MCU控制風光互補獨立電源系統(tǒng)

引 言 綜合利用了風能、光能的風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牧區(qū)提供低成本、高可靠性的電源，而且也為解決當前的能源危機和環(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能資源。而太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性，白天光照強時風小，夜間光照弱時，風能由于地表溫差變化大而增強，太陽能和風能在時間上的互補性是風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源利用上的最佳匹配。 1 硬件構成 風光互補獨立電源系統(tǒng)由光伏發(fā)電單元、風力發(fā)電單元、系統(tǒng)智能管理核心、逆變器、儲能元件等構成，如圖l所示。 系統(tǒng)的具體構成參數(shù)由使用時最大用電負荷與日平均用電量決定。最大用電負荷是選擇系統(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)安裝地點的風光資源狀況也是確定光電板和風機容量的另一個依據(jù)。 光伏發(fā)電單元與風力發(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。風力發(fā)電單元利用小型風力發(fā)電機，轉換風能，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光互補獨立電源的首選。由于風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的充放電是系統(tǒng)壽命的保證，本系統(tǒng)采用雙標三階段充電，實現(xiàn)對鉛酸蓄電池的科學充電。風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產品，ir系列產品具有開關迅速、開通阻抗低、性價比高等特色。控制模塊根據(jù)不同的mosfet門級電壓設計，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，驅動mosfet充電模塊實現(xiàn)對蓄電池的雙標三階段充電，驅動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)?，同時提供風機的磁電限速保護，在風力過功率時，給風機反向磁阻力矩，降低風機轉速。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，電是影響風光互補系統(tǒng)壽命的關鍵因素，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)采用雙標三階段充電來優(yōu)化充電過程。雙標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，當電壓小于過標準開路電壓(voc)時，太陽能電源、風力發(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力發(fā)電機的電流與天氣狀況有關，所以大電流的取值將在一定范圍之內。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)以恒定的過標準電壓(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)。