李紹武

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

隨著能源危機的加重和人們對清潔能源的廣泛使用，將風光互補發(fā)電技術(shù)引入普通家庭用戶已越來越被人們所重視.家用風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有初期投資小、使用方便、能源利用率高等優(yōu)點，因而市場發(fā)展?jié)摿薮骩1].一般的風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計較單一、效率較低[2-4]，不適合普通家庭用戶使用.本文針對家庭用電特點設(shè)計了一種風光互補發(fā)電系統(tǒng)，并提出了最大功率跟蹤(MPPT)控制策略，一定程度上解決了設(shè)計和效率方面的問題.

1 硬件設(shè)計

家用風光互補發(fā)電系統(tǒng)硬件主要由兩大部分組成：主電路和控制電路.

1.1 主電路

系統(tǒng)主電路原理如圖1所示.家庭用電系統(tǒng)的供電主要由兩大部分組成：風光互補發(fā)電系統(tǒng)和普通市場供電(簡稱市電)系統(tǒng)，它們之間通過全控型開關(guān)器件K3和K4進行切換，而且以風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電為主，市場供電為輔.風光互補發(fā)電系統(tǒng)是主電路的核心部分，主要有5種工作模式，對應(yīng)5種電路連接.其一為風力發(fā)電機獨立供電模式，此時風力發(fā)電機產(chǎn)生的三相交流電通過整流器變成單相直流電，再通過Boost-Buck電路1對蓄電池組充電并通過逆變電路輸出220 V交流電；其二為太陽能電池組獨立供電模式，此時太陽能電池組產(chǎn)生的直流電，通過Boost-Buck電路2對蓄電池組充電并通過逆變電路輸出220 V交流電；其三為以風力發(fā)電為主，太陽能電池組發(fā)電為輔的模式，此時開關(guān)K1的BC相連，開關(guān)K2的bc相連，太陽能電池組產(chǎn)生的直流電經(jīng)Boost-Buck電路2后跟隨整流器輸出直流電壓，并最終在A點“二和一”；其四為以太陽能電池組發(fā)電為主，風力發(fā)電為輔的模式，此時開關(guān)K1的BD相連，開關(guān)K2的bd相連，整流后的風力發(fā)電機輸出電壓經(jīng)Boost-Buck電路1跟隨太陽能電池組輸出的直流電壓，并最終在a點“二和一”；其五為太陽能電池組和風力發(fā)電機各自發(fā)電模式，此時開關(guān)K1的BC相連，開關(guān)K2的bd相連，構(gòu)成普通的風光互補發(fā)電系統(tǒng)[5].整個電路的設(shè)計中，Boost-Buck電路1和Boost-Buck電路2均采用sepic斬波電路[6]實現(xiàn)，同時，采用3個電力二極管對電路進行必要的保護.

圖1 家用風光互補系統(tǒng)原理圖

圖2 控制電路原理圖

表1 不同工作模式的MPPT控制策略

1.2 控制電路

系統(tǒng)控制電路如圖2所示，以ATmega128單片機[7]為核心，采用該芯片的可編程PWM資源實現(xiàn)sepic斬波電路的控制和逆變電路的控制；通用I/O接口實現(xiàn)開關(guān)的切換控制、蓄電池的3段式充放電控制[8]以及鍵盤、顯示、報警等功能；內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器完成電路控制中必要參數(shù)的檢測.整個控制電路的驅(qū)動電路均采用IR2110集成驅(qū)動芯片設(shè)計，電源由風力發(fā)電機、太陽能電池組和市電互補供電.

2 MPPT控制策略

對系統(tǒng)最大功率跟蹤(MPPT)控制策略的研究是解決風光互補發(fā)電系統(tǒng)效率低下的有效途徑.本系統(tǒng)從硬件電路設(shè)計入手，結(jié)合單片機軟件對風光互補發(fā)電部分5種工作模式采用不同的MPPT控制策略，詳細方案如表1所示.當光照強度很弱時，太陽能電池組發(fā)電電路停止工作，只有風力發(fā)電機發(fā)電，系統(tǒng)工作在工作模式1，Boost-Buck電路1控制風力發(fā)電機工作在最佳葉速比附近；當沒有風或者較弱時，風力發(fā)電電路停止工作，只有太陽能電池組發(fā)電，系統(tǒng)工作在工作模式2，Boost-Buck電路2實現(xiàn)負載匹配來跟蹤太陽能電池組最大功率點；當風力較強，光照一般時，風力發(fā)電電路和太陽能發(fā)電電路均工作但以風力發(fā)電電路為主，系統(tǒng)工作在工作模式3，此時為了實現(xiàn)最大功率輸出，采用對風力發(fā)電機的最大功率跟蹤控制；同理，當光照較強，風力一般時，風力發(fā)電電路和太陽能發(fā)電電路均工作但以太陽能發(fā)電電路為主，系統(tǒng)工作在工作模式4，此時為了實現(xiàn)最大功率輸出，采用對太陽能電池組的最大功率跟蹤控制；對于工作模式5，由于此時風力和光照都很強，輸出總功率較大，風力發(fā)電電路和太陽能發(fā)電電路均不能實現(xiàn)最大功率跟蹤.

