风光互补发电系统逆变器的研究及充放电控制方法

青岛科技大学 赵庆峰 王展旭

1.前言

随着石油、煤炭等传统能源的日益枯竭，太阳能、风能等可再生能源的开发和利用成为研究热点。太阳能和风能是目前全球在新能源利用方面技术最成熟、最具规模化的行业，事实上无论是风电还是光伏发电，都有各自的缺点，稳定性差、能量密度低常受天气影响无法连续供电，如果两者结合在一起，能量同时处于较低值的几率就要小的多，可最大限度地开发和利用可再生能源。太阳能发电和风力发电两者互补性的结合实现了两种新能源在自然资源的配置方面、技术方案的整合方面、价格与性能的对比方面达到了对新能源综合利用的最合理的要求。一般小型户用风光互补独立电源系统由太阳能发电系统、风力发电系统、逆交变储电系统，充放电控制系统构成。逆变器是可再生能源并网发电中的关键设备，因此，研究开发高性能的逆变器具有重要的现实意义。

2.系统的总体设计

一套完善的风光互补发电系统主要包括发电部分、控制部分、负载部分、蓄电池和泄荷器等。各部分受风光互补控制器控制，为离网型独立电源。如图1所示，逆变系统是整个风光互补发系统的重要组成部分，也是技术的关键所在。该部分的主要设计内容包括：主回路拓扑结构的选择与优化，主开关元件的计算与选取，滤波、变压器的参数设计，控制波形发生器的设计，功率开关管隔离驱动电路的设计，辅助开关电源的设计和各种检测保护电路的设计等等；泄荷器的作用是：当蓄电池已充满，系统发电量大于负载用电量时，即发电量过剩时，为防止蓄电池过充以及确保逆变器正常工作，充电电路应受控接通泄荷器，将多余的电能通过泄荷器消耗掉，充电和泄荷的转换是通过智能充放电控制器实现的。

系统以单片机为核心，通过采集相关的电流、电压、温度等检测信号输入到单片机的A/D接口作为控制充放电条件，根据系统设定值进而来判断系统运行状态，这样既可控制风光互补发电系统的充电、泄荷，同时又可以在设定条件到达时对储能组件充电。因此，充放电控制器软硬件设计的合理是整个风光互补电源系统持续、稳定工作的关键。

3.系统模型及MPPT控制

光伏电池是一种能够吸收太阳光并将其转换为电流的半导体装置。流过负载的电流I与光伏电池输出电压U的关系可近似描述为：

式中：k为波尔兹曼常数，k=1.38×1O-23；q为电子的电荷量，q=1.6O×1O-19；Iph为光伏电池产生的电流；IO为光伏电池无光照时的饱和电流；T为温度；Rsh为串联电阻；n为p-n结因子。

由光伏电池的数学模型及U-I曲线可知，虽然其模型为非线性曲线，且随光强和温度变化，但曲线上光伏电池的输出功率有一个单调的极值点，即U与I的乘积最大。据此调整负载，跟踪最大功率点，即能得到光伏电池最大

功率的输出。

小功率的风力发电机一般为直流无刷发电机，从风中捕获的能量为：

式中：Cp为风机叶片效率；ρ为空气密度；R为风机叶片半径；v为风速。

在一定风速下，如何提高Cp是提升风机发电效率的关键。Cp表示为风轮叶尖速比TSR的函数风机的功率和速度曲线具有明确的单个极值点，因此获取最大能量的运行模式是随变化的风速改变风力机速度，使Cp保持在最大值，即可通过正确调节占空比的大小来实现系统的MPPT控制。

4.逆变系统的设计

图1 风光互补发电系统结构框图

随着分布式发电系统以及可再生新能源的日益发展，逆变器作为与大电网或微电网的接口电路，起着越来越关键的作用。逆交变控制技术必须满足在各种复杂负载条件下为电网或负载提供高质量的交流输出。同时，可再生能源系统和分布式发电的快速发展，对逆变器的动态响应性能、稳态跟踪特性以及抗干扰能力提出了更高的要求。

高性能逆变器数字控制策略有重复控制、无差拍控制和滑模控制等。重复控制调整时间较长；无差拍控制性能对系统参数依赖性强，鲁棒性较差；滑模控制参数设计较困难，存在开关频率不定等问题。现今逆变器广泛应用于可再生能源系统，例如光伏和风电等系统中，逆变器通常需同时承受输入电压和输出负载的扰动，变流器经常工作在大信号扰动下。这时基于某一稳态工作点的小信号模型而设计的控制器会使系统响应产生很大误差，降低其输出性能，甚至导致系统失稳。

