家用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與MPPT控制

李紹武

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

隨著能源危機(jī)的加重和人們對(duì)清潔能源的廣泛使用，將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)引入普通家庭用戶已越來(lái)越被人們所重視.家用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有初期投資小、使用方便、能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因而市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮骩1].一般的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)較單一、效率較低[2-4]，不適合普通家庭用戶使用.本文針對(duì)家庭用電特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，并提出了最大功率跟蹤(MPPT)控制策略，一定程度上解決了設(shè)計(jì)和效率方面的問(wèn)題.

1 硬件設(shè)計(jì)

家用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)硬件主要由兩大部分組成：主電路和控制電路.

1.1 主電路

系統(tǒng)主電路原理如圖1所示.家庭用電系統(tǒng)的供電主要由兩大部分組成：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和普通市場(chǎng)供電(簡(jiǎn)稱市電)系統(tǒng)，它們之間通過(guò)全控型開關(guān)器件K3和K4進(jìn)行切換，而且以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電為主，市場(chǎng)供電為輔.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是主電路的核心部分，主要有5種工作模式，對(duì)應(yīng)5種電路連接.其一為風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立供電模式，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電通過(guò)整流器變成單相直流電，再通過(guò)Boost-Buck電路1對(duì)蓄電池組充電并通過(guò)逆變電路輸出220 V交流電；其二為太陽(yáng)能電池組獨(dú)立供電模式，此時(shí)太陽(yáng)能電池組產(chǎn)生的直流電，通過(guò)Boost-Buck電路2對(duì)蓄電池組充電并通過(guò)逆變電路輸出220 V交流電；其三為以風(fēng)力發(fā)電為主，太陽(yáng)能電池組發(fā)電為輔的模式，此時(shí)開關(guān)K1的BC相連，開關(guān)K2的bc相連，太陽(yáng)能電池組產(chǎn)生的直流電經(jīng)Boost-Buck電路2后跟隨整流器輸出直流電壓，并最終在A點(diǎn)“二和一”；其四為以太陽(yáng)能電池組發(fā)電為主，風(fēng)力發(fā)電為輔的模式，此時(shí)開關(guān)K1的BD相連，開關(guān)K2的bd相連，整流后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)Boost-Buck電路1跟隨太陽(yáng)能電池組輸出的直流電壓，并最終在a點(diǎn)“二和一”；其五為太陽(yáng)能電池組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)各自發(fā)電模式，此時(shí)開關(guān)K1的BC相連，開關(guān)K2的bd相連，構(gòu)成普通的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)[5].整個(gè)電路的設(shè)計(jì)中，Boost-Buck電路1和Boost-Buck電路2均采用sepic斬波電路[6]實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，采用3個(gè)電力二極管對(duì)電路進(jìn)行必要的保護(hù).

圖1 家用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)原理圖

圖2 控制電路原理圖

表1 不同工作模式的MPPT控制策略

1.2 控制電路

系統(tǒng)控制電路如圖2所示，以ATmega128單片機(jī)[7]為核心，采用該芯片的可編程PWM資源實(shí)現(xiàn)sepic斬波電路的控制和逆變電路的控制；通用I/O接口實(shí)現(xiàn)開關(guān)的切換控制、蓄電池的3段式充放電控制[8]以及鍵盤、顯示、報(bào)警等功能；內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器完成電路控制中必要參數(shù)的檢測(cè).整個(gè)控制電路的驅(qū)動(dòng)電路均采用IR2110集成驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)，電源由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池組和市電互補(bǔ)供電.

2 MPPT控制策略

對(duì)系統(tǒng)最大功率跟蹤(MPPT)控制策略的研究是解決風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率低下的有效途徑.本系統(tǒng)從硬件電路設(shè)計(jì)入手，結(jié)合單片機(jī)軟件對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電部分5種工作模式采用不同的MPPT控制策略，詳細(xì)方案如表1所示.當(dāng)光照強(qiáng)度很弱時(shí)，太陽(yáng)能電池組發(fā)電電路停止工作，只有風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，系統(tǒng)工作在工作模式1，Boost-Buck電路1控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在最佳葉速比附近；當(dāng)沒(méi)有風(fēng)或者較弱時(shí)，風(fēng)力發(fā)電電路停止工作，只有太陽(yáng)能電池組發(fā)電，系統(tǒng)工作在工作模式2，Boost-Buck電路2實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配來(lái)跟蹤太陽(yáng)能電池組最大功率點(diǎn)；當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)，光照一般時(shí)，風(fēng)力發(fā)電電路和太陽(yáng)能發(fā)電電路均工作但以風(fēng)力發(fā)電電路為主，系統(tǒng)工作在工作模式3，此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，采用對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率跟蹤控制；同理，當(dāng)光照較強(qiáng)，風(fēng)力一般時(shí)，風(fēng)力發(fā)電電路和太陽(yáng)能發(fā)電電路均工作但以太陽(yáng)能發(fā)電電路為主，系統(tǒng)工作在工作模式4，此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，采用對(duì)太陽(yáng)能電池組的最大功率跟蹤控制；對(duì)于工作模式5，由于此時(shí)風(fēng)力和光照都很強(qiáng)，輸出總功率較大，風(fēng)力發(fā)電電路和太陽(yáng)能發(fā)電電路均不能實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤.

