基于MCU的風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)

　　摘要：結(jié)合實踐論述了風(fēng)光互補能源的合理性，給出了基于Mcu的風(fēng)光互補獨立電源的硬件構(gòu)成以及軟件流程。并對其中的關(guān)鍵技術(shù)：如雙標(biāo)三階段充電的流程、逆變模塊的MCU實現(xiàn)硬件構(gòu)成等詳加闡述。同時也結(jié)合實例，介紹了風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：微控制囂(MCU)；雙標(biāo)三階段充電；逆變；風(fēng)光互補系統(tǒng)

　　中圖分類號：TM925 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0219—2713(2005)06 0035—04

0 引言

    綜合利用了風(fēng)能、光能的風(fēng)光互補獨立電源系統(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)前的能源危機和環(huán)境污染開辟了一條新路。

    單獨的太陽能或風(fēng)能系統(tǒng)，由于受時間和地域的約束，很難全天候利用太陽能和風(fēng)能資源。而太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上都有很強的互補性，白天光照強時風(fēng)小，夜間光照弱時，風(fēng)能由于地表溫差變化大而增強，太陽能和風(fēng)能在時間上的互補性是風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源利用上的最佳匹配。

l 硬件構(gòu)成

    風(fēng)光互補獨立電源系統(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)機及光電板容量和蓄電池組容量的依據(jù)。同時系統(tǒng)安裝地點的風(fēng)光資源狀況也是確定光電板和風(fēng)機容量的另一個依據(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)換太陽光能，并通過智能管理核心對蓄電池充電、放電、逆變進行統(tǒng)一管理。風(fēng)力發(fā)電單元利用小型風(fēng)力發(fā)電機，轉(zhuǎn)換風(fēng)能，同時通過智能管理核心控制整個系統(tǒng)的允放電。兩個單元在能源的采集上互相補充，同時又各具特色：光伏發(fā)電單元供電可靠，運行維護成本低，但造價高；風(fēng)力發(fā)電單元發(fā)電量高，造價和運行維護成本低，但可靠性低。

    儲能元件鉛酸蓄電池足風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)常用的儲能元件，其成本低、容量大、免維護的特性使其成為風(fēng)光互補獨立電源的首選。由于風(fēng)電和光電單元必須通過蓄電池儲能才能穩(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，實現(xiàn)對鉛酸蓄電池的科學(xué)充電。風(fēng)光互補獨立電源采用雙儲能系統(tǒng)，包括二套鉛酸蓄電池組，使得充放電能同時進行，通過智能核心控制既可以對負(fù)載放電，同時叉可以在充電條件到達時對備用儲能電池組充電，兩組蓄電池之間的切換由系統(tǒng)實時監(jiān)測其電壓狀態(tài)決定。

    MOSFET充放模塊由智能管理核心驅(qū)動的MOSFET充電模塊，可根據(jù)系統(tǒng)的不同，選取不同電壓等級的MOSFET，來實現(xiàn)系統(tǒng)對蓄電池的充放電。MOSFET可選用International Rectifier公司的第三代HEXFETs產(chǎn)品，IR系列產(chǎn)品具有開關(guān)迅速、開通阻抗低、性價比高等特色?？刂颇K根據(jù)不同的MOSFET門級電壓設(shè)計，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，帶動直流負(fù)載，而且可以通過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MOSFET充電模塊實現(xiàn)對蓄電池的雙標(biāo)三階段充電，驅(qū)動JCBT實現(xiàn)DC／AC逆變、以及系統(tǒng)的實時保護和數(shù)據(jù)再現(xiàn)與傳輸?shù)?，同時提供風(fēng)機的磁電限速保護，在風(fēng)力過功率時，給風(fēng)機反向磁阻力矩，降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)核心MCU選用TI公司的MSP430單片機，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)工作原理及軟件實現(xiàn)

2.1 雙標(biāo)三階段充電原理及實現(xiàn)

