风光互补充电控制器的研究

第４５卷第１期　２０１１年１月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．１　Ｊａｎｕａｒｙ　２０１１　风光互补充电控制器的研究　韩志强，姚国兴　（华南理工大学新能源研究中心，广东广州５１０６４０）　摘要：介绍了一种小功率风光互补充电控制器。该控制器能有效降低损耗，充分利用风能和太阳能，效率更高。　对风力充电而言，在风速较低时，通过Ｂｏｏｓｔ斩波器将整流输出电压升至一定值再送至后级电路；当风速较高　时，切断Ｂｏｏｓｔ电路，将整流输出电压直接送至后级给蓄电池充电。对光伏充电而言，直接利用光伏充电器的后　级进行充电。最后通过３００　Ｗ风光互补充电系统的实验结果验证了设计的正确性。　关键词：风光互补：充电控制器；变换器　中图分类号：ＴＭ５７１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１ｏ０Ｘ（２０１１）０１—００２５—０２　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　ａｎｄ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＨＡＮ　Ｚｈｉ－ｑｉａｎｇ，ＹＡＯ　Ｇｕｏ—ｘｉｎｇ　（Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆＳｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆＴｅｃｏｈｎｏｌｏｙ，Ｇｕａｇｎｇｚｈｏｕ　５１０６４０，Ｃｈｉａ）ｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ　ｗｉｎｄ　ａｎｄ　ｓｏｌａｒ　ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｍＨｅｒ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｌｏｓｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｓ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ　ｕｓｅｄ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｃｈａｒｇｉｎｇ，ｗｈｅｎ　ｗｉｎｄ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　ｌｏｗ，ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗｉｌｌ　ｒｉｓｅ　ｔｏ　ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｓｅｎｔ　ｔｏ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｙ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｈｏｐｐｅｎＷｈｅｎ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　ｈｉｇｈ，ｔｈｅ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｃｕｔ　ｏｆｆ，ｔｈｅ　ｒｅｃｔｉｉｅｒ　ｏｕｔｐｕｔｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　ｓｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓ　ｃｈａｒｇｅ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　ｃｈａｒｇｉｎｇ，ｓｏｌａｒ　ｃｈａｒｇｅｒ　ｉｓ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｈａｒｇｅ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，３００　Ｗ　ｗｉｎｄ　ａｎｄ　ｓｏｌａｒ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ　ａｎｄ　ｓｏｌａｒ；ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　１　引　言　风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁、可　风能变化较明显，不确定性强，输出电压不　稳。当风力超过限定值时．即输出功率过大，仍需　再生绿色能源，日益受到人们的关注。随着工业发　展，地球上不可再生能源消耗加剧，所产生的废气、　废水、废渣等造成了环境污染、生态失衡。目前，　由可再生电源构成的混合系统被视为是解决化石　能源日益枯竭以及环境污染问题的有效途径ｌｌ＿　１。　其中风能和太阳能发电系统在世界各地都已得　到广泛应用　对蓄电池充电，这时必须卸载部分功率。从而避免　风机损耗发电系统【　。因为风机转速直接反应在　输出电压上，所以通过整流输出电压检测来判断　风机功率和控制Ｂｏｏｓｔ变换器的工作状态。