（电力电子与电力传动专业论文）基于tms320f2812dsp风光互补发电系统控制器的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 一i i i i ! ! ，| ! ，曼，_ a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tp a r to ft h en e we n e r g yr e s o u r c e s ，t h ep v w i n dh y b r i de n e r g y c o n v e r s i o ns y s t e mw i t hb a t t e r ys t o r a g ei sa r i s e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n o w ，w ea r e s t u d y i n ga b o u tt h i sa d v a n c e ds c i e n t i f i ck n o w l e d g ea b o u tt h ec o n t r o lm e t h o do fh y b r i d p v w i n dp o w e rs y s t e m i ti so fg r e a tb e n e f i t 1 1 h ep a p e rb e g i n sw i t ht h ep h o t o v o h a i ce f f e c t a c c o r d i n gt ot h eu ip e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fs o l a re n e r g yb a t t e r i e s ，c h a r g ea n dd i s c h a r g ec o n t r o ls t r a t e g yw a s p r o p o s e db a s e do nm a x i m u mp o w e rt r a c kt e c h n o l o g y ( m p p t ) i no r d e rt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ec h a r g ea n dd i s c h a r g es y s t e m ，t h i sp a p e ra l s op r o p o s e dt h ep r i n c i p l e so f t h r e e - - s t e pc h a r g i n g ，c h a r g i n ge q u a l i z a t i o n ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n b a s e do nt h e s et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，c o m b i n e da l le n g i n e e r i n gp r o j e c t ，ad e s i g no f t h ec o n t r o l l e ro fh y b r i dp v 刖i n dp o w e rs y s t e mw a sm a d e b yt h eu s i n go fh lv o l t a g e s e n s o r sa n dh lc u r r e n ts e n s o r , i ta c h i e v e dr e a l t i m es a m p l i n gv a l u e s t h ew i n d d r i v e n g e n e r a t o rv o l t a g e ，t h es o l a rp a n e lv o l t a g e ，t h es t o r a g eb a t t e r i e sv o l t a g ea n dt h ec h a r g i n g c u r r e n t t h et m $ 3 2 0 f 2 812d s pe v aa n da dd e t e r m i n ew h i c hs t a t et h eb a t t e r i e sb e i n g i n t h ev o l t a g eo ft h es t o r a g eb a t t e r i e sr e a c hac e r t a i nm i n i m u mv a l u e , o ra r eb e y o n d t h em a x i m u mv o l t a g e ，o ra r ew i t h i nr a n g eo ft h en o r m a l s oi tc a na c c o m p l i s hc h a r g i n g t h eb a t t e r i e sa r eb e i n gc h a r g e do rd i s c h a r g e di n t e l l i g e n t l y , a ta p p r o p r i a t et i m e t h e d o u b l ei n t e l