离网型风光互补逆变控制器一体机的设计与实现

卫乾¹、陈宝²、伍儒彬³、陈冰⁴

（1,2,3,4北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京昌平，102200）

摘要：太阳能和风能作为清洁能源，是目前研究新能源开发利用的热点，单独利用太阳能或风能存在稳定性较差的问题。本文设计了一种离网型风光互补逆变控制器一体机，通过风光互补发电系统，可以最大限度的利用风能和太阳能，稳定的为用户提供电能。本文从风力发电机的工作原理和特性入手，采用太阳能电池的最大功率点、最大功率跟踪技术及高效风机发电控制技术，设计制作了离网型风光互补逆变控制器一体机样机，通过实际测试验证，本文设计的逆变控制一体机控制电路性能优良，逆变部分输出正弦波电压、频率稳定，可以有效提高风能和光能的利用率，解决风光互补一体机发电系统常规设计中使用复杂，安全性低，生产成本较高的问题，从而延长产品的使用寿命。

关键词：风光互补；MPPT；SPWM；H桥；神经模糊算法

0 引言

随着环境问题及能源问题的日益突出，发展并研究新能源技术引起了国内外的高度重视，太阳能和风能作为清洁能源，是目前研究新能源开发利用的热点，单独利用太阳能或风能存在稳定性较差，受天气影响较为严重，对周边环境依赖性较高，区域影响较为严重等缺陷。太阳能和风能在同一区域往往存在互补性，通过风光互补发电系统，可以最大限度的利用风能和太阳能，稳定的为用户提供电能，随着风光互补新能源技术的不断发展与成熟，风光互补发电系统应用前景广阔。

本文从风光互补发电系统的整体设计方案入手，完成了一体机整体方案设计和需求分析，并在此基础上设计了功能电路和系统软件。在功能电路设计部分，按照风光互补最大功率跟踪需要设计并实现了一体机控制电路，其中控制器电路分为电力主电路、信号采集电路和单片机智能控制电路，电力主电路包括太阳能整流电路，太阳能MPPT控制电路，风机整流电路，风机MPPT控制器电路，信号采集电路，过压保护电路，卸荷电路，制动电路及软件控制策略等。为实现风光互补一体机能量最优化管理，风机能量管理算法以实时监测N-P曲线为驱动点，根据负载变化自动选取最大功率点，建立基于风机的NPR模型，实时进行最大功率动态跟踪；光伏能量管理算法采用了积分微移法，通过对V-P曲线的定时跟踪实现最大功率动态跟踪。该套离网发电系统充分考虑到了影响蓄电池寿命的关键因素，通过中央处理单元及蓄电池保护电路对蓄电池进行全面保护。

根据上述设计，本文进行了样机的制作，通过实际测试验证，本文设计的逆变控制一体机控制电路性能优良，逆变部分工作稳定，达到了设计目标。利用本设计方法可以有效提高风能和光能的利用率，解决风光互补一体机发电系统常规设计中使用复杂，安全性低，生产成本较高的问题，从而也延长了产品的使用寿命。

1、风光互补逆变一体机的设计方案

1.1系统整体设计

本文设计的风光互补发电系统为离网型民用发电系统，在产品可靠性及安全性方面都提出了较高要求，其中能源输入包含风能、太阳能转换设备的能量引入接口，在安全及可靠性方面提供了风机电子刹车卸荷接口，确保风机输入回路工作在允许电压范围内。在逆变器输出电路上，提供了隔离变压器，可以有效的防止单端接触触电，有效提高了产品应用过程中的安全性。系统方案图如图1所示。

图1 系统方案图

从上图可以看出，风光互补逆变一体机的主要组成设备有风力发电机、太阳能电池板、主功率回路及控制系统、铅酸蓄电池及逆变电路等。风力发电机、太阳能电池板通过风机接口和光伏接口将电能输送至风光互补一体机整流电路，经能源控制回路整合后通过控制电路为铅酸电池充电或为后端逆变器电路供电，实现电池充电功能并驱动负载工作。

1.2关键技术分析

风能发电部分是利用风力机将风能转化为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电风机采用具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的特点。通过控制器实现MPPT功能，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压。

光伏电池具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。它能将太阳能转化为电能，但是太阳电池输出功率并不是随着光照强度的加强和正比变化的，若要达到高效利用太阳能，就需要依赖于控制器的MPPT功能，从而做到对充电电流的高效控制。

