數(shù)字功率跟隨技術在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中的應用

節(jié)約能源，保護環(huán)境已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必要條件。人們的注意力正轉向再生能源的利用和開發(fā)。其中，太陽能發(fā)電已成為近些年研究的熱點。但其發(fā)電效率較低成為制約發(fā)展的重要因素。目前，最大功率跟蹤(MPPT)技術是提高發(fā)電效率的有效途徑之一。近些年，隨著電子技術和硅材料研究的不斷進步，促進了對風能、太陽能的開發(fā)利用，市場前景相當廣闊。在此前提下，研制了智能化、模塊化、一體化的新一代風、光互補綜合電源系統(tǒng)。

1風光互補發(fā)電系統(tǒng)

風、光互補電源系統(tǒng)主要有風力發(fā)電機、太陽能電池板、蓄電池組和電源綜合控制柜組成。其設計理念是利用太陽能電池板和風力發(fā)電機雙發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池組(48V)充電，再把直流電逆變成AC 220V/50Hz的交流電，成為我們常用的交流電源。蓄電池組的充電方式?jīng)Q定其使用壽命的長短，但是風能的突然性和太陽能的時間性注定發(fā)電系統(tǒng)不能輸出可靠穩(wěn)定的直流電，若對其不加處理地直接對蓄電池組充電，不僅大大縮短蓄電池組的壽命，而且不能有效地利用風能和太陽能。因此，在充電過程中引入了基于ATMEGA8單片機數(shù)字功率跟隨技術的控制系統(tǒng)，不僅大大提高了發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且提高了電源系統(tǒng)的可靠性。

2充電系統(tǒng)組成

以風機為例，充電系統(tǒng)主電路采用日產(chǎn)某公司的直流變換模塊PH600S28048，直流輸入電壓：200~400V，輸出電壓：43~6lV遙控可調。風機為三相線電壓220V輸出，蓄電池組的充電電壓范圍：46~57V.充電的恒流和功率跟隨有ATMEGA8來完成。系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖3系統(tǒng)工作原理

ATMEGA8是高性能、低功耗的8位AVR?微處理器具有先進的RISC結構130條指令;32個8位通用工作寄存器能全靜態(tài)工作;工作于16 MHz時性能高達16 MIPS ;只需兩個時鐘周期的硬件乘法器;是非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器;8K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash ;具有獨立鎖定位的可選Boot代碼通過片上Boot程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程真正的同時讀寫作。

通過霍爾電流傳感器把充電電流轉換成0~5V的標準信號，經(jīng)A/D轉換成數(shù)字信號送CPU處理，并通過PBl腳。PWM輸出控制光藕PC817的道通度控制充電機的輸出電壓，從而通過簡單的數(shù)字PI調節(jié)達到恒流的目的。不過充電機恒流工作有一個重要的前提條件就是輸入能源必須有足夠大的功率。但是自然界風能、太陽能的隨柵陛、突然性使恒流充電難以實現(xiàn)。特別是風能，如果風速特別大而充電機仍然輸出不變的電流(負載不變)會損壞風機。如果風速小功率不夠就會導致充電機無法正常工作，時而關斷，時而開通。造成此種現(xiàn)象是因為充電模塊PH600S工作正常輸入電壓范圍為DC 200~400V.為了克服此情況就加入了數(shù)字功率跟隨技術，以風機輸入電壓300V經(jīng)A/D轉換數(shù)字為基準來調整負載大小(輸出電流)做數(shù)字PI調節(jié)，從而達到充電機正常工作。

4軟件設計思想

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。1997年，由Atmel公司挪威設計中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技術，共同研發(fā)出RISC精簡指令集高速8位單片機，簡稱AVR.

程序的編寫采用AVR單片機專用的匯編語言，模塊化設計。監(jiān)控程序和輸入控制模塊程序流程簡圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控主程序流程圖

全部程序代碼由模擬量的數(shù)字采集，中值濾波、數(shù)字比較、PWM輸出等組成。關鍵是數(shù)字比較構成簡單的PI調節(jié)且電流環(huán)嵌套與電壓環(huán)之內。

程序流程如下：以電流環(huán)為例做一介紹：由PH600S系列模塊組成的硬件充電機輸出電流由0~5V信號線性調節(jié)，電流給定信號(0~5V)由ATMEGA8單片機PBl口輸出10位PWM脈寬調制波形，再經(jīng)RC濾波產(chǎn)生。將M8單片機的T/Cl控制寄存器TCCRlA設置值83H，TCCRlB控制寄存器為05H也就定義PBl口輸出10位快速的PWM波形。T/C1計數(shù)寄存器TCNTI(TCNTlH：TCNT1H)值便從0000一OlFFH之間變換。脈沖輸出占空比(輸出電壓)由比較控制寄存器OClA設定值與TCNTl寄存器計數(shù)值比較產(chǎn)生;OClA的內容由0000-0lFFH可變設定也就決定輸出電壓由0~5V線性可調。OClA值由電壓環(huán)做模擬PI調節(jié)運算后給定，這樣電壓環(huán)和電流環(huán)的互相嵌套便構成了功率的恒定跟隨，從而提高了風、光互補發(fā)電的效率。

5結語

太陽能充電電路和風機的功率跟隨原理是一樣，只不過太陽能電池板的輸入電壓低，變化比較緩慢，已采用PH30048-48模塊作主回路。利用ATMEGA8單片機作控制，日產(chǎn)某公司的直流變換模塊為主電路做成的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，已在上海的花鳥島某駐軍運行2年多，十分穩(wěn)定，受到了軍部領導的好評。