（电力电子与电力传动专业论文）风光互补高频正弦波逆变电源的研制.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l de c o n o m y , e n e r g yr e s o u r c eb e c o m e sav i t a l p r o b l e mr e l a t e dt oh u m a nb e i n g se x i s t e n c ea n dd e v e l o p m e n t i ti su r g e n t l yn e e d e d t ot a k em e a s u r e st oe x t e n dt h eu s a g eo fr e n e w a b l ee n e r g ya n dd e v e l o pa s s o c i a t e d t e c h n o l o g y i nc o n d i t i o n a lr e g i o n ，i t sf e a s i b l et h a tw i n da n ds o l a re n e r g yb eu s e dt o g e n e r a t ee l e c t r i ce n e r g y f o rt h i sr e a s o n ，i t sn e c e s s a r yt od e v e l o pl o w c o s t s ， h i g h e f f i c i e n c y ，g o o d p e r f o r m a n c ea n dh i g h r e l i a b i l i t yw i n d p h o t o v o l t a i ch y h r i d i n v e r t e r i tw i l lb em a r k e t a b l eu n q u e s t i o n a b l y t h et r a d i t i o n a li n v e r t e r so u t p u tc o m ef r o mp o w e r f r e q u e n c yt r a n s f o r m e rc o m m o n l y a l t h o u g ht h et h c h n o l o g yi sv e r yr e l i a b l e ，b u ti ts t i l lh a ss o m es h o r t c o m i n g f o re x a m p l e ，t h ev o l u m eo ft h es y s t e mi sl a r g ea n dt h ew e i g h ti sh u g e ，t h ep o w e r d e n s i t yi sl o w , i ti sd i f f i c u l tt oc a r r y 。 h i g hf r e q u e n c yi n v e r t e rt e c h n o l o g yi sa d o p t e di nt h ed e s i g n w i t hd c d c c o n v e r t e rr e p l a c i n gp o w e rf r e q u e n c y , t h em a i nc i r c u i to fi n v e r t e ri ss i n g l e p h a s e h a l f - b r i d g et o p o l o g y ，w h i c hu s e st h eh i g h p e r f o r m a n c em c u a sc o n t r o lc e n t e r , t h e m a i na s p e c t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ak i n do fc o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e dw i t ht h ef u n c t i o no fv o l t a g ec o n s t a n t a n dc u r r e n tl i m i t e d t h ec o n t r o lo ft h ec h a r g ea n dd i s c h a r g eo fp h o t o v o l t a i c a n df a ng e n e r a t o ri sd e s i g n e di no n ec o n t r o l l e r t h em a i n t a i no fs y s t e mi s m o r es i m p l e 2 b yu s i n gt h ep a r a l l e l e dm o s f e tt od r i v e rt h ep u s h - p u l lc i r c u i ta st h e d c d cb a s e do nt h ec o m p a r ew i t hf u l lb r i d g e ，h a l fb r i