民用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭 偉

隨著環(huán)境污染的越發(fā)嚴(yán)重，人們開始廣泛應(yīng)用清潔能源，在普通用戶當(dāng)中應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。民用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有較多優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在較高的能源利用率，較小的初期投資等，具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿Α１疚闹饕轻槍?duì)民用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用展開討論，在此基礎(chǔ)之上提出最大功率控制策略，希望能夠全面優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

在民用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)硬件主要包括主電路和控制電路。

1.1 主電路設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)主電路原理圖，民用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電主要包括普通市場供電和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等。以上兩個(gè)系統(tǒng)之間主要是利用全控型開關(guān)器件實(shí)行切換，主要為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，其次為市場供電。主電路是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心，包括五種工作模式，對(duì)應(yīng)五種電路連接，尤其體現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立供電模式，該發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生三相交流電，之后借助整流器轉(zhuǎn)化為單相直流電，之后利用電路1給予蓄電池組電能，利用逆變點(diǎn)電路輸出的交流電，其次就是太陽能電池組供電模式，由電池組產(chǎn)生直流電，利用電路2給予蓄電池組電能，之后借助逆變電路輸出交流電。再者就是風(fēng)力發(fā)電模式，該發(fā)電模式需要借助太陽能發(fā)電模式，將K1開關(guān)器件于連接BC，將K2開關(guān)器件連接于bc，太陽能電池組的直流電通過電路2能夠與整流器一起輸出直流電壓；此外就是以太陽能電池組為主，輔助風(fēng)力發(fā)電，將K1開關(guān)器件于連接BD，將K2開關(guān)器件連接于bd，張?jiān)诮?jīng)過整流器之后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出直流電壓；最后就是太陽能電池組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電模式，將將K1開關(guān)器件于連接BC，將K2開關(guān)器件連接于bd，這樣就能夠形成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。在整個(gè)電路設(shè)計(jì)當(dāng)中需要將電路1和電路2共同通過斬波電路實(shí)行，在對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)時(shí)需要應(yīng)用三個(gè)電路二極管。

圖1 民用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

1.2 控制電路

控制電路圖，核心為單片機(jī)，使用芯片的PWM資源能夠控制斬波電路和逆變電路，使用輸入輸出接口能夠控制蓄電池三段式充放電開關(guān)切換，還能夠展現(xiàn)出鍵盤功能，顯示功能以及報(bào)警功能等。利用轉(zhuǎn)換接口能夠檢測(cè)電路控制當(dāng)中的參數(shù)，在系統(tǒng)當(dāng)中的控制電路的驅(qū)動(dòng)電路主要是應(yīng)用集成驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，由市場供電，太陽能電池組以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)等能夠給予電源電能。

2 最大功率跟蹤控制策略

在研究系統(tǒng)最大功率跟蹤控制策略能夠有效處理風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率低下問題，此系統(tǒng)從硬件設(shè)計(jì)角度出發(fā)，并且應(yīng)用軟件系統(tǒng)的五種工作模式使用不同的最大功率跟蹤控制策略，表1為張?jiān)敿?xì)方案。如果光照強(qiáng)度較弱時(shí)，太陽能電池組的發(fā)電電路就會(huì)中斷工作，只能應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電模式，系統(tǒng)工作如果設(shè)置在1工作模式上，電路1就會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，將其確定在最佳葉速比；如果風(fēng)力較弱或者沒有風(fēng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電電路就會(huì)中斷，只有太陽能電池組提供電能，系統(tǒng)處于2工作模式，電路2需要對(duì)太陽能電池組的最大功率點(diǎn)進(jìn)行匹配；如果光照一般而風(fēng)力比較強(qiáng)時(shí)，可以同時(shí)應(yīng)用太陽能發(fā)電電路和風(fēng)力發(fā)電電路等，但是主要是以風(fēng)力發(fā)電為主，此時(shí)系統(tǒng)處于3工作模式，為了提升功率輸出最大值，需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率實(shí)行跟蹤控制；如果風(fēng)力一般而光照較強(qiáng)時(shí)，可以同時(shí)應(yīng)用太陽能發(fā)電電路和風(fēng)力發(fā)電電路等，但是主要是以太陽能發(fā)電為主，此時(shí)系統(tǒng)處于4工作模式，為了提升功率輸出最大值，需要對(duì)太陽能發(fā)電機(jī)的最大功率實(shí)行跟蹤控制；如果風(fēng)力和光照都比較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)處于5工作模式，此時(shí)輸出功率都較大，因此無需對(duì)太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行最大功率跟蹤控制。

表1 不同工作模式的MPPT控制策略

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件能夠采集電流電壓，判斷工作模式，設(shè)置輸入?yún)?shù)以及對(duì)太陽能發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)MPPT控制。下圖為張控制系統(tǒng)的主程序流程圖，采樣部分主要是負(fù)責(zé)采集市場用電電壓，太陽能電池組輸出電壓以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)電池組輸出電壓等，參數(shù)Flag1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓標(biāo)志位，參數(shù)Flag2為太陽能發(fā)電機(jī)輸出電壓標(biāo)志位，選取0,1,2值。其次，0工作模式主要是系統(tǒng)處于市場供電模式，可利用中斷方式設(shè)置參數(shù)，如果沒有特殊設(shè)置則需要應(yīng)用默認(rèn)值。

圖2 主程序流程圖

4 仿真

為了對(duì)MPPT控制策略和系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行驗(yàn)證分析，使用專業(yè)軟件對(duì)不同模式進(jìn)行仿真模擬。在仿真模擬期間使用電位器和直流電源模擬太陽能電池輸出特征，使用頻率相等的正弦交流電源和電位器對(duì)三相風(fēng)能發(fā)電機(jī)輸出特征進(jìn)行模擬，使用可變電阻對(duì)輸出負(fù)載進(jìn)行模擬。

仿真結(jié)果也能證實(shí)，使用單片機(jī)設(shè)置的民用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，在使用MPPT控制之后能夠顯著加強(qiáng)系統(tǒng)能源利用率，有效能源使用效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，此次研究設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用AVR單片機(jī)，這樣能夠顯著處理民用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的適用性問題，還能夠?qū)PPT控制策略引入在系統(tǒng)控制當(dāng)中，這樣能夠顯著處理系統(tǒng)效率問題，能夠在各個(gè)區(qū)域使用太陽能資源和風(fēng)力資源，使用價(jià)值比較高，能夠在市場當(dāng)中推廣使用。