基于風光功率動態尋優的風光儲發電系統智能控制器設計

鄭婷婷，黨 樂，任景龍，劉實秋

（1.國網內蒙古東部電力有限公司，內蒙古 呼和浩特 010041；2.北京希科科技有限公司，北京 海淀 100085；3.中國科學院大學，北京 海淀 100049）

我國可再生能源資源開發潛力巨大，內蒙古草原地區風光資源豐富，冬季氣溫低、寒冷時間長，遠離電網，供電困難[1]。離網型的風光儲一體化發電系統可以為遠離電網的農牧區、邊防哨所提供電力供應，在這些地區和場所的生產生活中越來越發揮重要的作用。要保證離網型風光儲發電系統的安全、經濟及可靠運行，其控制器起著核心的作用。

現有的風光發電控制器基本有兩種類型，一種是大型場站安裝的風光控制器，另一種是滿足智能路燈和小農舍類的微小型風光控制器[2-4]。文獻[2]提出了大型新能源場站發電的集群協調控制框架。文獻[3]基于“多級協調，逐級細化”的思路，提出適應風光電集群接入系統的無功電壓協調控制策略。文獻[4]研究了離網型風光互補發電系統的整體設計和控制策略。大型場站安裝的風光控制器，控制容量較大，裝置復雜，通信控制手段完備，造價很高；小型的風光控制器技術含量較低，大多為固定的充電設備如景觀路燈等設計，沒有考慮風光能源的高效利用。

為提高離網型風光儲一體化發電系統的供電效率和可靠性，本文提出了一種基于動態功率尋優PWM技術，設計完成實時感知能量模式的風光儲一體化發電系統智能控制器。本智能控制器參照大型風光場站的控制思路，同時簡化電力開關柜一類的硬件裝置，達到高效利用能源、動態感知能源可利用量級的功能，智能分配風光能源應用比例，大大提高了整個系統的工作效率。而且，在充放電控制環節，考慮系統在極寒地區的應用，本設計增加了電池組的溫度監測和補償功能，保證在不同環境溫度下電池都能具備相對最大的荷電狀態[5]。本文設計的智能控制器在內蒙古東部極寒地區無電牧戶離網型風光儲發電系統中得到實際應用，取得良好效果。

1 總體設計方案

離網型的風光儲發電系統由風電機組、光伏電池組、智能控制器、蓄電池組、逆變器、交流負載和直流負載組成[6]。本文研究提出了基于風光功率動態尋優實現最大功率跟蹤（MPPT）和可控限流恒壓PWM技術的智能控制器，系統總體結構如圖1所示。

圖1 風光儲一體化發電系統

在智能控制器的設計上參照大型風光場站的控制思路，同時簡化電力開關柜一類的硬件裝置，通過實時采集多參數數據的計算，實現工作模式的實時轉換，極大提高了系統工作效率。

實時檢測跟蹤風光發電特性，實現系統整體最大功率跟蹤（MPPT），達到動態感知能源可利用量級、高效利用能源的功能，智能分配風光能源應用比例。

實現對電池電壓、光伏發電電壓、風力發電電壓的采樣，根據電池電壓及發電電壓，采用微控制器進行PWM調制技術，對蓄電池進行充放電控制，實現蓄電池過充和過放保護。

寒冷地區氣候對蓄電池性能的影響是本系統設計考慮的要素之一。本系統實時監測蓄電池溫度，實現對蓄電池的溫度補償，保障蓄電池的性能，延長其使用壽命。

2 硬件設計

2.1 系統工作模式

根據風光資源和負載狀態，為系統設計3 種工作模式。

關閉模式。當檢測到風光共同直流母線電壓低于蓄電池電壓時，關閉系統的PWM 工作，系統處于測量待機狀態，既控制器處于關閉模式。此時系統功耗最低，小于1 W（其中顯示屏消耗0.6 W）。

最大功率模式。與連網蓄電池限流限壓的充電模式不同，本設計的控制器工作在最大功率模式的條件是：其一，只要檢測到蓄電池未充滿，就處于最大功率模式；其二，蓄電池已經充滿，但負載仍有大功率用電需求。