铅酸蓄电池作为整套系统的核心部分，对铅酸电池进行有效管理十分重要，电路控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，把调整后的电能直接送往逆变器，以满足直流或交流负载的使用，尽量减少蓄电池的充放电次数，另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储，以备风光能源不足时使用。

中央控制单元是整个设计的核心，它保证整个系统安全、可靠运行。另外本系统受应用环境的要求，本身就要求实现免维护，所以无论从硬件系统还是软件系统都要对系统有保护作用，同时考虑到系统的运维和管理，整个系统需要提供风光互补一体机的工作状态诊断功能及远程传输功能。

逆变电路是把蓄电池中的直流电变成标准的220V工频交流电，保证常用家用负载的正常工作，是直接提供给用户的关键部分，该部分设计要确保稳定的同时，又要保障用户使用的安全性。

2、风光互补逆变一体机的技术实现

2.1主功率功能电路设计

根据系统整体设计，风光互补一体机电路要实现风能和光能的最大化利用，电路设计上应包含风机及光伏的MPPT充电电路，要实现风机的稳定、可靠运行，就需要通过中央控制单元实现对风机的动态卸荷管理，同时中央控制单元负责对BUCK驱动电路管理，实现BUCK主功率回路的控制，在电池充满并没有负载需求时，断开主功率回路，降低整机功耗。具体功能电路关联图如图2所示。

图2风光互补一体机硬件架构

风光互补逆变一体机的充电电路主要通过整流桥来实现AC-DC变换，是一套高效、可靠的风能光能控制系统，具有独立稳压功能电路，风能及光伏供电系统可脱离蓄电池组工作，使系统工作的可靠性大大提高，并有效减少蓄电池组的循环充电次数。该电路输出部分具有输出功率限定功能，控制单元可以通过预先设定值，限定风机的输出的功率，从而保证风机的输出功率控制在额定功率之内，不会造成风机飞转，出现过压、过流和过功率输出的情况，从而大大保护了风机，提高了系统的工作可靠性。同时该电路具有风机及太阳能 MPPT功能，其输出电流大于输入电流，较蓄电池稳压式控制系统提高使用效率至少20%以上，能够使风能系统充分利用风力资源，降低风机内耗，提高风机输出效率。

图3风光互补一体机充电管理电路

针对电池管理电路，为中央控制单元设计了电池电压、电池温度、电池充电电流，风机输入电压、风机输入电流、光伏输入电压、光伏输入电流、逆变器输入电流的监测节点和蓄电池充电断开电路、蓄电池放电截止电路、蓄电池容量监测电路，通过对输入、输出电压、电流及蓄电池温度的监测，可以有效的保护蓄电池，延长电池使用寿命。风光互补一体机蓄电池管理电路如图4所示：

图4风光互补一体机充电管理电路

2.2诊断及通讯电路设计

离网型风光互补系统要实现诊断及通讯功能，需要硬件电路的支持。其中诊断功能通过对蓄电池、光伏及风机的关键节点电压、电流的采集来实现，关于断相检测功能我们采用了频率检测电路来实现，通讯电路主要通过DTU模块来实现。诊断及通讯电路设计图5所示：

图5风光互补一体机诊断及通讯电路

2.3逆变器电路设计

逆变电路是离网型风光互补发电系统的核心电路之一，实现了直流电向AC220V市电转换的功能，满足用户常用负载的驱动需要。该电路采用了SPWM驱动电路和H桥主功率电路来实现，经测试，该电路工作稳定。逆变器电路设计图6所示：

图6风光互补一体机逆变器电路

2.4软件功能设计

根据离网型风光互补一体机远程运维、管理需求，需要实现对风速监测、风机转速监测、一体机运行状态等参数监测，将一体机代码进行接口标准化设计，提供设备管理接口、数据上传接口、人机交互接口、历史数据管理接口、传感器参数管理接口、传感器实时数据采集及通讯协议接口等。如图7所示：

图7一体机固件接口图

组态监测软件采用模块化设计和C/S架构，以实时数据库为核心，通过Server端收集、解析数据，将关键数据存放至实时数据库中，组态界面及配套的client端从数据库读取数据并做出展示，系统工作原理如图8所示：

