基于GPRS的風光互補新能源發電系統與遠程通信監控設計

張 星 孟永超 冶艷艷

1.許昌學院電氣與機械工程學院；2.國網許昌供電公司

能源直接決定經濟的發展方向，傳統發電的煤炭、石油等不可再生能源在使用的過程中越來越少，而電能對人們的生活而言是不可或缺的。本設計開發新能源發電，將風光互補發電與儲能裝置結合，通過電路設計、最大功率跟蹤等控制方法，通過GPRS通信技術實現遠程監控，最大限度利用清潔能源進行發電，供給交流或直流負載，同時，可作為重要負荷的應急電源，以響應國家節能減排的號召。對于環境較為惡劣的風光發電系統，監控需求尤為重要。

本文主要研究以下內容：（1）發電系統總體方案設計，主要包括光伏發電模塊、風力發電模塊、逆變模塊、電源管理模塊等，并給出設計參數要求。（2）針對各個模塊進行主電路設計，包括三相橋式不控整流電路、Boost升壓斬波電路、Buck降壓斬波電路、逆變電路等，并設置參數仿真、分析、計算。（3）研究風-光-儲智能應急電源系統的控制技術，包括光伏功率變換的最大功率跟蹤控制、蓄電池電源管理控制、逆變電路控制等。（4）遠程監控模塊，主要通過GPRS、北斗等實現對發電系統的運行狀態、故障情況等進行實時監控，包括數據的采集、傳輸通信、分析等。

1 系統總體方案設計

風光互補新能源發電儲能系統基本組成如圖1所示，其中，風-光發電模塊采用多能互補方式將新型能源轉換為電能，經過充電控制器，把風力發電機和光伏電池輸出的電能轉換為蓄電池所能接受的電能形式，把風光互補發出的電能存儲在蓄電池中，通過DC-DC升降壓控制器和逆變器分別供給直流和交流負載；同時，在停電時還可作為應急電源。遠程監控系統主要基于GPRS利用單節點模塊和上位機之間的網絡進行通信。

圖1 風光互補新能源發電儲能系統基本組成

2 系統各模塊的設計與仿真

2.1 風光發電模塊

光伏電池組件選用型號為Sun Earth Solar Power TDB156×156-72-P 280 W功率為 280 Wp的單晶硅電池組件。發電效率和穩定性均比多晶硅電池板高，光伏陣列為8塊光伏電池串聯，接線方便，陣列總功率為2 240 W。采用擾動觀測法實現最大功率跟蹤技術。基于溫度25 ℃、光照1 000 W/m2條件下，光伏電池陣列在MPPT控制下的進行仿真可得輸出電壓、功率及經升壓電路后的輸出電壓。由仿真結果數據與光伏陣列的理論參數對比可得：輸出電壓280.4 V與理論280 V接近；輸出功率2 244 W理論2 240 W接近；經MPPT控制的升壓電路后的輸出電壓在基本穩定在330 V。

2.2 升壓穩壓模塊

升壓電路采用非隔離型Boost電路，對于光伏發電模塊輸出電壓的升壓選用Boost升壓斬波電路。可知，光伏發電模塊輸出的電壓為330 V，由式可計算得，占空比α=77.6%時，可得設計需要的500 V直流電。

對風力發電機整流后，輸出的為近似112 V的直流電，利用Boost電路仿真實現DC 112～DC 500 V。設置占空比α=77.6%。結果表明：經過短時間的波動，最終電壓穩定在500 V左右，且穩定后電壓波動很小，符合設計要求。

2.3 降壓充電模塊

降壓型（Buck）變換器同屬于單管非隔離DC/DC變換器，其輸出平均直流電壓等于或小于輸入電壓，Buck電路由全控型器件V（如IGBT）、二極管VD、輸出濾波電感L和輸出濾波電容C組成。系統所用的磷酸鐵鋰電池組的額定輸入電壓為360 V，降壓斬波電路實現DC 500 V向DC 360 V的轉變。由U0=αE可計算得占空比α=72%。通過對比分析波形發現：R兩端的電壓波形輸出電壓更穩定，且電壓值為（360±1） V，波動很小，在允許范圍內電壓符合要求；包含電感L的負載電壓波形為矩形波，波動較大，不符合要求。因此，電路選用不含電感L的R兩端電壓作為輸出電壓。

2.4 儲能電源模塊

日常生活中，直流負載以直流電動機的使用較多，因此，本設計以給額定電壓為110 V的直流電動機供電為例，進行輸出供電電路的設計。選用單節電壓為3 V、容量為72 kW·h的鋰電池，由120節串聯組成電壓為360 V的磷酸鐵鋰電池組。直流電動機的額定電壓為110 V，實現通過DC 360～DC 110 V變換；對于交流負載，選用無源逆變電路，實現輸出相電壓為220 V、線電壓為380 V。