l i g e n tp r o t e c t i o ns y s t e m s ，c o m p o n e n to f b o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a r e p r o v i d e ds oa st oa v o i do v e r s p e e da n dm e c h a n i c a ld a m a g et ot h ew i n d d r i v e ng e n e r a t o r af r i e n d l yi n t e r f a c ew a sp r o v i d e dt h r o u g ht h ed i s p l a yo ft h el e da n dl c d t h eh y b r i d p v 脚i n dp o w e rs y s t e mn e e d sal o to fd i f f e r e n tv o l t a g el e v e l s ad cs o u r c ei sr e q u i r e d a si n t e r f a c e sb e t w e e nt h ed cs y s t e m so fd i f f e r e n tv o l t a g el e v e l s i no r d e rt om a i n t a i n t h eo u t p u ta tt h ed e s i r e dv a l u e ，i ti ss p e c i a l l yd e s i g n e dap i l o tf 1 y b a c ks w i t c hp o w e r s u p p l yb a s e do nu c 3 8 4 3 t h ed o u b l ec o n t r o lt a c t i c so fv o l t a g ec o n t r o l l o o pa n dc u r r e n t c o n t r o ll o o p i m p r o v e dr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f 也es y s t e m a tl a s t a c c o r d i n gt ot h o s er e s e a r c h ，ac o n t r o l l e ro fh y b r i dp v 月忻n dp o w e rs y s t e r n w a sm a d e a l lk i n do ft e s t i n gh a v eb e e np r a c t i c e do ni t sc a p a b i l i t y , t h er e s u l t st u r n e do u t t h a tt h ew h o l ec a p a b i l i t ya n di n d e x e sh a v er e a c h e dt h ed e s i g nr e q u e s t s k e y w o r d s ：h y b r i dp v a v i n dp o w e rs y s t e m ，m p p t , t h r e e - - - - s t e pc h a r g i n g 潮班二案大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究- r f f 所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 溯黼张帮彳吼。7 年月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 指导教师签名： 日期： 6 珏| | b 艺1 ， 参 件日 ，萨y 钮 月 者 f 倒净姗呻 馘 知 湖北5 - 业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1新能源发电技术 在2 1 世纪，可持续发展( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ) 是我们共同面临的重大挑 战。所谓的“可持续发展是指既能满足当代人的需求，又不对后代人的需求构 成危害的发展。它们是一个密不可分的系统，既要达到发展经济的目的，又要保 护好人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土地和森林等自然资源和环境，使子孙 后代能够永续发展和安居乐业。近年来，由于化石燃料产生的二氧化碳等温室效 应气体引起的全球气候变化的趋势日益显著，自然灾害r 益频发、地表平均气温 升高、冰川不断溶化。环境问题j 下成为人类关注的焦点。我国人口众多，经济飞 速发展，能源矛盾日益突出。为实现可持续发展，我们必须实施新能源发展战略， 采用新技术，在保证经济高速发展的同时，保护我们的生存环境【1 1 。 人们常说的“新能源”主要是指可再生能源，包括太阳能、风能、地热能、 生物质能、潮汐能、海洋能等。这些能源由于取之不尽、用之不竭，而倍受学术 界的瞩目。目前，以太阳能发电和风力发电最具实用性和市场前景，也是目前电 力电子专业研究的热点。 太阳能发电又称光伏发电。