風(fēng)光互補光伏電源系統(tǒng)的應(yīng)用

　　結(jié)合實踐論述了風(fēng)光互補能源的合理性，給出了基于Mcu的風(fēng)光互補獨立電源的硬件構(gòu)成以及軟件流程。并對其中的關(guān)鍵技術(shù)：如雙標三階段充電的流程、逆變模塊的MCU實現(xiàn)硬件構(gòu)成等詳加闡述。同時也結(jié)合實例，介紹了風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

　　綜合利用了風(fēng)能、光能的風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)是一種合理的電源系統(tǒng)。不僅能為電網(wǎng)供電不便的地區(qū)，如邊防哨所，通訊的中繼站，交通的信號站，勘探考察的工作站以及農(nóng)牧區(qū)提供低成本、高可靠性的電源，而且也為解決當前的能源危機和環(huán)境污染開辟了一條新路。

　　單獨的太陽能或風(fēng)能系統(tǒng)，由于受時間和地域的約束，很難全天候利用太陽能和風(fēng)能資源。而太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上都有很強的互補性，白天光照強時風(fēng)小，夜間光照弱時，風(fēng)能由于地表溫差變化大而增強，太陽能和風(fēng)能在時間上的互補性是風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源利用上的最佳匹配。

　　1 硬件構(gòu)成

　　風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)由光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、系統(tǒng)智能管理核心、逆變器、儲能元件等構(gòu)成。

　　系統(tǒng)的具體構(gòu)成參數(shù)由使用時最大用電負荷與日平均用電量決定。最大用電負荷是選擇系統(tǒng)逆變器容量的依據(jù)，而平均日發(fā)電量則是選擇風(fēng)機及光電板容量和蓄電池組容量的依據(jù)。同時系統(tǒng)安裝地點的風(fēng)光資源狀況也是確定光電板和風(fēng)機容量的另一個依據(jù)。

　　光伏發(fā)電單元與風(fēng)力發(fā)電單元光伏發(fā)電單元采用所需規(guī)模的光電板，轉(zhuǎn)換太陽光能，并通過智能管理核心對蓄電池充電、放電、逆變進行統(tǒng)一管理。風(fēng)力發(fā)電單元利用小型風(fēng)力發(fā)電機，轉(zhuǎn)換風(fēng)能，同時通過智能管理核心控制整個系統(tǒng)的允放電。兩個單元在能源的采集上互相補充，同時又各具特色：光伏發(fā)電單元供電可靠，運行維護成本低，但造價高;風(fēng)力發(fā)電單元發(fā)電量高，造價和運行維護成本低，但可靠性低。

　　儲能元件鉛酸蓄電池足風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)常用的儲能元件，其成本低、容量大、免維護的特性使其成為風(fēng)光互補獨立電源的首選。由于風(fēng)電和光電單元必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，蓄電池合理的容量和科學(xué)的充放電是系統(tǒng)壽命的保證，本系統(tǒng)采用雙標三階段充電，實現(xiàn)對鉛酸蓄電池的科學(xué)充電。風(fēng)光互補獨立電源采用雙儲能系統(tǒng)，包括二套鉛酸蓄電池組，使得充放電能同時進行，通過智能核心控制既可以對負載放電，同時叉可以在充電條件到達時對備用儲能電池組充電，兩組蓄電池之間的切換由系統(tǒng)實時監(jiān)測其電壓狀態(tài)決定。

　　MOSFET充放模塊由智能管理核心驅(qū)動的MOSFET充電模塊，可根據(jù)系統(tǒng)的不同，選取不同電壓等級的MOSFET，來實現(xiàn)系統(tǒng)對蓄電池的充放電。MOSFET可選用International Rectifier公司的第三代HEXFETs產(chǎn)品，IR系列產(chǎn)品具有開關(guān)迅速、開通阻抗低、性價比高等特色。控制模塊根據(jù)不同的MOSFET門級電壓設(shè)計，由智能管理核心控制MOSFET模塊的輸出狀態(tài)。

