CN104269914A - 一种风光互补控制逆变一体机 - Google Patents

一种风光互补控制逆变一体机 Download PDF

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闵泽生
***
蒋驰雷
陈辉
李莉
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Abstract

本发明公开了一种风光互补控制逆变一体机，所述风光互补控制逆变一体机包括整流电路、逆变电路、卸荷电路构成；风力发电机组产生的三相交流电和太阳能电池板产生直流电，经过整流电路的处理变为直流电后给电池充电，最大功率跟踪（MPPT）技术使装置最大程度的利用风能和太阳能；逆变电路将蓄电池的直流电变为220V、50Hz的交流电供用户使用；卸荷电路将风力发电和太阳能光伏板发出的多余的电能消耗在电阻上，保护了蓄电池和其它设备；本装置具有稳压、过压、过流、短路、过温等完善的保护功能。

Description

一种风光互补控制逆变一体机
技术领域
本发明涉及到风光发电领域，特别是涉及小型离网户用风光互补发电控制***。
背景技术
在我国无电用户数量仍然很大，约有700万户，3000万人左右，60%以上的有电县严重缺电，而且大部分分布在西北等少数民族偏远地区。在远离电网的地区或区域，如部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源***。
该项目属于风光互补领域，应用风能与太阳能时间和空间上的互补，使两种间歇性不稳定的能源有机结合起来供用户使用；该项目涉及的技术领域较为广泛，主要有风力发电技术、光伏发电技术、电力电子技术、***集成技术、储能技术等。
目前市面上的小型风光互补发电设备，没有MPPT功能，而且因为硬件原因，无法同时利用风能和太阳能，导致浪费了很多能量。本设计装置可同时用太阳能和风能对蓄电池充电，极大提高了能源利用率。 
发明内容
本发明为风光互补控制逆变一体机，由整流电路、逆变电路、卸荷电路组成，具有完善的保护功能，以达到最大程度利用风能和太阳能，并为用户提供安全、可靠的工频交流电的目的。
本发明技术方案如下：
一种风光互补控制逆变一体机，包括MCU，所述一体机包括MPPT整流电路、逆变电路、卸荷电路；MPPT整流电路的输入端连接风力发电机和太阳能光伏板，输出端连接到蓄电池；逆变电路的输入端与蓄电池连接，输出端与交流负载连接；卸荷电路连接在蓄电池和MPPT整流电路的连接线上。
进一步的，所述逆变电路包括MCU、单相全桥电路、变压器和LC滤波电路；单向全桥电路的输入为蓄电池，输出通过LC滤波电路接到变压器；
所述卸荷电路包括功率管和卸荷电阻，所述功率管和卸荷电阻串联后的支路，与MPPT整流电路的正负极连接，所述卸荷电路的功率管由逆变电路的MCU控制开断；
所述MPPT整流电路包括MCU、三相不可控整流桥、两路buck-boost并联电路及驱动和保护电路；三相不可控整流桥的输入接太阳能光伏板和风力发电机，输出接两路buck-boost并联电路；驱动和保护电路分别与所述整流电路的MCU、所述卸荷电路的功率管相连接。
所述整流电路的MCU采集两路Buck-Boost并联电路的输出电压、电流，按照MPPT算法决定功率管PWM波的占空比，所述MPPT算法采用扰动观察法，具体步骤如下：
a、在设定时间间隔采集蓄电池电压、太阳能光伏板充电电流及风力发电机充电电流，并分别计算太阳能光伏板和风力发电机的输出功率，输出功率等于蓄电池电压乘以充电电流； 