太阳能作为一种分布广泛、清洁环保等优点而备 受人们的青睐。太阳能利用主要体现在如下三个方面：光热转换、光电转换和光 化学转换。其中又以光电转换，既太阳能光伏发电的应用最为广泛，该系统是利 用光生伏打效应将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电完成储能环 节，最后再通过逆变器对用户提供稳定、高质量的电能。 我国幅员辽阔，大部分地区太阳能资源比较丰富，具备发展太阳能的客观条 件。特别是广大西部地区，由于地处高原，日照充足，风力资源也好，非常适合 建造光伏电站或风光互补电站。另一方面，该地区大量的牧民对电力的需求，为 一家一户独立的风光互补发电系统的发展提供了契机。社会可持续发展的要求和 能源危机的频繁出现，使得我国以石化为主的能源结构受到严峻的挑战，这为我 国光伏发电产业提供了机遇，也为光伏技术的推广提供了巨大的舞台，加快了光 伏产业的进程。在这种良好的社会环境下，我国的光伏发电产业近几年取得了长 足的发展。和发达国家相比，我国的光伏产业还处于起步阶段，和美、日、德等 发达国家还有着很大差距。但是随着人们环保意识的提高，政府对新能源利用的 湖北工业大学硕士学位论文 重视，新能源的发展必然进入一个全新的黄金时期，新能源事业也必将成为我国 社会、经济可持续发展的动力瞄儿引。 国家发改委和国家科委共同制定的“1 9 9 6 - - - 2 0 1 0 年中国新能源和可再生能源 发展纲要”及“新能源可再生能源优先发展项目 ，明确表示风力发电也是我国可 再生能源发展的重要方向，它可改善我国能源工业面临的经济增长和环境保护的 双重压力。 绿色能源中，风能不仅储量大，可利用率高，而且便于大规模开发。1 9 9 0 年 以来，全球风力发电设备总装机容量增长了1 5 ，年平均增长率达到2 0 。截至 2 0 0 1 年底，全世界风力发电装机容量已达2 4 1 0 0 m w ，已运行机组的最大单机容量 已达5 m w 。据有关部f u n 算，我国可开发利用的风能资源：陆地为2 5 3 亿k w ， 近海7 5 亿k w ，合计l o 0 3 亿k w ，仅次子前苏联和美国。近年来，我国风力发电 装机容量增长迅猛，2 0 0 3 年为5 6 7 万千瓦，2 0 1 0 年我国风力发电装机容量可达 4 0 0 万千瓦。按照国家发展规划，我国风电装机容量到2 0 0 5 年将达1 0 0 0 m w ；2 0 1 0 年将达4 0 0 0 m w ：2 0 15 年将达i0 0 0 0 m w ；2 0 2 0 年将达到2 0 0 0 0 m w h l 。目前我国 新建和在建的风电场的大风机机组基本上是由丹麦、德国等国提供成套设备或引 进技术和部件在国内制造组装。 风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄 电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是资源条 件好，系统发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低，缺点是小型风力发电 机可靠性低。风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于 风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电 量的多少以及设备的安全。目前大型的风力发电机亟待研究解决的的两大问题是： 发电效率和发电质量。对此，国内外学者进行了大量的研究晦1 ，取得了一定的进展， 随着现代控制技术和电力电子技术的发展，目前，国内外大型风力发电变流器技 术已经越来越成熟，逐步走出实验室，走向商业市场。 1 2 风光互补发电系统概述 光伏发电系统的优点是资源条件好，系统供电可靠性高，运行维护成本低， 缺点是系统造价高。风电系统的优点是资源条件好，系统发电量较高，系统造价 较低，运行维护成本低，缺点是小型风力发电机可靠性低。但风力发电和太阳能 发电系统都存在一个共同的缺陷啼儿 ，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，但每天的发电量 2 湖北工业大学硕士学位论文 | 一 i i ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎曼! ! 曼苎! 鼍基 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， 这也是引起蓄电 池组使用寿命降低的主要原因。因此对蓄电池充电特性的研究特别是温度补偿和 均衡充电技术就显得十分关键了。 太阳能与风能具有天然的互补性。在夏季，太阳光强度大而风小；冬季，太 阳光强度弱而风大。在白天，太阳充足，而风较小；而晚上则风较大。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。所以， 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利用上的缺陷。同 时，风力发电和太阳能发电系统在蓄电池组和逆变环节上是可以互相通用的，所 以风光互补发电系统的造价可以大大降低，系统成本趋于合理。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 系统供电的可靠性，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，应 该说，风光互补发电是最合理的独立电源系统。 