d g ea n dp u s h p u l l t o p o l o g y a l lk i n d so fp r o t e c t i o na r er e a l i z e d 3 a st h ec o n t r o lc e n t e r , t h eh i g hp e r f o r m a n c em c uw h i c hi sd e v e l o p e db y m i c r o c h i p ，d e s i g nt h ec i r c u i t o u t s i d eo fi n v e r t e r s y s t e ma n dr e l a t i v e s o f t w a r e 4 t h ev o l t a g ea n df r e q u e n c yp r e c i s i o ni s2 2 0 v + 5 、5 0 h z + 0 5 u n d e rt h e c o n t r o lt a c t i cw i t hf e e d f o r w a r da n df e e d b a c k t h ed y n a m i co ft h es y s t e mi s s a t i s f y i n g 。 5 t h ep r o t o t y p ep o s s e s sa l lk i n d so fp r o t e c t i o n ，a n da l lk i n d so fm a l f u n c t i o n c a nb ed i s p l a y e d 。 k e y w o r d s ：s i n e ；h i g h f r e q u e n c yi n v e r t e r ；p u s h - - p u l l ；c o n t r o l l e r ；w i n d p h o t o v o l t a i c c o m p l e m e n t a t i o n ；s p w m l 重 插图清单 图2 1 风力发电系统运行结构6 图2 2 风力发电机风速功率曲线7 图2 3 光伏发电系统运行结构7 图2 4 光伏阵列i v 特性曲线8 图2 5 风光互补发电装置原理框图8 图3 1 风光互补( 充电) 控制器主电路1 1 图3 2 控制器控制电路1 2 图3 - 3 电流检测电路1 2 图4 一l 推挽式升压电路拓扑1 3 图4 - 2 推挽变换器主电路1 4 图4 3 推挽变换器控制电路1 5 图4 4 输出电流检测电路15 图5 1 推挽逆变电路2 1 图5 - 2 半桥逆变电路2 2 图5 3 全桥逆变电路2 2 图5 4 逆变电路结构图2 2 图5 5p w m 输出电路2 5 图5 6t l p 2 5 0 内部结构图2 6 图5 - 7 驱动电路连接示意图2 7 图5 - 8 逆变电流采样电路2 8 图5 9 温度采样电路2 8 图5 一1 0 短路保护电路2 9 图6 1 单相半桥逆变器主电路3 0 图6 2 规则采样法产生s p w m 波形3 l 图6 3 双极性s p w m 原理3 1 图6 4 死区时间的加入3 3 图6 - 5 死区对输出的影响3 4 图6 6 逆变系统p i d 控制结构图3 6 图6 7 带前馈校正的数字p i d 复合控制系统3 7 图6 8 数字p i 调节程序流程图3 8 图6 9 主程序流程图3 8 图6 - 1 0 软件保护流程图3 9 图7 - 1 单片机发出的s p w m 波形4 1 图7 2 系统补偿前后阻性满载稳态运行电压波形4 1 v i 图7 3 逆变器空载输出电压波形4 l 图7 - 4 逆变器负载输出电压波形4 2 表格清单 表卜1 我国太阳能光伏发电总装机和发电量预测3 表4 1i r f 5 5 n 2 5 性能参数1 9 表4 - 2r h r p 8 1 2 0 性能参数1 9 表7 1 系统主要功能及性能指标4 0 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特；1 1 j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金魍王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 匆藤 签字日期：夕哆年4 月1 2 日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权业 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 鸯缓 签字日期：多矽年斗月2 e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导 签字日期：多哆年4 月2 日 电话： 邮编： 致谢 夜已深，万籁寂无声，能源所的研究室犹亮着明灯，隔窗斜望缀满璀璨明 星的夜空，往事一幕幕涌上心头，感慨万千。回首工大七年，由年少一路走来， 获益良多。校园之景四季迭换，令人记取，校园之人来来往往，使人感动，更 忆师长学友，点滴教诲和丝丝关怀，无不教人深记于心。在举笔即将完成这篇 致谢之时，蓦然发觉自己即将离开母校，在这离别之际，尽管依恋，却更珍惜， 因为在我生命中有那么多可亲可敬可爱的人值得感激。 