在　Ｂｏｏｓｔ变换器的输出端并联一个大电容，通过控制　该电容的瞬间充放电来达到控制蓄电池充电电流　大小的目的，这样，即使是在风速很小时，充电电　流也很大，从而使风能得到充分利用。光伏电池的　输出直接接到Ｂｏｏｓｔ变换器输出电容的两端，通过　后级的斩波电路直接给蓄电池充电。该电路中采　２风光互补充电控制系统的结构　风光互补充电控制器主要由电能产生部分、　变换存储部分和控制部分组成，如图１所示。　用ＰＩＣ系列８位微控制器ＰＩＣ１６Ｆ８７３作为控制芯　片。通过对风机整流输出电压、Ｂｏｏｓｔ变换器输出　电压（或光伏电池的端电压）和蓄电池端电压的检　蓄　电　池　测来实现控制和保护的功能，具有较强的稳定性。　３硬件电路设计　３．１主回路设计　图１风光互补充电控制系统　使用光伏板直接给蓄电池充电。在光强较大　时充进的电能多，但输入电压不可控．容易损坏蓄　电池；而在弱光情况下充电电流很小，无法满足蓄　电池的充电要求，不能充分利用太阳光能量。鉴于　定稿日期：２０１０—０６—３０　作者简介：韩志强（１９８７一），男，安徽宿松人，硕士，研究方　向为风光互补发电技术。　此，设计一种新型光伏充电控制系统，既能快速稳　２Ｓ　第４５卷第１期　２０１１年１月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５，Ｎｏ．１　Ｊａｎｕａｒｙ　２０１１　定地给蓄电池充电，又能实现光伏板的最大功率　跟踪。对于风力充电，风速较低时，输出的电压也　很低，为了在较低风速时仍然可以充分利用风能，　在风机整流输出后级先接一个Ｂｏｏｓｔ斩波器，将整　流电压升至一定值后，在后级控制充电电流大小。　风光互补充电控制器如图２所示　ＶＤ７　图２风光互补充电电路原理图　采用两块７５　Ｗ光伏板串联，最大功率输出时　电压为３４　ｖ。当与光伏板并联电容Ｃ　上电压　／￣ＣＩＩ＞３４　Ｖ时，单片机产生一个高电平打开ＶＱ，，Ｃ　通过二极管ＶＤ　、开关ＶＱ　、取样电阻　：　给蓄电池　充电；当／ＪＣｌ　＜２４　Ｖ，且　：　上电压为零时，单片机使　ＶＱ，关断，同时光伏板给Ｃ　充电，以此循环。　针对３００　Ｗ风力发电机给２４　Ｖ蓄电池充电。　通过采样风机整流输出电压的大小来控制斩波开　关ＶＱ：的通断，在Ｕｃ１１：３４Ｖ时，打开ＶＱ　，通过电容　瞬间放电达到所需大小的充电电流，当　ｃ¨＝２４　Ｖ　时，关闭ＶＱ，，同时前级继续给Ｃ　充电。当风速较大　时，相应的整流输出电压也较大，当“ｃ．。超过３４Ｖ　时，关闭ＶＱ：，使整流输出电压直接给Ｃ　充电，这　样电感基本不工作，从而减小了ＶＱ　和电感上的　损耗，极大地增大了电路的功率传输　在后级，通过ＶＱ，的交替通断给蓄电池充电。　其中，ＶＤ５和ＶＤ６为防反充二极管，防止后级电流　向前级倒灌；Ｃ　：，尺　和快恢复二极管ＶＤ，组成　ＲＣＤ缓冲电路，吸收ｖＱ３上的电压尖峰。　３．２检测电路设计　要使单片机检测整流输出电压、Ｂｏｏｓｔ变换器　输出电压、充电电流以及蓄电池端电压，需以某种　途径将其变化映射到０～５　Ｖ的范围内。在测量中，　需要用低压器件去测量高电压、强电流模拟量，如　果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电　压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁。该　设计采用精密电阻进行比例衰减．将输入电压量　程范围转化为Ａ／Ｄ转换器的量程范围，然后经　ＲＣ滤波，再送给Ａ／Ｄ转换器测量。光耦ＴＬＰ５２１　可以较好地实现输入侧与输出侧之间的隔离，并　且这种接法实现了线性传输的功能。电压采样电　路原理图如图３所示。通过调整Ｒ　和Ｒ。。电阻值　可用于采样所需电压电流值　２６　图３检测电路　４控制器软件设计　控制电路以ＰＩＣ系列８位单片机ＰＩＣ１６Ｆ８７３　为控制核心，其内部集成Ａ／Ｄ转换部件，且有８个　Ａ／Ｄ输入通道，只需通过简单的编程，便可实现单　路或多路Ａ／Ｄ转换的功能。另外。其内部还集成　了２个ＣＣＰ模块，当它工作在ＰＷＭ方式下时，具　有２个ＰＷＭ输出通道。将电容电压和充电电流　的采样送入单片机的３个Ａ／Ｄ转换口．由ＰＷＭ　输出通道ＣＣＰ１和ＣＣＰ２输出驱动信号．控制两个　ＭＯＳＦＥＴ的通断。主程序流程如图４所示。在风速　较小时，通过Ｂｏｏｓｔ电路升至一定值后再送至后级　给蓄电池充电；当风速较大时．使Ｂｏｏｓｔ停止工　作．直接将整流电压送至后级。　图４主程序流图　５实验结果及分析　为验证方案的正确性．采用ＡＤＬＥＥＰＯＷＥＲ　变频器和三相异步电动机模拟风力机。利用电动　机带动３００　Ｗ的Ｐｏｌａｒｉｓ发电机。通过控制变频器　来控制发电机的转速。同时也将两块相串联的光　伏板接入电路中。图５ａ为充电电流波形。　图５充电器实验波形　（下转第４７页）　有源电力滤波器多重因子自适应谐波检测法　产生稳态失调，所以在权值迭代过程中增加自相　相电流总畸变率的平均值分别为１　１．２０８％．　１５．８３４％，１２．１５３％。图３ｂ为ＡＰＦ投运后的电网侧　关项和静态项，对算法的性能做进一步调节和改　善。因此，经上述多重因子调整后，算法便能在快　速的收敛速度下达到良好的跟踪精度。　三相电流波形，图３ｃ为检测出的谐波畸变电流。　三相电流总畸变率平均值降为２．６５９％，２．５２８％．　２．４４９％，电流谐波衰减率达到７６．２７％，８４．０３％．　７９．８５％，效果良好。　