基于模塊化的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

滕志飛+陳翔宇+范子豪+賈寶壘+肖博瀚

摘要：近年來風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電系統(tǒng)。針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)存在的發(fā)電效率低、系統(tǒng)成本高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制一種系統(tǒng)控制器。該控制器基于模塊化設(shè)計(jì)，能夠靈活調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)容量，提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的智能化控制。

關(guān)鍵詞：發(fā)電系統(tǒng)；風(fēng)光互補(bǔ)；控制器；模塊化

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）08-0039-03

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求也在不斷增加，而傳統(tǒng)的礦物能源存量有限且不能再生，因此研究和開發(fā)新能源技術(shù)是趨勢所在。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽能互補(bǔ)性強(qiáng)的特點(diǎn)，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池、控制器、蓄電池組、逆變器等組成的一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，可將電力供給負(fù)載使用。但該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中存在受氣象條件影響較大、能源轉(zhuǎn)換效率低、系統(tǒng)容量調(diào)節(jié)不方便等問題。為此，本研究設(shè)計(jì)一種基于模塊化的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該發(fā)電系統(tǒng)的智能化控制。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制策略

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，起到連接發(fā)電單元（包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)與太陽能電池）、蓄電池和負(fù)載的作用。該控制器可以根據(jù)不同的環(huán)境情況，通過最大功率跟蹤技術(shù)提高能源利用率，并對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的輸入輸出情況進(jìn)行全面控制。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖1所示。太陽能電池的輸出電壓采用最大功率跟蹤技術(shù)，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器將該電壓穩(wěn)定在太陽能電池的最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的最大功率輸出，然后通過控制電路、檢測電路、蓄電池充電電路等將電能輸送給蓄電池和負(fù)載。

1.1 系統(tǒng)控制器的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以更加靈活地調(diào)整系統(tǒng)容量。控制器模塊化結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 該控制器由一個(gè)主控模塊和多個(gè)功率模塊組成，主控模塊和功率模塊之間通過RS485通訊協(xié)議，并以單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的傳輸。太陽能電池通過最大功率跟蹤技術(shù)和DC/DC轉(zhuǎn)換器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過調(diào)壓整流電路后分別接入到各自的功率模塊中。主控模塊可以實(shí)時(shí)檢測功率模塊的工作狀態(tài)，并通過改變系統(tǒng)參數(shù)對(duì)發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)配，從而配置出合理的系統(tǒng)容量。工作人員可以在顯示屏中查看系統(tǒng)工作狀態(tài)。

1.2 太陽能最大功率跟蹤功能

根據(jù)太陽能組件的輸出特性而提出的最大功率跟蹤方法有很多，目前工程產(chǎn)品中多數(shù)采用恒定電壓法。恒定電壓法具有控制思想簡單、控制電路容易實(shí)現(xiàn)、對(duì)輸出電壓具有很好穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。考慮到其控制策略具有很高的實(shí)用性和成熟性，本研究采用恒定電壓法，并使用DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)太陽能的最大功率跟蹤功能。DC/DC變換器的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。該變換器采用PWM控制開關(guān)的開通與關(guān)斷，調(diào)整太陽能電池的輸出電壓為預(yù)先測得的最大功率點(diǎn)的輸出電壓，即可實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率跟蹤功能。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)

該控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。控制芯片采用具有強(qiáng)勁運(yùn)算能力的PIC18系列單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心，此外還包括液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、通訊模塊電源電路及檢測電路等部分。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器的軟件設(shè)計(jì)

該控制器軟件部分主程序主要包括系統(tǒng)初始化設(shè)置、系統(tǒng)通訊子程序、蓄電池充放電控制子程序和液晶屏及鍵盤輸入子程序。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。該程序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)各寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，采集發(fā)電部分及蓄電池的電壓、電流參數(shù)，并將各參數(shù)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；根據(jù)外界不同情況，調(diào)用各子程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。

4 結(jié)語

基于模塊化的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器包括軟、硬件兩部分設(shè)計(jì)。該控制器可對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，并采用太陽能最大功率跟蹤技術(shù)，以提高能源利用率。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)靈活配置容量，以起到方便安裝、減小售后難度、降低成本的目的。利用該控制器可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的模塊化高效智能控制。

參考文獻(xiàn)

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