MCU控制風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)

引 言 綜合利用了風(fēng)能、光能的風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)是一種合理的電源系統(tǒng)。不僅能為電網(wǎng)供電不便的地區(qū)，如邊防哨所，通訊的中繼站，交通的信號(hào)站，勘探考察的工作站以及農(nóng)牧區(qū)提供低成本、高可靠性的電源，而且也為解決當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境污染開(kāi)辟了一條新路。 單獨(dú)的太陽(yáng)能或風(fēng)能系統(tǒng)，由于受時(shí)間和地域的約束，很難全天候利用太陽(yáng)能和風(fēng)能資源。而太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，白天光照強(qiáng)時(shí)風(fēng)小，夜間光照弱時(shí)，風(fēng)能由于地表溫差變化大而增強(qiáng)，太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源利用上的最佳匹配。 1 硬件構(gòu)成 風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)由光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、系統(tǒng)智能管理核心、逆變器、儲(chǔ)能元件等構(gòu)成，如圖l所示。 系統(tǒng)的具體構(gòu)成參數(shù)由使用時(shí)最大用電負(fù)荷與日平均用電量決定。最大用電負(fù)荷是選擇系統(tǒng)逆變器容量的依據(jù)，而平均日發(fā)電量則是選擇風(fēng)機(jī)及光電板容量和蓄電池組容量的依據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的風(fēng)光資源狀況也是確定光電板和風(fēng)機(jī)容量的另一個(gè)依據(jù)。 光伏發(fā)電單元與風(fēng)力發(fā)電單元光伏發(fā)電單元采用所需規(guī)模的光電板，轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光能，并通過(guò)智能管理核心對(duì)蓄電池充電、放電、逆變進(jìn)行統(tǒng)一管理。風(fēng)力發(fā)電單元利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)換風(fēng)能，同時(shí)通過(guò)智能管理核心控制整個(gè)系統(tǒng)的允放電。兩個(gè)單元在能源的采集上互相補(bǔ)充，同時(shí)又各具特色：光伏發(fā)電單元供電可靠，運(yùn)行維護(hù)成本低，但造價(jià)高；風(fēng)力發(fā)電單元發(fā)電量高，造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)成本低，但可靠性低。 儲(chǔ)能元件鉛酸蓄電池足風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)常用的儲(chǔ)能元件，其成本低、容量大、免維護(hù)的特性使其成為風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源的首選。由于風(fēng)電和光電單元必須通過(guò)蓄電池儲(chǔ)能才能穩(wěn)定供電，蓄電池合理的容量和科學(xué)的充放電是系統(tǒng)壽命的保證，本系統(tǒng)采用雙標(biāo)三階段充電，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池的科學(xué)充電。風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源采用雙儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括二套鉛酸蓄電池組，使得充放電能同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)智能核心控制既可以對(duì)負(fù)載放電，同時(shí)叉可以在充電條件到達(dá)時(shí)對(duì)備用儲(chǔ)能電池組充電，兩組蓄電池之間的切換由系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其電壓狀態(tài)決定。 mosfet充放模塊由智能管理核心驅(qū)動(dòng)的mosfet充電模塊，可根據(jù)系統(tǒng)的不同，選取不同電壓等級(jí)的mosfet，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)蓄電池的充放電。mosfet可選用international rectifier公司的第三代hexfets產(chǎn)品，ir系列產(chǎn)品具有開(kāi)關(guān)迅速、開(kāi)通阻抗低、性價(jià)比高等特色。控制模塊根據(jù)不同的mosfet門級(jí)電壓設(shè)計(jì)，由智能管理核心控制mosfet模塊的輸出狀態(tài)。逆變器系統(tǒng)不僅可以提供穩(wěn)定的直流供電，帶動(dòng)直流負(fù)載，而且可以通過(guò)逆變呂提供單相交流電。 智能管理核心由lcm液晶顯示模塊、鍵盤、mcu組成，是系統(tǒng)控制、管理的核心，驅(qū)動(dòng)mosfet充電模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的雙標(biāo)三階段充電，驅(qū)動(dòng)jcbt實(shí)現(xiàn)dc／ac逆變、以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)保護(hù)和數(shù)據(jù)再現(xiàn)與傳輸?shù)龋瑫r(shí)提供風(fēng)機(jī)的磁電限速保護(hù)，在風(fēng)力過(guò)功率時(shí)，給風(fēng)機(jī)反向磁阻力矩，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)核心mcu選用ti公司的msp430單片機(jī)，其豐富的片上資源使得系統(tǒng)的控制和管理都極為方便。 2 系統(tǒng)工作原理及軟件實(shí)現(xiàn) 2.1 雙標(biāo)三階段充電原理及實(shí)現(xiàn) 鉛酸蓄電池是系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，電是影響風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素，對(duì)鉛酸蓄電池充放電的控制直接影響蓄電池的壽命，不合理的充放電將直接導(dǎo)致蓄電池的崩潰。系統(tǒng)智能管理核心拄制蓄電池的充放電過(guò)程。本系統(tǒng)采用雙標(biāo)三階段充電來(lái)優(yōu)化充電過(guò)程。雙標(biāo)三階段充電過(guò)程符合鉛酸蓄電池的特性，能很好地維護(hù)蓄電池。三階段充電過(guò)程如圖2所示。 第一階段 大電流灌充階段(high currentbulk charge state)由電壓采樣電路獲取蓄電池的電壓狀況，當(dāng)電壓小于過(guò)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)路電壓(voc)時(shí)，太陽(yáng)能電源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以其所能提供的最大電流對(duì)蓄電池充電(最大電流對(duì)不同功率的系統(tǒng)取值不同，可按c／5充電率取值，c為蓄電池容量)，由于太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流與天氣狀況有關(guān)，所以大電流的取值將在一定范圍之內(nèi)。保持大電流充電至voc后，進(jìn)入第二階段。第一階段的充電程度可達(dá)70％～90%。 第二階段 過(guò)電壓恒充階段(over chargestate)以恒定的過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電壓(voc)充電，直到充電電流降至ioct進(jìn)入第三階段。第二階段的充電程度近100％。 第三階段浮充階段(float charge state)以恒定精確的浮充電壓vf進(jìn)行浮充。蓄電池充滿后，以浮充方式維持電壓。浮充電壓的選擇對(duì)蓄電池的壽命尤為重要，即使5％的誤差也將使得蓄電池的壽命縮短一半。智能管理核心充電流程如圖3所示。智能核心實(shí)時(shí)采集并判斷系統(tǒng)狀態(tài)，與輸入控制、觸發(fā)信號(hào)聯(lián)合控制充電狀態(tài)。