陜北貧困地區風光互補發電系統研究

周奇智，王 匡，邵 瑞

(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

能源與國家經濟建設發展之間始終密切相關，科學合理開發新能源，可在一定程度上推動經濟長遠穩定發展，而可再生能源同樣是未來能源實現轉型升級的關鍵載體。在現階段能源迅速發展趨勢下，全球一直在致力于發展新能源技術，清潔能源應用則演變成了當前世界各國能源發展主要態勢。在大量可再生能源中，風能與太陽能開發利用最為便捷，在新能源發展態勢越來越好的形勢下，二者占據著重要位置，近年來風力與光伏發電裝機容量不斷增加[1]。風力與光伏發電有機結合彌補了獨立發電的缺陷，尤其是時間與空間不足的問題。白天通過光伏電池板與風機同時發電，而晚上則通過風機發電。陽光與風主要受季節影響，夏季陽光充足，冬季風力充足，這就表明風能與太陽能之間的互補可最大限度地利用新能源，以陜西為例。就陜北的地理位置而言，風力與光伏互補發電的發展前景十分廣闊[2]。雖然經濟不斷進步發展，但是我國在貧富分布不均下，依然有許多貧困地區電力不足，尤其是陜北地域廣闊，人煙稀少，風能與太陽能資源豐富，可在發電中充分合理利用。

1 陜北貧困地區風光互補發電系統構成

1.1 系統構成部分

陜北貧困地區風光互補發電系統主要由4個模塊共同構成[3]，具體如圖1所示。

圖1 風光互補發電系統框架Fig.1 Wind-solar hybrid power generation system framework

風力發電機通過將風能轉換為機械能，以帶動發電機生成電能，而風力發電機所生成的為三相交流電，因此以整流電路將交流電轉換為直流電，然后經過風光互補控制器；光伏電池板發電將光能轉化為電能，同步輸出直接通過風光互補控制器。控制器所輸出電流可直接利用，或者針對蓄電池進行充電，或者基于逆變轉化成交流電。

逆變器負責將直流電轉化為交流電壓以供交流負載加以利用；控制器作為系統核心，負責控制風力發電機與光伏電池板的輸出最大功率以及蓄電池充電，在系統電量匱乏時，蓄電池發揮作用進行發電，以供負載應用；蓄電池負責儲能，儲存多余電能。

1.2 變換電路

風力與光伏發電極易受外界環境影響，通常需以DC/DC變換電路實時跟蹤最大功率。如果以普通DC/DC電路并聯成負載進行供電，只有電壓較高時才會面向負載提供電能[4]。陜北貧困地區風光互補發電系統的功率電路設計引用了雙輸入Boost電路，如圖2所示。

圖2 雙輸入Boost電路Fig.2 Dual input Boost circuit

其中開關管上分別并聯二極管，以確保電源獨立運行時，分別負責導通與關斷。在2個電源同步供電時，二極管不運行。開關管占空比以D1與D2代表，輸出電壓關系即：

(1)

DC/DC變換電路應用于發電系統的優勢與不足[5]具體見表1。

表1 DC/DC變換電路Tab.1 DC/DC conversion circuit

基于對比可知，陜北貧困地區風光互補發電系統設計以雙輸入Boost電路為載體，其輸出電壓與2個Boost電路電壓之和相同，且于系統內可實現風力與光伏同步發電供電，可防止并聯使用時發生環流現象。

1.3 儲能裝置

2 陜北貧困地區風光互補發電系統設計

2.1 硬件設計

陜北貧困地區風光互補發電系統硬件[7]設計具體如圖3所示。通過風力發電機與光伏電池板將風能與光能轉化為電能，基于雙輸入Boost電路實時跟蹤最大功率，并利用Buck-Boost電路將輸出電壓控制于既定值，以面向蓄電池充電，并供直流負載加以利用。升降壓電路輸出直流通過DC/DC電路轉化直流電為交流電，經過濾波電路與變壓器，以供交流負載應用。系統以DSP芯片為主控制芯片，以其豐富的PWM輸出接口通過驅動電路，有效控制功率電路與逆變電路的開關管，并通過采樣電路采集系統電壓電流信號，基于芯片ADC轉換模塊轉化為數字信號加以處理，以此實現系統控制。

圖3 風光互補發電系統硬件結構Fig.3 Wind and solar hybrid power generation system hardware structure

