基于PWM控制技術的多種能源互補智能供電系統設計

錢陣 張熠雯 陳思婕 梁遠情

摘 要：基于PWM控制技術的多種能源互補智能供電系統，主要是由光伏供電裝置以及其配套系統、余熱能供電裝置以及其配套系統、風力供電以及其配套系統、負反饋系統、逆變與負載等部分組成。本系統充分利用風力發電機、太陽能電池方陣等輸入設備，將電能輸入至本機控制系統中，控制系統通過智能識別輸入端，電能較強者為主輸入，其余輸入端為輔助輸入。系統通過智能脈沖“PWM”特殊的充電方式，可以有效減少電池的發熱，大大提高充電時能源的利用率，同時延長了電池的使用壽命。該供電系統的研發，能夠更進一步的高效利用可再生能源，且大大彌補了單一能源發電受自然環境影響而產生的不足。

關鍵詞：智能脈沖;能源;供電

中圖分類號：TM769 文獻標識碼：A

0 引言

當前利用水力發電、風力發電、太陽能熱發電、核能發電、太陽能光發電、火力發電是我們國家的主要發電方式。除此之外還存在著海洋溫差發電、潮汐發電、地熱發電等發電方式。但是目前我國大規模的發電方式主要還是火力發電、水力發電和核能發電[1]。

傳統能源消耗巨大，且有些能源不可再生。風能、太陽能、潮汐能、余熱能等清潔能源逐漸被開發利用。但是單一的風力發電或者單一的光伏發電易受到自然環境的影響[2]。例如，當沒有風或者風力不強時，風力發電將會效率低甚至無法運作。當連續陰雨天、無太陽光或者太陽光線不足時，光伏發電將會效率低甚至無法運作。另外，傳統的充電方式導致電池散熱不均勻，容易引起電池爆炸。隨著社會的發展進步，能源需求強烈，為了可持續發展，能夠實現多種能源互補且智能控制的發電系統越來越重要[3]。

1 設計方案

1.1 電器控制

本套系統的組成部分：風力供電裝置以及配套系統、光伏供電裝置以及配套系統、余熱能供電以及配套系統、逆變與負載、負反饋系統等。內部系統實拍圖如圖1所示。

電器控制部分采用自動控制比較容易實現，考慮到系統的存儲系統（陣列電池組）在充電的過程中散熱。系統采用了“PWM控制”，“PWM控制”時利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制。

為什么要用“PWM控制”技術對蓄電池進行充電呢？蓄電池在充電時電解液會發熱、產生氣泡。“PWM控制”可以實現充電+停止相結合的方式，比如充電0.8秒，停止0.2秒。在停止充電的0.2秒內，利于蓄電池內部的散熱和氣泡揮發。不同階段使用不同的PWM信號充電，不同的工作環境采用不同的PWM信號充電控制不同的充電模式，這種結構非常有利于保護蓄電池并且延長蓄電池的使用壽命。

1.2 逆變器

為了充分適應逆變過程中蓄電池的波動范圍比較大且電壓比較低，本套基于PWM控制技術的多種能源互補智能供電系統的逆變器采用了兩級式變流器，與此同時縮小了體積。

為了將蓄電池的輸出電壓升至380 V并且實現隔離，于是前級我們采用了隔離式DC/DC變換器。為了實現可以獨立/并網雙模式工作，于是后級我們采用了DC/AC變換器。

當逆變器處在獨立逆變模式下工作時，將采用電壓反饋閉環控制。

1.3 保護電路

為了適應工作環境的復雜多變，克服惡劣環境對系統可能帶來的不利影響，保證系統能夠穩定安全地進行電力輸出，所以逆變器必須要具備完善的保護功能。

本系統設置了硬件保護功能，滿足輸入、輸出電壓以及過熱保護等都要求響應速度極快的需求。

其中硬件接口電路的主要工作是向保護電路模塊傳遞出保護信號，模塊接收到保護信號時將響應保護，繼而輸出信號并且作出應答，關閉功率管驅動，與此同時向微控制器發出邏輯電平。當微控制器接收到其發出的信號后，會在面板上自動顯示故障類型或者傳遞至上位機。對于那些不需要快速響應的保護，可以先由單片機判斷，再將信號傳遞給保護模塊[4]。

1.4 變換器

該系統采用了MPPT變換器。因為蓄電池的外部端電壓一般情況下變化很小，可以近似認為沒有變化。即MPPT控制器的輸出電壓固定不變。在系統工作在最大功率點附近時，占空比基本穩定不變，控制器輸入電壓的變化主要是由于風力機上的風速變化或光伏板的工作環境（光強、環境溫度等）變化而引起的[5]。如果系統的最大功率點的電壓值落在蓄電池電壓兩側，那么MPPT控制器必須設計為兼有升壓和降壓功能，所以單獨的Boost和Buck變換器將不能勝任，而Cuk或Buck-Boost電路雖能解決升降壓問題，但它們的輸出反壓，Cuk電路更是需要用無極性電容傳輸能量，這會增加電路設計的不可靠性和成本[6]。

