基于MCU的风光互补独立电源系统

       引言

         
        单独的太阳能或风能系统，由于受时间和地域的约束，很难全天候利用太阳能和风能资源。而太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，白天光照强时风小，夜间光照弱时，风能由于地表温差变化大而增强，太阳能和风能在时间上的互补性是风光互补发电系统在资源利用上的最佳匹配。

        l 硬件构成

        风光互补独立电源系统由光伏发电单元、风力发电单元、系统智能管理核心、逆变器、储能元件等构成，如图l所示。
         
   
        系统的具体构成参数由使用时最大用电负荷与日平均用电量决定。最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据，而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。同时系统安装地点的风光资源状况也是确定光电板和风机容量的另一个依据。

        光伏发电单元与风力发电单元光伏发电单元采用所需规模的光电板，转换太阳光能，并通过智能管理核心对蓄电池充电、放电、逆变进行统一管理。风力发电单元利用小型风力发电机，转换风能，同时通过智能管理核心控制整个系统的允放电。两个单元在能源的采集上互相补充，同时又各具特色：光伏发电单元供电可靠，运行维护成本低，但造价高；风力发电单元发电量高，造价和运行维护成本低，但可靠性低。

        储能元件铅酸蓄电池足风光互补独立电源系统常用的储能元件，其成本低、容量大、免维护的特性使其成为风光互补独立电源的首选。由于风电和光电单元必须通过蓄电池储能才能稳定供电，蓄电池合理的容量和科学的充放电是系统寿命的保证，本系统采用双标三阶段充电，实现对铅酸蓄电池的科学充电。风光互补独立电源采用双储能系统，包括二套铅酸蓄电池组，使得充放电能同时进行，通过智能核心控制既可以对负载放电，同时叉可以在充电条件到达时对备用储能电池组充电，两组蓄电池之间的切换由系统实时监测其电压状态决定。

        MOSFET充放模块由智能管理核心驱动的MOSFET充电模块，可根据系统的不同，选取不同电压等级的MOSFET，来实现系统对蓄电池的充放电。MOSFET可选用International Rectifier公司的第三代HEXFETs产品，IR系列产品具有开关迅速、开通阻抗低、性价比高等特色。控制模块根据不同的MOSFET门级电压设计，由智能管理核心控制MOSFET模块的输出状态。

        逆变器系统不仅可以提供稳定的直流供电，带动直流负载，而且可以通过逆变吕提供单相交流电。

        智能管理核心由LCM液晶显示模块、键盘、MCU组成，是系统控制、管理的核心，驱动MOSFET充电模块实现对蓄电池的双标三阶段充电，驱动JCBT实现DC／AC逆变、以及系统的实时保护和数据再现与传输等，同时提供风机的磁电限速保护，在风力过功率时，给风机反向磁阻力矩，降低风机转速。系统核心MCU选用TI公司的MSP430单片机，其丰富的片上资源使得系统的控制和管理都极为方便。

        2 系统工作原理及软件实现

        2.1 双标三阶段充电原理及实现

        铅酸蓄电池是系统的储能元件，电是影响风光互补系统寿命的关键因素，对铅酸蓄电池充放电的控制直接影响蓄电池的寿命，不合理的充放电将直接导致蓄电池的崩溃。系统智能管理核心拄制蓄电池的充放电过程。本系统采用双标三阶段充电来优化充电过程。双标三阶段充电过程符合铅酸蓄电池的特性，能很好地维护蓄电池。三阶段充电过程如图2所示。
   
           第一阶段 大电流灌充阶段(high currentbulk charge state)由电压采样电路获取蓄电池的电压状况，当电压小于过标准开路电压(Voc)时，太阳能电源、风力发电机以其所能提供的最大电流对蓄电池充电(最大电流对不同功率的系统取值不同，可按C／5充电率取值，C为蓄电池容量)，由于太阳能电池和风力发电机的电流与天气状况有关，所以大电流的取值将在一定范围之内。保持大电流充电至Voc后，进入第二阶段。第一阶段的充电程度可达70％～90%。

        第二阶段 过电压恒充阶段(over chargestate)以恒定的过标准电压(Voc)充电，直到充电电流降至Ioct进入第三阶段。第二阶段的充电程度近100％。

        第三阶段浮充阶段(float charge state)以恒定精确的浮充电压Vf进行浮充。蓄电池充满后，以浮充方式维持电压。浮充电压的选择对蓄电池的寿命尤为重要，即使5％的误差也将使得蓄电池的寿命缩短一半。