师恩永难忘! 首先要对我的导师丁明教授表示衷心感谢! 在我整个读研期 间，丁老师不断地以他自身对待科学的热忱，治学严谨的态度，以及对待学生 的责任感染着我，在学业和生活上自始至终地关心着我，使我在知识能力和学 术水平上都得到了很大的提高，并将终身受益。 感谢苏建徽教授这些年来的悉心指导，苏老师渊博的理论知识、宽厚的师 长风范、严谨的治学态度、诲人不倦的教育作风、崇高的师德精神给我留下了 深刻的印象，使我受益匪浅，将是我今后工作、学习的榜样，是我今后人生道 路上的宝贵财富。 感谢张国荣老师在软件设计和实际操作中给我的极大帮助，无论我遇到什 么问题去求助时，张老师总是和若春风，循循善诱。张老师的工作方法、处事 态度让我永远铭记于心。 衷心感谢能源研究所的茆美琴老师、汪海宁老师、杜燕老师、杜雪芳老师、 刘翔老师、张健老师、陈林老师、刘宁老师和电子车间的潘正国同事，没有他 们的深切关怀和支持，课题研究和论文出稿是不能这么顺利完成的。 在能源所求学期间，还得到了很多师兄、师姐、同学们的热情指导和帮助， 他们是：杨向真、赖纪东、茹心芹、焦道海、彭凯、张颖媛、于德政、武伟、 项若轩、刘程、王晓刚、王英、陈轶涵、吴胜兵、朱国军、贺敬、全江华、瞿 晓丽，与你们在一起的日子让我终生难忘。 最后要感谢我的父母家人，他们把所有的爱都给了我，无私的给予但不求 回报，他们的支持是我人生路上前进的动力。 谨以此文献给所有关心我的人! 作者：董康 2 0 0 9 4 3 i i i 第一章绪论 1 1 可再生能源发展现状 随着人类生产及生活水平的提高，世界能源消耗量大幅度增长。研究表明， 1 9 6 5 年比1 9 0 0 年几乎增长了6 倍。过去的4 0 5 0 年，能源消耗很大部分来自矿物 燃料。多次的能源危机使人们认识到，矿物资源是有限的，世界石油资源只能 维持几十年，人们不得不逐渐把关注的重点转移到新能源的开发和利用上去。 预计下个世纪内，新能源将在世界能源消费构成中占据越来越重要的地位i lj 。 能源是人类赖以生存的五大元素之一，是国民经济和社会发展的重要战略 物资。新能源和可再生能源的含义是指除常规能源和大型水利发电之外的生物 能、风能、太阳能、海洋能、地热能、氢能等能源资源。目前新能源和可再生 能源主要以非商品能源的形式为广大农村地区提供能源，但随着社会、经济的 发展，新能源和可再生能源也正稳步地向商品化能源的方向转变1 2 j 。 从世界可再生能源的利用与发展趋势看，风能、太阳能和生物能发展最快， 产业前景最好，其开发利用增长率远高于常规能源。风力发电技术成本最接近 于常规能源，因而也成为产业化发展最快的清洁能源技术，风电是世界上增长 最快的能源，年增长率达2 7 。国际能源署的研究资料表明，在大力鼓励可再 生能源进入能源市场的条件下，到2 0 2 0 年新的可再生能源将占全球能源消费的 2 0 ，可再生能源在能源消费中总的比例将达3 0 。无论从能源安全还是环境 要求来看，可再生能源将成新能源的战略选择。 1 2 太阳能风能的特点 1 ) 取之不尽，用之不竭 太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太 阳能的来源。在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在6 0 亿年以上。 也就是说太阳能至少还可像现在这样有6 0 亿年可以无限期的被利用，故人们常 用“取之不尽，用之不竭 来形容它的长久性。尤其在常规能源越来越少的情 况下，这对人们更有极大的吸引力。太阳射出的能量，地球上仅获得2 0 万分之 一，其余部分都散失到太空中去了。即使这一些能量也是很可观的，地球表面 一年仍可获得7 0 3 4x1 0 埘焦耳的能量，它相当于燃烧2 0 0 万亿吨煤所发出的巨 大热量。根据m r g u s t a v s o n 的计算，太阳通量在地球和太阳间是1 4 0 0 瓦米2 ， 而地球表面上每秒钟所获得的能量为3 5 0 瓦米。，换算为电力一年约相当于 1 5 8 1 0 ”度。风能是太阳能的一种转化形式，仍根据m r g u s t a v s o n 的估计， 在全球边界层风的总能量为1 3 1 0 ”瓦，一年中约为1 1 4x 1 01 0 度电力的能量。 这相当于目前全世界每年所燃烧的能量的三千倍左右。 2 ) 就地可取，不需运输 矿物能源、煤炭和石油资源地理分布不均匀与工业布局的不均衡造成了煤 炭和石油运输的不均衡。这些必须经过开采后长途运送到目的地，给交通运输 带来了压力。虽然能够靠电力供电，但对一些高山、孤岛、草原和高原等电网 不易到达的地方，充分利用气象能源这一优点，也会带来方便。 3 ) 分布广泛，分散使用 虽然太阳能和风能分布也有一定的局限性，但与矿物能、水能和热能等相 比较仍可视为分布较广的一种能源。如世界石油的资源在地球上的分布极不均 匀，世界探明的石油储量，仅在中东地区就占世界总储量的5 7 ，而有些消费石 油较多的国家拥有的石油储量和产量却相对较低，有的甚至不生产石油。煤炭 资源分布也极为不均，前苏联、美国和中国约占世界煤炭的9 0 。 4 ) 不污染环境，不破坏生态 人类利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，使人类赖以生存 的环境受到破坏和污染。