風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電方案

1、風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一、研究意義在當(dāng)今世界，電已成為人們生活中最常用的動(dòng)力來(lái)源，隨著人們 生活水平的不斷提高和技術(shù)進(jìn)步，人們對(duì)電的依賴(lài)越來(lái)越強(qiáng)。在遠(yuǎn)離電 網(wǎng)的地區(qū)，獨(dú)立供電系統(tǒng)就成為人們最需要的電源。部隊(duì)的邊防哨所、 郵電通訊的中繼站、公路和鐵路的信號(hào)站、地質(zhì)勘探和野外考察的工作 站、偏遠(yuǎn)的農(nóng)牧民都需要低成本、高可靠性的獨(dú)立電源系統(tǒng)。要解決長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的供電問(wèn)題，只能依賴(lài)當(dāng)?shù)氐淖匀荒茉?。太?yáng) 能和風(fēng)能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。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。白天太陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)很小, 晚上太陽(yáng)落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能加強(qiáng)。在夏 季，太陽(yáng)光

2、強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季，太陽(yáng)光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。太陽(yáng)能和風(fēng)能 在時(shí)間上的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風(fēng) 光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨(dú)立電源系統(tǒng)。單獨(dú)的風(fēng)電和光電系統(tǒng)都存在一個(gè)共同的缺陷，就是資源的不確定 性導(dǎo)致發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡，風(fēng)電和光電系統(tǒng)都必須通過(guò)蓄電池儲(chǔ) 能才能穩(wěn)定供電，但每天的發(fā)電量受天氣的影響很大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄 電池組長(zhǎng)期處于虧電狀態(tài)，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原 因。由于太陽(yáng)能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補(bǔ)了 風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時(shí)，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池 組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)可以降

3、低， 系統(tǒng)成本趨于合理。二、項(xiàng)目方案2.1系統(tǒng)構(gòu)架圖1風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)蓄電池 BATTERY逆變器用戶(hù)INVERTOR USER風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)可分為：風(fēng)機(jī)、太陽(yáng)能電池板、風(fēng)光互補(bǔ)控 制器、蓄電池和逆變器幾個(gè)部分。風(fēng)光互補(bǔ)控制器將風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板發(fā)出的能力合理控制給蓄 電池充電，提高充電效率，保證充電安全。蓄電池儲(chǔ)存能量，供用戶(hù)需 要時(shí)使用。逆變器將蓄電池的直流電逆變?yōu)?20V的交流電，方便用戶(hù) 使用。2.2系統(tǒng)容量配置nKW風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的nKW指的是逆變器輸出能力，即 逆變器能提供最大nKW的能量輸出。風(fēng)機(jī)、光伏電池板、風(fēng)光互補(bǔ)控 制器、蓄電池和逆變器幾部分之間的配置關(guān)系

4、對(duì)保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠性 非常重要。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)配置應(yīng)考慮以下幾方面因素：（1）用電負(fù)荷的特征發(fā)電系統(tǒng)是為滿(mǎn)足用戶(hù)的用電要求而設(shè)計(jì)的，要為用戶(hù)提供可靠的 電力，就必須認(rèn)真分析用戶(hù)的用電負(fù)荷特征。主要是了解用戶(hù)的最大用 電負(fù)荷和平均日用電量。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)。一般家用電器的用電情況:電器名稱(chēng)一般電功率窗式空調(diào)機(jī)1000-3000電暖氣1600-2000電熱淋浴器12002000微波爐9501500飲水機(jī)（加熱）750家用電冰箱100-150家用洗衣機(jī)單缸230雙缸380電飯煲500電熨斗750理發(fā)吹風(fēng)器450吸塵