2.2 軟件設計

系統所需實現功能具體即電壓電流采樣功能、最大功率跟蹤功能、蓄電池充放電功能、SPWM逆變控制功能。主控制芯片可于能夠在完成用戶編程、調試、分析的軟件內實現軟件編程與功能程序調試。系統軟件設計主要包含主程序、A/D采樣子程序、最大功率跟蹤子程序、寄存器設置、SPWM子程序、蓄電池管理與充放電子程序的設計。

主程序所需實現的系統初始化主要有定時器、I/O接口、外設中斷、各個模塊的初始化。在主程序設計過程中，需先進行變量初始化，然后合理設置主控芯片的事件管理器寄存器，以待中斷。在定時器溢出中斷時，核查系統新工作狀態，以明確系統工作模式。主程序流程[8]具體如圖4所示。

圖4 主程序流程Fig.4 Main program flow

3 系統驗證

風光互補控制器是發電系統核心組成部分，通過實驗對各個模塊進行驗證，以測試硬件模塊是否可以順利實現對應功能[9]。通過風光互補控制器調試，驗證是否能夠實現風力發電、光伏發電、風光互補發電，并基于數據采集驗證系統最大功率跟蹤輸出。

3.1 實驗平臺

實驗風力發電機選用NE-200小型水平軸發電機，其具體參數見表2。光伏電池板選用M-10型與SUN-5D-5型，二者串聯工作，參數具體見表3。

表2 風力發電機參數Tab.2 Wind turbine parameters

表3 光伏電池板參數Tab.3 Photovoltaic panel parameters

風力發電過程中受外界風力不穩影響，且對于天氣要求過多，選擇功率340 W、轉速1 400 m/s的工業風扇當作送風機，以面向風力發電機傳輸風能，促使其達到穩定工作狀態正常輸出電能。光伏電池板通過外界光照，促使電池板輸出電能。以數字示波器與萬能表為測量設備，供電電源則以多個開關電源與1個數字電源為主。實驗平臺[10]具體如圖5所示。

圖5 系統實驗平臺Fig.5 System experiment platform

3.2 硬件測試

3.2.1 輔助電源

系統設計中包含輔助電源，輸入端電壓為24 V，以2個12 V開關電源串聯作為輸入電源，以此輔助電源模塊進行供電。測試結果具體見表4。

表4 測試結果Tab.4 Test results

3.2.2 檢測電路

檢測電路測試以萬用表與DSP芯片A/D采樣模塊加以開展，通過直流數字電源設置給定電壓電流，并采樣對比，以萬用表采集輸出端口值，通過A/D采樣觀察分析寄存器值，以對比分析。光伏電池電壓采樣電路與電流采樣電路數據采樣結果具體見表5。

通過軟件觀察采樣數據可知，輸出穩定性較高，控制在誤差允許范圍之內。

表5 采樣結果Tab.5 Sampling result

3.2.3 最大功率跟蹤

為驗證風光互補控制器功率跟蹤輸出可行性，面向光伏發電與風力發電通過控制器，進行了最大功率跟蹤，并測量了風光同時運行時控制器的最大功率跟蹤輸出。

雙輸入最大功率跟蹤輸出測試，以外界光照為光伏電池板能量輸入，轉變風扇檔位與距離，以驗證輸出電壓與采集電流，風力與光伏同時發電時，在雙輸入Boost電路輸出端接入100 Ω電阻。所采集負載側數據具體見表6。

表6 雙輸入測試結果Tab.6 Dual input test results

由表6可知，風光互補控制器可實現風力與光伏同步發電，可隨外界光照與風速變化實現最大功率跟蹤輸出；風光互補控制器可實現單輸入最大功率點實時跟蹤，可實現光伏與風力互補發電雙輸入最大功率跟蹤輸出。

4 結論

綜上所述，在能源問題不斷激化的態勢下，能源演變成了社會發展的主要關注點。風能與太陽能作為可再生能源備受社會各界高度重視。據此本文針對陜北貧困地區設計了風光互補發電系統，通過實驗驗證了硬件系統，并進行了風光互補控制器測試。結果表明，通過軟件觀察采樣數據，可知輸出穩定性較高，控制在誤差允許范圍之內；風光互補控制器可實現風力與光伏同步發電，可隨外界光照與風速變化實現最大功率跟蹤輸出；風光互補控制器可實現單輸入最大功率點實時跟蹤，可實現光伏與風力互補發電雙輸入最大功率跟蹤輸出。

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