基于GPRS的風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)與遠(yuǎn)程通信監(jiān)控設(shè)計(jì)

張 星 孟永超 冶艷艷

1.許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院；2.國(guó)網(wǎng)許昌供電公司

能源直接決定經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向，傳統(tǒng)發(fā)電的煤炭、石油等不可再生能源在使用的過(guò)程中越來(lái)越少，而電能對(duì)人們的生活而言是不可或缺的。本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新能源發(fā)電，將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電與儲(chǔ)能裝置結(jié)合，通過(guò)電路設(shè)計(jì)、最大功率跟蹤等控制方法，通過(guò)GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，最大限度利用清潔能源進(jìn)行發(fā)電，供給交流或直流負(fù)載，同時(shí)，可作為重要負(fù)荷的應(yīng)急電源，以響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召。對(duì)于環(huán)境較為惡劣的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)，監(jiān)控需求尤為重要。

本文主要研究以下內(nèi)容：（1）發(fā)電系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，主要包括光伏發(fā)電模塊、風(fēng)力發(fā)電模塊、逆變模塊、電源管理模塊等，并給出設(shè)計(jì)參數(shù)要求。（2）針對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)，包括三相橋式不控整流電路、Boost升壓斬波電路、Buck降壓斬波電路、逆變電路等，并設(shè)置參數(shù)仿真、分析、計(jì)算。（3）研究風(fēng)-光-儲(chǔ)智能應(yīng)急電源系統(tǒng)的控制技術(shù)，包括光伏功率變換的最大功率跟蹤控制、蓄電池電源管理控制、逆變電路控制等。（4）遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，主要通過(guò)GPRS、北斗等實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括數(shù)據(jù)的采集、傳輸通信、分析等。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)基本組成如圖1所示，其中，風(fēng)-光發(fā)電模塊采用多能互補(bǔ)方式將新型能源轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過(guò)充電控制器，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為蓄電池所能接受的電能形式，把風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)出的電能存儲(chǔ)在蓄電池中，通過(guò)DC-DC升降壓控制器和逆變器分別供給直流和交流負(fù)載；同時(shí)，在停電時(shí)還可作為應(yīng)急電源。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要基于GPRS利用單節(jié)點(diǎn)模塊和上位機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)基本組成

2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 風(fēng)光發(fā)電模塊

光伏電池組件選用型號(hào)為Sun Earth Solar Power TDB156×156-72-P 280 W功率為 280 Wp的單晶硅電池組件。發(fā)電效率和穩(wěn)定性均比多晶硅電池板高，光伏陣列為8塊光伏電池串聯(lián)，接線方便，陣列總功率為2 240 W。采用擾動(dòng)觀測(cè)法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤技術(shù)。基于溫度25 ℃、光照1 000 W/m2條件下，光伏電池陣列在MPPT控制下的進(jìn)行仿真可得輸出電壓、功率及經(jīng)升壓電路后的輸出電壓。由仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與光伏陣列的理論參數(shù)對(duì)比可得：輸出電壓280.4 V與理論280 V接近；輸出功率2 244 W理論2 240 W接近；經(jīng)MPPT控制的升壓電路后的輸出電壓在基本穩(wěn)定在330 V。

2.2 升壓穩(wěn)壓模塊

升壓電路采用非隔離型Boost電路，對(duì)于光伏發(fā)電模塊輸出電壓的升壓選用Boost升壓斬波電路?？芍?，光伏發(fā)電模塊輸出的電壓為330 V，由式可計(jì)算得，占空比α=77.6%時(shí)，可得設(shè)計(jì)需要的500 V直流電。

對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流后，輸出的為近似112 V的直流電，利用Boost電路仿真實(shí)現(xiàn)DC 112～DC 500 V。設(shè)置占空比α=77.6%。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)短時(shí)間的波動(dòng)，最終電壓穩(wěn)定在500 V左右，且穩(wěn)定后電壓波動(dòng)很小，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 降壓充電模塊

降壓型（Buck）變換器同屬于單管非隔離DC/DC變換器，其輸出平均直流電壓等于或小于輸入電壓，Buck電路由全控型器件V（如IGBT）、二極管VD、輸出濾波電感L和輸出濾波電容C組成。系統(tǒng)所用的磷酸鐵鋰電池組的額定輸入電壓為360 V，降壓斬波電路實(shí)現(xiàn)DC 500 V向DC 360 V的轉(zhuǎn)變。由U0=αE可計(jì)算得占空比α=72%。通過(guò)對(duì)比分析波形發(fā)現(xiàn)：R兩端的電壓波形輸出電壓更穩(wěn)定，且電壓值為（360±1） V，波動(dòng)很小，在允許范圍內(nèi)電壓符合要求；包含電感L的負(fù)載電壓波形為矩形波，波動(dòng)較大，不符合要求。因此，電路選用不含電感L的R兩端電壓作為輸出電壓。

2.4 儲(chǔ)能電源模塊

日常生活中，直流負(fù)載以直流電動(dòng)機(jī)的使用較多，因此，本設(shè)計(jì)以給額定電壓為110 V的直流電動(dòng)機(jī)供電為例，進(jìn)行輸出供電電路的設(shè)計(jì)。選用單節(jié)電壓為3 V、容量為72 kW·h的鋰電池，由120節(jié)串聯(lián)組成電壓為360 V的磷酸鐵鋰電池組。直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓為110 V，實(shí)現(xiàn)通過(guò)DC 360～DC 110 V變換；對(duì)于交流負(fù)載，選用無(wú)源逆變電路，實(shí)現(xiàn)輸出相電壓為220 V、線電壓為380 V。