5、器（小型）400（大型）850吊扇大型150小型75臺(tái)扇16寸6614寸52電視機(jī)21寸7025寸100音響器材100照明100W電腦臺(tái)式機(jī)200W（瓦）估計(jì)用電量（千瓦時(shí)）最高每小時(shí)1-3最高每小時(shí)1.6-2.0每小時(shí)1.2每小時(shí)1.2每10分鐘0.16每10分鐘0.25每10分鐘0.12 每日1-2最高每小時(shí)0.23最高每小時(shí)0.38每20分鐘0.16每20分鐘0.25每5分鐘0.04每15分鐘0.1每15分鐘0.21每小時(shí)0.15每小時(shí)0.08每小H寸0.07每小時(shí)0.05每小H寸0.07每小時(shí)0.1每小時(shí)0.1每小時(shí)0.1每小時(shí)0.2筆記本60-80W每小時(shí)0.06-0.08通過(guò)對(duì)一般

6、家用電器的功率分析，可以按用電負(fù)載的情況決定蓄電 池的最大輸出功率和容量。500W：適用于普通照明用電（100W）、電視機(jī)（100W）、電扇（80W） 臺(tái)式電腦（200W）、筆記本電腦（60-80W）等功率較小的電器。這些電 器每天的平均使用時(shí)間按4小時(shí)計(jì)算，總耗電量約為2KWho風(fēng)機(jī)和太 陽(yáng)能電池板的平均FI發(fā)電量應(yīng)為2KWh,蓄電池容量可以選擇4-5KWh, 保證供電的穩(wěn)定。1000W：適用于普通照明用電（100W）、電視機(jī)（100W）、電扇（80W）、 臺(tái)式電腦（200W）、筆記本電腦（60-80W）的同時(shí)，還可以按當(dāng)前功率 選擇使用電冰箱（100-150W啟動(dòng)功率為5倍該功率）、洗衣機(jī)

7、（380W） 電飯煲（500W）等中等功率用電器，但需要注意整個(gè)負(fù)載總功率。這 些電器每天耗電大約在3.5-4.5KWh,風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板的平均日發(fā)電 量應(yīng)為3.5-4.5KWh,電池容量適合選擇9-10KWho1500W：使用電器和1KW大致相同，按實(shí)時(shí)剩余功率多少還可以 使用一些功率1KW （沒(méi)有啟動(dòng)瞬時(shí)大功率情況）以?xún)?nèi)的其他電器，電 熨斗（750）、吸塵器（400-850）.飲水機(jī)（加熱時(shí)750）。電器的用電量 和1KW大致相當(dāng)，主要取決于用電時(shí)間的長(zhǎng)短，平均日用電量約為 4-5KWh,風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板的平均日發(fā)電量應(yīng)為4-5KWh,電池容量 適合選擇10-1 lKWh。2000W：

8、與1000W相比，還可以使用電熨斗（750）、吸塵器（400-850）. 飲水機(jī)（加熱時(shí)750）這類(lèi)用電器，且同時(shí)可選用的用電器更多。根據(jù) 不同的用電情況，每天總用電量大約在5-7KWh之間。風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板的平均日發(fā)電量應(yīng)為5-7KWh,電池容量可以 選擇 12-15KWh。3000W：可同時(shí)使用大多數(shù)用電設(shè)備，但空調(diào)（瞬時(shí)功率太大，一 般在3KW以上）、電暖氣（2000W）、電熱淋浴器（2000W）這內(nèi)用電 設(shè)備還是不適用。每FI用電量和2000KW沒(méi)有太大差別，根據(jù)不同的用 電情況每日用電量大約在6-8 KWh之間，風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板的平均FI 發(fā)電量應(yīng)為6-8 KWh,蓄電池容量可選

9、擇15-20 KWho現(xiàn)主要對(duì)1500W和3000W兩個(gè)型號(hào)進(jìn)行分析，兩個(gè)型號(hào)可以使用 的家用電器基本一樣，不同在于3000W可以同時(shí)使用更多的電器。但 作為日常用電，1500W對(duì)照明、電視、電腦、電扇、冰箱供電完全可以 用同時(shí)滿(mǎn)足。滿(mǎn)足家庭日常小功率電器用電需要，1500W是一個(gè)比較合 理的配置。（2）太陽(yáng)能和風(fēng)能的資源狀況項(xiàng)目實(shí)施地的太陽(yáng)能和風(fēng)能的資源狀況是系統(tǒng)光伏電池板和風(fēng)機(jī) 容量選擇的另一個(gè)依據(jù)，一般根據(jù)資源狀況來(lái)確定光電板和風(fēng)機(jī)的容量 系數(shù)，在按用戶(hù)的日用電量確定容量的前提下再考慮容量系數(shù)，最后光 伏電池板和風(fēng)機(jī)的容量。光伏電池板和風(fēng)機(jī)的平均每日總發(fā)電量應(yīng)該和 負(fù)載每日平均耗電相同或