    鉛酸蓄電池是系統(tǒng)的儲能元件，電是影響風(fēng)光互補系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素，對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程。本系統(tǒng)采用雙標(biāo)三階段充電來優(yōu)化充電過程。雙標(biāo)三階段充電過程符合鉛酸蓄電池的特性，能很好地維護蓄電池。三階段充電過程如圖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)電壓小于過標(biāo)準(zhǔn)開路電壓(Voc)時，太陽能電源、風(fēng)力發(fā)電機以其所能提供的最大電流對蓄電池充電(最大電流對不同功率的系統(tǒng)取值不同，可按C／5充電率取值，C為蓄電池容量)，由于太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機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，進入第二階段。第一階段的充電程度可達70％～90%。

    第二階段 過電壓恒充階段(over chargestate)以恒定的過標(biāo)準(zhǔn)電壓(Voc)充電，直到充電電流降至Ioct進入第三階段。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。智能核心實時采集并判斷系統(tǒng)狀態(tài)，與輸入控制、觸發(fā)信號聯(lián)合控制充電狀態(tài)。

2.2逆變器原理與實現(xiàn)

    DC／DC變換由48V鉛酸蓄電池輸出通過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、保護二極管等。控制電路由控制環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成智能管理核心作為控制環(huán)節(jié)對主電路的輸入電壓、輸出電壓、輸出頻率和輸出波形進行校正控制。保護環(huán)節(jié)分為硬件保護部分和軟件保護部分，完成對系統(tǒng)的短路、過載、失壓、過壓、缺相等的保護。逆變后的單項交流電通過電壓、電流傳感器，把狀態(tài)返回智能管理中心，以便對波形實行校正。逆變器的電路構(gòu)成如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)控制保護原理與實現(xiàn)

    風(fēng)光互補電源系統(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))、保護狀態(tài)。系統(tǒng)同時監(jiān)測光伏發(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，進入對應(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位機之問的通訊，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、過壓、過流保護參數(shù)；風(fēng)力發(fā)電機的磁電保護參數(shù)；鉛酸蓄電池雙標(biāo)三階段充電的充電系數(shù)。同時也完成系統(tǒng)人機通訊(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)通過實時采樣模塊、上位機觸發(fā)信號和用戶控制信號聯(lián)合判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。首先，通過實時采樣模塊采集系統(tǒng)的實時電壓、電流，判斷光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、儲能蓄電池和負(fù)載的狀況，從而決定系統(tǒng)應(yīng)處的狀態(tài)。其次，上位機觸發(fā)信號和用戶控制信號也聯(lián)合控制系統(tǒng)狀態(tài)，可強行控制系統(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)二階段充電法對鉛酸蓄電池進行合理允電，通過在線對系統(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，進行直流或單項交流供電。同時監(jiān)測蓄電池組的狀態(tài)，在到達設(shè)定條件時，與備用蓄電池組實現(xiàn)輪流充放電，提高系統(tǒng)對能源的利用。另外，在負(fù)載狀態(tài)時，鉛酸蓄電池的狀態(tài)也需實時監(jiān)測，以免過放對蓄電池造成損害。

    當(dāng)風(fēng)光互補系統(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)到達所設(shè)的保護值時，系統(tǒng)進人保護狀態(tài)，避免了短路、過壓、過流等對系統(tǒng)的危害，保障系統(tǒng)的正常運行。如對風(fēng)力發(fā)電機的磁電限速保護，鉛酸蓄電池的過放保護，以及對負(fù)載的過壓保護等。

    同時，系統(tǒng)提供了方便的人機接口，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)的安全運行，也大大便利r系統(tǒng)的維護、檢修和管理。

3 實際應(yīng)用

    風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)已實際應(yīng)用于中小功率用電系統(tǒng)，如路燈、家用照明等。由于太陽能、風(fēng)能供電的獨特互補優(yōu)點(如圖6所示)，近年來風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。

    如需滿足4對55W低壓鈉燈的供電，每盞燈光通亮7800lm，按實地情況采用l000W太陽能電池板，300W的小型風(fēng)力發(fā)電機，兩組．400A