基于GPRS的风光互补新能源发电系统与远程通信监控设计

张 星 孟永超 冶艳艳

1.许昌学院电气与机械工程学院；2.国网许昌供电公司

能源直接决定经济的发展方向，传统发电的煤炭、石油等不可再生能源在使用的过程中越来越少，而电能对人们的生活而言是不可或缺的。本设计开发新能源发电，将风光互补发电与储能装置结合，通过电路设计、最大功率跟踪等控制方法，通过GPRS通信技术实现远程监控，最大限度利用清洁能源进行发电，供给交流或直流负载，同时，可作为重要负荷的应急电源，以响应国家节能减排的号召。对于环境较为恶劣的风光发电系统，监控需求尤为重要。

本文主要研究以下内容：（1）发电系统总体方案设计，主要包括光伏发电模块、风力发电模块、逆变模块、电源管理模块等，并给出设计参数要求。（2）针对各个模块进行主电路设计，包括三相桥式不控整流电路、Boost升压斩波电路、Buck降压斩波电路、逆变电路等，并设置参数仿真、分析、计算。（3）研究风-光-储智能应急电源系统的控制技术，包括光伏功率变换的最大功率跟踪控制、蓄电池电源管理控制、逆变电路控制等。（4）远程监控模块，主要通过GPRS、北斗等实现对发电系统的运行状态、故障情况等进行实时监控，包括数据的采集、传输通信、分析等。

1 系统总体方案设计

风光互补新能源发电储能系统基本组成如图1所示，其中，风-光发电模块采用多能互补方式将新型能源转换为电能，经过充电控制器，把风力发电机和光伏电池输出的电能转换为蓄电池所能接受的电能形式，把风光互补发出的电能存储在蓄电池中，通过DC-DC升降压控制器和逆变器分别供给直流和交流负载；同时，在停电时还可作为应急电源。远程监控系统主要基于GPRS利用单节点模块和上位机之间的网络进行通信。

图1 风光互补新能源发电储能系统基本组成

2 系统各模块的设计与仿真

2.1 风光发电模块

光伏电池组件选用型号为Sun Earth Solar Power TDB156×156-72-P 280 W功率为 280 Wp的单晶硅电池组件。发电效率和稳定性均比多晶硅电池板高，光伏阵列为8块光伏电池串联，接线方便，阵列总功率为2 240 W。采用扰动观测法实现最大功率跟踪技术。基于温度25 ℃、光照1 000 W/m2条件下，光伏电池阵列在MPPT控制下的进行仿真可得输出电压、功率及经升压电路后的输出电压。由仿真结果数据与光伏阵列的理论参数对比可得：输出电压280.4 V与理论280 V接近；输出功率2 244 W理论2 240 W接近；经MPPT控制的升压电路后的输出电压在基本稳定在330 V。

2.2 升压稳压模块

升压电路采用非隔离型Boost电路，对于光伏发电模块输出电压的升压选用Boost升压斩波电路。可知，光伏发电模块输出的电压为330 V，由式可计算得，占空比α=77.6%时，可得设计需要的500 V直流电。

对风力发电机整流后，输出的为近似112 V的直流电，利用Boost电路仿真实现DC 112～DC 500 V。设置占空比α=77.6%。结果表明：经过短时间的波动，最终电压稳定在500 V左右，且稳定后电压波动很小，符合设计要求。

2.3 降压充电模块

降压型（Buck）变换器同属于单管非隔离DC/DC变换器，其输出平均直流电压等于或小于输入电压，Buck电路由全控型器件V（如IGBT）、二极管VD、输出滤波电感L和输出滤波电容C组成。系统所用的磷酸铁锂电池组的额定输入电压为360 V，降压斩波电路实现DC 500 V向DC 360 V的转变。由U0=αE可计算得占空比α=72%。通过对比分析波形发现：R两端的电压波形输出电压更稳定，且电压值为（360±1） V，波动很小，在允许范围内电压符合要求；包含电感L的负载电压波形为矩形波，波动较大，不符合要求。因此，电路选用不含电感L的R两端电压作为输出电压。

2.4 储能电源模块

日常生活中，直流负载以直流电动机的使用较多，因此，本设计以给额定电压为110 V的直流电动机供电为例，进行输出供电电路的设计。选用单节电压为3 V、容量为72 kW·h的锂电池，由120节串联组成电压为360 V的磷酸铁锂电池组。直流电动机的额定电压为110 V，实现通过DC 360～DC 110 V变换；对于交流负载，选用无源逆变电路，实现输出相电压为220 V、线电压为380 V。