b、分别改变两个Buck-Boost电路功率管的占空比，将扰动量与占空比相加，占空比改变则Buck-Boost电路的输出电压改变，意味着风力发电机或太阳能光伏板的输出功率改变；
c、用状态标志位C代表扰动方向，如后一时刻支路输出功率>前一时刻支路输出功率，证明扰动方向正确；C=0代表方向为正方向，扰动量为正值； C=1代表方向为负方向，扰动量为负值；
d、如后一时刻支路输出功率<前一时刻支路输出功率, 证明扰动方向错误，改变方向继续扰动，最终功率管的占空比会在某一值附近波动，太阳能光伏板和风力发电机的输出功率会在各自的最大功率点附近波动，但是波动程度很小。
进一步的，所述卸荷电路当蓄电池电压高于设定值1后，逆变电路的MCU对卸荷电路的功率管发出驱动信号，功率管开通，卸荷电阻接入；卸荷电路功率管驱动信号的占空比大小与蓄电池的电压成正比，占空比越大，功率管开通程度越大，消耗在卸荷电阻上的能量越多；当蓄电池电压高于设定值2，功率管占空比最大，功率管完全开通，卸荷电阻全部接入到整流电路的输出端。
本发明技术效果如下：
风光互补控制逆变一体机经过了各项测试，完全符合GB/T 19115.1-2003、GB/T 19115.2-2003、GB20321.2-2006-T、 GB20321.1-2006-T、《400v以下低压并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法》、GB/T 2423.1、GB/T 2423.2要求；当风速和阳光满足要求时，装置可将风力发电机和太阳能光伏板的输出整流为可为蓄电池充电的直流电，并具有MPPT功能；当蓄电池的电压超过额定时，设备具有卸荷保护蓄电池的能力；逆变电路可将蓄电池的直流电变换为220V、50Hz的交流电供用户使用，并具有稳压、限流等保护功能，可满足一般家用电器的使用。
MPPT整流电路时刻改变功率管的占空比，分别跟踪太阳能光伏板、风力发电机的最大功率点，相比普通不可控整流电路，可以获得更多的能量，提高了能源利用率；而普通整流电路，同一时刻只能利用风力发电机和太阳能光伏板两者中电压较高者，本发明两路Buck-Boost可以同时给蓄电池充电，避免了两者相互影响，提高了能源利用率。
逆变电路将蓄电池直流电逆变为交流电，具有稳压、过压、过流、短路、欠压保护功能。
当蓄电池电压高于设定值后，卸荷电路将太阳能光伏板、风力发电机输出的能量消耗在卸荷电阻上，保护蓄电池不受损坏；卸荷电阻在卸荷时的等效阻值与蓄电池电压成正比，保证了蓄电池电压稳定，并且不会将过多的能量消耗在卸荷电阻上，提高了能量利用率。
附图说明
图1本发明的***结构
图2本发明的MPPT整流电路结构图
图3 本发明的Buck-Boost电路结构图
图4 本发明的最大功率跟踪流程图
图5 本发明的SPWM波流程图
图6 本发明的MPPT卸荷电路原理图
图7 本发明的MPPT卸荷电路流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明的***结构，如图所示：
（1）    MPPT整流电路
a、太阳能光伏板最大功率跟踪的原理
当负载阻值等于太阳能光伏板的内阻时，太阳能光伏板输出功率最大。太阳能光伏板的内阻又与其输出电压、电流有关。当阳光变化时，太阳能光伏板输出电压变化。最大功率跟踪实质就是通过时刻改变buck-boost电路的占空比，来改变太阳能光伏板后级负载的等效阻抗，当等效阻抗与电源内阻相等时，此时即输出最大功率。
b、风力发电机最大功率跟踪的原理
风力发电机的输出功率与输出电压、电流有关，在某一固定风速下，风力发电机可以输出的最大功率，对应于某一特定的电压和电流。改变输出电流，就可以改变输出功率。因为风力发电机的电压随风速不断变化，所以需要不断地改变输出电流，才能时刻保持风力发电机输出最大功率。