10、略大。1.5KW風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，一種合理的配置為：風(fēng)機(jī)：功率1KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，按平均風(fēng)速6m/s計(jì)算，每日發(fā)電 量約為3-4 KWh；太陽(yáng)能電池板：功率1KW太陽(yáng)能電池板，按一般日照強(qiáng)度地區(qū)計(jì)算，每H發(fā)電量約為3-4 KWh；蓄電池：額定電壓48V,容量9.6KWh （12V, 200Ah/塊,4塊串）;風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板的選型主要取決的是日發(fā)電量是否滿(mǎn)足日用 電量，根功率大小沒(méi)直接關(guān)系。所以風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板的總功率大于 輸出額定功率。3KW風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，一種合理的配置為：風(fēng)札 功率2KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，按平均風(fēng)速6m/s計(jì)算，每日發(fā)電量 約為 7-8.5KWh；太陽(yáng)能電池板：功

11、率2KW太陽(yáng)能電池板，按一般日照強(qiáng)度地區(qū)計(jì) 算，每日發(fā)電量約為6-7KWh；蓄電池：額定電壓96V,容量19.2 KWh（12V, 200Ah/塊，8塊串）。 2.3硬件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)主要要設(shè)計(jì)的部分是風(fēng)光互補(bǔ)控制器和逆變器。電池充電控制 器設(shè)計(jì)首先考慮對(duì)充電的管理和對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能的最大功率跟蹤的功 能，市面上有部分風(fēng)光互補(bǔ)的充電機(jī)不具備這樣的功能，導(dǎo)致充電效率 不高，且蓄電池壽命不長(zhǎng)。同時(shí)作為一款小功率的離網(wǎng)逆變器，控制產(chǎn) 品體積和成本是必須要考慮的問(wèn)題，最好使用一級(jí)電路完成。如果使用 兩級(jí)電路：全橋逆變經(jīng)過(guò)變壓器后整流為電池充電，作為風(fēng)光互補(bǔ)控制 器的結(jié)構(gòu)的話(huà)，當(dāng)然能很好的實(shí)現(xiàn)功能。但是整個(gè)

12、系統(tǒng)器件較多（體積 較大）和效率較低。充電控制可選的一級(jí)控制電路，實(shí)現(xiàn)的方法有BOOST電路和 BUCK電路。使用一級(jí)BOOST電路（升壓）要求電池板電壓和風(fēng)機(jī)整 流后電壓低于電池電壓；使用一級(jí)BUCK電路（降壓）要求電池板電 壓和風(fēng)機(jī)整流后電壓高于電池電壓。選用哪種電路主要取決于太陽(yáng)能電 池板和風(fēng)機(jī)的選擇。電池電壓lkW系統(tǒng)48V和3kW系統(tǒng)96V,電壓較低，光伏電池板 電壓一塊電池板一般在44V左右，串聯(lián)后一般會(huì)高于蓄電池電壓，所以 適合選擇一級(jí)BUCK電路完成充電控制。風(fēng)機(jī)分為直流輸出和交流輸 出兩種，目前我們掌握的風(fēng)機(jī)資料都為直流輸出風(fēng)機(jī)，以“風(fēng)神風(fēng)機(jī)” 為例：1KW風(fēng)機(jī)額定輸出電壓D

