周奇智，王 匡，邵 瑞

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

能源與國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展之間始終密切相關(guān)，科學(xué)合理開(kāi)發(fā)新能源，可在一定程度上推動(dòng)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展，而可再生能源同樣是未來(lái)能源實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵載體。在現(xiàn)階段能源迅速發(fā)展趨勢(shì)下，全球一直在致力于發(fā)展新能源技術(shù)，清潔能源應(yīng)用則演變成了當(dāng)前世界各國(guó)能源發(fā)展主要態(tài)勢(shì)。在大量可再生能源中，風(fēng)能與太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用最為便捷，在新能源發(fā)展態(tài)勢(shì)越來(lái)越好的形勢(shì)下，二者占據(jù)著重要位置，近年來(lái)風(fēng)力與光伏發(fā)電裝機(jī)容量不斷增加[1]。風(fēng)力與光伏發(fā)電有機(jī)結(jié)合彌補(bǔ)了獨(dú)立發(fā)電的缺陷，尤其是時(shí)間與空間不足的問(wèn)題。白天通過(guò)光伏電池板與風(fēng)機(jī)同時(shí)發(fā)電，而晚上則通過(guò)風(fēng)機(jī)發(fā)電。陽(yáng)光與風(fēng)主要受季節(jié)影響，夏季陽(yáng)光充足，冬季風(fēng)力充足，這就表明風(fēng)能與太陽(yáng)能之間的互補(bǔ)可最大限度地利用新能源，以陜西為例。就陜北的地理位置而言，風(fēng)力與光伏互補(bǔ)發(fā)電的發(fā)展前景十分廣闊[2]。雖然經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步發(fā)展，但是我國(guó)在貧富分布不均下，依然有許多貧困地區(qū)電力不足，尤其是陜北地域廣闊，人煙稀少，風(fēng)能與太陽(yáng)能資源豐富，可在發(fā)電中充分合理利用。

1 陜北貧困地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成部分

陜北貧困地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊共同構(gòu)成[3]，具體如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)框架Fig.1 Wind-solar hybrid power generation system framework

風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)生成電能，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)所生成的為三相交流電，因此以整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后經(jīng)過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)控制器；光伏電池板發(fā)電將光能轉(zhuǎn)化為電能，同步輸出直接通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)控制器?？刂破魉敵鲭娏骺芍苯永?，或者針對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，或者基于逆變轉(zhuǎn)化成交流電。

逆變器負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)化為交流電壓以供交流負(fù)載加以利用；控制器作為系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏電池板的輸出最大功率以及蓄電池充電，在系統(tǒng)電量匱乏時(shí)，蓄電池發(fā)揮作用進(jìn)行發(fā)電，以供負(fù)載應(yīng)用；蓄電池負(fù)責(zé)儲(chǔ)能，儲(chǔ)存多余電能。

1.2 變換電路

風(fēng)力與光伏發(fā)電極易受外界環(huán)境影響，通常需以DC/DC變換電路實(shí)時(shí)跟蹤最大功率。如果以普通DC/DC電路并聯(lián)成負(fù)載進(jìn)行供電，只有電壓較高時(shí)才會(huì)面向負(fù)載提供電能[4]。陜北貧困地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的功率電路設(shè)計(jì)引用了雙輸入Boost電路，如圖2所示。

圖2 雙輸入Boost電路Fig.2 Dual input Boost circuit

其中開(kāi)關(guān)管上分別并聯(lián)二極管，以確保電源獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，分別負(fù)責(zé)導(dǎo)通與關(guān)斷。在2個(gè)電源同步供電時(shí)，二極管不運(yùn)行。開(kāi)關(guān)管占空比以D1與D2代表，輸出電壓關(guān)系即：

(1)

DC/DC變換電路應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足[5]具體見(jiàn)表1。

表1 DC/DC變換電路Tab.1 DC/DC conversion circuit

基于對(duì)比可知，陜北貧困地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)以雙輸入Boost電路為載體，其輸出電壓與2個(gè)Boost電路電壓之和相同，且于系統(tǒng)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力與光伏同步發(fā)電供電，可防止并聯(lián)使用時(shí)發(fā)生環(huán)流現(xiàn)象。

1.3 儲(chǔ)能裝置

2 陜北貧困地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

陜北貧困地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)硬件[7]設(shè)計(jì)具體如圖3所示。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏電池板將風(fēng)能與光能轉(zhuǎn)化為電能，基于雙輸入Boost電路實(shí)時(shí)跟蹤最大功率，并利用Buck-Boost電路將輸出電壓控制于既定值，以面向蓄電池充電，并供直流負(fù)載加以利用。升降壓電路輸出直流通過(guò)DC/DC電路轉(zhuǎn)化直流電為交流電，經(jīng)過(guò)濾波電路與變壓器，以供交流負(fù)載應(yīng)用。系統(tǒng)以DSP芯片為主控制芯片，以其豐富的PWM輸出接口通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，有效控制功率電路與逆變電路的開(kāi)關(guān)管，并通過(guò)采樣電路采集系統(tǒng)電壓電流信號(hào)，基于芯片ADC轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)加以處理，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Wind and solar hybrid power generation system hardware structure

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)功能具體即電壓電流采樣功能、最大功率跟蹤功能、蓄電池充放電功能、SPWM逆變控制功能。主控制芯片可于能夠在完成用戶編程、調(diào)試、分析的軟件內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟件編程與功能程序調(diào)試。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含主程序、A/D采樣子程序、最大功率跟蹤子程序、寄存器設(shè)置、SPWM子程序、蓄電池管理與充放電子程序的設(shè)計(jì)。

