基于MCU的風(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。
l 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??刂颇K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)?,同時(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)。
2.2逆變器原理與實(shí)現(xiàn)
DC/DC變換由48V鉛酸蓄電池輸出通過(guò)Boost電路升壓至360V,采用UC3825PWM控制芯片,其產(chǎn)牛PWM頻率高,且造價(jià)低。DC/AC逆變器主電路由H橋式ICBT構(gòu)成,還包括熔斷器、抗干擾的濾波器、保護(hù)二極管等??刂齐娐酚煽刂骗h(huán)節(jié)和保護(hù)環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成智能管理核心作為控制環(huán)節(jié)對(duì)主電路的輸入電壓、輸出電壓、輸出頻率和輸出波形進(jìn)行校正控制。保護(hù)環(huán)節(jié)分為硬件保護(hù)部分和軟件保護(hù)部分,完成對(duì)系統(tǒng)的短路、過(guò)載、失壓、過(guò)壓、缺相等的保護(hù)。逆變后的單項(xiàng)交流電通過(guò)電壓、電流傳感器,把狀態(tài)返回智能管理中心,以便對(duì)波形實(shí)行校正。逆變器的電路構(gòu)成如圖4所示。
2.3 系統(tǒng)控制保護(hù)原理與實(shí)現(xiàn)
風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)根據(jù)性能可分為充電狀態(tài)、負(fù)載狀態(tài)(放電狀態(tài))、保護(hù)狀態(tài)。系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、負(fù)載和兩組蓄電池的狀況,在相應(yīng)條件下,進(jìn)入對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。在每一狀態(tài)中,系統(tǒng)不僅完成自身階段的工作,還可根據(jù)用戶需要給出相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)顯示、多系統(tǒng)之間的通訊及系統(tǒng)與E位機(jī)之問(wèn)的通訊,系統(tǒng)狀態(tài)流程如圖5所示。
系統(tǒng)在初始化中,完成參數(shù)的設(shè)定,如光伏發(fā)電單元電壓、電流、負(fù)載、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)參數(shù);風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁電保護(hù)參數(shù);鉛酸蓄電池雙標(biāo)三階段充電的充電系數(shù)。同時(shí)也完成系統(tǒng)人機(jī)通訊(鍵盤、液晶模塊、LED等)的初始化和系統(tǒng)通用串行通信模塊的設(shè)定。
系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采樣模塊、上位機(jī)觸發(fā)信號(hào)和用戶控制信號(hào)聯(lián)合判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。首先,通過(guò)實(shí)時(shí)采樣模塊采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電壓、電流,判斷光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、儲(chǔ)能蓄電池和負(fù)載的狀況,從而決定系統(tǒng)應(yīng)處的狀態(tài)。其次,上位機(jī)觸發(fā)信號(hào)和用戶控制信號(hào)也聯(lián)合控制系統(tǒng)狀態(tài),可強(qiáng)行控制系統(tǒng)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)入其他狀態(tài)。
系統(tǒng)在充電狀態(tài)中以雙標(biāo)二階段充電法對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行合理允電,通過(guò)在線對(duì)系統(tǒng)中光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、蓄電池和負(fù)載的狀態(tài)采集,合理完成灌充和過(guò)電壓恒充,并以浮充狀態(tài)維持鉛酸蓄電池的電壓。
在負(fù)載狀態(tài)(放電狀態(tài))中,按負(fù)載需要,進(jìn)行直流或單項(xiàng)交流供電。同時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的狀態(tài),在到達(dá)設(shè)定條件時(shí),與備用蓄電池組實(shí)現(xiàn)輪流充放電,提高系統(tǒng)對(duì)能源的利用。另外,在負(fù)載狀態(tài)時(shí),鉛酸蓄電池的狀態(tài)也需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以免過(guò)放對(duì)蓄電池造成損害。
當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)巾的光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、鉛酸蓄電池、負(fù)載以及系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)到達(dá)所設(shè)的保護(hù)值時(shí),系統(tǒng)進(jìn)人保護(hù)狀態(tài),避免了短路、過(guò)壓、過(guò)流等對(duì)系統(tǒng)的危害,保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁電限速保護(hù),鉛酸蓄電池的過(guò)放保護(hù),以及對(duì)負(fù)載的過(guò)壓保護(hù)等。
同時(shí),系統(tǒng)提供了方便的人機(jī)接口,可在線獲取系統(tǒng)中充、放電的電流、電壓參數(shù)及系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。通用串行通信模塊提供了系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信,方便的輸入控制,多種的顯示輸出以及靈活的通信不僅保障了系統(tǒng)的安全運(yùn)行,也大大便利r系統(tǒng)的維護(hù)、檢修和管理。
3 實(shí)際應(yīng)用
風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用于中小功率用電系統(tǒng),如路燈、家用照明等。由于太陽(yáng)能、風(fēng)能供電的獨(dú)特互補(bǔ)優(yōu)點(diǎn)(如圖6所示),近年來(lái)風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。
如需滿足4對(duì)55W低壓鈉燈的供電,每盞燈光通亮7800lm,按實(shí)地情況采用
l000W太陽(yáng)能電池板,300W的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī),兩組.400A·h左右的鉛酸蓄電池,可滿足所需照明.若需加長(zhǎng)在無(wú)風(fēng)、陰天持續(xù)狀態(tài)下的供電天數(shù),可適當(dāng)加大鉛酸蓄電池的容量。這里所選的具體參數(shù)是結(jié)合了當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r、負(fù)載需求狀況而選取的。
本系統(tǒng)結(jié)合具體路燈的實(shí)際應(yīng)用,接人感光器件,判斷白天與黑夜,實(shí)現(xiàn)了無(wú)人管理。如圖7流程圖所示,把系統(tǒng)分為3個(gè)狀態(tài):狀態(tài)l——蓄電池電壓過(guò)低,不能再放電,否則影響蓄電池壽命;狀態(tài)2——蓄電池電壓正常,可進(jìn)行充放電;狀態(tài)3——蓄電池電壓過(guò)高,對(duì)負(fù)載有傷害,需進(jìn)行放電后,方可接入負(fù)載。
4 結(jié)語(yǔ)
風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然資源的合理利用,而風(fēng)光互補(bǔ)的技術(shù)方案保證了系統(tǒng)的高可靠性。基于MCU的風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)不僅在理論上有保證,而且在實(shí)際應(yīng)用中也得到了檢驗(yàn)。