风光互补发电系统各部分容量的合理配置对提高整个系统的效率，保证其可 靠性都十分重要随1 。一般来说，系统配置应考虑的因素主要有；a ) 用电负荷的特 征，主要是指用户的最大用电负荷和平均日用电量；b ) 太阳能和风能的资源状况。 这些使得风光互补发电系统成为国家电网公司目前解决西北边远地区特别是游牧 民族供电问题的最佳解决方案。 1 2 1 风光互补发电系统简介 风光互补独立电源系统的结构主要由太阳能电池阵列、风力发电机、智能管 理核心( 风光互补m p p t 控制器) 、单相或者三相逆变器、储能元件( 蓄电池组) 等构成，如图1 1 所示。 图1 1 风光互补发电系统框图 系统的具体构成参数由使用时最大用电负荷与日平均用电量决定1 。最大用电 3 湖北工业大学硕士学位论文 负荷是选择系统逆变器容量的依据，而半均日发电量则是选择风机及太阳能电池 容量和蓄电池组容量的依据n 们。同时系统安装地点的风光资源状况也是确定太阳 能屯池和风机容量的另一个依据1 。 ( 1 ) 太阳能电池阵列 太阳能电池阵列采用合适规模的太阳能电池板，将太阳能转换为电能，并通 过智能管理核心对蓄电池充电、放电进行统一管理。太阳电池阵列一般选用多晶 硅太阳电池组件，要求用高透光率低铁钢化玻璃，外加阳极化优质铝合金边框， 具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹能力等特性。 ( 2 ) 风力发电机 风力发电单元利用小型风力发电机，转换风能，同时通过智能管理核心控制 整个系统的充放电。在选型时要求尽量选择低速启动风机，这样具有捕获风能能 力强、发电效率高等优点。考虑到系统的可靠性，一般要求风力发电机具有在恶 劣的天气情况下自动偏航保护和机械过速保护等功能。 ( 3 ) 储能元件( 蓄电池组) 风电和光电单元必须通过中间储能环节才能稳定供电。系统常用的储能元件， 其成本低、容量大、免维护的特性使其成为风光互补独立电源的首选。蓄电池组 可选用高能阀控式密封铅酸免维护蓄电池。其是在阀控电池的基础上发展起的一 种改进型电池，它具有放电功率大、充电更迅速、循环寿命长、重量轻、性能可 靠、容量大、免维护等优点。 ( 4 ) 智能管理核心( 风光互补控制器) 智能管理核心风光互补控制器是保证电源系统正常运行的重要设备。由 液晶显示模块、控制芯片等组成，是系统控制、管理的核心。该核心通过自寻优 算法驱动开关管，实现对蓄电池的三阶段优化充电；利用模拟总线实现系统的监 控和显示等功能。 1 2 2 风光互补发电系统的研究现状 最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为 缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。 7 0 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环境保护的巨大压力，许多国家都掀 起了开发利用新能源的热潮。开发利用以太阳能和风能为代表的新能源已成为各 国战略发展的重要内容u ”。 随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，人们对其经济性的要求也越来 越高。国外的科研机构相继开发出一些风力、光伏及其互补发电系统计算和仿真 4 湖北工业大学硕士学位论文 ! ! ! i = 二i i = = ；一 m i i 。曼 的大型工具软件。目前，国外进行这方面研究的大学有c o l o r a d os t a t eu n i v e r s i t y ， u n i v e r s i t yo fm a s s a c h u s e t t s 等。其中c o l o r a d o s t a t eu n i v e r s i t y 和n a t i o n a lr e n e w a b l e e n e r g yl a b o r a t o r y ( 美国可再生能源研究室) 合作开发t h y b r i d 2 应用软件。该软件功 能强大，能对一个风光互补发电系统进行精确的模拟运行，根据输入的发电系统 的结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度数据获得5 7 6 0 d x 时的运行结果。 但它只是一个功能强大的仿真程序，并不具备优化设计功能。 国内，香港理工大学同中科院广州能源所、中科院半导体研究所合作提出了了 一整套利用c a d 进行风光互补发电系统优化设计的方法。该方法采用了更精确地 表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型，精确确定系统每小时的运 行状态。采用比较寻优的方法找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统 配置。中科院电工所、西安交通大学在风光互补发电系统的设计上也有各自的优 化方法，其目的都是寻求满足用户要求的最小投资配置。另外，合肥工业大学能 源研究所提出了风光发电系统的变结构仿真模型，用户可以重构多种结构的风光 复合发电系统并进行计算机仿真计算，从而能够预测系统的性能、控制策略的合 理性以及系统运行的效率等等。 