　　逆變器系統(tǒng)不僅可以提供穩(wěn)定的直流供電，帶動直流負載，而且可以通過逆變呂提供單相交流電。

　　智能管理核心由LCM液晶顯示模塊、鍵盤、MCU組成，是系統(tǒng)控制、管理的核心，驅(qū)動MOSFET充電模塊實現(xiàn)對蓄電池的雙標三階段充電，驅(qū)動JCBT實現(xiàn)DC/AC逆變、以及系統(tǒng)的實時保護和數(shù)據(jù)再現(xiàn)與傳輸?shù)?，同時提供風(fēng)機的磁電限速保護，在風(fēng)力過功率時，給風(fēng)機反向磁阻力矩，降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)核心MCU選用TI公司的MSP430單片機，其豐富的片上資源使得系統(tǒng)的控制和管理都極為方便。

　　2 系統(tǒng)工作原理及軟件實現(xiàn)

　　2.1 雙標三階段充電原理及實現(xiàn)

　　鉛酸蓄電池是系統(tǒng)的儲能元件，電是影響風(fēng)光互補系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素，對鉛酸蓄電池充放電的控制直接影響蓄電池的壽命，不合理的充放電將直接導(dǎo)致蓄電池的崩潰。系統(tǒng)智能管理核心拄制蓄電池的充放電過程。本系統(tǒng)采用雙標三階段充電來優(yōu)化充電過程。雙標三階段充電過程符合鉛酸蓄電池的特性，能很好地維護蓄電池。三階段充電過程。

　　第一階段 大電流灌充階段high currentbulk ge state由電壓采樣電路獲取蓄電池的電壓狀況，當電壓小于過標準開路電壓Voc時，太陽能電源、風(fēng)力發(fā)電機以其所能提供的最大電流對蓄電池充電最大電流對不同功率的系統(tǒng)取值不同，可按C/5充電率取值，C為蓄電池容量，由于太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機的電流與天氣狀況有關(guān)，所以大電流的取值將在一定范圍之內(nèi)。保持大電流充電至Voc后，進入第二階段。第一階段的充電程度可達70%～90%。

　　第二階段 過電壓恒充階段over gestate以恒定的過標準電壓Voc充電，直到充電電流降至Ioct進入第三階段。第二階段的充電程度近100%。

　　第三階段浮充階段float ge state以恒定精確的浮充電壓Vf進行浮充。蓄電池充滿后，以浮充方式維持電壓。浮充電壓的選擇對蓄電池的壽命尤為重要，即使5%的誤差也將使得蓄電池的壽命縮短一半。

　　智能管理核心充電流程。智能核心實時采集并判斷系統(tǒng)狀態(tài)，與輸入控制、觸發(fā)信號聯(lián)合控制充電狀態(tài)。

　　2.2逆變器原理與實現(xiàn)

　　DC/DC變換由48V鉛酸蓄電池輸出通過Boost電路升壓至360V，采用UC3825PWM控制芯片，其產(chǎn)牛PWM頻率高，且造價低。DC/AC逆變器主電路由H橋式ICBT構(gòu)成，還包括熔斷器、抗干擾的濾波器、保護二極管等?？刂齐娐酚煽刂骗h(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成智能管理核心作為控制環(huán)節(jié)對主電路的輸入電壓、輸出電壓、輸出頻率和輸出波形進行校正控制。保護環(huán)節(jié)分為硬件保護部分和軟件保護部分，完成對系統(tǒng)的短路、過載、失壓、過壓、缺相等的保護。逆變后的單項交流電通過電壓、電流傳感器，把狀態(tài)返回智能管理中心，以便對波形實行校正。逆變器的電路構(gòu)成。

　　2.3 系統(tǒng)控制保護原理與實現(xiàn)

　　風(fēng)光互補電源系統(tǒng)根據(jù)性能可分為充電狀態(tài)、負載狀態(tài)放電狀態(tài)、保護狀態(tài)。系統(tǒng)同時監(jiān)測光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、負載和兩組蓄電池的狀況，在相應(yīng)條件下，進入對應(yīng)的狀態(tài)。在每一狀態(tài)中，系統(tǒng)不僅完成自身階段的工作，還可根據(jù)用戶需要給出相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)顯示、多系統(tǒng)之間的通訊及系統(tǒng)與E位機之問的通訊，系統(tǒng)狀態(tài)流程。