由三相電壓型逆變電路相電壓有效值公式計(jì)算得：Ud≈488.89 V，由線電壓有效值公式計(jì)算得：Ud≈487.18 V。為減小誤差，取兩者的平均值為Ud≈488 V。占空比設(shè)置α≈26.2%。仿真后得輸出電壓波形結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)短時(shí)間的波動(dòng)，最終電壓穩(wěn)定在466 V左右，且穩(wěn)定后電壓波動(dòng)很小，符合設(shè)計(jì)要求。

按照三相電壓型逆變電路中6個(gè)管子的工作方式和各相導(dǎo)電角的相差，依次設(shè)置6個(gè)IGBT管子設(shè)置脈沖的參數(shù)，調(diào)試后可得輸出的相電壓與線電壓的數(shù)值，其相電壓有效值為219.4 V，線電壓有效值為380 V。

3 系統(tǒng)各模塊電路的整合仿真與驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、升壓穩(wěn)壓、降壓充電、電能存儲(chǔ)4個(gè)模塊的設(shè)計(jì)分析，并進(jìn)行模塊整合，形成的電路拓?fù)?。仿真結(jié)果輸出的電壓為360 V的直流電壓，與磷酸鐵鋰電池組的額定輸入電壓相同，其電壓輸出可直接給蓄電池進(jìn)行恒壓充電。對(duì)交流輸出與直流輸出供電模塊進(jìn)行整合設(shè)計(jì)的仿真電路。

經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)試運(yùn)行仿真，可以得出直流輸出的電壓波形與交流輸出電壓波形，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)交、直流輸出仿真結(jié)果

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的蓄電池為額定電壓360 V的磷酸鐵鋰電池組，所以其輸出電壓為360 V的直流電，日常生活中直流負(fù)載以直流電動(dòng)機(jī)使用較多，因此，本設(shè)計(jì)經(jīng)DC-DC的變換，以額定電壓為110 V的直流電動(dòng)機(jī)供電為例進(jìn)行輸出供電電路的設(shè)計(jì)。由U0=αE可計(jì)算得，占空比設(shè)置α=30.6%。對(duì)仿真電路進(jìn)行參數(shù)調(diào)試后可得仿真結(jié)果。圖3電壓波形圖和電壓表表明：直流輸出電壓穩(wěn)定在110 V左右，且電壓波動(dòng)很小，符合設(shè)計(jì)要求。其交流相電壓有效值為219.4 V，線電壓有效值為380 V，其與規(guī)定值相電壓220 V、線電壓380 V的誤差很小，在允許范圍內(nèi)，且頻率為50 Hz。因此，其交流輸出電路的輸出波形為三相的交流電，可為交流負(fù)載供電。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控與通信模塊

基于GPRS和無(wú)線傳輸通道，通過(guò)獲取相應(yīng)監(jiān)測(cè)的電氣量主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括數(shù)據(jù)采集、通信、接收。對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，能夠準(zhǔn)確快速地甄別出系統(tǒng)不正?；蚬收蠣顟B(tài)，通過(guò)GPRS收發(fā)模塊進(jìn)行反饋；實(shí)現(xiàn)告警功能并能形成報(bào)表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)告警的內(nèi)容，同時(shí)支持修改、打印、傳輸?shù)?，最終在上位機(jī)能夠直觀地進(jìn)行畫(huà)面展示。遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)通信模塊如圖3所示，多種模式收集到的信息，通過(guò)32位嵌入式ARM控制器的矢量計(jì)算、曲線擬合等處理，能快速完成數(shù)據(jù)分析并在液晶顯示屏上給出監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)通訊模塊

圖3 中微控制器選用內(nèi)嵌Cortex-M3內(nèi)核的STM32F107VCT6芯片，其內(nèi)部含有64 KB RAM、256 KB FLASH ROM及硬件乘法器，時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，具有很高的性?xún)r(jià)比。北斗模塊選用UM220 BD2/GPS雙系統(tǒng)模塊，UM220模塊通過(guò)相關(guān)器、FFT和匹配濾波器混合應(yīng)用以及算法優(yōu)化，在各種復(fù)雜環(huán)境下保持出色的捕獲跟蹤能力和快速TTFF功能；先進(jìn)的多路徑抑制技術(shù)和高質(zhì)量的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，確保一流的導(dǎo)航、定位和授時(shí)精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體方案，介紹了風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，包括電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、充放電控制器、逆變電源系統(tǒng)，并給出了設(shè)計(jì)參數(shù)要求。通過(guò)GPRS、北斗、微控制器等進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸通信與交互，上位機(jī)能夠通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，完成了對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)新能源發(fā)電儲(chǔ)能與監(jiān)控通信系統(tǒng)各模塊的控制技術(shù)與電路仿真研究，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電、充電、儲(chǔ)電、用電4大功能，且各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求，能夠穩(wěn)定地給交流和直流負(fù)載進(jìn)行供電，同時(shí)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)通信交互、分析對(duì)比，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。對(duì)于蓄電池的防過(guò)充、防虧電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在后續(xù)的研究中會(huì)繼續(xù)改善；監(jiān)控通信系統(tǒng)與調(diào)度MIS的數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通也有待進(jìn)一步研究。