風光互補發電系統逆變器的研究及充放電控制方法

青島科技大學 趙慶峰 王展旭

1.前言

隨著石油、煤炭等傳統能源的日益枯竭，太陽能、風能等可再生能源的開發和利用成為研究熱點。太陽能和風能是目前全球在新能源利用方面技術最成熟、最具規模化的行業，事實上無論是風電還是光伏發電，都有各自的缺點，穩定性差、能量密度低常受天氣影響無法連續供電，如果兩者結合在一起，能量同時處于較低值的幾率就要小的多，可最大限度地開發和利用可再生能源。太陽能發電和風力發電兩者互補性的結合實現了兩種新能源在自然資源的配置方面、技術方案的整合方面、價格與性能的對比方面達到了對新能源綜合利用的最合理的要求。一般小型戶用風光互補獨立電源系統由太陽能發電系統、風力發電系統、逆交變儲電系統，充放電控制系統構成。逆變器是可再生能源并網發電中的關鍵設備，因此，研究開發高性能的逆變器具有重要的現實意義。

2.系統的總體設計

一套完善的風光互補發電系統主要包括發電部分、控制部分、負載部分、蓄電池和泄荷器等。各部分受風光互補控制器控制，為離網型獨立電源。如圖1所示，逆變系統是整個風光互補發系統的重要組成部分，也是技術的關鍵所在。該部分的主要設計內容包括：主回路拓撲結構的選擇與優化，主開關元件的計算與選取，濾波、變壓器的參數設計，控制波形發生器的設計，功率開關管隔離驅動電路的設計，輔助開關電源的設計和各種檢測保護電路的設計等等；泄荷器的作用是：當蓄電池已充滿，系統發電量大于負載用電量時，即發電量過剩時，為防止蓄電池過充以及確保逆變器正常工作，充電電路應受控接通泄荷器，將多余的電能通過泄荷器消耗掉，充電和泄荷的轉換是通過智能充放電控制器實現的。

系統以單片機為核心，通過采集相關的電流、電壓、溫度等檢測信號輸入到單片機的A/D接口作為控制充放電條件，根據系統設定值進而來判斷系統運行狀態，這樣既可控制風光互補發電系統的充電、泄荷，同時又可以在設定條件到達時對儲能組件充電。因此，充放電控制器軟硬件設計的合理是整個風光互補電源系統持續、穩定工作的關鍵。

3.系統模型及MPPT控制

光伏電池是一種能夠吸收太陽光并將其轉換為電流的半導體裝置。流過負載的電流I與光伏電池輸出電壓U的關系可近似描述為：

式中：k為波爾茲曼常數，k=1.38×1O-23；q為電子的電荷量，q=1.6O×1O-19；Iph為光伏電池產生的電流；IO為光伏電池無光照時的飽和電流；T為溫度；Rsh為串聯電阻；n為p-n結因子。

由光伏電池的數學模型及U-I曲線可知，雖然其模型為非線性曲線，且隨光強和溫度變化，但曲線上光伏電池的輸出功率有一個單調的極值點，即U與I的乘積最大。據此調整負載，跟蹤最大功率點，即能得到光伏電池最大

功率的輸出。

小功率的風力發電機一般為直流無刷發電機，從風中捕獲的能量為：

式中：Cp為風機葉片效率；ρ為空氣密度；R為風機葉片半徑；v為風速。

在一定風速下，如何提高Cp是提升風機發電效率的關鍵。Cp表示為風輪葉尖速比TSR的函數風機的功率和速度曲線具有明確的單個極值點，因此獲取最大能量的運行模式是隨變化的風速改變風力機速度，使Cp保持在最大值，即可通過正確調節占空比的大小來實現系統的MPPT控制。

4.逆變系統的設計

圖1 風光互補發電系統結構框圖

隨著分布式發電系統以及可再生新能源的日益發展，逆變器作為與大電網或微電網的接口電路，起著越來越關鍵的作用。逆交變控制技術必須滿足在各種復雜負載條件下為電網或負載提供高質量的交流輸出。同時，可再生能源系統和分布式發電的快速發展，對逆變器的動態響應性能、穩態跟蹤特性以及抗干擾能力提出了更高的要求。

高性能逆變器數字控制策略有重復控制、無差拍控制和滑模控制等。重復控制調整時間較長；無差拍控制性能對系統參數依賴性強，魯棒性較差；滑模控制參數設計較困難，存在開關頻率不定等問題。現今逆變器廣泛應用于可再生能源系統，例如光伏和風電等系統中，逆變器通常需同時承受輸入電壓和輸出負載的擾動，變流器經常工作在大信號擾動下。這時基于某一穩態工作點的小信號模型而設計的控制器會使系統響應產生很大誤差，降低其輸出性能，甚至導致系統失穩。

太陽能和風能通過光電系統和風電系統利用控制器將能量轉化的電能儲存在蓄電池中。蓄電池輸出的低壓直流經過直流升壓環節后整流濾波得到高壓直流。再通過逆變主電路和濾波電路，得到本文所需要的標準交流電壓，供用戶負載使用。

