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【摘要】本文结合实践介绍了风光互补能源的合理性,描述了风光互补独立电源的硬件构成。并对其中的关键技术:如MPPT等详加阐述。
【关键词】风光互补;MPPT;爬山法;DC/DC
太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时,风很小,晚上太阳落山后,光照很弱,但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季,太阳光强度大而风小,冬季,太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性,风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。
风光互补发电是一种将光能和风能转化为电能的装置。该系统无空气污染、无噪音、不产生废弃物。因此风光互补发电系统是一种自然、清洁的能源。目前在世界范围内风力发电和太阳能发电发展非常迅猛。人类为使居住环境不再受污染,风能和太阳能将是今后世界能源的必然选择。
一、 系统架构
本项目研究风光互补独立电源系统由光伏发电单元、风力发电单元、系统智能管理核心、逆变器、储能元件组成。系统结构图如下:
数据采集系统:负责采集光伏板、风机的输出电压以及输出电流,同时监测蓄电池的电压等参数。
控制系统:依据数据采集系统提供的各项参数做出控制策略,并对蓄电池的充放电过程进行控制。
输出控制:根据控制系统的指令来控制是否要为负载提供能量,用以保护蓄电池,使蓄电池不至于过度放电。
二、 系统硬件设计
系统硬件设计包括以下几部分
2.1数据采集模块:通过A/D转换模块将光(下转第21页)伏板、风机以及蓄电池的电流、电压等模拟量转换成数字量为控制系统提供制定策略的依据。
2.2风机控制模块:风力发电机的输出为三相交流电,且风机的输出电压随风力的大小而波动。因此风机输出的电能并不能直接为设备供电。本系统通过整流、滤波、稳压将风机输出的电能转化成可以存入蓄电池的直流电。同时当风力过大时,风机旋转过快会对风机本身造成损坏,因此当风力过大时系统通过加大风机负载的方法控制风机的转速不超过允许的范围。
风机的控制部分主要包括整流、滤波、稳压、泄荷。系统框图如下:
2.3 光伏板控制模块:为最大可能的利用光伏板的能量,系统采用最大功率点跟踪的方法控制光伏板工作在最大的功率點。因此系统采用了PWM型的DC/DC变换器作为光伏板和蓄电池之间的接口。
2.4 I/O控制:系统中I/O控制主要包括风机卸荷控制、蓄电池过放控制。
2.5显示:为方便对系统工作状态的监测,分别对光伏板输出电流、风机输出电流、蓄电池电压以及蓄电池输出电流用指针型电流、电压表进行显示。
2.6抗干扰设计:为避免对控制系统产生干扰,我们采取了如下抗干扰措施:控制系统的输入、输出部分进行光电隔离;为避免外界干扰引起单片机程序运行紊乱,控制系统电路设计设有看门狗电路;为避免外界的辐射电磁干扰,控制系统整体设计有金属屏蔽;整个系统布局分为强电区和弱电区,减少了强电对弱电的干扰。
三、 系统软件设计
系统设计过程中,我们发现光伏板比风机的输出功率相对要稳定。另外太阳能和风力资源在时间上又很强的互不性。
因此在进行系统设计时,我们把太阳能作为蓄电池的主要充电部件。系统设置一个阈值,当太阳能功率大于该阈值时系统用太阳能对蓄电池充电,小于该阈值时,如果风机输出功率大于该阈值则切换到风机充电。
3.1光伏板最大功率点跟踪(MPPT)算法
目前比较常用的最大功率点跟踪算法主要包括:恒压跟踪法(CVT)、爬山法(P&Q)及增量电导法(INC)等。其中恒压跟踪法只是一种近似最大功率跟踪方法,有较大的功率损失,跟踪效率不高。INC法虽有较好的跟踪效率,但硬件实现难度较大。爬山法有较好的跟踪效率且实现简单,因此本设计中采用了爬山法最大功率点跟踪算法。
爬山法是通过将本次光伏板的输出功率和上次的相比较来确定增加或减少光伏板工作电压来实现MPPT。如图3 ,若P1 < P2 ,说明电池板工作于上坡段 ,即最大功率点 P 的左侧 ,需继续增大工作电压 ,从左边向最大功率点靠近;若P1 > P2,减小工作电压 ,从右边向最大功率点靠近;若P1 = P2 ,电池板工作于最大功率点附近 ,于是工作电压在光强变化之前时保持不变。
3.2风机运行控制
风机功率随风速的变化而变化,系统采用用二级卸荷的方式对风机进行控制,第一级用2欧姆,第二级用0.4欧姆。第一部分是线电压在14-31.6伏之间时,由于该电压段对应的是低风速区,因此电流也较小,该电压段稳压后以便尽可能将低风速段利用上;第二部分是高风速段,该风速段需要将卸荷电阻加上保持一定范围内的恒功率
四、 结语
综合利用风能、光能的风、光互补独立电源系统是一种合理的电源系统。这样不仅省去了敷设供电电缆的费用和施工的费用,而且节约了电能,为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路。
参考文献
[1]赵争鸣 刘建政 孙晓瑛 袁立强. 太阳能光伏发电及其应用.北京:科学教育出版社,2005
[2]周志敏,周纪海,纪爱华.充电器电路设计与应用.北京 人民邮电出版社 2005
作者简介:
宿朝勋(1979.8-),男,汉族,河北省晋州市人,助理工程师,毕业于河北科技大学自动控制专业,学历本科,学士学位,研究方向:新能源的开发与利用
【关键词】风光互补;MPPT;爬山法;DC/DC
太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时,风很小,晚上太阳落山后,光照很弱,但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季,太阳光强度大而风小,冬季,太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性,风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。
风光互补发电是一种将光能和风能转化为电能的装置。该系统无空气污染、无噪音、不产生废弃物。因此风光互补发电系统是一种自然、清洁的能源。目前在世界范围内风力发电和太阳能发电发展非常迅猛。人类为使居住环境不再受污染,风能和太阳能将是今后世界能源的必然选择。
一、 系统架构
本项目研究风光互补独立电源系统由光伏发电单元、风力发电单元、系统智能管理核心、逆变器、储能元件组成。系统结构图如下:
数据采集系统:负责采集光伏板、风机的输出电压以及输出电流,同时监测蓄电池的电压等参数。
控制系统:依据数据采集系统提供的各项参数做出控制策略,并对蓄电池的充放电过程进行控制。
输出控制:根据控制系统的指令来控制是否要为负载提供能量,用以保护蓄电池,使蓄电池不至于过度放电。
二、 系统硬件设计
系统硬件设计包括以下几部分
2.1数据采集模块:通过A/D转换模块将光(下转第21页)伏板、风机以及蓄电池的电流、电压等模拟量转换成数字量为控制系统提供制定策略的依据。
2.2风机控制模块:风力发电机的输出为三相交流电,且风机的输出电压随风力的大小而波动。因此风机输出的电能并不能直接为设备供电。本系统通过整流、滤波、稳压将风机输出的电能转化成可以存入蓄电池的直流电。同时当风力过大时,风机旋转过快会对风机本身造成损坏,因此当风力过大时系统通过加大风机负载的方法控制风机的转速不超过允许的范围。
风机的控制部分主要包括整流、滤波、稳压、泄荷。系统框图如下:
2.3 光伏板控制模块:为最大可能的利用光伏板的能量,系统采用最大功率点跟踪的方法控制光伏板工作在最大的功率點。因此系统采用了PWM型的DC/DC变换器作为光伏板和蓄电池之间的接口。
2.4 I/O控制:系统中I/O控制主要包括风机卸荷控制、蓄电池过放控制。
2.5显示:为方便对系统工作状态的监测,分别对光伏板输出电流、风机输出电流、蓄电池电压以及蓄电池输出电流用指针型电流、电压表进行显示。
2.6抗干扰设计:为避免对控制系统产生干扰,我们采取了如下抗干扰措施:控制系统的输入、输出部分进行光电隔离;为避免外界干扰引起单片机程序运行紊乱,控制系统电路设计设有看门狗电路;为避免外界的辐射电磁干扰,控制系统整体设计有金属屏蔽;整个系统布局分为强电区和弱电区,减少了强电对弱电的干扰。
三、 系统软件设计
系统设计过程中,我们发现光伏板比风机的输出功率相对要稳定。另外太阳能和风力资源在时间上又很强的互不性。
因此在进行系统设计时,我们把太阳能作为蓄电池的主要充电部件。系统设置一个阈值,当太阳能功率大于该阈值时系统用太阳能对蓄电池充电,小于该阈值时,如果风机输出功率大于该阈值则切换到风机充电。
3.1光伏板最大功率点跟踪(MPPT)算法
目前比较常用的最大功率点跟踪算法主要包括:恒压跟踪法(CVT)、爬山法(P&Q)及增量电导法(INC)等。其中恒压跟踪法只是一种近似最大功率跟踪方法,有较大的功率损失,跟踪效率不高。INC法虽有较好的跟踪效率,但硬件实现难度较大。爬山法有较好的跟踪效率且实现简单,因此本设计中采用了爬山法最大功率点跟踪算法。
爬山法是通过将本次光伏板的输出功率和上次的相比较来确定增加或减少光伏板工作电压来实现MPPT。如图3 ,若P1 < P2 ,说明电池板工作于上坡段 ,即最大功率点 P 的左侧 ,需继续增大工作电压 ,从左边向最大功率点靠近;若P1 > P2,减小工作电压 ,从右边向最大功率点靠近;若P1 = P2 ,电池板工作于最大功率点附近 ,于是工作电压在光强变化之前时保持不变。
3.2风机运行控制
风机功率随风速的变化而变化,系统采用用二级卸荷的方式对风机进行控制,第一级用2欧姆,第二级用0.4欧姆。第一部分是线电压在14-31.6伏之间时,由于该电压段对应的是低风速区,因此电流也较小,该电压段稳压后以便尽可能将低风速段利用上;第二部分是高风速段,该风速段需要将卸荷电阻加上保持一定范围内的恒功率
四、 结语
综合利用风能、光能的风、光互补独立电源系统是一种合理的电源系统。这样不仅省去了敷设供电电缆的费用和施工的费用,而且节约了电能,为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路。
参考文献
[1]赵争鸣 刘建政 孙晓瑛 袁立强. 太阳能光伏发电及其应用.北京:科学教育出版社,2005
[2]周志敏,周纪海,纪爱华.充电器电路设计与应用.北京 人民邮电出版社 2005
作者简介:
宿朝勋(1979.8-),男,汉族,河北省晋州市人,助理工程师,毕业于河北科技大学自动控制专业,学历本科,学士学位,研究方向:新能源的开发与利用