MPPT整流电路由三相不可控整流桥、两路buck-boost并联电路及保护和驱动电路构成。太阳能光伏板和风力发电机分别接入不可控整流桥，经过各自的Buck-Boost电路处理后，接入蓄电池为其充电。Buck-Boost电路的输出电压与其MOSFET功率管驱动信号的占空比成正比，单片机通过改变功率管PWM波的占空比，来改变太阳能光伏板和风力发电机的输出电压，从而影响其输出功率。MCU按照最大功率跟踪算法改变占空比，使风力发电机和光伏电池工作在最大功率点，MOSFET功率管是功率管的一种。
MPPT整流电路的电路结构如图2所示。MPPT整流电路由一个三相不可控整流桥、两路并联的Buck-Boost电路、保护和驱动电路、MCU等构成。
（2）逆变电路
逆变电路将电池输出的直流电逆变成为220V、50Hz的交流电供用户使用，包括单相全桥电路、变压器和LC滤波电路。紧急情况下可通过切断主电路和关断开关器件来实现对电池或者负载的保护。
（3）卸荷电路
卸荷电路的主要作用是：当太阳光较强或风力较大，导致光伏板和风力发电机电压较高，但仍未达到***过压保护点时，为了防止高电压对设备造成损坏，控制器可以开启卸荷电路，使一部分功率消耗在卸荷电阻，减少对控制器的冲击。电压达到过压保护点或检测到手动刹车时完全接入卸荷电阻。
Buck-Boost电路原理图见图3所示。当MOSFET功率管VT导通时，直流电源E经VT给电感L充电储存能量，电感电压上正下负。此时二极管截止，电感上流过的电流为电源输入电流。电容C向负载提供能量并维持输出电压基本恒定，负载及电容C上的电压极性为上负下正，与电源极性相反。当VT关断时，电感L极性变反（上负下正），VD正偏导通，电感L中储存的能量通过VD向负载和电容C释放，放电电流为Buck-Boost电路输出电流。
采用这种硬件结构，可使得风力发电机和光伏板的输出电压同时给蓄电池充电，避免了两者相互影响，提高了能源利用率。
MPPT算法流程图如图4 所示。MPPT算法采用扰动观察法，***每隔80ms采集一次当前蓄电池电压、太阳能光伏板输出电流、风力发电机输出电流。将蓄电池电压与支路输出电流相乘即为此时刻该支路的输出功率，如果此刻功率大于上一时刻输出功率值证明扰动方向正确。加入扰动量就是改变Buck-Boost电路的输出电压。用状态标志位C代表上一时刻扰动方向，C=0代表方向为正方向，下一时刻占空比为此时刻占空比加上扰动量，C=1代表方向为负，下一时刻占空比为此时刻占空比减去扰动量。如果此时刻输出功率小于上一时刻输出功率，证明扰动方向错误，改变方向继续扰动，最终***会在最大功率点附近扰动。
SPWM波生成流程图如图5所示。电池输出的直流电压经全桥逆变后由工频变压器升压，再经LC滤波后转换为交流220V输出，给用户供电。逆变电路采用单相全桥的拓扑结构，采用单极性倍频控制算法产生SPWM波。
SPWM生成部分包括PI调节、正弦脉宽调制、比较捕获单元映射寄存器值的计算。AD模块采集逆变器交流侧电压值与给定期望值进行比较，进行PI调节，获得调制比。PI调节结果经过正弦表进行脉宽调制，获得比较捕获单元寄存器临时值，由比较捕获单元的比较值得到输出的SPWM需要的占空比。
由于SPWM调制本身的特性决定着逆变器的输出电压中含有较多的高次谐波分量，因而必须在逆变器的输出侧加低通滤波器来减小谐波含量，以得到平滑的正弦波。本装置采用LC低通滤波器。
PWM卸荷电路原理图如图6所示，两个MOSFET功率管Q1、Q2并联后，通过卸荷电阻与整流器输出端相连，Q,1、Q2控制卸荷电阻接入。
