一种风光互补逆变系统

★北京中油瑞飞信息技术有限责任公司 王海龙

★张方杰，王强（中核控制系统工程有限公司，北京 100176）★陶翠（北京和利时系统工程有限公司，北京 100176）

一种风光互补逆变系统

★北京中油瑞飞信息技术有限责任公司 王海龙

通过本文提出的风光互补逆变系统，实现对风机充电、太阳能充电和逆变电路的控制，输出民用交流电，同时可通过调节BUCK电路的开关管的占空比来提高系统的能源转化效率。

微处理器；充电控制；逆变器；占空比

1 概述

随着经济的发展，人们对于能源的需求与日俱增，传统能源的日益枯竭、环境污染等问题，使可再生能源的开发成为当下的主要研究方向。清洁能源中的风能和光能是极具开发价值的资源，风光互补逆变系统正是为解决将风光能源转化为日常所使用的电能而开发的一套实用型系统。本文介绍一种将风机控制、太阳能控制以及逆变电路结合在一起，在微处理器控制下实现风光互补控制逆变功能的装置，可将风光能源高效率地转化为电能。常见的风光发电系统示意图如图1所示。

图1 常见风光发电系统

采用上述这种设计方案，风机控制器、太阳能控制器和逆变电路都独立工作，必然存在以下一些问题：整个系统中采用2套控制电路，重复投资；由于每套装置都独立工作，可以使各自都处于最佳工作状态，但整个系统不一定运行于最佳工作状态，资源利用率低；维护效率低，维护工作量大，而且传统的风机发电模式输出功率受蓄电池电量的限制，并受转化效率的影响容易造成资源的浪费。本文在传统系统结构的基础上提出一种新的控制方法，可以提高风电能源的转化效率，提高资源的利用率。

2 主电路结构图（如图2所示）

风光互补逆变系统由光伏板和二极管串联形成的光电支路、由风力发电机和整流桥串联形成的风电支路、所述光电支路与所述风电支路并联向干路中的蓄电池充电，其中光电支路和风电支路均串联BUCK电路。风光互补发电系统还设有可对光电支路和风电支路交替进行控制的MPPT控制装置。克服现有风光互补发电系统的风力发电机和光伏板的输出功率远小于其最大输出功率，造成清洁能源的浪费，并使得蓄电池充电效率低下，本系统提供可追踪风力发电机和光伏板的最大输出功率，以提高光伏板和风力发电机的输出功率。

图2 主电路结构图

2.1 风机控制部分

由于风力发电机工作环境恶劣，风力的不均匀性，造成发电机转速极不稳定。若要风力发电稳定可靠的工作，必须准确测量风力发电的转速，及配合各种保护电路做参考。由于风力发电机的转速不定，因此要求转速测量电路必须要有较宽的工作范围；风机位置较高，易遭受雷击等自然灾害，交流部分存在很大干扰和过功率风险，因此电路必须实现隔离。

风力发电机输出的交流电，一路通过三相整流得到直流电压给蓄电池充电；另一路通过三相固态继电器接至卸载电阻。当蓄电池电压达到风机卸载电压值时，开通三相固态继电器，使风力发电机卸载，禁止对蓄电池充电；当蓄电池电压降至风机卸载恢复电压值时，关断三相固态继电器，禁止卸载，恢复充电。

图3 风机控制部分

2.2 光伏控制部分

光伏阵列输出一路给蓄电池充电，光伏阵列产生的直流输出给蓄电池充电，当蓄电池电压达到光伏阵列过充值时，关闭场效应管，光伏阵列输出断路，禁止对蓄电池充电；当蓄电池电压降至光伏阵列过充恢复值时，开通场效应管，恢复光伏阵列对蓄电池充电。图2中引入二极管是为了防止蓄电池反向漏电。蓄电池为全桥电路提供直线母线电压。全桥电路在控制信号驱动下获得交流输出，经变压器升压后得到所需幅值的交流输出电压。

3 软件设计

硬件电路中包含对光电支路和风电支路交替进行控制的MPPT控制装置，可跟踪发电过程中的最大功率点。本设计中采用“扰动法”来追踪光伏板和风力发电机的最大输出功率。光电支路驱动电路与光电支路的BUCK电路的开关管连接，当MPPT控制装置控制光电支路时，DSP控制器向光电支路驱动电路发出指令，改变所述光电支路的BUCK电路的BUCK电路的开关管的占空比，从而调整光伏板的输出功率。光电支路检测电路再次检测光电支路的电压和电流强度，并将新的数据传送至DSP控制器，DSP控制器计算光电支路调整后的输出功率，并比较调整前后的输出功率，如调整后的输出功率比调整前的输出功率大，则DSP控制器控制光电支路驱动继续增大光电支路BUCK电路的开关管的占空比，使光伏板的输出功率进一步增大。如果DSP控制器计算后发现调整前后输出功率变小，则这时控制器控制光电支路驱动减小光电支路BUCK电路的开关管的占空比，来保证当前最大功率，并继续追踪当前输出功率。风电的控制方法与上述方法类似。

MPPT控制装置通过对风电支路或者光电支路中的一路进行控制，来使风力发电机和光伏板几乎以接近其各自最大的输出功率的状态工作，且设定的间隔时间越短，整个风力互补发电系统的输出功率越高，从而可显著提高整个风力互补发电系统的输出功率，提高光能和风能的利用率。同时MPPT控制装置还包括DSP控制器引出的蓄电池检测电路，使蓄电池检测电路与所述干路连接以检测蓄电池的充电电压和电流强度，保护整套系统的安全及保证系统的正常工作。

图4 “扰动法”执行流程

4 结语

利用本文所介绍的风光互补逆变系统，已成功开发出220V/50Hz，600W风光互补正弦波逆变器。该方法与模拟电路或PWM专用继承电路设计方法相比，可以达到技术升级与降低成本并举，具有使用方便可靠、交流输出稳定、带感性负载能力强、易于生产、维护和升级等特点，并且成本不高于模拟电路或PWM专用集成电路。对上述硬件和软件稍微改定，即可用于不同直流电压输入、不同交流电压输出、不同输出功率、不同频率以及不同保护功能的场合。对于开发使用太阳能、风能及其他清洁能源有着非常重要的意义。AP

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Microprocessor; Charge control; Inverter; Duty ration

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★张方杰，王强（中核控制系统工程有限公司，北京 100176）
★陶翠（北京和利时系统工程有限公司，北京 100176）

王海龙（1985-），男，北京人，学士学位，现就职于北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，主要研究方向为电力电子。