13、C24/48V, 3KW風(fēng)機(jī)額定輸出電壓 DC 115/230o 1KW風(fēng)機(jī)低于蓄電池電壓，3KW風(fēng)機(jī)高于蓄電池電池電 壓。所以需要根據(jù)風(fēng)機(jī)選擇型號(hào)不同，確定選擇BOOST或是BUCK電 路。太陽(yáng)能電池板和風(fēng)機(jī)輸出經(jīng)過(guò)整流后的直流電通過(guò)BUCK電路可 調(diào)節(jié)充電的電壓電流，同時(shí)調(diào)節(jié)BUCK電路還可完成對(duì)太陽(yáng)能電池板 的最大功率跟蹤。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)可跟蹤太陽(yáng)能電 池板最大功率點(diǎn)，可調(diào)節(jié)充電電流電壓。蓄電池通過(guò)全橋逆變?yōu)V波后為 50HZ交流（電壓配合蓄電池電壓設(shè)定），再通過(guò)變壓器升壓為220V交 流供用戶(hù)使用。現(xiàn)在對(duì)可能的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，主要按充電結(jié)構(gòu)分為“雙BUCK” 結(jié)構(gòu)和“

14、BUCK+BOOST”這兩種。（1）雙BUCK電路結(jié)構(gòu)一，如下圖：跟蹤。路同時(shí)控制。該電路可以少用一個(gè)電感，但不能同時(shí)進(jìn)行最大功率跟蹤, 且控制難度較大。(2) BUCK+BOOST電路，如下圖:電路太陽(yáng)能充電和風(fēng)能充電完全獨(dú)立，可同時(shí)充電也可單獨(dú)充電， 可一起也可單獨(dú)控制，并且可以對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電同時(shí)進(jìn)行最大功率 跟蹤。在器件選型方面，首先要作得選型為開(kāi)關(guān)管：1.5KW風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)逆變器的蓄電池電壓為48V,額定功率下風(fēng)機(jī) 的充電電流最大為22A,太陽(yáng)能電池的最大充電電壓為22A,逆變器最 大放電電流為33A。此時(shí)開(kāi)關(guān)管將工作在低電壓較高電流的情況下，如 果使用IGBT效率必定做不高，所以

15、我們選用英飛凌的MOS管： IPA075N15N3G耐壓150V,電流43A,導(dǎo)通電阻7.5mQ,作為1KW BUCK電路的開(kāi)關(guān)管或BOOST電路開(kāi)關(guān)管；1PA057N08N3G耐壓80V, 電流60A,導(dǎo)通電阻5.7mQ,作為1KW全橋逆變電路的開(kāi)關(guān)管。這樣 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗將較低，同時(shí)MOS管開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)高于IGBT,開(kāi)關(guān)損 耗也能降到極低，能整體提高系統(tǒng)效率。3KW風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)逆變器的蓄電池電壓為96V,額定功率下風(fēng)機(jī) 的充電電流最大為44A,太陽(yáng)能電池的最大充電電壓為44A,逆變器最 大放電電流為67Ao此時(shí)開(kāi)關(guān)管任將工作在低電壓較高電流的情況下， 我們選用英飛凌的MOS管：IPB107

16、N20N3G耐壓200V,電流88A,導(dǎo)通電阻10.7m Q,作為3KW的開(kāi)關(guān)管?？刂菩酒瓿蓪?duì)充電管理、最大功率跟蹤和全橋逆變的控制。可 選用TI公司DSP2812,控制技術(shù)成熟，將高效的完成系統(tǒng)控制。2.4軟件控制方案BUCK電路控制(BOOST電路類(lèi)似)Vin在一個(gè)控制周期T內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)間為D*T,則BUCK電路有如下特性:(Vin-Vout)*D*T=Vout*(l-D)*T;即D=Vout/Vin；控制占空比就可以控制輸出電壓的大小，由于DVout,則只需滿(mǎn)足VoutVo+I*R；其中Vo為蓄電池的電壓, R為蓄電池的等效內(nèi)阻。則只需初始化一個(gè)D使得開(kāi)始時(shí)的各個(gè)電壓滿(mǎn) 足上述條件，然