４仿真分析　对已有文献及多重因子算法进行仿真比较．　由图２可知该算法具有很快的响应速度．收敛时　间比定步长算法缩短一个基波周期。且具有更小　的稳态失调。　６　结　论　在分析传统自适应谐波检测方法基础上．提　出一种多重因子变步长自适应谐波检测算法　该　算法结构简单、易于实现，既继承了定步长算法稳　态性能好的优点，又加快了变步长算法的收敛速　度，提高了谐波电流的实时检测性能。最后通过单　相负载电流的仿真及并联三相三线制ＡＰＦ装置　，，　实验分析，验证了该算法的有效性。　图２各算法基波电流跟踪比较　５　实验分析　图３示出具体的实验波形。实验装置采用晶　闸管整流桥作为系统非线性负载，以并联三相三　线制ＡＰＦ为平台，对算法进行验证。　参考文献　【１］　ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎｍｉ，ＬＩＵ　Ｋａｉｐｅｉ．Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｔｈｒｅｅ—　ｐｈａｓｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ａｎａｌｏｇ　ＬＭＳ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ａ］．ＩＣＥＭＳ’２００８［Ｃ］．Ｗｕｈａｎ，２００８：３９７８—３９８２．　［２］ＬＩ　Ｈｕｉ，ＷＵ　Ｚｈｅｎｇｇｕｏ，ＬＩＵ　Ｆｅｉ．Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｓｔｅｐ　撩：　／／，｛０　６５　ｍ　Ｓ　辊）　　ｓｉｚｅ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｈｅｒ［Ａ］．ＩＣＩＴ’２００８［Ｃ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ．２００８：５７４—　５７８．　【３】　ＭＵ　Ｌｏｎｇｈｕａ，ＪＩＡＮＧ　Ｚｉ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｆｉｌｔｅｒ—　，／ｆ０　６５　ｍ　ｓ　ｒ格｝　｛ｂ）Ｓｌ、偿ｆ；ｊ系统　Ｅ流　（ａ）扑偿　系统ｆ毡流　ｉｎｇ　ｉｎ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ【Ａ］．ＩＥＥＥ／ＰＥＳ　Ｔｒａｎｓ—ｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ　［Ｃ］．Ｄａｌｉａｎ，２００５：１－４．　［４］ＨＥ　Ｙｉｎｇｊｉｅ，ＺＯＵ　Ｙｕｎｐｉｎ，ＬＩ　Ｈｕｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｎ　Ｉｍ—　ｐｒｏｖｅｄ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌ—　ｌ／（０　６５　ｎ１Ｓ／＇格）　ｔｅｒｓ『Ａ１．ＩＥＥＥ／ＰＥＳ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒ．　（ｃ　检测　波｝皂瀛　ｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｄａｌｉａｎ，２００６：６７２—６７７．　图３实验结果　［５】刘国海，张懿．一种新的变步长ＭＬＭＳ谐波电流检　图３ａ为ＡＰＦ投运前电网侧三相电流波形．三　测法【ＪＪ．电气传动，２００９，３９（２）：４４—４７．　（上接第２６页）　了风力发电机和太阳能板输出的能量。由实验波　形可知，该方法能有效地对蓄电池进行充电，适合　在小功率风光互补发电系统中推广。　由于尺　＝０．７　ｎ，所以充电电流尖峰值为４．５／　０．７＝６．４　Ａ，且由图可知。谐波较小。完全符合蓄电　池的充电要求。图５ｂ为　２４～３４　ｖ，达到要求。　波形，通过控制Ｃ　的　被控制在　充放电给蓄电池充电，由图可知，　参考文献　［１］Ｙａｎｇ　ｑｉ，Ｗｅｉ　ｂｉｎｇ．Ｗｉｎｄ　ａｎｄ　Ｓｏｌａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ［Ｊ】．Ｓｈａａｎｘｉ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ，　２００９，（１）：２３．　６　结　论　相对于传统的基于ＤＣ／ＤＣ变换器的充电方　［２］Ｚｈａｎｇ　ｊｉｎｇｕａｎｇ，Ｃａｏ　ｊｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ　ｘｉａｎ—ｄｏｎｇ．Ｗｉｎｄ　ａｎｄ　ＰＶ　Ｓｔｒｅｅｔ　Ｌｉｇｈｔ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ，２００９，２７（２）：６９－７３．　［３］Ｗａｎｇ　ｑｕｎ—ｊｉｎｇ，Ｗａｎｇ　ｔａｏ，Ｌｉ　ｇｕｏｌｉ．Ｓｍａｌｌ　Ｗｉｎｄ　ａｎｄ　ＰＶ　ＭＰ　Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，２００９，３９（５）：４－７．　４７　式，小功率风光互补充电控制器可靠性高，成本较　低．最重要的是减小了电路损耗．更加充分地利用