主程序所需實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)初始化主要有定時(shí)器、I/O接口、外設(shè)中斷、各個(gè)模塊的初始化。在主程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，需先進(jìn)行變量初始化，然后合理設(shè)置主控芯片的事件管理器寄存器，以待中斷。在定時(shí)器溢出中斷時(shí)，核查系統(tǒng)新工作狀態(tài)，以明確系統(tǒng)工作模式。主程序流程[8]具體如圖4所示。

圖4 主程序流程Fig.4 Main program flow

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

風(fēng)光互補(bǔ)控制器是發(fā)電系統(tǒng)核心組成部分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行驗(yàn)證，以測(cè)試硬件模塊是否可以順利實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能[9]。通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)控制器調(diào)試，驗(yàn)證是否能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，并基于數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證系統(tǒng)最大功率跟蹤輸出。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用NE-200小型水平軸發(fā)電機(jī)，其具體參數(shù)見(jiàn)表2。光伏電池板選用M-10型與SUN-5D-5型，二者串聯(lián)工作，參數(shù)具體見(jiàn)表3。

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)Tab.2 Wind turbine parameters

表3 光伏電池板參數(shù)Tab.3 Photovoltaic panel parameters

風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中受外界風(fēng)力不穩(wěn)影響，且對(duì)于天氣要求過(guò)多，選擇功率340 W、轉(zhuǎn)速1 400 m/s的工業(yè)風(fēng)扇當(dāng)作送風(fēng)機(jī)，以面向風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳輸風(fēng)能，促使其達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)正常輸出電能。光伏電池板通過(guò)外界光照，促使電池板輸出電能。以數(shù)字示波器與萬(wàn)能表為測(cè)量設(shè)備，供電電源則以多個(gè)開(kāi)關(guān)電源與1個(gè)數(shù)字電源為主。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[10]具體如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 System experiment platform

3.2 硬件測(cè)試

3.2.1 輔助電源

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包含輔助電源，輸入端電壓為24 V，以2個(gè)12 V開(kāi)關(guān)電源串聯(lián)作為輸入電源，以此輔助電源模塊進(jìn)行供電。測(cè)試結(jié)果具體見(jiàn)表4。

表4 測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results

3.2.2 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路測(cè)試以萬(wàn)用表與DSP芯片A/D采樣模塊加以開(kāi)展，通過(guò)直流數(shù)字電源設(shè)置給定電壓電流，并采樣對(duì)比，以萬(wàn)用表采集輸出端口值，通過(guò)A/D采樣觀察分析寄存器值，以對(duì)比分析。光伏電池電壓采樣電路與電流采樣電路數(shù)據(jù)采樣結(jié)果具體見(jiàn)表5。

通過(guò)軟件觀察采樣數(shù)據(jù)可知，輸出穩(wěn)定性較高，控制在誤差允許范圍之內(nèi)。

表5 采樣結(jié)果Tab.5 Sampling result

3.2.3 最大功率跟蹤

為驗(yàn)證風(fēng)光互補(bǔ)控制器功率跟蹤輸出可行性，面向光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電通過(guò)控制器，進(jìn)行了最大功率跟蹤，并測(cè)量了風(fēng)光同時(shí)運(yùn)行時(shí)控制器的最大功率跟蹤輸出。

雙輸入最大功率跟蹤輸出測(cè)試，以外界光照為光伏電池板能量輸入，轉(zhuǎn)變風(fēng)扇檔位與距離，以驗(yàn)證輸出電壓與采集電流，風(fēng)力與光伏同時(shí)發(fā)電時(shí)，在雙輸入Boost電路輸出端接入100 Ω電阻。所采集負(fù)載側(cè)數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表6。

表6 雙輸入測(cè)試結(jié)果Tab.6 Dual input test results

由表6可知，風(fēng)光互補(bǔ)控制器可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力與光伏同步發(fā)電，可隨外界光照與風(fēng)速變化實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤輸出；風(fēng)光互補(bǔ)控制器可實(shí)現(xiàn)單輸入最大功率點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤，可實(shí)現(xiàn)光伏與風(fēng)力互補(bǔ)發(fā)電雙輸入最大功率跟蹤輸出。

4 結(jié)論

綜上所述，在能源問(wèn)題不斷激化的態(tài)勢(shì)下，能源演變成了社會(huì)發(fā)展的主要關(guān)注點(diǎn)。風(fēng)能與太陽(yáng)能作為可再生能源備受社會(huì)各界高度重視。據(jù)此本文針對(duì)陜北貧困地區(qū)設(shè)計(jì)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硬件系統(tǒng)，并進(jìn)行了風(fēng)光互補(bǔ)控制器測(cè)試。結(jié)果表明，通過(guò)軟件觀察采樣數(shù)據(jù)，可知輸出穩(wěn)定性較高，控制在誤差允許范圍之內(nèi)；風(fēng)光互補(bǔ)控制器可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力與光伏同步發(fā)電，可隨外界光照與風(fēng)速變化實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤輸出；風(fēng)光互補(bǔ)控制器可實(shí)現(xiàn)單輸入最大功率點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤，可實(shí)現(xiàn)光伏與風(fēng)力互補(bǔ)發(fā)電雙輸入最大功率跟蹤輸出。

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