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【思考】風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2015-11-09 來源:《風(fēng)能》 瀏覽數(shù):547

隨著社會發(fā)展對能量需求的不斷增加,以及傳統(tǒng)能源消耗帶來的環(huán)境污染問題,可再生能源越來越受到人們的關(guān)注,風(fēng)能和太陽能作為兩種應(yīng)用廣泛的可再生能源,在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都具互補(bǔ)性,成為了最具開發(fā)前景的兩種可再生能源。

  隨著社會發(fā)展對能量需求的不斷增加,以及傳統(tǒng)能源消耗帶來的環(huán)境污染問題,可再生能源越來越受到人們的關(guān)注,風(fēng)能和太陽能作為兩種應(yīng)用廣泛的可再生能源,在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都具互補(bǔ)性,成為了最具開發(fā)前景的兩種可再生能源。與單一的風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)或光伏發(fā)電系統(tǒng)相比,在滿足相同負(fù)載要求的前提下,經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有供電質(zhì)量穩(wěn)定、發(fā)電效率高、綜合發(fā)電成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于風(fēng)速和太陽輻照強(qiáng)度處于時(shí)刻變化中,新能源發(fā)電設(shè)備在固定參數(shù)下難以實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電,甚至有時(shí)發(fā)電效率極其低下,因此,有必要有針對性地設(shè)計(jì)一種新能源發(fā)電控制器,在發(fā)電過程中實(shí)時(shí)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、日照強(qiáng)度等變化動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電設(shè)備和蓄電池充放電的有效管理,以提高新能源發(fā)電工程的供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹一種風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,該控制器采集風(fēng)電機(jī)組、光伏電池的充電電流和蓄電池電壓以及負(fù)荷情況,經(jīng)過計(jì)算和處理后產(chǎn)生控制信號,控制主功率回路電路上的功率開關(guān)器件,實(shí)時(shí)對風(fēng)能和太陽能的充電情況進(jìn)行調(diào)節(jié),從而達(dá)到有效利用兩種能源的目的。
  風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
  風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)電機(jī)組、光伏電池陣列、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池組、逆變器和用電負(fù)荷等組成,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
  系統(tǒng)控制原理如下:太陽能經(jīng)過光伏陣列的轉(zhuǎn)換得到直流電,直流電經(jīng)功率開關(guān)器件對蓄電池充電,同時(shí)風(fēng)電機(jī)組所發(fā)的電通過三相橋式整流后變?yōu)橹绷麟娡ㄟ^功率開關(guān)器件對蓄電池進(jìn)行充電。風(fēng)電機(jī)組和太陽能電池陣列的電量可由單片機(jī)發(fā)出的PWM波觸發(fā)相應(yīng)的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制。蓄電池的充電電壓及電流由相關(guān)傳感器檢測并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī),由單片機(jī)依據(jù)控制流程和相關(guān)參數(shù)對蓄電池的充放電進(jìn)行控制。當(dāng)蓄電池電壓充滿或風(fēng)電機(jī)組電壓過高時(shí)通過開關(guān)管進(jìn)行卸荷,以免造成蓄電池過充和危害其他設(shè)備安全。
  硬件控制電路設(shè)計(jì)
  該控制系統(tǒng)采用芯片PIC16F877A作為控制核心,配以電源模塊、驅(qū)動模塊、卸荷模塊等組成。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、可擴(kuò)展性好、可移植性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn),系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。
  本系統(tǒng)采用風(fēng)光互補(bǔ)的形式給蓄電池充電,即利用風(fēng)能和太陽能同時(shí)給蓄電池充電,太陽能電池的正負(fù)極分別接于圖示中的SP和SN,給蓄電池充電:風(fēng)電機(jī)組三相輸出接U、V、W,經(jīng)整流后給蓄電池充電,通過對開關(guān)管的PWM斬波控制,實(shí)現(xiàn)對太陽能電池充電的控制。系統(tǒng)的控制單位包括以下主要模塊:
  (1)主控模塊
  主控模塊是整個(gè)通用型新能源智能控制系統(tǒng)的大腦,其主要完成對系統(tǒng)各子模塊狀態(tài)的信息采集、監(jiān)測(如風(fēng)電機(jī)組、光伏輸入電壓、電流信號,蓄電池端電壓、充放電電流信號,IGBT溫度信號等),并根據(jù)軟件控制算法,發(fā)出執(zhí)行指令以保證系統(tǒng)在各工況下正常工作。本系統(tǒng)開發(fā)的控制模塊運(yùn)行頻率為4MHz,可實(shí)現(xiàn)對8路信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測,并同時(shí)輸出3路PWM驅(qū)動信號,5路開關(guān)量信號(可擴(kuò)展到20路),具有RS232串口通訊接口,可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)對PC端的實(shí)時(shí)傳輸。
  (2)電源模塊
  通用型新能源智能控制系統(tǒng)的電源模塊主要完成對系統(tǒng)其它子模塊硬件電路供電的功能,考慮到新能源如風(fēng)電、太陽能的能量具有波動性,所以電源模塊在保證供電穩(wěn)定的前提下,必須具有較寬的輸入電壓范圍,以適應(yīng)新能源的特性。本系統(tǒng)研制的電源模塊可適應(yīng)電壓范圍:輸入交流85V-265V、直流70V-360V;輸出直流電壓:+5V、+15V、±12V。電源模塊經(jīng)測試工作穩(wěn)定,可實(shí)現(xiàn)對控制板、驅(qū)動板、各傳感器等的可靠供電。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將電壓檢測部分功能集成在電源模塊上。
  (3)驅(qū)動模塊
  驅(qū)動模塊主要功能是驅(qū)動IGBT并對IGBT具有保護(hù)功能,當(dāng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)關(guān)閉IGBT,并輸出故障信號。本驅(qū)動模塊采用DC+15V供電,可同時(shí)驅(qū)動兩個(gè)300A/1700V以下的IGBT,驅(qū)動頻率最大60kHz;還具有輸入電源極性保護(hù)、IGBT過流保護(hù)功能,同時(shí)保護(hù)報(bào)警輸出與其它部分是電隔離的,每路均有故障指示燈。
  (4)卸載模塊
  卸載電路是當(dāng)風(fēng)力很大,但沒有到過速保護(hù)限定值,風(fēng)電機(jī)組仍需要對蓄電池或負(fù)載進(jìn)行供電時(shí)使用,這是由于風(fēng)電機(jī)組輸出功率比較大,會對控制器造成很大的沖擊,可以利用卸載電路,卸載一部分功率,從而減小由于風(fēng)大對控制器造成的沖擊。卸荷控制采用PWM無級卸荷與完全接通卸荷相結(jié)合的方式,可以避免過度卸荷,通過這兩種卸荷方式的結(jié)合,既可以有效保護(hù)風(fēng)電機(jī)組、防止風(fēng)車,又保證了盡可能多的利用電能,提高了系統(tǒng)效率。

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