限功率模式。蓄電池已經充滿，負載消耗較少，系統尚有待轉換的風光資源。此狀態可以實時提示給用戶，提示用戶可優先使用能源。

2.2 最大功率模式的實現

首先是核心處理器的選擇。本設計中智能控制器的核心處理器是國產STC8G2K64S4，其內部資源豐富，僅數字外設方面，有5 個16 位定時器，4 個高速串口；45 組15 位增強型PWM，可實現帶死區的控制信號，同時芯片內部集成了硬件16位乘除法器，可極大縮短軟件計算時間。

其次是風光功率的實時測量。本方案設計了獨立的風電、光伏、蓄電池電壓電流實時測量電路，為PWM 的功率計算提供了實時數據，也為在線評估風光資源提供了基本的技術支持。以風機直流電壓測量為例，如圖2 所示。圖中，R28、R30、R31是低阻值（25 mΩ）分流取樣電阻。當電流10 A時，FJA1點有1.75 V電位值；同樣，風機整流后的直流電壓經R24、R29分壓，要由UZ2A緩沖得到測量電壓。

圖2 風機電壓電流測量原理圖

當控制器工作在最大功率模式時，軟件不斷測量當前的風光功率之和，并與上次的計算結果相比較，如果功率增加，繼續沿上次的PWM調整方向進行；如果功率減少，則反向調整PWM。同時保存本次的PWM方向調整特征，為下一次軟件迭代計算使用。

2.3 蓄電池的精細溫補充電管理

控制器設計能夠滿足在極寒地區使用，如果按照常規簡易的充電管理，蓄電池在低溫（低于0 ℃）時的充電容量會大打折扣。本智能控制器設計實時測量電池組溫度，依據溫度的變化對電池組的充電電壓限制條件進行調整，保證在不同環境溫度下電池都能具備相對最大的荷電狀態。

創造性地設計了“充電限制值+溫度補償電壓”的充電控制方式，提升了電池在低溫條件下的充電性能，優化電池運行條件，延長電池使用壽命，非常適合寒冷地區的應用條件。溫度補償電壓Utc的計算公式：

式中：Ucc為充電補償電壓；tf為參考溫度；ta為環境溫度。

根據膠體蓄電池的充電特性，對于48 V電池系統，充電補償電壓取-75 mV/℃（以25 ℃為參考）。例如，電池工作于-15 ℃環境，則補償電壓為3.0 V。即在-15 ℃時，控制器自動將充電電壓補償3 V，使蓄電池在該環境條件下仍能工作在最大荷電狀態。

3 軟件設計

智能控制器軟件功能框圖如圖3 所示。單片機對采得的風力發電電壓、光伏發電電壓和蓄電池電壓進行分析計算，根據電池電壓及發電電壓，采用微控制器進行PWM 調制技術，對蓄電池進行充放電控制，實現蓄電池過充和過放保護。

圖3 智能控制器軟件功能框圖

4 試驗運行分析

對研發的風光儲發電系統智能控制器進行了全面大量的試驗，并經過現場實際運行，證明智能控制器實現了設計的功能和性能指標。

圖4 最大功率模式驗證電源

測試分別取RW=5、10、20 Ω 3 種情況。開啟逆變器，泄放部分電池容量，使控制器工作在最大功率充電模式。啟動控制器工作，觀察輸出的PWM波形，當PWM 處于動態+/-調整時，測量電路輸出電流。表1 為最大功率模式試驗結果。試驗結果表明， 穩態電流趨近于限制條件I=(U0-E)/R及U0/(2R)中的較小值，充電功率趨近于限制條件下的最大值。

表1 最大功率模式試驗結果

設計的智能控制器在內蒙古東部極寒地區無電牧戶離網型風光儲發電系統中得到實際應用。

5 結束語

本文以離網型風光儲一體化發電系統為研究對象，設計了基于風光功率動態尋優的新型風光儲智能控制器。該控制器采用PWM 控制技術和蓄電池溫度補償管理技術，實現風光能量的動態優化利用。該控制器已在內蒙古東部極寒地區無電牧戶離網型風光儲發電系統中得到的應用，現場運行情況良好。經試驗分析，該控制器實現了設計的功能和性能指標，為智能化的風光儲發電系統設計及其應用奠定了基礎，為極寒偏遠無電地區的持續穩定供電、農牧區民生問題的解決提供了方案，具有良好的實用價值和經濟社會綜合效益。