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

圖9 DC-DC變換的開關電源模式工作原理

由于直流變換穩(wěn)壓型太陽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功能的太陽能電源體現出的效能就越大。因此，具有MPPT功能的太陽能控制器首先提高了太陽能系統(tǒng)的整體工作效率。其次，DC-DC直流變換穩(wěn)壓型太陽能控制器對蓄電池具有多重保護和管理功能，一方面系統(tǒng)具有獨立穩(wěn)壓輸出功能，能夠真正實現對蓄電池組的均浮充管理。

2.6  風力發(fā)電機MPPT跟蹤功能實現

標稱相同的風機其輸出電壓比太陽能為高，以 48V風機為例，其輸出電壓為AC 0~207V 之間，經整流后，電壓更會高達300V以上。正常工作時，風機電壓也會在直流100V以上，當然，不同風機工作電壓會有所不同。如果采用直接整流濾波后接入蓄電池充電的工作方式， 100V 左右的脈動電壓直接被蓄電池降到48V左右，有50%的電壓會降在風機繞組上，也使大量電能消耗在風機繞組上，風機的實際輸出效率將大打折扣，風機要想得到額定輸出功率，只能在依賴更大的風速。因此風機系統(tǒng)的工作效率和風能利用率都大大地降低，同時，風機的可靠性和平均無故障時間 MTBF 也會大打折扣。

高效風機發(fā)電控制技術是采用開關電源的工作模式而設計的風能控制電源，風機產生的交流電能經整流后進入斬波器轉換成脈沖波，由脈沖變壓器將前級的脈沖電壓變換成所需的電壓，并經整流穩(wěn)壓后輸出給蓄電池和負載。輸出電壓可任意調控，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風能控制器工作原理

風光互補發(fā)電一體機加入風能 MPPT 電路后，可使得系統(tǒng)的輸入輸出端維持最大的壓差，降低繞組內阻的損耗，使風能系統(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變換的開關電源模式工作原理

在等效電路圖中，風機與蓄電池和負載分別在兩個回路里，脈沖變壓器將初級線圈上100V左右的脈沖電壓變換為次級43-56V的脈沖電壓，經整流濾波后，輸送給蓄電池和負載。在變壓器降壓過程中，電壓降低，電流增大，因此變換穩(wěn)壓型控制系統(tǒng)的輸出電流大于風機提供的輸入電流。輸入輸出電壓差異越大，體現出的效能提升也越高。風機的MPPT功能提高了風機對風能的利用率。

3、現場應用效果

如圖12所示，風光互補發(fā)電智能物聯監(jiān)控管理系統(tǒng)將風光互補發(fā)電設備的坐標信息與地圖結合，根據實際的經度、緯度坐標信息，將設備在地圖上標注出來，可直觀的看到各個設備的位置分布。同時集成天氣預報控件，可預報當地未來5天的天氣。

在圖12中，單擊某個設備圖標，跳轉到該設備的實時數據畫面，如圖13所示，每個設備采集44個變量，包括風機轉速、風能電壓、太陽能發(fā)電量等，同時根據采集的風速值動畫模擬轉動，更加直觀的顯示設備狀態(tài)。

圖12 風光互補發(fā)電智能物聯監(jiān)控管理系統(tǒng)界面圖1

圖13風光互補發(fā)電智能物聯監(jiān)控管理系統(tǒng)界面圖2

4、結束語

目前，現有的風光互補控制系統(tǒng)主要存在著風光配比不合理、存在蓄電池壽命短、斷電頻繁、感性負載啟動困難等問題，其原因主要為對風光互補供電系統(tǒng)配置不足和蓄電池管理功能不完善。本文采用了太陽能電池的最大功率點和最大功率跟蹤技術、高效風機發(fā)電控制技術來提升風光系統(tǒng)的效能和增加供電能力，設計制作了離網型風光互補逆變控制器一體機樣機，通過實際測試驗證，本文設計的逆變控制一體機控制電路性能優(yōu)良，逆變部分輸出正弦波電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效提高風能和光能的利用率，解決了風光互補一體機發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設計中使用復雜，安全性低，生產成本較高的問題，從而延長了產品的使用壽命。

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