由三相電壓型逆變電路相電壓有效值公式計算得：Ud≈488.89 V，由線電壓有效值公式計算得：Ud≈487.18 V。為減小誤差，取兩者的平均值為Ud≈488 V。占空比設置α≈26.2%。仿真后得輸出電壓波形結果表明：經過短時間的波動，最終電壓穩定在466 V左右，且穩定后電壓波動很小，符合設計要求。

按照三相電壓型逆變電路中6個管子的工作方式和各相導電角的相差，依次設置6個IGBT管子設置脈沖的參數，調試后可得輸出的相電壓與線電壓的數值，其相電壓有效值為219.4 V，線電壓有效值為380 V。

3 系統各模塊電路的整合仿真與驗證

通過對風光互補發電、升壓穩壓、降壓充電、電能存儲4個模塊的設計分析，并進行模塊整合，形成的電路拓撲。仿真結果輸出的電壓為360 V的直流電壓，與磷酸鐵鋰電池組的額定輸入電壓相同，其電壓輸出可直接給蓄電池進行恒壓充電。對交流輸出與直流輸出供電模塊進行整合設計的仿真電路。

經過參數調試運行仿真，可以得出直流輸出的電壓波形與交流輸出電壓波形，如圖2所示。

圖2 系統交、直流輸出仿真結果

由于系統設計的蓄電池為額定電壓360 V的磷酸鐵鋰電池組，所以其輸出電壓為360 V的直流電，日常生活中直流負載以直流電動機使用較多，因此，本設計經DC-DC的變換，以額定電壓為110 V的直流電動機供電為例進行輸出供電電路的設計。由U0=αE可計算得，占空比設置α=30.6%。對仿真電路進行參數調試后可得仿真結果。圖3電壓波形圖和電壓表表明：直流輸出電壓穩定在110 V左右，且電壓波動很小，符合設計要求。其交流相電壓有效值為219.4 V，線電壓有效值為380 V，其與規定值相電壓220 V、線電壓380 V的誤差很小，在允許范圍內，且頻率為50 Hz。因此，其交流輸出電路的輸出波形為三相的交流電，可為交流負載供電。

4 遠程監控與通信模塊

基于GPRS和無線傳輸通道，通過獲取相應監測的電氣量主要實現對光發電系統運行狀態的實時監控，包括數據采集、通信、接收。對數據的分析處理，能夠準確快速地甄別出系統不正常或故障狀態，通過GPRS收發模塊進行反饋；實現告警功能并能形成報表數據存儲告警的內容，同時支持修改、打印、傳輸等，最終在上位機能夠直觀地進行畫面展示。遠程監控與數據通信模塊如圖3所示，多種模式收集到的信息，通過32位嵌入式ARM控制器的矢量計算、曲線擬合等處理，能快速完成數據分析并在液晶顯示屏上給出監測結果。

圖3 遠程監控與數據通訊模塊

圖3 中微控制器選用內嵌Cortex-M3內核的STM32F107VCT6芯片，其內部含有64 KB RAM、256 KB FLASH ROM及硬件乘法器，時鐘頻率可達72 MHz，具有很高的性價比。北斗模塊選用UM220 BD2/GPS雙系統模塊，UM220模塊通過相關器、FFT和匹配濾波器混合應用以及算法優化，在各種復雜環境下保持出色的捕獲跟蹤能力和快速TTFF功能；先進的多路徑抑制技術和高質量的原始觀測數據，確保一流的導航、定位和授時精度。

5 結束語

本文對風光互補發電系統遠程監控通信進行了設計與研究，設計了系統總體方案，介紹了風光互補新能源發電儲能系統的主電路拓撲結構及工作原理，包括電池組儲能系統、光伏陣列、風力發電系統、充放電控制器、逆變電源系統，并給出了設計參數要求。通過GPRS、北斗、微控制器等進行數據的傳輸通信與交互，上位機能夠通過監控平臺實時監測發電系統的運行狀態，并獲取相應的數據信息，完成了對風光互補新能源發電儲能與監控通信系統各模塊的控制技術與電路仿真研究，并對仿真結果進行了對比分析。結果表明，系統基本能夠實現發電、充電、儲電、用電4大功能，且各項數據符合要求，能夠穩定地給交流和直流負載進行供電，同時能夠通過數據通信交互、分析對比，實現實時遠程監控功能。對于蓄電池的防過充、防虧電系統的設計，在后續的研究中會繼續改善；監控通信系統與調度MIS的數據共享和互聯互通也有待進一步研究。