大气污染的主要原因是大量使用矿物燃料的结果。每 年向空气里抛出几亿吨煤渣，特别是将煤作为燃料释放出煤尘或者有害气体散 发到大气中去，仅以s 0 2 而论，全世界就有几千万吨。大气中另一个有害物质 是c o ，它也是矿物燃料在燃烧过程中释放出来的。此外，其它新能源中，水 电、核能、地热能等在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问 题。但太阳能和风能在利用中不会给空气中带来污染，也不破坏生态。 5 ) 周而复始，可以再生 在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太 阳能和风能就是属于这种能源【5 j 。煤炭、石油和天然气等是经过几十亿年形成 的，短期是无法恢复的。当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生 成它们的速度要快一百万倍，也就是说几十亿年生成的矿物能源在几个世纪就 会消耗掉。 1 3 我国光伏、风力发电利用现状与发展趋势 1 )我国光伏利用现状与发展趋势 中国光伏产业的大发展在2 0 0 0 年以后，主要是受到国际大环境的影响、国 际项目政府项目的启动和市场的拉动。2 0 0 2 年由国家发改委负责实施的“光明 工程 送电到乡和送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。但在总体水平 上我国同国外相比还有很大差距。表现为： 生产规模小。我国太阳电池制造厂的生产能力约为0 5 1 兆瓦年，比 国外生产规模低一个多数量级。 技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一定差距。 专用原材料国产化经过“八五攻关取得一定成果，但性能有待进一 步改进，部分材料仍采用进口品。 成本高。目前我国电池组件成本约3 3 元瓦，平均售价4 2 元瓦，成本 2 和售价都高于国外产品。 市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策、措施。 在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，在2 0 1 0 年以 前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统。从2 0 1 1 年至u 2 0 2 0 年，中国光伏 发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市 屋顶发电系统。表卜1 所示为我国太阳能光伏发电总装机和发电量预测6 】【7 1 。 表1 - 1 我国太阳能光伏发电总装机和发电量预测 项目年份 2 0 0 3 2 0 0 52 0 1 02 0 l52 0 2 0 中国电力总装机( g w ) 3 5 64 5 05 8 57 5 09 5 0 中国年发电总量( t w h ) 1 6 7 0 2 l0 02 7 5 03 5 0 04 5 0 0 太阳电池累计装机( g w ) 0 0 5 50 1 0 4 0 64 23 0 光伏发电装机比例( ) 0 0 2o 1o 63 1 光伏年发电量( t w h ) 0 0 8 20 1 5 60 96 34 5 光伏发电量比例( ) 0 0 0 7o 0 30 181 按2 0 0 0 - 2 0 1 5 年新能源和可再生能源产业发展规划的要求，在2 0 0 3 - - 2 0 0 9 年间，我国农村电网建设中每年安装7 0 兆瓦光伏系统。2 0 1 0 - 2 0 2 0 年普及推广 应用，年平均安装1 0 0 ；i e 瓦。目前中国已经是国际光伏发电应用产品生产基地。 为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展，国家发展和改革 委员会决定在2 0 0 5 - 2 0 0 7 年期间实施可再生能源和新能源高技术产业化专项。 其中太阳能光伏发电已成为可再生能源和新能源高技术产业化专项支持的重点 领域之一。 2 )我国风电利用现状与发展趋势 我国利用风力发电起步不晚，但步伐迟缓，至今没有取得突破性进展，和 世界风电发展的差距却在加大。早在1 9 9 5 年，原国家电力部就提出到2 0 0 0 年我 国风机规模要达到1 0 0 x1 0 4 k w ，但截至2 0 0 4 年底，总装机容量为7 6 4 1 0 4 k w ， 仅占全国电力装机的0 1 4 ，远远落后于世界风电产业的发展水平儿引。 最近几年，特别是2 0 0 6 年我国可再生能源法的颁布，我国风力发电的 装机容量有了迅猛发展：中国2 0 0 6 年风电新增装机容量仅次于美国、德国、印 度和西班牙，列第五位；总装机容量首次位列世界第六位。截至至u 2 0 0 6 年底， 中国大陆地区已建成并网型风电场9 1 座，累计运行风力发电机组3 3 l1 台，总容 量达2 5 9 9 万k w ( 以完成整机吊装作为统计依据) 。预计至u 2 0 1 0 年我国风力发电 装机容量可达4 0 0 万千瓦。截至2 0 0 6 年底，中国发电总装机容量达到6 2 2 0 0 万k w ， 其中风力发电占全国总装机容量的0 4 2 。 