太阳能和风能通过光电系统和风电系统利用控制器将能量转化的电能储存在蓄电池中。蓄电池输出的低压直流经过直流升压环节后整流滤波得到高压直流。再通过逆变主电路和滤波电路，得到本文所需要的标准交流电压，供用户负载使用。

基于逆变的几种主拓扑结构中，全桥逆变最适用于大功率场合。由正弦波脉宽调制（SPWM）原理可知，从直流电压到全桥输出相当于一个比例环节；即Ui=MUdc，其中Ud为直流母线电压，Ui为逆变器输出电压，M为调制系数。逆变输出为5O Hz的正弦波，逆变器的开环电气模型如图3所示：

图2 逆变系统主电路结构框图

图3 逆变器开环模型

逆变器开环模型的传递函数为：流；IE为逆变器所需负载电流；C为直流平波电容容量。

根据系统模型，总控制器检测直流母线消耗电流，分配给每个独立的发电模块进行闭环电流控制，输出主控制器指定的电流。总控制器外环控制、监测Udc，做电压闭环。得到稳定的Udc。同时与逆变器的电压闭环进行均衡控制，优化逆变器输出性能。

5.风光互补发电系统智能充电控制的设计

当逆变器做电压闭环控制，根据负载和直流母线电压Udc的变化调节PWM脉宽，得到准确稳定的交流电压输出。除负载变化外，Udc的变化直接影响系统给负载提供电能的质量和可靠性，因而稳定的Udc是系统逆变电力质量的一个重要指标。取Udc为被控量，可得系统的数学模型为：

式中：IPV为光伏发电模块输出电流；IWT为风力发电模块输出电流；ICT为蓄电池储能模块输出电流；ICD为电网整流输出电

在风光互补发电系统中逆变器输入端的能量来源于蓄电池，而蓄电池中储存的能量来源于太阳能和风能这两种绿色能源。系统具体构成参数由使用时最大用电负荷与日平均用电量所决定。最大用电负荷是选择系统逆变器容量的最根本依据，而平均日发电量则是选择太阳能光伏板及风机和蓄电池组容量的依据。同时系统安装地点的风光资源状况也是确定光电板和风机容量的另一个依据。

风光互补发电系统中铅酸蓄电池的充电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，也关系到蓄电池的使用寿命。选择合理的充电控制方法尤为重要。本设计采用了基于单片机控制的三阶段智能充电方法。所谓三阶段智能充电是指充电过程中的3个阶段，即主充电阶段、限流充电阶段、浮充阶段。

第一阶段主充电阶段，由电压采样电路获取蓄电池的电压状况，当电压小于标准开路电压时，由最大功率点跟踪策略来找出风光互补系统的最佳工作点，以最大功率点电流对蓄电池进行充电。太阳能电源、风力发电机以其所能提供的最大电流对蓄电池充电。由于太阳能光伏电池和风力发电机的电流与天气状况有关，所以大电流的取值将在一定范围之内。保持大电流充电至后，进入第二阶段。第一阶段的充电程度可达7O%～9O%。

第二阶段过限流充电阶段，以恒定的过标准电压充电，以恒定的过标准电压充电，在此阶段，蓄电池仍未充满，但是为了避免充电电流过大而造成电池极化，要对充电电流进行逐渐的降低。随着蓄电池端电压的进一步升高，电池电流进一步降低，直到到达浮充电流（浮充电流一般为O.O15C）值时，第二阶段结束。

进入第三阶段。第二阶段的充电程度近1OO%。但为了防止蓄电池浅放电，并且使端电压维持在相对稳定的值域，要对其进行浮充电。即以浮充电流值对蓄电池进行涓流充电，直到蓄电池亏电，然后进行下一个周期的充电过程。

6.结束语

总之，风光互补发电系统作为独立的电源系统，具有一定的合理性和可靠性，有着广泛的应用领域。在远离电网的地区，独立供电系统已经成为人们最必须的电源。边防哨所、邮电通讯的中继站、公路、渔船和铁路信号站、地质勘探野外的工作站以及偏远的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源系统；对于城市里的景观灯、路灯等，随着政府对节能环保的重视，应用前景也相当广阔。

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