本套系統在設計上采用了Boost/Buck結合的變換器，充分發揮其性能安全可靠，結構簡單容易的優點。

2 設計時解決的關鍵技術問題

系統的結構設計部分如圖2所示。

2.1 太陽能光伏發電板的采光率受到太陽高度角的影響問題

為解決太陽能光伏發電板的采光率受到太陽高度角的影響問題，本系統裝置設計了鉸鏈滑動升降機構。包括感光器、鉸鏈、升降桿、導向輪。系統通過感光器自動識別太陽高度角及補償角，升降桿每隔一定時間段實現一次調節，升降桿推動導向輪在導軌移動，在鉸鏈的配合下實現角度調節。

2.2 陣列電池組的物理散熱問題

為解決陣列電池組的散熱問題，本系統裝置設計了獨立儲能倉。每一個儲能倉都有足夠的空間進行空氣的流動，從而實現散熱。儲能倉的底部由導熱性良好的金屬材料制作而成，便于電池的底部散熱。

2.3 防水性問題

因設備需要放置在室外，考慮設備的使用壽命，必須要考慮防水性問題。從內部防水性問題和外部防水性問題兩方面考慮。

（1）內部防水性問題：裝置采用緊密的機械組合，以及在連接處使用防水墊圈、防水墊片來提高內部的防水性能。

（2）外部防水性問題：在塑料連接處使用耐力膠進行粘合，并且使用復合防水涂料。根據實驗，結果顯示本裝置防水等級可以達到IP67級。

2.4 設備固定問題

為解決本供電系統長時間放置于戶外的固定問題，裝置設計了自鎖萬向輪，當自鎖時，可以實現將其固定在戶外。

3 工作原理及性能分析

3.1 工作原理

本套多種能源互補智能供電系統，將太陽能光伏板、風力發電機、儲能裝置——蓄電池組、控制器、電力變換裝置——逆變器、整流器等集于一體，為各類直流或交流用電負載供電。

太陽能光伏發電的過程如下：通過本系統的太陽能電池板所產生的光伏效應，可以將光能轉換成電能，實現為蓄電池充電。當太陽光輻射到本裝置的光伏板上，光伏板的正負兩極形成了電壓差——開路電壓，再將正負兩極直接連接起來，形成短路電流。將直流負載直接接到光伏兩極之間，就會產生電流通過。為了光伏發電系統可以輸出最大功率，我們采用了DC/DC電路。

該套風電機組的發電過程如下：本系統充分利用裝備的風力機，通過風能吹動系統上端的風輪裝置，風輪轉動，將清潔能源——風能轉換為機械能，帶動其交流發電機發電，從而將機械能轉換成了電能。再利用整流橋將發電機所輸出的交流電轉換為直流電，繼而通過控制器實現為蓄電池充電，最后逆變器實現為負載供電的功能。該套風電機組控制電路的基本功能：過流過壓的保護、MPPT、控制負載電流電壓等。

3.2 性能分析

根據調研，得到圖3，分析得出：多種能源互補智能供電系統在一月份至三月份發電量與負載耗電量的差值呈現上漲趨勢，溫度低導致自然風量增大，四月份至五月份發電量與負載耗電量的差值呈現陡坡下降的趨勢，原因是隨著天氣溫度的上升人們的用電量在增大，自然風量也有明顯的減小。六月份至九月份發電量與負載耗電量的差值最小，正處夏季導致人們的用電量大大的增加，發電量也有增加。十月份至十二月份發電量與負載耗電量的差值慢慢地上升。由上述分析可得該供電系統能夠很好的滿足日常家庭用電。

4 創新點及應用

4.1 創新點

（1）風能、光能、余熱能互補協調使用，打破傳統單一能源供電局限，大大提高清潔能源的綜合利用率。（2）系統通過智能脈沖“PWM”特殊的充電方式，可以有效減少電池的發熱，大大提高充電時能源的利用率，同時延長了電池的使用壽命。（3）防水性強，不受惡劣環境影響，工作環境的適應性強。（4）系統操作和控制簡便，使用方法簡便。（5）設備占地小，移動、運輸方便，適用范圍非常廣。

4.2 應用

多種能源互補智能供電系統的應用范圍極廣，不僅僅適用于應急用電、居民用電，還可以應用于更多的領域。例如：利用多能源互補供電系統為景觀景點照明、利用多能源互補供電系統為農村或者城市居民供暖、利用多能源互補系統打造便攜式電源、利用多能源互補供電系統助力海水淡化等。近年來，我國積極倡導建設資源節約型、環境友好型社會，實現可持續發展。中小型能源發電機產品隨之而多樣化，多能源互補供電系統在市政項目、偏遠地區、邊防哨所的應用前景非常廣闊。

參考文獻：

[1]張文超.小型風光互補發電體系的認識[J].科技與創新，2017，4（07）：71

[2]張歡.風光互補供電系統的設計[D].蘇州大學，2017.

[3]金曉航，孫毅，單繼宏，等.風力發電機組故障診斷與預測技術研究綜述[J].儀器儀表學報，2017，38（05）：1041-1053.

[4]李俊華.組合型風能與光能互補發電系統的設計[J].科技創新導報，2019，16（19）：83-84+86.

[5]盧佳.風能發電系統暫態穩定性智能控制研究[J].中國電子科學研究院學報，2019，14（03）：321-326.

[6]白健美，黃文娟，李柯，等.微型風光互補穩定發電模型[J].電子技術與軟件工程，2019，8（21）：216-217.