据相关资料报道，到2 0 2 0 年，预计我国将新增发电能力6 0 0 g w 左右，其中 1 0 8 g w 左右为可再生能源发电。2 0 1 0 年以前，我国计划新建2 0 座大型风力发电场， 3 每座风场的发电能力达到i o o m w ，并要求风力发电设备国产化率达到7 0 以上。 风力发电将成为我国最具大规模开发前景的新能源之一。 1 4 风光互补发电的提出 上述分析了风能、太阳能的特点，作为可利用的自然可再生能源，二者在 转换过程中都是受季节、地理和天气气候等多种因素制约。但是，两者的变化 趋势基本相反，扬长避短，因地制宜，相互配合利用，能发挥出最大的作用。 有鉴于此，很多人都着手风能、太阳能的综合利用研究。丹麦的n e b u s c h 提出 太阳能和风能混合利用技术问题；美国的a s p li d e n ( 1 9 8 1 ) 研究太阳能一风能混 合转换系统的气象问题；前苏联的n a k s a r i n 等根据概率原理，统计出近似的太 阳能一风能潜力的估计值；余华扬等( 1 9 8 2 ) 也提出了太阳能一风能发电机的能 量转换装置【2 】【3 】【4 】。 对偏远地区生活和工作的人们而言，一般情况下用电负荷都不大，所以采 用电网输送电力就不合理，应当选择在当地直接发电，现在常用的供电方案就 是采用柴油发电机。但是柴油的储运相对于偏远地区来讲成本太高，而且难以 保障持续地供电。所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源。要解决长期 稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源。太阳能和风能是最普遍的自 然资源，也是取之不尽的可再生能源，而且两者在时间变化分布上有很强的互 补性。白天太阳光最强时，风很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表温差变 化大而风能有所加强；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得风光互补发电系统在资源分布上具 有很好的匹配性，因此建立起来的风光互补发电系统就资源条件而言是很好的 独立供电系统l 。 综上所述，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源 上的各自缺陷，在技术应用中可以通过储能环节使独立的风电、光电系统得到 合理化整合。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行 系统容量的合理配置，既可保证发电系统的供电可靠性，又可降低发电系统的 造价，无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优 化的系统设计方案来满足用户的要求。 1 5 本文任务 市场上常见的风光互补家用电源系统采用3 套控制电路：风机控制器、太 阳能控制器和逆变器，各自独立工作。这种系统结构存在的问题是：重复投资， 损耗较大，系统效率低。逆变电源多采用工频变压器升压、单相方波型逆变方 式，模拟器件实现波形的产生与输出。这种设计的缺点是：装置的体积与重量 大、价格高；由于采用方波逆变输出，在负载为容性时，会有较大的冲击电流， 容易造成逆变器损坏，并且由于方波中含有高次谐波，会降低某些负载的效率； 4 模拟器件易受干扰，可靠性不高。 本项目中，我们对风力发电机和光伏阵列的蓄电池充电部分实现统一控 制。摒弃工频变压器后级交流升压方式，采用高频逆变技术，实现3 6 v 低压直 流输入，标准2 2 0 v 5 0 h z 正弦波输出；选用高性价比的单片机实现s p w m 波的 数字化输出；研制出的户用风光互补逆变电源具有体积小、重量轻、效率与 性价比高、功率密度大、易于市场化等特点。 课题技术指标： 1 额定输出功率： 7 0 0 w 2 蓄电池电压等级： 3 6 v 3 额定输出交流电压：2 2 0 v a c 5 4 逆变器效率： 8 8 5 频率精度：5 0 - i z 0 5 6 t h d ：5 7 输出电压波形：正弦波 8 蓄电池过压欠压、输入过流、输出短路、过载、过热等保护和故障指 示功能齐全。 1 6 本章小结 本章介绍了可再生能源的发展现状；强调了风能太阳能在新能源开发利用 中所占有的重要地位；阐述了风能太阳能的特点以及在我国的分布利用情况； 介绍了风光互补系统的提出及本文的任务。 5 第二章风光互补发电系统原理 2 1 风力发电系统结构【1 2 儿1 3 1 1 4 】【1 5 儿1 6 】 将风能转换为电能的发电方式叫风力发电，它的关键设备是风力发电机。 风力发电机是风光互补发电系统中风能的吸收和转化设备。从能量转换角度来 看，风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机，它的功能是将风能转换为 机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换成为电能。风力机起动时， 需要一定的力矩来克服其内部的摩擦阻力，这一力矩称作风力机的起动力矩。 起动力矩与风力机本身传动机构的摩擦阻力有关，因此风力机有一个最低的启 动风速，只有风速大于启动风速时风力机才能工作而当风速超过某一值的时候， 基于安全上的考虑( 主要是塔架和桨叶强度) ，风力机应当停止运转，所以每台 风力机都规定有截止风速，该风速值与风力机的设计强度有关，是设计时给定 的参数【1 7 】。