        智能管理核心充电流程如图3所示。智能核心实时采集并判断系统状态，与输入控制、触发信号联合控制充电状态。
   
   
          2.2逆变器原理与实现      
   

        DC／DC变换由48V铅酸蓄电池输出通过Boost电路升压至360V，采用UC3825PWM控制芯片，其产牛PWM频率高，且造价低。DC／AC逆变器主电路由H桥式ICBT构成，还包括熔断器、抗干扰的滤波器、保护二极管等。控制电路由控制环节和保护环节两部分构成智能管理核心作为控制环节对主电路的输入电压、输出电压、输出频率和输出波形进行校正控制。保护环节分为硬件保护部分和软件保护部分，完成对系统的短路、过载、失压、过压、缺相等的保护。逆变后的单项交流电通过电压、电流传感器，把状态返回智能管理中心，以便对波形实行校正。逆变器的电路构成如图4所示。
   
   
          2.3 系统控制保护原理与实现

        风光互补电源系统根据性能可分为充电状态、负载状态(放电状态)、保护状态。系统同时监测光伏发电单元、风力发电单元、负载和两组蓄电池的状况，在相应条件下，进入对应的状态。在每一状态中，系统不仅完成自身阶段的工作，还可根据用户需要给出相应的系统参数显示、多系统之间的通讯及系统与E位机之问的通讯，系统状态流程如图5所示。
   
          系统在初始化中，完成参数的设定，如光伏发电单元电压、电流、负载、过压、过流保护参数；风力发电机的磁电保护参数；铅酸蓄电池双标三阶段充电的充电系数。同时也完成系统人机通讯(键盘、液晶模块、LED等)的初始化和系统通用串行通信模块的设定。

        系统通过实时采样模块、上位机触发信号和用户控制信号联合判断系统所处的状态。首先，通过实时采样模块采集系统的实时电压、电流，判断光伏发电单元、风力发电单元、储能蓄电池和负载的状况，从而决定系统应处的状态。其次，上位机触发信号和用户控制信号也联合控制系统状态，可强行控制系统从一种状态转入其他状态。

        系统在充电状态中以双标二阶段充电法对铅酸蓄电池进行合理允电，通过在线对系统中光伏发电单元、风力发电单元、蓄电池和负载的状态采集，合理完成灌充和过电压恒充，并以浮充状态维持铅酸蓄电池的电压。

        在负载状态(放电状态)中，按负载需要，进行直流或单项交流供电。同时监测蓄电池组的状态，在到达设定条件时，与备用蓄电池组实现轮流充放电，提高系统对能源的利用。另外，在负载状态时，铅酸蓄电池的状态也需实时监测，以免过放对蓄电池造成损害。

        当风光互补系统巾的光伏发电单元、风力发电单元、铅酸蓄电池、负载以及系统内部的状态参数到达所设的保护值时，系统进人保护状态，避免了短路、过压、过流等对系统的危害，保障系统的正常运行。如对风力发电机的磁电限速保护，铅酸蓄电池的过放保护，以及对负载的过压保护等。
         同时，系统提供了方便的人机接口，可在线获取系统中充、放电的电流、电压参数及系统的状态参数。通用串行通信模块提供了系统之间、系统与上位机之间的通信，方便的输入控制，多种的显示输出以及灵活的通信不仅保障了系统的安全运行，也大大便利r系统的维护、检修和管理。

        3 实际应用

        风光互补独立电源系统已实际应用于中小功率用电系统，如路灯、家用照明等。由于太阳能、风能供电的独特互补优点(如图6所示)，近年来风光互补独立电源系统得到迅速发展。
   
   
          如需满足4对55W低压钠灯的供电，每盏灯光通亮7800lm，按实地情况采用     
   l000W太阳能电池板，300W的小型风力发电机，两组．400A·h左右的铅酸蓄电池，可满足所需照明．若需加长在无风、阴天持续状态下的供电天数，可适当加大铅酸蓄电池的容量。这里所选的具体参数是结合了当地天气状况、负载需求状况而选取的。

        本系统结合具体路灯的实际应用，接人感光器件，判断白天与黑夜，实现了无人管理。如图7流程图所示，把系统分为3个状态：状态l--蓄电池电压过低，不能再放电，否则影响蓄电池寿命；状态2--蓄电池电压正常，可进行充放电；状态3--蓄电池电压过高，对负载有伤害，需进行放电后，方可接入负载。
   
   
          4 结语

        风光互补电源系统实现了对自然资源的合理利用，而风光互补的技术方案保证了系统的高可靠性。基于MCU的风光互补独立电源系统不仅在理论上有保证，而且在实际应用中也得到了检验。