PWM卸荷流程图如图7所示，当蓄电池电压小于设定值1，例如30V，MCU不输出驱动信号，MOSFET功率管Q1、Q2关闭，卸荷电阻支路开路，风力发电机和太阳能光伏板的输出电流全部给蓄电池充电。当蓄电池电压大于设定值1，MCU根据蓄电池电压调节Q1、Q2的PWM驱动信号占空比，占空比决定Q1、Q2的导通程度，将整流电路输出功率的一部分消耗在卸荷电阻上，消耗的功率与PWM驱动信号占空比大小成正比，当蓄电池电压大于设定值2，例如34V，PWM驱动信号最大，Q1、Q2完全导通，相当于将卸荷电阻与整流电路输出端并联，卸荷电阻成为风力发电机和太阳能光伏板的负载，将风力发电机和太阳能光伏板的发出的大部分能量消耗在卸荷电阻上，保证充电电压在正常工作范围，不对蓄电池造成损坏。
对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种风光互补控制逆变一体机，其特征在于：所述一体机包括MPPT整流电路、逆变电路、卸荷电路；MPPT整流电路的输入端连接风力发电机和太阳能光伏板，输出端连接到蓄电池；逆变电路的输入端与蓄电池连接，输出端与交流负载连接；卸荷电路连接在蓄电池和MPPT整流电路的连接线上。
2.根据权利要求1所述的所述的一种风光互补控制逆变一体机，其特征在于：所述逆变电路包括MCU、单相全桥电路、变压器和LC滤波电路；单向全桥电路的输入为蓄电池，输出通过LC滤波电路接到变压器；
所述卸荷电路包括功率管和卸荷电阻，所述功率管和卸荷电阻串联后的支路，与MPPT整流电路的正负极连接，所述卸荷电路的功率管由逆变电路的MCU控制开断；
所述MPPT整流电路包括MCU、三相不可控整流桥、两路buck-boost并联电路及驱动和保护电路；三相不可控整流桥的输入接太阳能光伏板和风力发电机，输出接两路buck-boost并联电路；驱动和保护电路分别与所述整流电路的MCU、所述卸荷电路的功率管相连接。
3.根据权利要求2所述的一种风光互补控制逆变一体机，其特征在于：所述整流电路的MCU采集两路Buck-Boost并联电路的输出电压、电流，按照MPPT算法决定功率管PWM波的占空比，所述MPPT算法采用扰动观察法，具体步骤如下：
a、在设定时间间隔采集蓄电池电压、太阳能光伏板充电电流及风力发电机充电电流，并分别计算太阳能光伏板和风力发电机的输出功率，输出功率等于蓄电池电压乘以充电电流； 
b、分别改变两个Buck-Boost电路功率管的占空比，将扰动量与占空比相加，占空比改变则Buck-Boost电路的输出电压改变，意味着风力发电机或太阳能光伏板的输出功率改变；
c、用状态标志位C代表扰动方向，如后一时刻支路输出功率>前一时刻支路输出功率，证明扰动方向正确；C=0代表方向为正方向，扰动量为正值； C=1代表方向为负方向，扰动量为负值；
d、如后一时刻支路输出功率<前一时刻支路输出功率, 证明扰动方向错误，改变方向继续扰动，最终功率管的占空比会在某一值附近波动，太阳能光伏板和风力发电机的输出功率会在各自的最大功率点附近波动，但是波动程度很小。
4.根据权利要求2或3所述的任一一种风光互补控制逆变一体机，其特征在于：所述卸荷电路当蓄电池电压高于设定值1后，逆变电路的MCU对卸荷电路的功率管发出驱动信号，功率管开通，卸荷电阻接入；卸荷电路功率管驱动信号的占空比大小与蓄电池的电压成正比，占空比越大，功率管开通程度越大，消耗在卸荷电阻上的能量越多；当蓄电池电压高于设定值2，功率管占空比最大，功率管完全开通，卸荷电阻全部接入到整流电路的输出端。
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