当风速超过截止风速时，风力发电机通过机械限速机构使风机在一 定转速下极限运行的同时接入泄荷电阻或停运行，以保证风力发电机不至于损 坏。介于启动风速和截止风速之间的风速叫做风力机的工作风速，此时风力机 有功率输出，风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速称为该风力机的额 定风速。为充分利用风力资源进行发电，应按当地的风力资源来确定风力机的 起动风速和额定风速，进而选择合适的机型【1 9 1 1 2 0 】。风力发电系统主要由风力发 电机组、蓄电池、风电控制器、逆变器、耗能负载和用户负载等组成。图2 1 为风力发电系统运行结构图。工程上一般使用图2 2 所示风力发电机的风速功率 曲线来表示风力发电机的运行特性。 图2 1 风力发电系统运行结构 对于一台实际的风力机，其机械输出功率尼可以用下式表示： 巴= c ，r = 专v 3 c p = i 7 矽2 v 3 c p ( 2 1 ) 式中，只为通过风轮扫掠面积的风的功率：腥风轮直径；c p 为风能利用系数， 它不是一个常数，随着风速、风力机转速以及风力机叶片参数( 如攻角、桨距角) 的变化而变化；慢风轮远前方风速。 6 z 婷 霄 m s ) 图2 - 2 风力发电机风速功率曲线 2 2 光伏发电系统结构 光伏发电系统中，由光伏阵列负责将太阳光辐射转换成电能。光伏阵列由 一系列的太阳电池经过串、并联后组成。太阳电池是光伏发电的最基本单元， 其基本种类有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池，光电转换 效率为1 2 左右。太阳能电池由半导体晶片构成，多数具有一个大面积的p n 结， 所以p n 结的光生伏特效应是太阳能电池的理论基础。所谓光生伏特效应就是半 导体吸收光能后在p n 结上产生电动势的现象。当太阳光照射到太阳电池上时， 产生光生电子一空穴对。在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离， 太阳电池的两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，若在内建电场的两 侧引出电极并接上负载，则在负载中就有“光生电流 流过，从而获得功率输 出。这样，太阳光能就直接变成了可付诸使用的电能。光伏发电系统主要由太 阳电池阵列、蓄电池、光伏充放电控制器、逆变器和用户负载等部分组成。图 2 - 3 为光伏发电系统运行结构图。 图2 3 光伏发电系统运行结构 使用过程中，总是希望太阳电池输出大电流、高电压。式( 2 - 2 ) 是理想p n 结太阳能电池i v 方程。 l = k i o ( e g 州灯一1 )( 2 2 ) 式中，is 、v s 分别为太阳能电池的输出电流和输出电压；is c 、i o 分别为太阳能 电池的短路电流和p n 结反向饱和电流；k 是玻尔兹曼常数( 1 3 8 1 0 彩j k ) ；t 为温度；q 为电子电荷量( 1 6 1 0 - 1 9 c ) 。 太阳能电池i - v 特性曲线是在某一确定的日照强度和温度下，输出电压和输 7 出电流之间的关系，如图2 - 4 所示。i - v 特性曲线表明太阳电池既非恒压源，也 非恒流源，而是一个非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内相当 恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。 图2 4 光伏阵列l - v 特性曲线 2 3 风光互补发电系统结构【1 1 】【1 2 】【1 3 】 一般情况下，风光互补发电系统是由风电系统和光电系统两部分组合而成 的，其中的光电系统利用光电池板将太阳能转换成电能，风电系统将风能转换 成电能，它们通过控制器对蓄电池充电，并通过逆变器对负载供电。光电系统 的优点是供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高；风电系统的优 点是造价较低，运行维护成本低；缺点是小型风力发电机易损坏、供电稳定性 差。风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与 用电负荷的不平衡。风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但 如果每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状 态。风光互补发电系统在一定程度上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺 陷，同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节上是可以共用的1 2 l j 1 22 。风 光互补发电系统由光伏阵列、小型风力发电机组、控制器、蓄电池组、逆变器、 支架等几部分组成，风光互补发电系统的典型结构如图2 5 所示。 图2 - 5 风光互补发电装置原理框图 前文对光伏阵列和小型风力发电机组有过介绍，下面简单说明图2 5 所示 系统其他部分的工作原理。 