李紹武

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

隨著能源危機(jī)的加重和人們對(duì)環(huán)境污染的重視，太陽能和風(fēng)能作為理想的可再生清潔能源的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來.風(fēng)能和太陽能在時(shí)間和地域上具有良好的互補(bǔ)性，這一優(yōu)點(diǎn)引起了人們對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電研究和應(yīng)用的廣泛重視.文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中建立了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制電路的模型，文獻(xiàn)[3]中對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)電路的能量分配進(jìn)行了研究，本文在上述研究的基礎(chǔ)之上，主要對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)模塊和輸出逆變模塊的控制電路進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于AVR單片機(jī)的風(fēng)能太陽能控制器，實(shí)現(xiàn)了太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電控制的智能“二合一”.

圖1 風(fēng)能太陽能控制器原理結(jié)構(gòu)圖

1 硬件電路的設(shè)計(jì)

風(fēng)能太陽能控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.該控制器由單片機(jī)控制電路和外圍主電路組成，外圍主電路主要包括風(fēng)能太陽能互補(bǔ)控制電路、斬波電路、整流電路、逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路等.

1.1 控制電路

系統(tǒng)控制電路以ATmega128單片機(jī)[4]為核心.采用該芯片4路可編程PWM資源實(shí)現(xiàn)輸入斬波控制和輸出逆變控制；通用I/O接口實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電控制及鍵盤、顯示、報(bào)警等功能；內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器完成過程電壓、電流和輸出電壓的采樣.

圖2 風(fēng)能太陽能互補(bǔ)控制電路圖

圖3 主程序流程圖

表1輸出能量管理表

Tab.1 Manage table of output energy

工作模式太陽能電池組電壓VS風(fēng)能發(fā)電機(jī)電壓VW輸出電源供電來源模式0VS

1.2 斬波、整流電路

風(fēng)能發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電壓經(jīng)三相橋式整流為單相脈動(dòng)直流電壓，濾波后穩(wěn)定的輸出電壓作為斬波器輸出的基準(zhǔn)電壓.斬波電路1采用簡(jiǎn)單的Boost電路[5]，控制IGBT柵極的PWM信號(hào)占空比可以很容易地控制輸出電壓值，使其始終等于基準(zhǔn)電壓.斬波電路2采用Cuk電路[5]，同理，控制IGBT柵極的PWM信號(hào)占空比可以很容易地控制輸出電壓值，使其始終等于輸出直流電壓設(shè)定值.如果沒有對(duì)輸出電壓值進(jìn)行設(shè)定，該電路將完成最大輸出功能跟蹤(MPPT)功能[6].

1.3 風(fēng)能太陽能互補(bǔ)控制電路

為了實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的智能“二和一”，采用兩個(gè)固態(tài)繼電器完成風(fēng)光互補(bǔ)電路的控制，如圖2所示.常開觸點(diǎn)KS1和KS2分別控制斬波器輸出電路和整流器輸出電路的通斷.

對(duì)于常開觸點(diǎn)KS2，只有當(dāng)風(fēng)能發(fā)電機(jī)輸出電壓大于等于閾值電壓并且小于等于上限電壓時(shí)閉合.互補(bǔ)輸出的能量管理如表1所示，其中閾值電壓和均可由單片機(jī)鍵盤設(shè)定.風(fēng)能發(fā)電機(jī)輸出上限電壓主要是針對(duì)暴風(fēng)等特殊情況下對(duì)主電路和控制電路的保護(hù).

風(fēng)能太陽能互補(bǔ)電路中，當(dāng)工作于模式3時(shí)，斬波器和整流器輸出的直流電壓大小必須相等.即在同時(shí)閉合常開觸點(diǎn)KS1和KS2前，需檢測(cè)圖1中c、d兩路輸出電壓的大小.同時(shí)，為防止電壓大小短暫的差異損壞電路，設(shè)置兩個(gè)電力二極管(VD1和VD2)實(shí)現(xiàn)主電路的保護(hù).工作模式的選擇可通過單片機(jī)鍵盤輸入設(shè)定，缺省情況下，單片機(jī)根據(jù)c、d兩路電壓采樣結(jié)果自行判定.

