基于MCU的風(fēng)光互補獨立電源系統

　　摘要：結合實(shí)踐論述了風(fēng)光互補能源的合理性，給出了基于Mcu的風(fēng)光互補獨立電源的硬件構成以及軟件流程。并對其中的關(guān)鍵技術(shù)：如雙標三階段充電的流程、逆變模塊的MCU實(shí)現硬件構成等詳加闡述。同時(shí)也結合實(shí)例，介紹了風(fēng)光互補獨立電源系統的實(shí)際應用。

　　關(guān)鍵詞：微控制囂(MCU)；雙標三階段充電；逆變；風(fēng)光互補系統

　　中圖分類(lèi)號：TM925 文獻標識碼：A 文章編號：0219—2713(2005)06 0035—04

0 引言

    綜合利用了風(fēng)能、光能的風(fēng)光互補獨立電源系統是一種合理的電源系統。不僅能為電網(wǎng)供電不便的地區，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(kāi)辟了一條新路。

    單獨的太陽(yáng)能或風(fēng)能系統，由于受時(shí)間和地域的約束，很難全天候利用太陽(yáng)能和風(fēng)能資源。而太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強的互補性，白天光照強時(shí)風(fēng)小，夜間光照弱時(shí)，風(fēng)能由于地表溫差變化大而增強，太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補性是風(fēng)光互補發(fā)電系統在資源利用上的最佳匹配。

l 硬件構成

    風(fēng)光互補獨立電源系統由光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、系統智能管理核心、逆變器、儲能元件等構成，如圖l所示。

    系統的具體構成參數由使用時(shí)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逆變器容量的依據，而平均日發(fā)電量則是選擇風(fēng)機及光電板容量和蓄電池組容量的依據。同時(shí)系統安裝地點(diǎn)的風(fēng)光資源狀況也是確定光電板和風(fēng)機容量的另一個(gè)依據。

    光伏發(fā)電單元與風(fēng)力發(fā)電單元光伏發(fā)電單元采用所需規模的光電板，轉換太陽(yáng)光能，并通過(guò)智能管理核心對蓄電池充電、放電、逆變進(jìn)行統一管理。風(fēng)力發(fā)電單元利用小型風(fēng)力發(fā)電機，轉換風(fēng)能，同時(shí)通過(guò)智能管理核心控制整個(gè)系統的允放電。兩個(gè)單元在能源的采集上互相補充，同時(shí)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(jià)高；風(fēng)力發(fā)電單元發(fā)電量高，造價(jià)和運行維護成本低，但可靠性低。

    儲能元件鉛酸蓄電池足風(fēng)光互補獨立電源系統常用的儲能元件，其成本低、容量大、免維護的特性使其成為風(fēng)光互補獨立電源的首選。由于風(fēng)電和光電單元必須通過(guò)蓄電池儲能才能穩定供電，蓄電池合理的容量和科學(xué)的充放電是系統壽命的保證，本系統采用雙標三階段充電，實(shí)現對鉛酸蓄電池的科學(xué)充電。風(fēng)光互補獨立電源采用雙儲能系統，包括二套鉛酸蓄電池組，使得充放電能同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)智能核心控制既可以對負載放電，同時(shí)叉可以在充電條件到達時(shí)對備用儲能電池組充電，兩組蓄電池之間的切換由系統實(shí)時(shí)監測其電壓狀態(tài)決定。

    MOSFET充放模塊由智能管理核心驅動(dòng)的MOSFET充電模塊，可根據系統的不同，選取不同電壓等級的MOSFET，來(lái)實(shí)現系統對蓄電池的充放電。MOSFET可選用International Rectifier公司的第三代HEXFETs產(chǎn)品，IR系列產(chǎn)品具有開(kāi)關(guān)迅速、開(kāi)通阻抗低、性?xún)r(jià)比高等特色?？刂颇K根據不同的MOSFET門(mén)級電壓設計，由智能管理核心控制MOSFET模塊的輸出狀態(tài)。

    逆變器系統不僅可以提供穩定的直流供電，帶動(dòng)直流負載，而且可以通過(guò)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(pán)、MCU組成，是系統控制、管理的核心，驅動(dòng)MOSFET充電模塊實(shí)現對蓄電池的雙標三階段充電，驅動(dòng)JCBT實(shí)現DC／AC逆變、以及系統的實(shí)時(shí)保護和數據再現與傳輸等，同時(shí)提供風(fēng)機的磁電限速保護，在風(fēng)力過(guò)功率時(shí)，給風(fēng)機反向磁阻力矩，降低風(fēng)機轉速。系統核心MCU選用TI公司的MSP430單片機，其豐富的片上資源使得系統的控制和管理都極為方便。