基于逆變的幾種主拓撲結構中，全橋逆變最適用于大功率場合。由正弦波脈寬調制（SPWM）原理可知，從直流電壓到全橋輸出相當于一個比例環節；即Ui=MUdc，其中Ud為直流母線電壓，Ui為逆變器輸出電壓，M為調制系數。逆變輸出為5O Hz的正弦波，逆變器的開環電氣模型如圖3所示：

圖2 逆變系統主電路結構框圖

圖3 逆變器開環模型

逆變器開環模型的傳遞函數為：流；IE為逆變器所需負載電流；C為直流平波電容容量。

根據系統模型，總控制器檢測直流母線消耗電流，分配給每個獨立的發電模塊進行閉環電流控制，輸出主控制器指定的電流。總控制器外環控制、監測Udc，做電壓閉環。得到穩定的Udc。同時與逆變器的電壓閉環進行均衡控制，優化逆變器輸出性能。

5.風光互補發電系統智能充電控制的設計

當逆變器做電壓閉環控制，根據負載和直流母線電壓Udc的變化調節PWM脈寬，得到準確穩定的交流電壓輸出。除負載變化外，Udc的變化直接影響系統給負載提供電能的質量和可靠性，因而穩定的Udc是系統逆變電力質量的一個重要指標。取Udc為被控量，可得系統的數學模型為：

式中：IPV為光伏發電模塊輸出電流；IWT為風力發電模塊輸出電流；ICT為蓄電池儲能模塊輸出電流；ICD為電網整流輸出電

在風光互補發電系統中逆變器輸入端的能量來源于蓄電池，而蓄電池中儲存的能量來源于太陽能和風能這兩種綠色能源。系統具體構成參數由使用時最大用電負荷與日平均用電量所決定。最大用電負荷是選擇系統逆變器容量的最根本依據，而平均日發電量則是選擇太陽能光伏板及風機和蓄電池組容量的依據。同時系統安裝地點的風光資源狀況也是確定光電板和風機容量的另一個依據。

風光互補發電系統中鉛酸蓄電池的充電控制方法直接影響到系統的性能。充電控制方法的優劣影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，也關系到蓄電池的使用壽命。選擇合理的充電控制方法尤為重要。本設計采用了基于單片機控制的三階段智能充電方法。所謂三階段智能充電是指充電過程中的3個階段，即主充電階段、限流充電階段、浮充階段。

第一階段主充電階段，由電壓采樣電路獲取蓄電池的電壓狀況，當電壓小于標準開路電壓時，由最大功率點跟蹤策略來找出風光互補系統的最佳工作點，以最大功率點電流對蓄電池進行充電。太陽能電源、風力發電機以其所能提供的最大電流對蓄電池充電。由于太陽能光伏電池和風力發電機的電流與天氣狀況有關，所以大電流的取值將在一定范圍之內。保持大電流充電至后，進入第二階段。第一階段的充電程度可達7O%～9O%。

第二階段過限流充電階段，以恒定的過標準電壓充電，以恒定的過標準電壓充電，在此階段，蓄電池仍未充滿，但是為了避免充電電流過大而造成電池極化，要對充電電流進行逐漸的降低。隨著蓄電池端電壓的進一步升高，電池電流進一步降低，直到到達浮充電流（浮充電流一般為O.O15C）值時，第二階段結束。

進入第三階段。第二階段的充電程度近1OO%。但為了防止蓄電池淺放電，并且使端電壓維持在相對穩定的值域，要對其進行浮充電。即以浮充電流值對蓄電池進行涓流充電，直到蓄電池虧電，然后進行下一個周期的充電過程。

6.結束語

總之，風光互補發電系統作為獨立的電源系統，具有一定的合理性和可靠性，有著廣泛的應用領域。在遠離電網的地區，獨立供電系統已經成為人們最必須的電源。邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路、漁船和鐵路信號站、地質勘探野外的工作站以及偏遠的農牧民都需要低成本、高可靠性的獨立電源系統；對于城市里的景觀燈、路燈等，隨著政府對節能環保的重視，應用前景也相當廣闊。

[1]賀煒.風光互補發電系統的應用展望[J].上海電力,2008(2):134-138.

[2]王宏,李兵.分布式風光互補電源的能量管理策略[J].電力電子技術,2010,44(6):58-60.

[3]張希良.風能開發利用[M].北京:化學工業出版社,2005．

[4]許愛國,謝少軍.電容電流瞬時值反饋控制逆變器的數字控制技術研究[J].中國電機工程學報,2005,25(1):49-53．

[5]彭曉華,鄧隱北,孟雪玲,尚俊梅.離網型風光互補發電系統的研制與應用[J].太陽能技術與產品,2009(2):24-26.

[6]姚瑋,陳敏.基于反饋線性化的高性能逆變器數字控制方法[J].中國電機工程學報,2010,30(12):14-19.

[7]白林,黃力.太陽能LED路燈智能控制系統電力控制與負載驅動[J].發光學報,2009,30(2):892-896.

[8]王宏,李兵.分布式風光互補電源的能量管理策略[J].電力電子技術,2010,44(6):58-60.

[9]李永建,劉亞鳳.風光互補正弦波逆變電源的研究[J].河北工業大學學報,2008,37(4):71-76.

[10]裴雪軍,段善旭,康勇.基于重復控制與瞬時值反饋控制的逆變電源研究[J].電力電子技術,2002,36(1):12-14.