數字功率跟隨技術(shù)在風(fēng)光互補發(fā)電系統中的應用

節約能源，保護環(huán)境已經(jīng)成為人類(lèi)可持續發(fā)展的必要條件。人們的注意力正轉向再生能源的利用和開(kāi)發(fā)。其中，太陽(yáng)能發(fā)電已成為近些年研究的熱點(diǎn)。但其發(fā)電效率較低成為制約發(fā)展的重要因素。目前，最大功率跟蹤(MPPT)技術(shù)是提高發(fā)電效率的有效途徑之一。近些年，隨著(zhù)電子技術(shù)和硅材料研究的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了對風(fēng)能、太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用，市場(chǎng)前景相當廣闊。在此前提下，研制了智能化、模塊化、一體化的新一代風(fēng)、光互補綜合電源系統。

1風(fēng)光互補發(fā)電系統

風(fēng)、光互補電源系統主要有風(fēng)力發(fā)電機、太陽(yáng)能電池板、蓄電池組和電源綜合控制柜組成。其設計理念是利用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機雙發(fā)電系統對蓄電池組(48V)充電，再把直流電逆變成AC 220V/50Hz的交流電，成為我們常用的交流電源。蓄電池組的充電方式?jīng)Q定其使用壽命的長(cháng)短，但是風(fēng)能的突然性和太陽(yáng)能的時(shí)間性注定發(fā)電系統不能輸出可靠穩定的直流電，若對其不加處理地直接對蓄電池組充電，不僅大大縮短蓄電池組的壽命，而且不能有效地利用風(fēng)能和太陽(yáng)能。因此，在充電過(guò)程中引入了基于A(yíng)TMEGA8單片機數字功率跟隨技術(shù)的控制系統，不僅大大提高了發(fā)電系統的穩定性，而且提高了電源系統的可靠性。

2充電系統組成

以風(fēng)機為例，充電系統主電路采用日產(chǎn)某公司的直流變換模塊PH600S28048，直流輸入電壓：200~400V，輸出電壓：43~6lV遙控可調。風(fēng)機為三相線(xiàn)電壓220V輸出，蓄電池組的充電電壓范圍：46~57V.充電的恒流和功率跟隨有ATMEGA8來(lái)完成。系統組成原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖3系統工作原理

ATMEGA8是高性能、低功耗的8位AVR?微處理器具有先進(jìn)的RISC結構130條指令;32個(gè)8位通用工作寄存器能全靜態(tài)工作;工作于16 MHz時(shí)性能高達16 MIPS ;只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器;是非易失性程序和數據存儲器;8K字節的系統內可編程Flash ;具有獨立鎖定位的可選Boot代碼通過(guò)片上Boot程序實(shí)現系統內編程真正的同時(shí)讀寫(xiě)作。

通過(guò)霍爾電流傳感器把充電電流轉換成0~5V的標準信號，經(jīng)A/D轉換成數字信號送CPU處理，并通過(guò)PBl腳。PWM輸出控制光藕PC817的道通度控制充電機的輸出電壓，從而通過(guò)簡(jiǎn)單的數字PI調節達到恒流的目的。不過(guò)充電機恒流工作有一個(gè)重要的前提條件就是輸入能源必須有足夠大的功率。但是自然界風(fēng)能、太陽(yáng)能的隨柵陛、突然性使恒流充電難以實(shí)現。特別是風(fēng)能，如果風(fēng)速特別大而充電機仍然輸出不變的電流(負載不變)會(huì )損壞風(fēng)機。如果風(fēng)速小功率不夠就會(huì )導致充電機無(wú)法正常工作，時(shí)而關(guān)斷，時(shí)而開(kāi)通。造成此種現象是因為充電模塊PH600S工作正常輸入電壓范圍為DC 200~400V.為了克服此情況就加入了數字功率跟隨技術(shù)，以風(fēng)機輸入電壓300V經(jīng)A/D轉換數字為基準來(lái)調整負載大小(輸出電流)做數字PI調節，從而達到充電機正常工作。

4軟件設計思想

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。1997年，由Atmel公司挪威設計中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機，簡(jiǎn)稱(chēng)AVR.

程序的編寫(xiě)采用AVR單片機專(zhuān)用的匯編語(yǔ)言，模塊化設計。監控程序和輸入控制模塊程序流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 監控主程序流程圖

全部程序代碼由模擬量的數字采集，中值濾波、數字比較、PWM輸出等組成。關(guān)鍵是數字比較構成簡(jiǎn)單的PI調節且電流環(huán)嵌套與電壓環(huán)之內。

程序流程如下：以電流環(huán)為例做一介紹：由PH600S系列模塊組成的硬件充電機輸出電流由0~5V信號線(xiàn)性調節，電流給定信號(0~5V)由ATMEGA8單片機PBl口輸出10位PWM脈寬調制波形，再經(jīng)RC濾波產(chǎn)生。將M8單片機的T/Cl控制寄存器TCCRlA設置值83H，TCCRlB控制寄存器為05H也就定義PBl口輸出10位快速的PWM波形。T/C1計數寄存器TCNTI(TCNTlH：TCNT1H)值便從0000一OlFFH之間變換。脈沖輸出占空比(輸出電壓)由比較控制寄存器OClA設定值與TCNTl寄存器計數值比較產(chǎn)生;OClA的內容由0000-0lFFH可變設定也就決定輸出電壓由0~5V線(xiàn)性可調。OClA值由電壓環(huán)做模擬PI調節運算后給定，這樣電壓環(huán)和電流環(huán)的互相嵌套便構成了功率的恒定跟隨，從而提高了風(fēng)、光互補發(fā)電的效率。

5結語(yǔ)

太陽(yáng)能充電電路和風(fēng)機的功率跟隨原理是一樣，只不過(guò)太陽(yáng)能電池板的輸入電壓低，變化比較緩慢，已采用PH30048-48模塊作主回路。利用ATMEGA8單片機作控制，日產(chǎn)某公司的直流變換模塊為主電路做成的風(fēng)光互補發(fā)電系統，已在上海的花鳥(niǎo)島某駐軍運行2年多，十分穩定，受到了軍部領(lǐng)導的好評。