风光互补发电系统另一方面的研究主要是利用飞速发展的电力电子技术和现 代控制技术提高系统的供电高效性和运行稳定性。通过电力电子技术来实现风力 发电和光伏发电的最大输出功率追踪捕捉以及负载端的交流直流逆变输出。在这 方面的技术创新层出不穷。华南理工大学研究设计了新型无刷双馈发电机，并通 过权值调节方式实现太阳能逆变器最大功率输出，再通过计算机控制技术和现代 通信技术来实现对系统的监控与保护，保证系统在无人职守的情况下能稳定可靠 地运行。这方面的研究多见于西北部偏远山区农牧民供电系统以及海岛居民生活 用电系统。西藏4 k w 风光互补电站示范工程的完成、内蒙古户用风光互补系统的 推广以及山东省某海岛3 0 k w 风光互补发电系统的是风光互补发电系统应用的成 功案例【1 3 - 5 1 。 风光互补发电系统是新能源应用产业化的重要组成部分，是一些重要场合( 例 如变电站、移动通讯基站系统继电保护、监控系统等) 的应急后备电源；是解决 西北边远牧民用电问题的一个有效途径；为解决当前的能源危机和环境污染开辟 了一条新路u 引。 1 3项目来源、研究内容和设计目标 本课题来源于国家电网电力科学研究院“基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 风光互补发 5 湖北工业大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! 。；：；i ： i_i i ! ! ! 皇曼苎苎! ! 皇 电系统的研究 的子课题风光互补控制器的研究。项目主要承接单位国网电 力科学研究院高压新技术研究所，该所是专门从事电力前沿新技术研究的部门。 为了响应国家节能减排的号召，高压新技术研究所积极投身于新能源技术的研究 工作，并以太阳能风能互补控制器的研究为突破点，探索性地做一些尝试。在国 网电力科学研究院高压新技术研究所实习期间，本人参与了此课题的研究工作。 本文在研究风力发电和太阳能发电相关理论的基础上，结合风光互补控制的 特点推导出了统一性m p p t 跟踪技术，给出了一套风光互补控制器的设计解决方 案。利用太阳能电池、风力发电机、蓄电池电压和充放电电流作为充放电控制的 依据，根据电压电流的扰动，进行风力发电机和太阳能电池充电的选择和优化控 制；以d s pt m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 芯片为核心，设计了硬件检测和驱动电路，基于c c s 完成了相应软件的编制，并利用l c d 实现了各主要参数的显示输出。实验结果表 明，该控制器具有风光互补控制的主要功能，且具有过压、欠压、反接等保护功 能，具有一定的产品价值。 设计目标： 风光互补控制器具备以下几大功能： 1 提供直流2 4 v 稳定输出； 2 实时监测风力发电机、太阳能电池、蓄电池电压、充电电流等参数，采用 m p p t 技术，利用风能和太阳能对蓄电池优化充电，实现对可再生能源最大效率的 利用； 3 对蓄电池的端电压、电流等数据进行采集、显示、运算，判断蓄电池所处 的充电阶段，利用p w m 占空比的动态调制实现动态跟踪和充放电管理： 4 提供各种异常保护，提高系统的安全性和可靠性，实现蓄电池充电的欠压 保护和过压保护、风力发电机的过速保护、蓄电池和太阳能电池的反接保护及开 关管过热保护； 5 系统可根据实际需求进行扩展，配合逆变器可对用户的不同需求，提供稳 定的、高质量的交流2 2 0 v 正弦输出。 本设计的基本参数如下： 1 、太阳能电池：0 4 2 v 2 、风力发电机：0 1 0 0 v 3 、蓄电池：1 2 v x 2 ( 5 5 a h ) 4 、充放电的阀值电压： 过压保护点：v i 吣( 2 8 8 矿+ 【，) 6 湖北工业大学硕士学位论文 欠压保护点：v 俩( 2 1 6 v 十a u ) 5 、风机过速保护阀值电压( 直流侧) ：9 0 v 6 、充电电流：0 2 0 a 7 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章风光互补发电系统的理论 2 1太阳能电池的最大功率跟踪 2 1 1太阳能电池及其特性曲线 太阳能光伏发电的能量转换器的核心是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能 电池发电的原理是光生伏打效应n 。所谓光生伏打效应就是当物体受光照时，物 体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他 光照射半导体的p n 结时，就会在p n 结的两边出现电压，叫做光生电压。使p n 结短路，就会产生电流。根据电气特性，建立如图2 1 所示的太阳能光伏电池理想 模型。 足 v 图2 1太阳能电池等效模型 电压、电流的参考方向如图2 1 所示，可以得出太阳电池的i v 方程为： m i o e x p 警 1 _ 半 协，) 式中，：太阳能电池输出电流( 工作电流) ； y ：太阳能电池输出电压( 工作电压) ； 工：光生电流； 1 0 ：二极管饱和电流； g ：电子的电荷量( 1 6 x 1 0 1 9c ) ； 气：光伏电池的串联电阻； 刀：二极管特性因子； 足：玻耳兹曼常数( 1 3 8 1 0 喇j k ) ； r ：太阳能电池绝对温度； 8 湖北工业大学硕士学位论文 。：太阳能电池的并联电阻； 根据式( 2 1 ) ，可得到太阳电池的i v 特性曲线，如图2 2 所示。