8 5 0 5 0 5 0 5 u 孔 孔 毛 幺 l l 叽 1 ) 蓄电池【2 4 j 【2 5 】【2 7 】 在风光互补发电系统中，蓄电池作为储能环节，在风力、日照充足的条件 下，可以存储供给负载后多余的电能；在风力、日照不佳的情况下输出电能给 负载。因此，蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。在常用 的蓄电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。其中铅酸蓄电 池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善，得到了广泛 的应用。本文讨论的风光互补发电系统也选用铅酸蓄电池作为储能装置。 2 ) 耗能负载 负载是整个供电系统的能源消耗环节。由于小型风力发电系统主要是解决 当地居民生活用电问题，负载的用电时间主要在夜晚。在蓄电池充满电的时候， 为了防止风力发电机组继续对蓄电池充电，此时需接入耗能负载来卸荷，即用 它来消耗风力发电机发出的电能；耗能负载另外一个用途就是当风速过高，风 力发电机的输出电压高于设定的保护电压时，也立即接入耗能负载，让耗能负 载消耗掉风力发电机所获得的机械能。 3 ) 逆变器 与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。逆变电路根据直流侧电源 性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电 流源的称为电流型逆变电路。本文所研究的电源是为了在输出得到稳压恒频的 电压信号，故采用电压型逆变电路。 4 )控制器 控制器是独立运行系统中的核心部件，它不仅控制、协调整个系统的正常 运行，而且实时检测系统各参数以防异常情况的出现，一旦检测到异常，它能 够自动保护并报警。总的说来，控制器的主要作用有如下几个方面： 1 ) 保证风机和光伏阵列向蓄电池充电，同时检测各路参数； 2 ) 当蓄电池过充电或过放电时，报警并自动切断线路，保护蓄电池； 3 ) 按需要提供高精度的电压和电流； 4 ) 当负载发生短路时自动断开负载。 2 4 本章小结 本章介绍了风力发电系统和光伏发电系统的运行结构；风光互补系统的组 成结构；简单介绍了本系统组成部件蓄电池、负载、逆变器、控制器的情况。 9 第三章风光互补充电控制器设计 风光互补充放电控制器是风光发电系统中配合蓄电池特性，对蓄电池实施 充电与放电控制的设备。 3 1 风光互补充电控制器方案确定 3 1 1 控制方案 通常大功率风光互补发电系统具有两套充电控制装置，一个是光伏控制 器，另一个是风电控制器，其中光伏、风电控制器的输出并联，共同向蓄电池 和逆变器供电。 若采用这种设计方案，风机控制器、太阳能控制器和逆变电路都独立工作， 必然存在以下一些问题： 整个系统中采用了两套控制电路，增加系统成本； 由于每个部分都独立工作，往往它们各自都处于最佳工作方式，但整个系 统不一定运行于最佳工作方式，资源利用率低； 维护效率低，维护工作量大； 整体重量大，体积大，给运输和安装带来麻烦。 基于上述分析，同时考虑到家用电源系统一般为中小容量，本文设计的系 统充电控制部分将风电控制、光伏控制结合在一起，在一个控制器管理下实现 风光互补充放电控制，改进后的系统原理框图如图2 - 5 所示。 3 1 2 充电方式 对铅酸蓄电池的充电方法很多，包括恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、 快速充电、智能充电、均衡充电等。用于光伏阵列和风机的充电方法也有c v t 和m p p t 等方式。但由于风机和光伏阵列特性的不同，目前较先进的控制方法 是用两套控制器对风机和光伏阵列分别独立进行控制。能否仅用一套具有m p p t 功能的控制器对风机和光伏阵列进行集中控制，相关科研单位正在研究。 综上所述，本系统最终设计了一种p w m 斩波控制的恒压限流充电方式，其设 计原理如下： 首先，当蓄电池在较低的荷电状态s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 下，蓄电池的充 电接受能力较大，控制器可以最大的充电电流( 限流) 对蓄电池进行充电，此时 电压不会到达蓄电池允许最大充电电压值。 其次，当蓄电池被充到一定量时，其充电接受能力变小，充电电压升高， 当到达蓄电池最大允许充电电压时，必须限制充电电压的上升，使蓄电池工作 在恒压充电方式，此时充电电流小于限定值。 1 0 3 2 风光互补充电控制器设计 3 2 1 主电路拓扑结构【2 】 风 虮 系统充电主电路如图3 - 1 虚框中所示。 光s p d 8 - j 伏一刀 阵 歹u - s n f 1 u 一 d 7ku 眦r 一k d ld | 3d 5 j【】ll u c lc 2 q lv 兰 已 = = 厢一 嵌眵l r 3 i ￥ 一kj kl d 2d _ 4d 6 p v ，m v r d c n v c e 控制电路 0 c ! 一一一一一一j 蓄 电 池 图3 - 1 风光互补( 充电) 控制器主电路 上图中包括了风机整流器( d 1 d 6 ) 。d 8 为防反二极管，以保证光伏阵列的 单向导电性，同时避免了风机整流电压和蓄电池对光伏阵列的影响。