图8组态监测软件工作原理

2.5  太阳能MPPT跟踪功能实现

为了实现太阳能的MPPT功能，就需要有效的控制太阳能输入端电压，将其稳定在最大功率点，这里需要用到PWM技术，采用DC-DC变换的开关电源模式工作，其电路原理如图12 所示。太阳能电池板与太阳能整流组件连接，整流组件受控制器控制，由太阳能电池最大功率跟踪电路（MPPT）和PWM电路实现管理，可任意调节太阳能电池的输入脉冲宽度，可使太阳能电池的输出电压接近太阳能电池最大功率工作点电压，实现太阳能电池的最大功率跟踪。

图9 DC-DC变换的开关电源模式工作原理

由于直流变换稳压型太阳能电源的输入不受蓄电池电位的影响，控制器的工作效率在蓄电池充饱前不变，因此太阳能控制器的效率就是系统的整体工作效率。蓄电池电压越低、系统的输入输出电压差越大，具有MPPT功能的太阳能电源体现出的效能就越大。因此，具有MPPT功能的太阳能控制器首先提高了太阳能系统的整体工作效率。其次，DC-DC直流变换稳压型太阳能控制器对蓄电池具有多重保护和管理功能，一方面系统具有独立稳压输出功能，能够真正实现对蓄电池组的均浮充管理。

2.6  风力发电机MPPT跟踪功能实现

标称相同的风机其输出电压比太阳能为高，以 48V风机为例，其输出电压为AC 0~207V 之间，经整流后，电压更会高达300V以上。正常工作时，风机电压也会在直流100V以上，当然，不同风机工作电压会有所不同。如果采用直接整流滤波后接入蓄电池充电的工作方式， 100V 左右的脉动电压直接被蓄电池降到48V左右，有50%的电压会降在风机绕组上，也使大量电能消耗在风机绕组上，风机的实际输出效率将大打折扣，风机要想得到额定输出功率，只能在依赖更大的风速。因此风机系统的工作效率和风能利用率都大大地降低，同时，风机的可靠性和平均无故障时间 MTBF 也会大打折扣。

高效风机发电控制技术是采用开关电源的工作模式而设计的风能控制电源，风机产生的交流电能经整流后进入斩波器转换成脉冲波，由脉冲变压器将前级的脉冲电压变换成所需的电压，并经整流稳压后输出给蓄电池和负载。输出电压可任意调控，不依靠蓄电池组稳压，其工作原理图如图13所示。

图10 AC-DC风能控制器工作原理

风光互补发电一体机加入风能 MPPT 电路后，可使得系统的输入输出端维持最大的压差，降低绕组内阻的损耗，使风能系统有最佳的输出效率。其等效电路原理如图14所示：

图11 DC-DC变换的开关电源模式工作原理

在等效电路图中，风机与蓄电池和负载分别在两个回路里，脉冲变压器将初级线圈上100V左右的脉冲电压变换为次级43-56V的脉冲电压，经整流滤波后，输送给蓄电池和负载。在变压器降压过程中，电压降低，电流增大，因此变换稳压型控制系统的输出电流大于风机提供的输入电流。输入输出电压差异越大，体现出的效能提升也越高。风机的MPPT功能提高了风机对风能的利用率。

3、现场应用效果

如图12所示，风光互补发电智能物联监控管理系统将风光互补发电设备的坐标信息与地图结合，根据实际的经度、纬度坐标信息，将设备在地图上标注出来，可直观的看到各个设备的位置分布。同时集成天气预报控件，可预报当地未来5天的天气。

在图12中，单击某个设备图标，跳转到该设备的实时数据画面，如图13所示，每个设备采集44个变量，包括风机转速、风能电压、太阳能发电量等，同时根据采集的风速值动画模拟转动，更加直观的显示设备状态。

图12 风光互补发电智能物联监控管理系统界面图1

图13风光互补发电智能物联监控管理系统界面图2

4、结束语

目前，现有的风光互补控制系统主要存在着风光配比不合理、存在蓄电池寿命短、断电频繁、感性负载启动困难等问题，其原因主要为对风光互补供电系统配置不足和蓄电池管理功能不完善。本文采用了太阳能电池的最大功率点和最大功率跟踪技术、高效风机发电控制技术来提升风光系统的效能和增加供电能力，设计制作了离网型风光互补逆变控制器一体机样机，通过实际测试验证，本文设计的逆变控制一体机控制电路性能优良，逆变部分输出正弦波电压、频率稳定，可以有效提高风能和光能的利用率，解决了风光互补一体机发电系统常规设计中使用复杂，安全性低，生产成本较高的问题，从而延长了产品的使用寿命。

参考文献：

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