由三相电压型逆变电路相电压有效值公式计算得：Ud≈488.89 V，由线电压有效值公式计算得：Ud≈487.18 V。为减小误差，取两者的平均值为Ud≈488 V。占空比设置α≈26.2%。仿真后得输出电压波形结果表明：经过短时间的波动，最终电压稳定在466 V左右，且稳定后电压波动很小，符合设计要求。

按照三相电压型逆变电路中6个管子的工作方式和各相导电角的相差，依次设置6个IGBT管子设置脉冲的参数，调试后可得输出的相电压与线电压的数值，其相电压有效值为219.4 V，线电压有效值为380 V。

3 系统各模块电路的整合仿真与验证

通过对风光互补发电、升压稳压、降压充电、电能存储4个模块的设计分析，并进行模块整合，形成的电路拓扑。仿真结果输出的电压为360 V的直流电压，与磷酸铁锂电池组的额定输入电压相同，其电压输出可直接给蓄电池进行恒压充电。对交流输出与直流输出供电模块进行整合设计的仿真电路。

经过参数调试运行仿真，可以得出直流输出的电压波形与交流输出电压波形，如图2所示。

图2 系统交、直流输出仿真结果

由于系统设计的蓄电池为额定电压360 V的磷酸铁锂电池组，所以其输出电压为360 V的直流电，日常生活中直流负载以直流电动机使用较多，因此，本设计经DC-DC的变换，以额定电压为110 V的直流电动机供电为例进行输出供电电路的设计。由U0=αE可计算得，占空比设置α=30.6%。对仿真电路进行参数调试后可得仿真结果。图3电压波形图和电压表表明：直流输出电压稳定在110 V左右，且电压波动很小，符合设计要求。其交流相电压有效值为219.4 V，线电压有效值为380 V，其与规定值相电压220 V、线电压380 V的误差很小，在允许范围内，且频率为50 Hz。因此，其交流输出电路的输出波形为三相的交流电，可为交流负载供电。

4 远程监控与通信模块

基于GPRS和无线传输通道，通过获取相应监测的电气量主要实现对光发电系统运行状态的实时监控，包括数据采集、通信、接收。对数据的分析处理，能够准确快速地甄别出系统不正常或故障状态，通过GPRS收发模块进行反馈；实现告警功能并能形成报表数据存储告警的内容，同时支持修改、打印、传输等，最终在上位机能够直观地进行画面展示。远程监控与数据通信模块如图3所示，多种模式收集到的信息，通过32位嵌入式ARM控制器的矢量计算、曲线拟合等处理，能快速完成数据分析并在液晶显示屏上给出监测结果。

图3 远程监控与数据通讯模块

图3 中微控制器选用内嵌Cortex-M3内核的STM32F107VCT6芯片，其内部含有64 KB RAM、256 KB FLASH ROM及硬件乘法器，时钟频率可达72 MHz，具有很高的性价比。北斗模块选用UM220 BD2/GPS双系统模块，UM220模块通过相关器、FFT和匹配滤波器混合应用以及算法优化，在各种复杂环境下保持出色的捕获跟踪能力和快速TTFF功能；先进的多路径抑制技术和高质量的原始观测数据，确保一流的导航、定位和授时精度。

5 结束语

本文对风光互补发电系统远程监控通信进行了设计与研究，设计了系统总体方案，介绍了风光互补新能源发电储能系统的主电路拓扑结构及工作原理，包括电池组储能系统、光伏阵列、风力发电系统、充放电控制器、逆变电源系统，并给出了设计参数要求。通过GPRS、北斗、微控制器等进行数据的传输通信与交互，上位机能够通过监控平台实时监测发电系统的运行状态，并获取相应的数据信息，完成了对风光互补新能源发电储能与监控通信系统各模块的控制技术与电路仿真研究，并对仿真结果进行了对比分析。结果表明，系统基本能够实现发电、充电、储电、用电4大功能，且各项数据符合要求，能够稳定地给交流和直流负载进行供电，同时能够通过数据通信交互、分析对比，实现实时远程监控功能。对于蓄电池的防过充、防亏电系统的设计，在后续的研究中会继续改善；监控通信系统与调度MIS的数据共享和互联互通也有待进一步研究。