二极管d 7 及保险丝f l 的加入防止了蓄电池的反接，即当蓄电池反接时，通过d 7 构成短 路回路，过大的短路电流使保险丝f 1 快速熔断切断电路，从而保护了充电器 中的其它元器件。 3 2 2 恒压、限流充电控制的实现 1 ) 恒压充电控制2 9 】 3 0 】 3 1 】 控制核心s g 3 5 2 5 的2 脚( 差放同向输入端) 为输出电压v f b 的采样输入端， 此电压与1 脚基准电压相比较，改变l 1 、1 4 脚的输出p w m 波的占空比，从而 控制q 1 的通断，实现蓄电池的恒压充电。 具体为：蓄电池亏电时，直流输入电压被钳位于蓄电池电压，s g 3 5 2 5 的 输出占空比很小，调整管q 1 控制信号占空比较小，一个p w m 周期内大部分时 间电路处于充电状态。当蓄电池接近充满时，q 1 控制信号占空比增大，大部 分电能由卸荷电阻r 1 消耗。q 1 占空比如此往复循环变化，实现对蓄电池的恒 压控制。当风速过大，导致风机输出电压过大时，q 1 占空比也增大，将产生 的大电压消耗在r 1 上，从而保护了蓄电池。本课题p w m 斩控频率在2 0 k h z 以 上，无卸荷噪声，浮充电压稳定。充电器控制电路如图3 - 2 所示。 7 图3 2 控制器控制电路 2 ) 限流控制 电流调节环路由精密可调基准电压源t l 4 3 1 与光耦组成的反馈电路组成， 如图3 3 所示。 图3 3 电流检测电路 图中，输入o c 为充电电流信号，输出p i n l 连接s g 3 5 2 5 的1 脚。当检测 到过流时，t l 4 3 1 和光耦o p l 发光端导通电流增大，光耦发光增强，光耦感光 部分得到的电压就越小。由于p i n l 连接s g 3 5 2 5 的1 脚( 反向输入端) ，s g 3 5 2 5 的1 脚即为低电平，从而使s g 3 5 2 5 的输出脉冲绝大部分时间为高电平，也即 调整管q 1 绝大部分时间为通态( 导通期间，输入电能经大功率卸荷电阻r 1 消 耗) ，从而导致充电电流减小。当电流回落，光耦断路，s g 3 5 2 5 的l 脚电压恢 复为图3 2 中r 7 、r 8 分压得到的参考电压【3 3 】【3 4 1 。 3 3 本章小结 本章首先介绍了风光互补充电控制器的设计方案，并根据实际情况提出了 自行设计的p w m 斩波控制的恒压限流充电方式，然后介绍了本文所采用的主电 路拓扑结构，最终阐述了恒压限流充电控制的实现方式。 1 2 第四章直流升压电路设计 4 1 直流升压主电路拓扑确定 d c d c 变换器的拓扑很多，常用d c d c 变换拓扑有：单端正激式电路、单 端反激式电路、推挽式电路、半桥式电路和全桥式电路【2 6 】【3 2 j 。 本文直流升压电路的功能是将低压3 6 v 直流转变成稳定的高压3 5 0 v 直流，以 供后级逆变电路转换，7 0 0 w 系统平均输入电流为2 0 a 左右，为低压、大电流型。 综合比较上述各拓扑结构的优劣，本系统输入端电压3 6 v ，属于低压，选择推挽 变换方式( 拓扑结构如图4 - 1 所示) 。推挽电路结构简单，适用于低压大电流的 场合，正好满足系统的要求。由于推挽电路主功率变压器磁芯属于双向磁化， 使得变压器体积可以减小，而变压器占整个控制器的空间较大，从而可减小整 个装置体积。另外，其驱动电路设计简单且无需隔离，使得整个电路设计简单， 成本降低。本系统输入侧为低压大电流运行，推挽拓扑中开关管在任何瞬间都 只有一个开关管导通，可提高能量的利用率。虽然推挽电路中的主功率开关管 需承受最大两倍的输入电压值，但考虑到本系统为低压3 6 v 输入，即使两倍也才 7 0 v 左右，而这两种耐压值的开关管价格相差无几，所以推挽电路更适合于本系 统。当然，由于推挽电路中的功率变压器带有中心抽头，易发生直流偏磁，所 以在变压器的绕制上要求初级两绕组严格对称，否则将影响其变换效率，严重 情况下可能因直流偏磁而导致变压器磁芯磁饱和，造成不良后果，故在变压器 绕制工艺上需注意 3 5 1 1 3 6 j 。 j h 牛! ； j i f ： j in 图4 1 推挽式升压电路拓扑 4 2 推挽升压电路分析 如图4 2 为推挽变换器的主电路，其中q 1 、q 3 为两个共负极的功率开关 元件，t r l 为带中心抽头的升压变压器。整流电路为全桥整流电路，适用于输出 电压较高的场合。l 1 、c 4 构成输出滤波电路。当q 1 力日上驱动信号u g l 时，q l 导通 q 3 截止，变压器输出端电压上负下正；当q 3 功率管加上驱动信号u 9 2 ，q 3 导通， q 1 截止，变压输出端电压上正下负。控制信号交替驱动两个功率管，则经过变 压器耦合产生高压矩形交流电压，此高压高频交流电再经过整流电路整流转化 为高压直流。q 1 、q 2 断态时承受的电压均为2 。为避免两管均导通造成变压 1 3 器原边短路，q 1 、q 3 的占空比均不能大于5 0 ，并相互错开以留有一定的死区【3 7 1 。 4 3 推挽升压电路设计 = 图4 - 2 推挽变换器主电路 4 3 1 升压环节主电路 升压环节主电路如图4 - 2 所示，由推挽升压电路、输出整流滤波电路、控制 电路以及保护电路构成。 4 3 2 控制电路设计 基于上述理论分析，本文采用了以美国硅通用电气公司生产的电压控制型 p w m