為了進(jìn)一步研究整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程，在表2中列出了28種不同工作狀態(tài)下，系統(tǒng)的能量流動(dòng)情況和MPPT控制使用情況.設(shè)VW、VWth、VWset和VP、VPth、VPset分別表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓、工作門限電壓、單片機(jī)設(shè)定電壓和太陽(yáng)能電池組輸出電壓、工作門限電壓、單片機(jī)設(shè)定電壓.在表2中，分別用W、P、S表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池組、蓄電池組；分別用0、1和2代表太陽(yáng)能電池組工作在VPVPset狀態(tài)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在VW

從表2中可以清楚的看出，在28種工作狀態(tài)中，有18種狀態(tài)可以采用最大功率跟蹤(MPPT)控制，從而極大地提高了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電中的整體能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了能源利用的優(yōu)化.另外10種不能采用最大功率跟蹤(MPPT)控制的情況多數(shù)發(fā)生在蓄電池需要放電的情況，此時(shí)雖然不能實(shí)現(xiàn)MPPT控制，但整體輸出功率仍然較大，絕大多數(shù)情況下可以滿足用戶用電要求.

圖3 主程序流程圖

表2 輸出能量管理和MPPT控制情況表

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)電壓電流采樣、各種工作模式的判斷、輸入?yún)?shù)的設(shè)置、太陽(yáng)能電池組最大功率跟蹤控制、風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤控制等功能.圖3為整個(gè)控制系統(tǒng)的主程序流程圖，其中總體采樣部分主要完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池組輸出電壓采集和市場(chǎng)用電電壓采集.參數(shù)Flag1和Flag2分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池組輸出電壓標(biāo)志位，取0、1和2三個(gè)值，含義與表2所示一致.另外，工作模式0表示系統(tǒng)工作在市電供電模式，其它工作模式含義與表1一致.參數(shù)的設(shè)置采用中斷方式通過(guò)鍵盤輸入，未設(shè)置時(shí)采用默認(rèn)值.

4 仿真

為了分析驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和MPPT控制策略的有效性，采用PROTEUS軟件對(duì)系統(tǒng)工作于模式3和模式4時(shí)的情況進(jìn)行仿真.仿真時(shí)，采用直流電源加電位器模擬太陽(yáng)能電池的輸出特性，采用3個(gè)頻率和幅值相等、相位相差120度的正弦交流電源加電位器模擬3相風(fēng)能發(fā)電機(jī)的輸出特性，用一個(gè)可變電阻模擬輸出負(fù)載.仿真時(shí)的一些參數(shù)值如表3所示.

表3 仿真參數(shù)表

利用表3的仿真參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真后，得出系統(tǒng)在不同工作模式下的輸出功率波形，如圖4所示.其中，Pa、Pb、Pc分別表示系統(tǒng)工作在工作模式4、工作模式3和工作模式5時(shí)的輸出功率曲線.從圖4中可以看出：在表3的仿真參數(shù)下，系統(tǒng)以工作模式4工作時(shí)有最大的輸出功率，而以未采用MPPT控制的工作模式5工作時(shí)輸出功率較?。煌瑫r(shí)，系統(tǒng)在工作模式3和4時(shí)的響應(yīng)速度比工作模式5時(shí)快.

從仿真的結(jié)果可以看出，采用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的家用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)響應(yīng)較快，引入MPPT控制策略可以大大的提高系統(tǒng)的能源利用效率，從而實(shí)現(xiàn)能源利用的優(yōu)化.

圖4 不同工作模式下的輸出功率

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)較好的解決了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在家庭用戶中的適用性問(wèn)題，同時(shí)在控制中引入最大功率跟蹤(MPPT)控制較好的解決了系統(tǒng)的效率問(wèn)題，在充分利用不同地域的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源方面，具有較高的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣價(jià)值.

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