風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與控制

劉高強(qiáng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與控制

劉高強(qiáng)

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 黔東南苗族侗族自治州 556000）

中國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富，具有很大的利用空間，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是當(dāng)今研究的熱門課題。采用工業(yè)級(jí)的STC系列單片機(jī)IAP15W4K61S4作為主控制器設(shè)計(jì)了一種風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器，主要設(shè)計(jì)了控制器的電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測(cè)電路、蓄電池充放電電路以及開(kāi)關(guān)控制電路，并分析了電壓檢測(cè)、變換和控制原理以及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略，實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明該控制器能正常穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)光互補(bǔ)；發(fā)電系統(tǒng)；控制器；控制策略

能源是人類生存和發(fā)展賴以生存最重要的物質(zhì)，不可再生能源煤、天然氣、石油等不僅帶來(lái)嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題，且開(kāi)采時(shí)間有限[1]。太陽(yáng)能和風(fēng)能是目前較為常用的可再生能源，它們?cè)诘赜蚝蜁r(shí)間上存在互補(bǔ)的關(guān)系，且中國(guó)幅員遼闊，風(fēng)能和太陽(yáng)能資源豐富，具有很大的利用空間，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電成為人們研究的重點(diǎn)[2-4]。如何控制和收集電能是新能源發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題，風(fēng)光互補(bǔ)控制器作為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的大腦，如何完成電壓的檢測(cè)、電壓的變換以及電壓的控制具有研究?jī)r(jià)值。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池以及逆變器組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)光互補(bǔ)控制器將太陽(yáng)能、風(fēng)能產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流、變換輸出穩(wěn)定的直流電，直流電直接供直流負(fù)載使用，蓄電池進(jìn)行電能的存儲(chǔ)，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供交流負(fù)載使用。

2 風(fēng)光互補(bǔ)控制器硬件設(shè)計(jì)

本文采用工業(yè)級(jí)的單片機(jī)IAP15W4K61S4作為主控制單元設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)控制器，其技術(shù)指標(biāo)為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定輸出功率30 W，光伏電池的額定輸出功率100 W，光伏電池浮充電壓13.5 V，蓄電池額定電壓12 V，蓄電池過(guò)放電壓保護(hù)10.8 V，蓄電池過(guò)放恢復(fù)電壓12 V。風(fēng)光互補(bǔ)控制器的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 MC34063A升降壓電路

MC34063A芯片集成了DC/DC轉(zhuǎn)換器，能用于升壓和降壓場(chǎng)合，該芯片的工作輸入電壓范圍為3~40 V，參考電壓的精度能達(dá)到2%，且輸出電壓可調(diào)。本文設(shè)計(jì)的發(fā)電系統(tǒng)電壓小于40 V，因此，采用MC34063A芯片將發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能變換為穩(wěn)定的15 V電壓輸出，風(fēng)能發(fā)電電壓變換電路和太陽(yáng)能發(fā)電電壓變換電路分別如圖3和圖4所示，電壓從同一端口輸出。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)控制器框架結(jié)構(gòu)

圖3 風(fēng)能發(fā)電電壓變換電路

圖4 太陽(yáng)能發(fā)電電壓變換電路

2.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電電壓檢測(cè)電路

LM393由2個(gè)高精度、獨(dú)立的電壓比較器組成，最大失調(diào)電壓為2 mV，單電源電壓范圍為2.0～36 V，雙電源電壓范圍為±1.0～±18 V，電源電流功耗低，比較輸出電平能兼容MOS、CMOS、TTL、DTL和ECL邏輯系統(tǒng)，該電壓比較器的比較輸出可以直接用單片機(jī)引腳進(jìn)行檢測(cè)，因此，本文采用LM393設(shè)計(jì)電壓的檢測(cè)電路。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電電壓檢測(cè)電路和開(kāi)關(guān)控制電路分別如圖5和圖6所示，CHK-15VO、CHK-15V端連接單片機(jī)引腳，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電時(shí)，CHK-15VO腳為高電平，打開(kāi)控制開(kāi)關(guān)KZ15VO后輸出15 V電壓，通過(guò)CHK-15V端口可以檢測(cè)電壓是否輸出15 V。APM4953為可靠性極強(qiáng)的PWM開(kāi)關(guān)或負(fù)載開(kāi)關(guān)。

圖5 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電電壓檢測(cè)電路

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電開(kāi)關(guān)電路

2.3 MP1584EN穩(wěn)壓電路

MC34063A升降壓電路完成了將發(fā)電電壓變換為穩(wěn)定的15 V電壓，為了給蓄電池充電將電能存儲(chǔ)起來(lái)，需要將電壓變換為蓄電池的額定電壓12 V。MP1584EN是一個(gè)高頻率降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍寬，為4.5～28 V，且抗干擾能力強(qiáng)，因此，本文采用MP1584EN穩(wěn)壓芯片將15 V電壓變換輸出12 V電壓，MP1584EN穩(wěn)壓電路如圖7所示。

圖7 MP1584EN穩(wěn)壓電路

2.4 蓄電池充放電電路

蓄電池充電開(kāi)關(guān)控制電路類似于圖6的設(shè)計(jì)方法，并在電路的電壓輸出端加上充電指示燈電路，當(dāng)發(fā)電電量充足時(shí)，打開(kāi)蓄電池對(duì)應(yīng)的充電開(kāi)關(guān)給蓄電池充電，且充電指示燈亮。蓄電池放電電路由蓄電池電壓檢測(cè)電路和蓄電池放電開(kāi)關(guān)電路兩部分組成，電壓檢測(cè)類似于圖5的設(shè)計(jì)方法，蓄電池放電開(kāi)關(guān)電路類似于圖6的設(shè)計(jì)方法。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制流程如圖8所示，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)電或發(fā)電電量不足時(shí)，在蓄電池電量充足情況下，蓄電池單獨(dú)供電或補(bǔ)償供電。若蓄電池電量不足，則采用24 V直流電源供電；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電電量充足時(shí)，則負(fù)載由發(fā)電系統(tǒng)供電且蓄電池處于充電狀態(tài)。

圖8 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制流程圖

4　結(jié)語(yǔ)

本文采用工業(yè)級(jí)的STC系列單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種風(fēng)光互補(bǔ)控制器，主要設(shè)計(jì)和分析了電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測(cè)電路、蓄電池充放電電路以及開(kāi)關(guān)控制電路，并分析了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略。經(jīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)試表明，該控制器能正常穩(wěn)定工作。

［1］鄔元，趙博文，趙愷，等.分布式風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2018（4）：14-17.

［2］李波，覃惠玲，吳玥，等.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（24）：70-74.

［3］黃卓康，鄭少耿，吳少葵，等.基于DSP28335風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2019，48（3）：149-152.

［4］李耀華，孔力.發(fā)展太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電技術(shù)加速推進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型［J］.中國(guó)科學(xué)院院刊，2019，34（4）：426-433.

TM614

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.059

2095－6835（2020）18－0144－02

劉高強(qiáng)（1992—），男，碩士，助教，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及自動(dòng)控制。

〔編輯：王霞〕