所谓的太阳 电池i v 特性是指在某一确定的同照强度和温度下，太阳电池的输出电压和输出电 流之问的关系n 引。图2 2 显示的i v 特性曲线，表明太阳电池既非恒压源，也非恒 流源，不可能为负载提供任意大的功率。事实上，它是一种非线性直流电源，输 出电流在大部分工作电压范围内相对保持恒定，最终在一个足够高的电压之后， 电流迅速下降至零【1 7 】。 图2 2 太阳电池的i v 特性曲线 根据特性曲线可以定义出太阳电池的几个重要技术参数： 表2 1 太阳电池常见参数 1 短路电流( i s c )在给定温度照度下所能输出的最大电流 2 开路电压( v o e )在给定温度照度下所能输出的最大电压 3 最大功率点电流( i m )在给定温度照度下最大功率点上的电流 4 最大功率点电压( v l n )在给定温度照度下最大功率点上的电压 5 最大功率点功率( p m ) 在给定温度照度下所能输出的最大功率，p m ：，m 。 将太阳电池单元进行串、并联并封装后就成为太阳电池组件，功率一般为几瓦、 几十瓦甚至数百瓦，众多太阳电池组件按需要再进行串、并联后形成项目所需的 太阳电池阵列。本设计采用无锡尚德1 2 0 w 的太阳能电池组件，共计8 块。 2 1 2 太阳能电池最大功率跟踪( m p p t ) 光伏发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工作效率和整个系统的 9 湖北5 - 业大学硕士学位论文 曼! ! ! ! i ；二i i i i i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! 工作稳定性。最大功率点足艮踪( m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g ，m p p t ) 是太阳能 光伏发电系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。 所谓最大功率点跟踪控制就是实时检测太阳能电池的电压、电流等输出特性， 采用一定的控制策略来检测当前工况下太阳能电池的最大功率输出，通过改变占 空比，即改变输出阻抗来满足最大功率输出的要求u9 1 。这样即使在光照，温度， 湿度等状态改变的情况下，系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。 o 51 01 5 2 0 2 5 u v 图2 3 太阳能电池输出特性曲 对于一定的光伏阵列来说，在某个日照和温度下，它的伏安特性是不变的， 可表示为： = f ( l ) ( 2 - 2 ) 同理，蓄电池的充电特性曲线也可表示为： = g ( t ) ( 2 - 3 ) 此时，光伏阵列与负载之间最佳匹配与否完全取决于充电特性曲线，设a 为 m p p t 适配器的输出电压和输入电压之比，即： a = u ，u , ( 2 4 ) j 设m p p t 适配器的转换效率为l ，则可得 u l i i = u f i f 只，则说明电压扰动方向正确，继续保 持原方向扰动。同理，工作点再从b 点扰动到c 点，如果最 只，则继续保持原扰 动方向。工作点从c 扰动到d 时，此时功率点在下降曲线上。由于 辟，则说明 电压扰动方向为输出功率下降方向，则扰动方向为反向，即啡= u 凸一a u ，工作 点再从d 扰动回c 点。同理，系统工作点在b ，c ，d 之间徘徊，保持寻优过程。其 工作过程如图2 6 所示。 l s 湖北工业大学硕士学位论文 扰动观察法的最大优点是控制思路清晰、易于实现、算法简单。但是，光伏系 统在使用扰动观察法工作时，阵列输出功率在最大功率点附近容易发生振荡，导 致部分功率损失，且初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响【2 5 】【2 6 1 。 2 3 4 变步长扰动观察法 本着减少在最大功率点附近振荡的幅度和实现准确、快速地跟踪到最大功率点 控制思想，本系统采用了变步长扰动m p p t 的控制策略。 变步长扰动m p p t 策略是固定步长扰动法的改进方法，该方法是通过扰动d c d c 电路占空比d 实现的，当功率变化出现变号时，只改变扰动步长的数值，而 扰动方向不变。当加入扰动后，若p s ，保持原来的扰动值和跟踪方向；若 a 尸s 一占，扰动值折半为芸，按原来方向跟踪。s 为数值很小的正数，舻为当前 2 负载功率e ( ，z ) 与前一采样时刻负载功率异( n 1 ) 的差值。m i n a 为最小占空比扰动 值，其值取决于系统的结构、动态响应特性等，具体实现在第四章进行详细阐述。 这种方法解决了传统定步长扰动法在跟踪过程中存在的剧烈振荡的问题，减少了 部分功率的损失。 2 4 蓄电池充放电理论 上世纪6 0 年代中期，美国科学家马斯对蓄电池的充电过程作了大量的试验研 究，并提出了马斯理论。即以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电曲线，如 图2 7 所示。 f 图2 7 最佳充电曲线 充电过程中产生极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢 气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板( 正极板产生氧气) ，使电池内部 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所 谓的极化现象。蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下： p b + p b 0 2 + 4 h + + s o j = 2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 2 1 ) 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。 2 4 1 三段式充电理论 针对风光互补系统容易造成蓄电池长期欠充或者过充的情况，三段式充电理 论可以大大提高蓄电池的充电效率，缩短充电时间，根据蓄电池特性进行优化充 电有效延长电池寿命，解决蓄电池过快老化问题b q 刭。常见的蓄电池充电方案如 下所述： 第一阶段：大电流灌充阶段( 1 l i g hc u r r e n tb u l kc h a r g es t a t e ) ，由电压采样电路 获取蓄电池的电压状况，当电压小于欠压阀值( v 1 ) 时，太阳能电池板、风力发 电机以其所获的最大电流对蓄电池充电( 最大电流对不同功率的系统取值不同， 可按c 5 充电率取值，其中c 为蓄电池容量) ，由于太阳能电池和风力发电机的电 流与天气状况有关，所以大电流的取值将在一定范围之内。保持大电流充电至v o c l 后，进第二阶段。第一阶段的充电程度可达7 0 - - 一9 0 。 第二阶段：过电压恒充阶段( o v e rc h a r g es t a t e ) ，以恒定的电压v 2 充电，直 到充电率降至i o c 。进入下一阶段充电过程。从单体铅酸蓄电池的恒流充电特性，当 充至约9 5 时，单体电池两端的电压会突然升高，在过电压恒充阶段保证了蓄电 池组中较差的电池得以充足电。同时也要考虑过高的过电压会增大释气量，过标 准电压的选取可参考单体铅酸蓄电池的恒流充电特性。第二阶段的充电程度接 近1 0 0 。 第三阶段：浮充阶段( f l o a tc h a r g es t a t e ) ，以恒定精确的浮充电压v f 进行浮充。 蓄电池充满后，以浮充方式维持电压。浮充电压的选择对蓄电池的寿命尤为重要， 利用浮充方式解决蓄电池自放电的问题，这样才能保证蓄电池一直处于满电的状 态。 2 4 2 三段式充电管理过程 为了提高蓄电池的使用寿命和免维护周期，本系统的设计对铅酸蓄电池的管 理采取智能三段式充电方案。即： ( 1 ) 大电流灌冲阶段：由d c d c 变换器对整组蓄电池进行充电，并利用 电池电压检测电路自动对蓄电池进行快速检测，当蓄电池达到标定最高充电电压 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 阀值附近时，停止第一阶段大电流灌冲。 ( 2 ) 过电压恒冲阶段：主充阶段完成后，蓄电池电压检测电路及d c d c 电 路的驱动信号在d s p 的控制下，对蓄电池进行充电，直至将蓄电池充到恒定的电 压v 。 ( 3 ) 浮充阶段：在此阶段，d s p 产生很小占空比的驱动信号，对蓄电池进 行维持充电。抑制蓄电池本身的自放电对系统的影响。 本系统采用的智能三段式充电方案，控制流程如图2 8 所示。 2 4 3 温度补偿 图2 8 充电状态流程 在三段式充电中，温度对于阀值电压的确定也是一个很重要的因素。一般而 言，铅酸电池的电压均具有负温度系数，其值为一4 m v * c d 引。 在一般情况下，对蓄电池过充电与过放电保护是检测蓄电池的端电压而完成 的。没有考虑铅酸蓄电池本身电解液的温度与环境温度对蓄电池过充点保护电压 的影响。过充点保护电压不变时，温度降低将导致蓄电池不能充满电；反之温度 升高将导致蓄电池处于过充电状态，缩短了蓄电池的使用寿命。因此在系统设计 的时候，就应该考虑温度对蓄电池电压的影响。即铅酸蓄电池各保护电压随蓄电 池电解液的温度和环境温度的变化而变化。当温度升高时，其过充点保护电压降 低；温度降低时，其电压升高。蓄电池在此情况下运行，电解质损失很少，有利 于蓄电池充满电及延长蓄电池的使用寿命。洲。 蓄电池电压阀值的温度补偿关系式为： u = u o + ( - o 0 0 4 ) ( r - t o ) ( 2 - 2 2 ) 式中，材：经补偿后的过充电压阀值； ：标准温度瓦下的过充电压阀值，不同厂家的值有差异； 1 8 湖北5 - 业大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! 烹! ! ! ! ! ! i ；i i ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 暑 丁：电池充电时的温度； 矗：通常取2 5 。 在保证蓄电池过充点保护线路上下门限独立调节的基础上，实现了对过充点 电压的自动温度补偿功能。完善了充电控制器的功能，提高了光伏系统的可靠性， 延长了蓄电池的使用寿命。 2 4 4 均衡充电 由于电池个体间电化学状况的不同，即使在正常情况下反复进行充放电循环 都会使这种差异不断恶化，最终造成串联的各电池间充电水平和端电压的严重不 一致。充电过程中这种不一致性造成某些电池会比其他电池提前完成充电，继 续进行过充电会导致这部分电池进入气体析出阶段，产生严重的不可恢复的结构 性损坏，甚至出现安全问题。类似地，在放电过程中，电池组中提前耗尽能量的 电池继续放电，相当于被其他电池反压充电，不仅造成能量空耗，甚至会出现极 性颠倒的情况，导致电池寿命严重减损。