17、后調(diào)節(jié)D進(jìn)行最大功率跟蹤使得系統(tǒng)工作到最大功率 點(diǎn)。假設(shè)電感L1無(wú)窮大，且負(fù)載電流平直，則有I_IN=D*1_OUT；聯(lián)合上述式子，有 V_OUT/I_OUT二D*D*VN/I_IN；貝ij： R_OUT=D*D*R_IN;由該公式可知，通過(guò)調(diào)整占空比D可以起 到調(diào)整輸出負(fù)載阻抗大小的作用，利用光伏太陽(yáng)能電池板的軟負(fù)載特性 調(diào)整太陽(yáng)能電池板工作點(diǎn)電壓，可以起到對(duì)太陽(yáng)能電池板最大功率跟蹤 的作用。本文釆用逐次逼近法的M PPT控制策略，根據(jù)DC/ DC變換器的特 性，對(duì)PWM占空比輸出進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)改變當(dāng)前的阻抗情況來(lái)滿(mǎn)足最 大功率輸出的要求，使系統(tǒng)運(yùn)行在當(dāng)前工況下的最佳狀態(tài)?？刂屏鞒倘缦聢D所示

18、：設(shè)定初始占空比D、固定步長(zhǎng)T此次與上次功率差值deltapower =Pt-Pt-lN脈沖筑度賦值.史新PWM模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，設(shè)定最初的占空比D,固定步長(zhǎng)T, Pt,Dt為t時(shí)刻光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和占空比值，首先以一定的趨勢(shì)調(diào)節(jié)PWM占空 比輸出，對(duì)t時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行比較，然后確定 下一步PWM占空比輸出。當(dāng)PtPt-l，時(shí)，時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出功率 比t-1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的輸出功率更加接近最大功率點(diǎn)Pmax,則占空比輸出 按照原趨勢(shì)繼續(xù)進(jìn)行，直到系統(tǒng)輸出功率達(dá)到最大功率點(diǎn)，當(dāng)PtPt-l 時(shí)，則t-1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出功率比t時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的值更加接近最 大功率點(diǎn)Pmax

19、,占空比輸出調(diào)節(jié)為與原趨勢(shì)相反的方向輸出，直到系 統(tǒng)輸出功率達(dá)到最大功率點(diǎn)。全橋SPWM控制SPWM控制是用脈沖寬度按正眩規(guī)律變化而和正弦波等效的SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面 積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等。通過(guò)改變調(diào)制波的 頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。上圖中，Ud為蓄電池的電壓，Uof為系統(tǒng)的期望輸出的電壓，Ur 為根據(jù)系統(tǒng)期望輸出電壓算出的載波，Uc為事件管理器中的比較值。系統(tǒng)工作后，蓄電池輸出的電壓是要穩(wěn)定在48V的，這樣可根據(jù) Ud和Uof算出每一度所要發(fā)的占空比，并調(diào)用P1控制算法，根據(jù)期望 電壓Uof與實(shí)際電壓U

20、out的差值計(jì)算出占空比的變化量，由此生成的 控制信號(hào)PWM波通過(guò)對(duì)全橋開(kāi)關(guān)的控制來(lái)調(diào)節(jié)電壓的幅度，系統(tǒng)就能 完全快速跟隨期望電壓了，最終使輸出功標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn) 定。軟件流程圖如下:2.5系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)1.5KW風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)輸入：風(fēng)機(jī)輸出電壓：24V； 風(fēng)機(jī)功率：1KW；風(fēng)機(jī)最大充電電流：22A太陽(yáng)能電池板：開(kāi)路電壓90V；太陽(yáng)能電池板功率：1KW；電池板最大充電電流：22A；MPPT 范圍：48V-90V最大充電效率：93%輸出：蓄電池：額定電壓48V,容量9.6KWH （12V, 200AH/塊，4塊 串）；最大逆變功率：1.5KW逆變電壓：AC220V；電壓頻率：50HZ：額定功率下電壓諧波因數(shù)：5%最大逆變效率：92%系統(tǒng)具備多項(xiàng)保護(hù)功能：低電壓保護(hù)，過(guò)放保護(hù)，過(guò)高保護(hù)，過(guò) 流保護(hù)，溫度過(guò)高保護(hù)（保護(hù)的參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的蓄電池規(guī)格設(shè) 定）3RVV風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)輸入：風(fēng)機(jī)輸出電壓：48V/230V；風(fēng)機(jī)功率：2kW；風(fēng)機(jī)最大充電電流：44A太陽(yáng)