為了進一步研究整個系統(tǒng)的工作過程，在表2中列出了28種不同工作狀態(tài)下，系統(tǒng)的能量流動情況和MPPT控制使用情況.設(shè)VW、VWth、VWset和VP、VPth、VPset分別表示風力發(fā)電機的輸出電壓、工作門限電壓、單片機設(shè)定電壓和太陽能電池組輸出電壓、工作門限電壓、單片機設(shè)定電壓.在表2中，分別用W、P、S表示風力發(fā)電機、太陽能電池組、蓄電池組；分別用0、1和2代表太陽能電池組工作在VPVPset狀態(tài)和風力發(fā)電機工作在VW

從表2中可以清楚的看出，在28種工作狀態(tài)中，有18種狀態(tài)可以采用最大功率跟蹤(MPPT)控制，從而極大地提高了風光互補發(fā)電中的整體能量轉(zhuǎn)換效率，進而實現(xiàn)了能源利用的優(yōu)化.另外10種不能采用最大功率跟蹤(MPPT)控制的情況多數(shù)發(fā)生在蓄電池需要放電的情況，此時雖然不能實現(xiàn)MPPT控制，但整體輸出功率仍然較大，絕大多數(shù)情況下可以滿足用戶用電要求.

圖3 主程序流程圖

表2 輸出能量管理和MPPT控制情況表

3 軟件設(shè)計

單片機軟件主要實現(xiàn)電壓電流采樣、各種工作模式的判斷、輸入?yún)?shù)的設(shè)置、太陽能電池組最大功率跟蹤控制、風力發(fā)電機最大功率跟蹤控制等功能.圖3為整個控制系統(tǒng)的主程序流程圖，其中總體采樣部分主要完成風力發(fā)電機和太陽能電池組輸出電壓采集和市場用電電壓采集.參數(shù)Flag1和Flag2分別為風力發(fā)電機和太陽能電池組輸出電壓標志位，取0、1和2三個值，含義與表2所示一致.另外，工作模式0表示系統(tǒng)工作在市電供電模式，其它工作模式含義與表1一致.參數(shù)的設(shè)置采用中斷方式通過鍵盤輸入，未設(shè)置時采用默認值.

4 仿真

為了分析驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性和MPPT控制策略的有效性，采用PROTEUS軟件對系統(tǒng)工作于模式3和模式4時的情況進行仿真.仿真時，采用直流電源加電位器模擬太陽能電池的輸出特性，采用3個頻率和幅值相等、相位相差120度的正弦交流電源加電位器模擬3相風能發(fā)電機的輸出特性，用一個可變電阻模擬輸出負載.仿真時的一些參數(shù)值如表3所示.

表3 仿真參數(shù)表

利用表3的仿真參數(shù)對系統(tǒng)進行仿真后，得出系統(tǒng)在不同工作模式下的輸出功率波形，如圖4所示.其中，Pa、Pb、Pc分別表示系統(tǒng)工作在工作模式4、工作模式3和工作模式5時的輸出功率曲線.從圖4中可以看出：在表3的仿真參數(shù)下，系統(tǒng)以工作模式4工作時有最大的輸出功率，而以未采用MPPT控制的工作模式5工作時輸出功率較??；同時，系統(tǒng)在工作模式3和4時的響應(yīng)速度比工作模式5時快.

從仿真的結(jié)果可以看出，采用AVR單片機設(shè)計的家用風光互補系統(tǒng)響應(yīng)較快，引入MPPT控制策略可以大大的提高系統(tǒng)的能源利用效率，從而實現(xiàn)能源利用的優(yōu)化.

圖4 不同工作模式下的輸出功率

5 結(jié)語

本設(shè)計采用AVR單片機較好的解決了風光互補發(fā)電系統(tǒng)在家庭用戶中的適用性問題，同時在控制中引入最大功率跟蹤(MPPT)控制較好的解決了系統(tǒng)的效率問題，在充分利用不同地域的風能和太陽能資源方面，具有較高的實用價值和市場推廣價值.

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