因此，均衡各个电池单体的充放电水平， 对于延长电池寿命是极为重要的。 从根本上消除蓄电池间不均衡状态的方法是在使用过程中进行主动调整，当 电池间出现差异时，直接对蓄电池间能量的流动方式进行调节，削减能量水平低 的电池的能量输出，对能量水平高的电池则采取相反的操作。由于各个电池在充 放电过程中电量一电压特性基本相同，因此可以依据这一特性来进行操作，以实 现动态均衡汹1 。 本系统由于仅使用2 节1 2 v 5 5 a h 的蓄电池，因此不必重点考虑均衡问题。但 是对于大功率、大容量的蓄电池组而言，这个问题就显得十分重要和迫切了。 2 5 本章小结 本章阐述了太阳能电池的最大功率跟踪、风力发电机的最大功率跟踪、风光 互补最大功率跟踪，以及蓄电池从放电理论。本章的内容为接下来章节中具体的 风光互补控制器设计研究提供了基础的理论支持。 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章风光互补控制器的系统结构设计 3 1 风光互补控制器结构 风光互补控制器是保证电源系统正常运行的重要设备，主要包括开关管、采 样检测电路、驱动电路、l c d 液晶显示模块、控制芯片、d c - d c 变换电路及辅 助电源等组成部分，风光互补控制器系统框图，如图3 1 所示。 图3 1风光互补控制器系统框图 3 2 基于统一m p p t 技术的主电路拓扑结构 3 2 1 统一m p p t 风光互补系统主电路 基于前一章关于风光互补发电系统的理论，设计了具有m p p t 功能的风光互 补控制电路，其主电路结构如图3 2 所示。 湖北5 - - 业大学硕士学位论文 i 舞辎 ： 长医温锄 1 一 饔辎一 5 k q 时振 荡频率f 2 1 ( o 5 5 r r c r ) 。脚为5 v 基准电压输出端；脚为图腾柱式输出 端；脚为内部误差放大器e a 的反响输入端，与内部同向输入端的2 5 v 基准进行比较，控制输出脉宽，脚为e a 的输出端，与脚构成电压负反 馈；脚为内部电流传感比较器的通向输入端；脚与脚分别是芯片电源 输入端和地。u c 3 8 4 3 利用电压与电流的回馈形成双环控制。 8 ( v r e f l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 卜t 1 t 矿h 欠谶定l卜r _ r 一荔h 欠赢定l 4o _ r t c t 2 。- 电压反馈 i l ：+ l 二 l i v r e f 欠压锁定 振荡器 误差放大器 触发器 锁存脉 宽调制 1 叫j c o ml 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图3 1 0u c 3 8 4 3 内部框图 ( 2 ) 辅助电源电路设计 7 v c c 6 输出 5 地 甲3 ：电流取样 湖北工业大学硕士学位论文 辅助电源主电路图，如图3 1 l 所示。蓄电池通过防反二极管d 1 1 ，利用电阻 r 3 给电解电容c 1 1 充电，当c 1l 充到u c 3 8 4 3 的启动电压1 0 v 附近时， u c 3 8 4 3 开始启动。然后由d 3 、d 4 、c 9 、c 10 、c 1 l 构成自馈供电电路 为u c 3 8 4 3 供电。u c 3 8 4 3 启动产生p w m 信号，驱动开关管q l ，通过变压器实 现d c d c 变换。在变压器副边( + 5 v a 、o v a ) ，利用t i a 3 l 光耦将反馈信号送给 u c 3 8 4 3 的反相输入端，与电流采样信号迭加，实现电流内坏，电压外环的双环控 制策略。r 1 4 为电流采样电阻，流经该电阻的电流产生的电压经滤波后送入 引脚i s 电流比较器同相输入端闭环调节器的给定信号，与引脚输出电压反馈 信号接入构成双环控制回路。与引脚 r t c t 和引脚v r e f 相连的r 1 0 、c 1 2 是u c 3 8 4 3 的外部定时电阻和定时电容，产生振荡频率。高频变压器和功率 开关管都接有r c d 缓冲器，用于吸收尖峰电压，防止功率开关管的损伤， r 4 、c 4 、d 1 构成r c d 缓冲器。 图3 1 1 辅助电源电路原理图 3 3 3 控制环路的设计 电压外环、电流内环的双环控制策略的实现是整个辅助电源设计的核心。 湖北工业大学硕士学位论文 l l 卜j gl 朗q h l 图3 1 2 双馈控制环路 双闭环控制具体电路分析如下： 如图3 1 2 所示，v c c 为变压器副边输出电压，目标值为+ 5 v 。在图3 1 1 中变 压器副边输出电压信号经过二极管d 2 整流，电容滤波后，经r 5 、r 6 电阻分压取 样，采样值送入t l 4 3 1 中的运放的同相输入端，与t i a 3 1 内部2 5 v 的标准参考电 压比较。误差信号经r 7 和c 6 构成的p i 环节调整，输出信号驱动t l 4 3 l 内部的 三极管动作，v e c 经光耦t l p 5 2 1 与电阻r 8 构成通路，在光耦t l p 5 2 1 的回馈输 出端得到一个回馈信号。该回馈输出直接接在误差放大器的输出端脚，跳过芯 片内部的误差放大器，直接用脚做回馈，然后与电流检测输入的第脚进行比 较，通过锁存脉宽调制器输出p w m 驱动信号。当输出电压升高时，经分压电阻 r 5 ，r 6 分压后输入到t i a 31 的参考端，t i a 31 参考端的电压也升高，此时流过光 藕的发光二极管的电流增大，t l p 5