基于风光功率动态寻优的风光储发电系统智能控制器设计

郑婷婷，党 乐，任景龙，刘实秋

（1.国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古 呼和浩特 010041；2.北京希科科技有限公司，北京 海淀 100085；3.中国科学院大学，北京 海淀 100049）

我国可再生能源资源开发潜力巨大，内蒙古草原地区风光资源丰富，冬季气温低、寒冷时间长，远离电网，供电困难[1]。离网型的风光储一体化发电系统可以为远离电网的农牧区、边防哨所提供电力供应，在这些地区和场所的生产生活中越来越发挥重要的作用。要保证离网型风光储发电系统的安全、经济及可靠运行，其控制器起着核心的作用。

现有的风光发电控制器基本有两种类型，一种是大型场站安装的风光控制器，另一种是满足智能路灯和小农舍类的微小型风光控制器[2-4]。文献[2]提出了大型新能源场站发电的集群协调控制框架。文献[3]基于“多级协调，逐级细化”的思路，提出适应风光电集群接入系统的无功电压协调控制策略。文献[4]研究了离网型风光互补发电系统的整体设计和控制策略。大型场站安装的风光控制器，控制容量较大，装置复杂，通信控制手段完备，造价很高；小型的风光控制器技术含量较低，大多为固定的充电设备如景观路灯等设计，没有考虑风光能源的高效利用。

为提高离网型风光储一体化发电系统的供电效率和可靠性，本文提出了一种基于动态功率寻优PWM技术，设计完成实时感知能量模式的风光储一体化发电系统智能控制器。本智能控制器参照大型风光场站的控制思路，同时简化电力开关柜一类的硬件装置，达到高效利用能源、动态感知能源可利用量级的功能，智能分配风光能源应用比例，大大提高了整个系统的工作效率。而且，在充放电控制环节，考虑系统在极寒地区的应用，本设计增加了电池组的温度监测和补偿功能，保证在不同环境温度下电池都能具备相对最大的荷电状态[5]。本文设计的智能控制器在内蒙古东部极寒地区无电牧户离网型风光储发电系统中得到实际应用，取得良好效果。

1 总体设计方案

离网型的风光储发电系统由风电机组、光伏电池组、智能控制器、蓄电池组、逆变器、交流负载和直流负载组成[6]。本文研究提出了基于风光功率动态寻优实现最大功率跟踪（MPPT）和可控限流恒压PWM技术的智能控制器，系统总体结构如图1所示。

图1 风光储一体化发电系统

在智能控制器的设计上参照大型风光场站的控制思路，同时简化电力开关柜一类的硬件装置，通过实时采集多参数数据的计算，实现工作模式的实时转换，极大提高了系统工作效率。

实时检测跟踪风光发电特性，实现系统整体最大功率跟踪（MPPT），达到动态感知能源可利用量级、高效利用能源的功能，智能分配风光能源应用比例。

实现对电池电压、光伏发电电压、风力发电电压的采样，根据电池电压及发电电压，采用微控制器进行PWM调制技术，对蓄电池进行充放电控制，实现蓄电池过充和过放保护。

寒冷地区气候对蓄电池性能的影响是本系统设计考虑的要素之一。本系统实时监测蓄电池温度，实现对蓄电池的温度补偿，保障蓄电池的性能，延长其使用寿命。

2 硬件设计

2.1 系统工作模式

根据风光资源和负载状态，为系统设计3 种工作模式。

关闭模式。当检测到风光共同直流母线电压低于蓄电池电压时，关闭系统的PWM 工作，系统处于测量待机状态，既控制器处于关闭模式。此时系统功耗最低，小于1 W（其中显示屏消耗0.6 W）。

最大功率模式。与连网蓄电池限流限压的充电模式不同，本设计的控制器工作在最大功率模式的条件是：其一，只要检测到蓄电池未充满，就处于最大功率模式；其二，蓄电池已经充满，但负载仍有大功率用电需求。