　　系統(tǒng)在初始化中，完成參數(shù)的設(shè)定，如光伏發(fā)電單元電壓、電流、負載、過壓、過流保護參數(shù);風(fēng)力發(fā)電機的磁電保護參數(shù);鉛酸蓄電池雙標三階段充電的充電系數(shù)。同時也完成系統(tǒng)人機通訊鍵盤、液晶模塊、LED等的初始化和系統(tǒng)通用串行通信模塊的設(shè)定。

　　系統(tǒng)通過實時采樣模塊、上位機觸發(fā)信號和用戶控制信號聯(lián)合判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。首先，通過實時采樣模塊采集系統(tǒng)的實時電壓、電流，判斷光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、儲能蓄電池和負載的狀況，從而決定系統(tǒng)應(yīng)處的狀態(tài)。其次，上位機觸發(fā)信號和用戶控制信號也聯(lián)合控制系統(tǒng)狀態(tài)，可強行控制系統(tǒng)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)入其他狀態(tài)。

　　系統(tǒng)在充電狀態(tài)中以雙標二階段充電法對鉛酸蓄電池進行合理允電，通過在線對系統(tǒng)中光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、蓄電池和負載的狀態(tài)采集，合理完成灌充和過電壓恒充，并以浮充狀態(tài)維持鉛酸蓄電池的電壓。

　　在負載狀態(tài)放電狀態(tài)中，按負載需要，進行直流或單項交流供電。同時監(jiān)測蓄電池組的狀態(tài)，在到達設(shè)定條件時，與備用蓄電池組實現(xiàn)輪流充放電，提高系統(tǒng)對能源的利用。另外，在負載狀態(tài)時，鉛酸蓄電池的狀態(tài)也需實時監(jiān)測，以免過放對蓄電池造成損害。

　　當風(fēng)光互補系統(tǒng)巾的光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、鉛酸蓄電池、負載以及系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)到達所設(shè)的保護值時，系統(tǒng)進人保護狀態(tài)，避免了短路、過壓、過流等對系統(tǒng)的危害，保障系統(tǒng)的正常運行。如對風(fēng)力發(fā)電機的磁電限速保護，鉛酸蓄電池的過放保護，以及對負載的過壓保護等。

　　同時，系統(tǒng)提供了方便的人機接口，可在線獲取系統(tǒng)中充、放電的電流、電壓參數(shù)及系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。通用串行通信模塊提供了系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與上位機之間的通信，方便的輸入控制，多種的顯示輸出以及靈活的通信不僅保障了系統(tǒng)的安全運行，也大大便利r系統(tǒng)的維護、檢修和管理。

　　3 實際應(yīng)用

　　風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)已實際應(yīng)用于中小功率用電系統(tǒng)，如路燈、家用照明等。由于太陽能、風(fēng)能供電的獨特互補優(yōu)點，近年來風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。

　　如需滿足4對55W低壓鈉燈的供電，每盞燈光通亮7800lm，按實地情況采用l000W太陽能電池板，300W的小型風(fēng)力發(fā)電機，兩組.400A左右的鉛酸蓄電池，可滿足所需照明.若需加長在無風(fēng)、陰天持續(xù)狀態(tài)下的供電天數(shù)，可適當加大鉛酸蓄電池的容量。這里所選的具體參數(shù)是結(jié)合了當?shù)靥鞖鉅顩r、負載需求狀況而選取的。

　　本系統(tǒng)結(jié)合具體路燈的實際應(yīng)用，接人感光器件，判斷白天與黑夜，實現(xiàn)了無人管理。把系統(tǒng)分為3個狀態(tài)：狀態(tài)l——蓄電池電壓過低，不能再放電，否則影響蓄電池壽命;狀態(tài)2——蓄電池電壓正常，可進行充放電;狀態(tài)3——蓄電池電壓過高，對負載有傷害，需進行放電后，方可接入負載。

　　4 結(jié)語

　　風(fēng)光互補電源系統(tǒng)實現(xiàn)了對自然資源的合理利用，而風(fēng)光互補的技術(shù)方案保證了系統(tǒng)的高可靠性?；贛CU的風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)不僅在理論上有保證，而且在實際應(yīng)用中也得到了檢驗。

來源：光伏產(chǎn)業(yè)觀察

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