家用风光互补发电系统的设计与MPPT控制

2010-05-15李绍武

湖北民族大学学报(自然科学版) 2010年3期

李绍武

(湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施 445000)

随着能源危机的加重和人们对清洁能源的广泛使用，将风光互补发电技术引入普通家庭用户已越来越被人们所重视.家用风光互补发电系统具有初期投资小、使用方便、能源利用率高等优点，因而市场发展潜力巨大[1].一般的风光互补发电系统设计较单一、效率较低[2-4]，不适合普通家庭用户使用.本文针对家庭用电特点设计了一种风光互补发电系统，并提出了最大功率跟踪(MPPT)控制策略，一定程度上解决了设计和效率方面的问题.

1 硬件设计

家用风光互补发电系统硬件主要由两大部分组成：主电路和控制电路.

1.1 主电路

系统主电路原理如图1所示.家庭用电系统的供电主要由两大部分组成：风光互补发电系统和普通市场供电(简称市电)系统，它们之间通过全控型开关器件K3和K4进行切换，而且以风光互补发电系统供电为主，市场供电为辅.风光互补发电系统是主电路的核心部分，主要有5种工作模式，对应5种电路连接.其一为风力发电机独立供电模式，此时风力发电机产生的三相交流电通过整流器变成单相直流电，再通过Boost-Buck电路1对蓄电池组充电并通过逆变电路输出220 V交流电；其二为太阳能电池组独立供电模式，此时太阳能电池组产生的直流电，通过Boost-Buck电路2对蓄电池组充电并通过逆变电路输出220 V交流电；其三为以风力发电为主，太阳能电池组发电为辅的模式，此时开关K1的BC相连，开关K2的bc相连，太阳能电池组产生的直流电经Boost-Buck电路2后跟随整流器输出直流电压，并最终在A点“二和一”；其四为以太阳能电池组发电为主，风力发电为辅的模式，此时开关K1的BD相连，开关K2的bd相连，整流后的风力发电机输出电压经Boost-Buck电路1跟随太阳能电池组输出的直流电压，并最终在a点“二和一”；其五为太阳能电池组和风力发电机各自发电模式，此时开关K1的BC相连，开关K2的bd相连，构成普通的风光互补发电系统[5].整个电路的设计中，Boost-Buck电路1和Boost-Buck电路2均采用sepic斩波电路[6]实现，同时，采用3个电力二极管对电路进行必要的保护.

图1 家用风光互补系统原理图

图2 控制电路原理图

表1 不同工作模式的MPPT控制策略

1.2 控制电路

系统控制电路如图2所示，以ATmega128单片机[7]为核心，采用该芯片的可编程PWM资源实现sepic斩波电路的控制和逆变电路的控制；通用I/O接口实现开关的切换控制、蓄电池的3段式充放电控制[8]以及键盘、显示、报警等功能；内部集成的A/D转换器完成电路控制中必要参数的检测.整个控制电路的驱动电路均采用IR2110集成驱动芯片设计，电源由风力发电机、太阳能电池组和市电互补供电.

2 MPPT控制策略

对系统最大功率跟踪(MPPT)控制策略的研究是解决风光互补发电系统效率低下的有效途径.本系统从硬件电路设计入手，结合单片机软件对风光互补发电部分5种工作模式采用不同的MPPT控制策略，详细方案如表1所示.当光照强度很弱时，太阳能电池组发电电路停止工作，只有风力发电机发电，系统工作在工作模式1，Boost-Buck电路1控制风力发电机工作在最佳叶速比附近；当没有风或者较弱时，风力发电电路停止工作，只有太阳能电池组发电，系统工作在工作模式2，Boost-Buck电路2实现负载匹配来跟踪太阳能电池组最大功率点；当风力较强，光照一般时，风力发电电路和太阳能发电电路均工作但以风力发电电路为主，系统工作在工作模式3，此时为了实现最大功率输出，采用对风力发电机的最大功率跟踪控制；同理，当光照较强，风力一般时，风力发电电路和太阳能发电电路均工作但以太阳能发电电路为主，系统工作在工作模式4，此时为了实现最大功率输出，采用对太阳能电池组的最大功率跟踪控制；对于工作模式5，由于此时风力和光照都很强，输出总功率较大，风力发电电路和太阳能发电电路均不能实现最大功率跟踪.

为了进一步研究整个系统的工作过程，在表2中列出了28种不同工作状态下，系统的能量流动情况和MPPT控制使用情况.设VW、VWth、VWset和VP、VPth、VPset分别表示风力发电机的输出电压、工作门限电压、单片机设定电压和太阳能电池组输出电压、工作门限电压、单片机设定电压.在表2中，分别用W、P、S表示风力发电机、太阳能电池组、蓄电池组；分别用0、1和2代表太阳能电池组工作在VPVPset状态和风力发电机工作在VW

从表2中可以清楚的看出，在28种工作状态中，有18种状态可以采用最大功率跟踪(MPPT)控制，从而极大地提高了风光互补发电中的整体能量转换效率，进而实现了能源利用的优化.另外10种不能采用最大功率跟踪(MPPT)控制的情况多数发生在蓄电池需要放电的情况，此时虽然不能实现MPPT控制，但整体输出功率仍然较大，绝大多数情况下可以满足用户用电要求.

图3 主程序流程图

表2 输出能量管理和MPPT控制情况表

3 软件设计

单片机软件主要实现电压电流采样、各种工作模式的判断、输入参数的设置、太阳能电池组最大功率跟踪控制、风力发电机最大功率跟踪控制等功能.图3为整个控制系统的主程序流程图，其中总体采样部分主要完成风力发电机和太阳能电池组输出电压采集和市场用电电压采集.参数Flag1和Flag2分别为风力发电机和太阳能电池组输出电压标志位，取0、1和2三个值，含义与表2所示一致.另外，工作模式0表示系统工作在市电供电模式，其它工作模式含义与表1一致.参数的设置采用中断方式通过键盘输入，未设置时采用默认值.

4 仿真

为了分析验证系统设计的合理性和MPPT控制策略的有效性，采用PROTEUS软件对系统工作于模式3和模式4时的情况进行仿真.仿真时，采用直流电源加电位器模拟太阳能电池的输出特性，采用3个频率和幅值相等、相位相差120度的正弦交流电源加电位器模拟3相风能发电机的输出特性，用一个可变电阻模拟输出负载.仿真时的一些参数值如表3所示.

表3 仿真参数表

利用表3的仿真参数对系统进行仿真后，得出系统在不同工作模式下的输出功率波形，如图4所示.其中，Pa、Pb、Pc分别表示系统工作在工作模式4、工作模式3和工作模式5时的输出功率曲线.从图4中可以看出：在表3的仿真参数下，系统以工作模式4工作时有最大的输出功率，而以未采用MPPT控制的工作模式5工作时输出功率较小；同时，系统在工作模式3和4时的响应速度比工作模式5时快.

从仿真的结果可以看出，采用AVR单片机设计的家用风光互补系统响应较快，引入MPPT控制策略可以大大的提高系统的能源利用效率，从而实现能源利用的优化.