基于UC3825PWM控制芯片實現風光互補發(fā)電系統的設計

作者：計長安，張秀彬，曾國輝，何斌，周雪蓮

綜合利用了風能、光能的風光互補獨立電源系統是一種合理的電源系統。不僅能為電網供電不便的地區(qū)，如邊防哨所，通訊的中繼站，交通的信號站，勘探考察的工作站以及農牧區(qū)提供低成本、高可靠性的電源，而且也為解決當前的能源危機和環(huán)境污染開辟了一條新路。

單獨的太陽能或風能系統，由于受時間和地域的約束，很難全天候利用太陽能和風能資源。而太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性，白天光照強時風小，夜間光照弱時，風能由于地表溫差變化大而增強，太陽能和風能在時間上的互補性是風光互補發(fā)電系統在資源利用上的最佳匹配。

1 硬件構成

風光互補獨立電源系統由光伏發(fā)電單元、風力發(fā)電單元、系統智能管理核心、逆變器、儲能元件等構成，如圖1所示。

系統的具體構成參數由使用時最大用電負荷與日平均用電量決定。最大用電負荷是選擇系統逆變器容量的依據，而平均日發(fā)電量則是選擇風機及光電板容量和蓄電池組容量的依據。同時系統安裝地點的風光資源狀況也是確定光電板和風機容量的另一個依據。

光伏發(fā)電單元與風力發(fā)電單元光伏發(fā)電單元采用所需規(guī)模的光電板，轉換太陽光能，并通過智能管理核心對蓄電池充電、放電、逆變進行統一管理。風力發(fā)電單元利用小型風力發(fā)電機，轉換風能，同時通過智能管理核心控制整個系統的允放電。兩個單元在能源的采集上互相補充，同時又各具特色：光伏發(fā)電單元供電可靠，運行維護成本低，但造價高；風力發(fā)電單元發(fā)電量高，造價和運行維護成本低，但可靠性低。

儲能元件鉛酸蓄電池足風光互補獨立電源系統常用的儲能元件，其成本低、容量大、免維護的特性使其成為風光互補獨立電源的首選。由于風電和光電單元必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，蓄電池合理的容量和科學的充放電是系統壽命的保證，本系統采用雙標三階段充電，實現對鉛酸蓄電池的科學充電。風光互補獨立電源采用雙儲能系統，包括二套鉛酸蓄電池組，使得充放電能同時進行，通過智能核心控制既可以對負載放電，同時叉可以在充電條件到達時對備用儲能電池組充電，兩組蓄電池之間的切換由系統實時監(jiān)測其電壓狀態(tài)決定。

MOSFET充放模塊由智能管理核心驅動的MOSFET充電模塊，可根據系統的不同，選取不同電壓等級的MOSFET，來實現系統對蓄電池的充放電。MOSFET可選用International Rectifier公司的第三代HEXFETs產品，IR系列產品具有開關迅速、開通阻抗低、性價比高等特色?？刂颇K根據不同的MOSFET門級電壓設計，由智能管理核心控制MOSFET模塊的輸出狀態(tài)。

逆變器系統不僅可以提供穩(wěn)定的直流供電，帶動直流負載，而且可以通過逆變呂提供單相交流電。

智能管理核心由LCM液晶顯示模塊、鍵盤、MCU組成，是系統控制、管理的核心，驅動MOSFET充電模塊實現對蓄電池的雙標三階段充電，驅動JCBT實現DC／AC逆變、以及系統的實時保護和數據再現與傳輸等，同時提供風機的磁電限速保護，在風力過功率時，給風機反向磁阻力矩，降低風機轉速。系統核心MCU選用TI公司的MSP430單片機，其豐富的片上資源使得系統的控制和管理都極為方便。

2 系統工作原理及軟件實現

2.1 雙標三階段充電原理及實現

鉛酸蓄電池是系統的儲能元件，電是影響風光互補系統壽命的關鍵因素，對鉛酸蓄電池充放電的控制直接影響蓄電池的壽命，不合理的充放電將直接導致蓄電池的崩潰。系統智能管理核心拄制蓄電池的充放電過程。本系統采用雙標三階段充電來優(yōu)化充電過程。雙標三階段充電過程符合鉛酸蓄電池的特性，能很好地維護蓄電池。三階段充電過程如圖2所示。

第一階段 大電流灌充階段（high currentbulk charge state）由電壓采樣電路獲取蓄電池的電壓狀況，當電壓小于過標準開路電壓（Voc）時，太陽能電源、風力發(fā)電機以其所能提供的最大電流對蓄電池充電（最大電流對不同功率的系統取值不同，可按C／5充電率取值，C為蓄電池容量），由于太陽能電池和風力發(fā)電機的電流與天氣狀況有關，所以大電流的取值將在一定范圍之內。保持大電流充電至Voc后，進入第二階段。第一階段的充電程度可達70％～90%。

第二階段 過電壓恒充階段（over chargestate）以恒定的過標準電壓（Voc）充電，直到充電電流降至Ioct進入第三階段。第二階段的充電程度近100％。

第三階段浮充階段（float charge state）以恒定精確的浮充電壓Vf進行浮充。蓄電池充滿后，以浮充方式維持電壓。浮充電壓的選擇對蓄電池的壽命尤為重要，即使5％的誤差也將使得蓄電池的壽命縮短一半。