1.4 輸出逆變電路

輸出逆變電路采用單相橋式逆變電路[5]，實(shí)現(xiàn)從直流電到頻率和幅值可調(diào)的交流電的逆變.頻率和幅值可以通過鍵盤設(shè)定，缺省值對(duì)應(yīng)為50赫茲220伏交流電輸出.逆變器中的4個(gè)IGBT由AVR單片機(jī)生成的兩路SPWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路2后進(jìn)行驅(qū)動(dòng).通過對(duì)SPWM信號(hào)頻率、相位和占空比的控制可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出交流電頻率和幅值的控制.對(duì)輸出電壓的采樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸出電壓頻率和幅值的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

1.5 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的質(zhì)量決定對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)的可靠性和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110來完成驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).由IR2110芯片搭建的驅(qū)動(dòng)電路1和驅(qū)動(dòng)電路2分別實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路PWM信號(hào)和兩路SPWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng).

1.6 鍵盤、顯示及保護(hù)電路

鍵盤采用矩陣方式設(shè)計(jì)，采用中斷方式進(jìn)行編程.鍵盤和顯示電路主要完成控制器工作模式、輸出交直流電壓大小、蓄電池充放電情況以及太陽能供電閾值電壓VSth和風(fēng)能供電閾值電壓VWth的設(shè)置和顯示.保護(hù)電路采用光電隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制電路和主電路的隔離，包括單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路、蓄電池電路以及互補(bǔ)電路的隔離.蓄電池通過單片機(jī)的I/O端口和電壓監(jiān)控實(shí)現(xiàn)智能三階段充放電控制[7].

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序

主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O接口、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器的初始化，并完成模式0到模式3的切換和控制.圖3為整個(gè)控制器的主程序流程圖，其中電壓采樣部分完成太陽能電池組電壓采集和風(fēng)能發(fā)電機(jī)端電壓采集.參數(shù)flag1和flag2分別表示太陽能電池組輸出電壓和風(fēng)能發(fā)電機(jī)輸出電壓是否大于閾值電壓的標(biāo)志位，等于1表示輸出電壓大于閾值電壓，等于0表示輸出電壓小于閾值電壓.

圖4 工作模式3子程序流程圖

2.2 模式3子程序

PWM子程序1主要完成斬波電路1輸出電壓的控制.PWM子程序2主要完成斬波電路2輸出電壓的控制.SPWM子程序主要完成逆變電路輸出電壓幅值和頻率的控制.

3 仿真

本系統(tǒng)采用PROTEUS軟件進(jìn)行仿真，仿真主電路如圖5所示.其中，PWM1和PWM2信號(hào)分別由AVR單片機(jī)的OC3A和OC3B端口產(chǎn)生，分別用于控制IGBT1和IGBT2的通斷以完成對(duì)斬波電路1和斬波電路2輸出電壓的控制.SPWM1和SPWM2信號(hào)分別由AVR單片機(jī)的OC1B和OC1C端口產(chǎn)生，用于對(duì)逆變器輸出電壓幅值和頻率的控制.單片機(jī)的I/O信號(hào)經(jīng)過光電隔離后作為控制信號(hào)1和控制信號(hào)2，分別用于控制繼電器1和繼電器2的通斷，以模擬互補(bǔ)控制電路的工作情況.

仿真時(shí)，采用直流電源模擬太陽能電池的輸出，且通過間歇改變直流電壓大小模擬太陽能電池的輸出特性；同時(shí)，采用三個(gè)頻率和幅值相等、相位相差120度的正弦交流電源模擬三相風(fēng)能發(fā)電機(jī)的輸出特性.仿真過程顯示，整個(gè)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、輸出波形失真度小.

圖5 主電路仿真圖

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)較好的解決了風(fēng)能太陽能互補(bǔ)發(fā)電中的控制問題，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電在能源上的互補(bǔ)，在控制上的“二合一”，在充分利用不同地域的風(fēng)能和太陽能資源方面，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值.

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