限功率模式。蓄电池已经充满，负载消耗较少，系统尚有待转换的风光资源。此状态可以实时提示给用户，提示用户可优先使用能源。

2.2 最大功率模式的实现

首先是核心处理器的选择。本设计中智能控制器的核心处理器是国产STC8G2K64S4，其内部资源丰富，仅数字外设方面，有5 个16 位定时器，4 个高速串口；45 组15 位增强型PWM，可实现带死区的控制信号，同时芯片内部集成了硬件16位乘除法器，可极大缩短软件计算时间。

其次是风光功率的实时测量。本方案设计了独立的风电、光伏、蓄电池电压电流实时测量电路，为PWM 的功率计算提供了实时数据，也为在线评估风光资源提供了基本的技术支持。以风机直流电压测量为例，如图2 所示。图中，R28、R30、R31是低阻值（25 mΩ）分流取样电阻。当电流10 A时，FJA1点有1.75 V电位值；同样，风机整流后的直流电压经R24、R29分压，要由UZ2A缓冲得到测量电压。

图2 风机电压电流测量原理图

当控制器工作在最大功率模式时，软件不断测量当前的风光功率之和，并与上次的计算结果相比较，如果功率增加，继续沿上次的PWM调整方向进行；如果功率减少，则反向调整PWM。同时保存本次的PWM方向调整特征，为下一次软件迭代计算使用。

2.3 蓄电池的精细温补充电管理

控制器设计能够满足在极寒地区使用，如果按照常规简易的充电管理，蓄电池在低温（低于0 ℃）时的充电容量会大打折扣。本智能控制器设计实时测量电池组温度，依据温度的变化对电池组的充电电压限制条件进行调整，保证在不同环境温度下电池都能具备相对最大的荷电状态。

创造性地设计了“充电限制值+温度补偿电压”的充电控制方式，提升了电池在低温条件下的充电性能，优化电池运行条件，延长电池使用寿命，非常适合寒冷地区的应用条件。温度补偿电压Utc的计算公式：

式中：Ucc为充电补偿电压；tf为参考温度；ta为环境温度。

根据胶体蓄电池的充电特性，对于48 V电池系统，充电补偿电压取-75 mV/℃（以25 ℃为参考）。例如，电池工作于-15 ℃环境，则补偿电压为3.0 V。即在-15 ℃时，控制器自动将充电电压补偿3 V，使蓄电池在该环境条件下仍能工作在最大荷电状态。

3 软件设计

智能控制器软件功能框图如图3 所示。单片机对采得的风力发电电压、光伏发电电压和蓄电池电压进行分析计算，根据电池电压及发电电压，采用微控制器进行PWM 调制技术，对蓄电池进行充放电控制，实现蓄电池过充和过放保护。

图3 智能控制器软件功能框图

4 试验运行分析

对研发的风光储发电系统智能控制器进行了全面大量的试验，并经过现场实际运行，证明智能控制器实现了设计的功能和性能指标。

图4 最大功率模式验证电源

测试分别取RW=5、10、20 Ω 3 种情况。开启逆变器，泄放部分电池容量，使控制器工作在最大功率充电模式。启动控制器工作，观察输出的PWM波形，当PWM 处于动态+/-调整时，测量电路输出电流。表1 为最大功率模式试验结果。试验结果表明， 稳态电流趋近于限制条件I=(U0-E)/R及U0/(2R)中的较小值，充电功率趋近于限制条件下的最大值。

表1 最大功率模式试验结果

设计的智能控制器在内蒙古东部极寒地区无电牧户离网型风光储发电系统中得到实际应用。

5 结束语

本文以离网型风光储一体化发电系统为研究对象，设计了基于风光功率动态寻优的新型风光储智能控制器。该控制器采用PWM 控制技术和蓄电池温度补偿管理技术，实现风光能量的动态优化利用。该控制器已在内蒙古东部极寒地区无电牧户离网型风光储发电系统中得到的应用，现场运行情况良好。经试验分析，该控制器实现了设计的功能和性能指标，为智能化的风光储发电系统设计及其应用奠定了基础，为极寒偏远无电地区的持续稳定供电、农牧区民生问题的解决提供了方案，具有良好的实用价值和经济社会综合效益。