智能管理核心充電流程如圖3所示。智能核心實時采集并判斷系統狀態(tài)，與輸入控制、觸發(fā)信號聯合控制充電狀態(tài)。

2.2 逆變器原理與實現

DC／DC變換由48V鉛酸蓄電池輸出通過Boost電路升壓至360V，采用UC3825PWM控制芯片，其產牛PWM頻率高，且造價低。DC／AC逆變器主電路由H橋式ICBT構成，還包括熔斷器、抗干擾的濾波器、保護二極管等。控制電路由控制環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)兩部分構成智能管理核心作為控制環(huán)節(jié)對主電路的輸入電壓、輸出電壓、輸出頻率和輸出波形進行校正控制。保護環(huán)節(jié)分為硬件保護部分和軟件保護部分，完成對系統的短路、過載、失壓、過壓、缺相等的保護。逆變后的單項交流電通過電壓、電流傳感器，把狀態(tài)返回智能管理中心，以便對波形實行校正。逆變器的電路構成如圖4所示。

2.3 系統控制保護原理與實現

風光互補電源系統根據性能可分為充電狀態(tài)、負載狀態(tài)（放電狀態(tài)）、保護狀態(tài)。系統同時監(jiān)測光伏發(fā)電單元、風力發(fā)電單元、負載和兩組蓄電池的狀況，在相應條件下，進入對應的狀態(tài)。在每一狀態(tài)中，系統不僅完成自身階段的工作，還可根據用戶需要給出相應的系統參數顯示、多系統之間的通訊及系統與E位機之問的通訊，系統狀態(tài)流程如圖5所示。

系統在初始化中，完成參數的設定，如光伏發(fā)電單元電壓、電流、負載、過壓、過流保護參數；風力發(fā)電機的磁電保護參數；鉛酸蓄電池雙標三階段充電的充電系數。同時也完成系統人機通訊（鍵盤、液晶模塊、LED等）的初始化和系統通用串行通信模塊的設定。

系統通過實時采樣模塊、上位機觸發(fā)信號和用戶控制信號聯合判斷系統所處的狀態(tài)。首先，通過實時采樣模塊采集系統的實時電壓、電流，判斷光伏發(fā)電單元、風力發(fā)電單元、儲能蓄電池和負載的狀況，從而決定系統應處的狀態(tài)。其次，上位機觸發(fā)信號和用戶控制信號也聯合控制系統狀態(tài)，可強行控制系統從一種狀態(tài)轉入其他狀態(tài)。

系統在充電狀態(tài)中以雙標二階段充電法對鉛酸蓄電池進行合理允電，通過在線對系統中光伏發(fā)電單元、風力發(fā)電單元、蓄電池和負載的狀態(tài)采集，合理完成灌充和過電壓恒充，并以浮充狀態(tài)維持鉛酸蓄電池的電壓。

在負載狀態(tài)（放電狀態(tài)）中，按負載需要，進行直流或單項交流供電。同時監(jiān)測蓄電池組的狀態(tài)，在到達設定條件時，與備用蓄電池組實現輪流充放電，提高系統對能源的利用。另外，在負載狀態(tài)時，鉛酸蓄電池的狀態(tài)也需實時監(jiān)測，以免過放對蓄電池造成損害。

當風光互補系統巾的光伏發(fā)電單元、風力發(fā)電單元、鉛酸蓄電池、負載以及系統內部的狀態(tài)參數到達所設的保護值時，系統進人保護狀態(tài)，避免了短路、過壓、過流等對系統的危害，保障系統的正常運行。如對風力發(fā)電機的磁電限速保護，鉛酸蓄電池的過放保護，以及對負載的過壓保護等。

同時，系統提供了方便的人機接口，可在線獲取系統中充、放電的電流、電壓參數及系統的狀態(tài)參數。通用串行通信模塊提供了系統之間、系統與上位機之間的通信，方便的輸入控制，多種的顯示輸出以及靈活的通信不僅保障了系統的安全運行，也大大便利r系統的維護、檢修和管理。

3 實際應用

風光互補獨立電源系統已實際應用于中小功率用電系統，如路燈、家用照明等。由于太陽能、風能供電的獨特互補優(yōu)點（如圖6所示），近年來風光互補獨立電源系統得到迅速發(fā)展。

如需滿足4對55W低壓鈉燈的供電，每盞燈光通亮7800lm，按實地情況采用l000W太陽能電池板，300W的小型風力發(fā)電機，兩組．400A·h左右的鉛酸蓄電池，可滿足所需照明．若需加長在無風、陰天持續(xù)狀態(tài)下的供電天數，可適當加大鉛酸蓄電池的容量。這里所選的具體參數是結合了當地天氣狀況、負載需求狀況而選取的。

本系統結合具體路燈的實際應用，接人感光器件，判斷白天與黑夜，實現了無人管理。如圖7流程圖所示，把系統分為3個狀態(tài)：狀態(tài)l——蓄電池電壓過低，不能再放電，否則影響蓄電池壽命；狀態(tài)2——蓄電池電壓正常，可進行充放電；狀態(tài)3——蓄電池電壓過高，對負載有傷害，需進行放電后，方可接入負載。

4 結語

風光互補電源系統實現了對自然資源的合理利用，而風光互補的技術方案保證了系統的高可靠性?；贛CU的風光互補獨立電源系統不僅在理論上有保證，而且在實際應用中也得到了檢驗。

責任編輯：gt