【思考】风光互补新能源发电系统的设计与实现

　　随着社会发展对能量需求的不断增加，以及传统能源消耗带来的环境污染问题，可再生能源越来越受到人们的关注，风能和太阳能作为两种应用广泛的可再生能源，在资源条件和技术应用上都具互补性，成为了最具开发前景的两种可再生能源。与单一的风能发电系统或光伏发电系统相比，在满足相同负载要求的前提下，经过合理设计的风光互补发电系统具有供电质量稳定、发电效率高、综合发电成本低等优点。由于风速和太阳辐照强度处于时刻变化中，新能源发电设备在固定参数下难以实现高效发电，甚至有时发电效率极其低下，因此，有必要有针对性地设计一种新能源发电控制器，在发电过程中实时根据风速、风向、日照强度等变化动态调整系统参数，实现新能源发电设备和蓄电池充放电的有效管理，以提高新能源发电工程的供电质量和经济效益。本文介绍一种风光互补新能源发电系统的设计与实现方法，该控制器采集风电机组、光伏电池的充电电流和蓄电池电压以及负荷情况，经过计算和处理后产生控制信号，控制主功率回路电路上的功率开关器件，实时对风能和太阳能的充电情况进行调节，从而达到有效利用两种能源的目的。
　　风光互补新能源发电系统总体方案设计
　　风光互补发电系统是由风电机组、光伏电池阵列、风光互补控制器、蓄电池组、逆变器和用电负荷等组成，其结构图如图1所示。 　　系统控制原理如下：太阳能经过光伏阵列的转换得到直流电，直流电经功率开关器件对蓄电池充电，同时风电机组所发的电通过三相桥式整流后变为直流电通过功率开关器件对蓄电池进行充电。风电机组和太阳能电池阵列的电量可由单片机发出的PWM波触发相应的功率开关器件的导通与关断来控制。蓄电池的充电电压及电流由相关传感器检测并经过A/D转换后送给单片机，由单片机依据控制流程和相关参数对蓄电池的充放电进行控制。当蓄电池电压充满或风电机组电压过高时通过开关管进行卸荷，以免造成蓄电池过充和危害其他设备安全。
　　硬件控制电路设计
　　该控制系统采用芯片PIC16F877A作为控制核心，配以电源模块、驱动模块、卸荷模块等组成。该系统具有结构紧凑、配置灵活、可扩展性好、可移植性强、抗干扰性强等特点，系统硬件电路图如图2所示。 　　本系统采用风光互补的形式给蓄电池充电，即利用风能和太阳能同时给蓄电池充电，太阳能电池的正负极分别接于图示中的SP和SN，给蓄电池充电：风电机组三相输出接U、V、W，经整流后给蓄电池充电，通过对开关管的PWM斩波控制，实现对太阳能电池充电的控制。系统的控制单位包括以下主要模块：
　　(1)主控模块
　　主控模块是整个通用型新能源智能控制系统的大脑，其主要完成对系统各子模块状态的信息采集、监测(如风电机组、光伏输入电压、电流信号，蓄电池端电压、充放电电流信号，IGBT温度信号等)，并根据软件控制算法，发出执行指令以保证系统在各工况下正常工作。本系统开发的控制模块运行频率为4MHz，可实现对8路信号的实时监测，并同时输出3路PWM驱动信号，5路开关量信号(可扩展到20路)，具有RS232串口通讯接口，可实现采集数据对PC端的实时传输。
　　(2)电源模块
　　通用型新能源智能控制系统的电源模块主要完成对系统其它子模块硬件电路供电的功能，考虑到新能源如风电、太阳能的能量具有波动性，所以电源模块在保证供电稳定的前提下，必须具有较宽的输入电压范围，以适应新能源的特性。本系统研制的电源模块可适应电压范围：输入交流85V-265V、直流70V-360V;输出直流电压：+5V、+15V、±12V。电源模块经测试工作稳定，可实现对控制板、驱动板、各传感器等的可靠供电。本系统设计将电压检测部分功能集成在电源模块上。
　　(3)驱动模块
　　驱动模块主要功能是驱动IGBT并对IGBT具有保护功能，当发生故障时及时关闭IGBT，并输出故障信号。本驱动模块采用DC+15V供电，可同时驱动两个300A/1700V以下的IGBT，驱动频率最大60kHz;还具有输入电源极性保护、IGBT过流保护功能，同时保护报警输出与其它部分是电隔离的，每路均有故障指示灯。
　　(4)卸载模块
　　卸载电路是当风力很大，但没有到过速保护限定值，风电机组仍需要对蓄电池或负载进行供电时使用，这是由于风电机组输出功率比较大，会对控制器造成很大的冲击，可以利用卸载电路，卸载一部分功率，从而减小由于风大对控制器造成的冲击。卸荷控制采用PWM无级卸荷与完全接通卸荷相结合的方式，可以避免过度卸荷，通过这两种卸荷方式的结合，既可以有效保护风电机组、防止风车，又保证了尽可能多的利用电能，提高了系统效率。