2 系統工作原理及軟件實(shí)現

2.1 雙標三階段充電原理及實(shí)現

    鉛酸蓄電池是系統的儲能元件，電是影響風(fēng)光互補系統壽命的關(guān)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。系統智能管理核心拄制蓄電池的充放電過(guò)程。本系統采用雙標三階段充電來(lái)優(yōu)化充電過(guò)程。雙標三階段充電過(guò)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(guò)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(guò)標準開(kāi)路電壓(Voc)時(shí)，太陽(yáng)能電源、風(fēng)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取值不同，可按C／5充電率取值，C為蓄電池容量)，由于太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電機的電流與天氣狀況有關(guān)，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(jìn)入第二階段。第一階段的充電程度可達70％～90%。

    第二階段 過(guò)電壓恒充階段(over chargestate)以恒定的過(guò)標準電壓(Voc)充電，直到充電電流降至Ioct進(jìn)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(jìn)行浮充。蓄電池充滿(mǎn)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(shí)時(shí)采集并判斷系統狀態(tài)，與輸入控制、觸發(fā)信號聯(lián)合控制充電狀態(tài)。

2.2逆變器原理與實(shí)現

    DC／DC變換由48V鉛酸蓄電池輸出通過(guò)Boost電路升壓至360V，采用UC3825PWM控制芯片，其產(chǎn)牛PWM頻率高，且造價(jià)低。DC／AC逆變器主電路由H橋式ICBT構成，還包括熔斷器、抗干擾的濾波器、保護二極管等?？刂齐娐酚煽刂骗h(huán)節和保護環(huán)節兩部分構成智能管理核心作為控制環(huán)節對主電路的輸入電壓、輸出電壓、輸出頻率和輸出波形進(jìn)行校正控制。保護環(huán)節分為硬件保護部分和軟件保護部分，完成對系統的短路、過(guò)載、失壓、過(guò)壓、缺相等的保護。逆變后的單項交流電通過(guò)電壓、電流傳感器，把狀態(tài)返回智能管理中心，以便對波形實(shí)行校正。逆變器的電路構成如圖4所示。

2.3 系統控制保護原理與實(shí)現

    風(fēng)光互補電源系統根據性能可分為充電狀態(tài)、負載狀態(tài)(放電狀態(tài))、保護狀態(tài)。系統同時(shí)監測光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、負載和兩組蓄電池的狀況，在相應條件下，進(jìn)入對應的狀態(tài)。在每一狀態(tài)中，系統不僅完成自身階段的工作，還可根據用戶(hù)需要給出相應的系統參數顯示、多系統之間的通訊及系統與E位機之問(wèn)的通訊，系統狀態(tài)流程如圖5所示。

    系統在初始化中，完成參數的設定，如光伏發(fā)電單元電壓、電流、負載、過(guò)壓、過(guò)流保護參數；風(fēng)力發(fā)電機的磁電保護參數；鉛酸蓄電池雙標三階段充電的充電系數。同時(shí)也完成系統人機通訊(鍵盤(pán)、液晶模塊、LED等)的初始化和系統通用串行通信模塊的設定。

    系統通過(guò)實(shí)時(shí)采樣模塊、上位機觸發(fā)信號和用戶(hù)控制信號聯(lián)合判斷系統所處的狀態(tài)。首先，通過(guò)實(shí)時(shí)采樣模塊采集系統的實(shí)時(shí)電壓、電流，判斷光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、儲能蓄電池和負載的狀況，從而決定系統應處的狀態(tài)。其次，上位機觸發(fā)信號和用戶(hù)控制信號也聯(lián)合控制系統狀態(tài)，可強行控制系統從一種狀態(tài)轉入其他狀態(tài)。

    系統在充電狀態(tài)中以雙標二階段充電法對鉛酸蓄電池進(jìn)行合理允電，通過(guò)在線(xiàn)對系統中光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、蓄電池和負載的狀態(tài)采集，合理完成灌充和過(guò)電壓恒充，并以浮充狀態(tài)維持鉛酸蓄電池的電壓。

    在負載狀態(tài)(放電狀態(tài))中，按負載需要，進(jìn)行直流或單項交流供電。同時(shí)監測蓄電池組的狀態(tài)，在到達設定條件時(shí)，與備用蓄電池組實(shí)現輪流充放電，提高系統對能源的利用。另外，在負載狀態(tài)時(shí)，鉛酸蓄電池的狀態(tài)也需實(shí)時(shí)監測，以免過(guò)放對蓄電池造成損害。

    當風(fēng)光互補系統巾的光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、鉛酸蓄電池、負載以及系統內部的狀態(tài)參數到達所設的保護值時(shí)，系統進(jìn)人保護狀態(tài)，避免了短路、過(guò)壓、過(guò)流等對系統的危害，保障系統的正常運行。如對風(fēng)力發(fā)電機的磁電限速保護，鉛酸蓄電池的過(guò)放保護，以及對負載的過(guò)壓保護等。

    同時(shí)，系統提供了方便的人機接口，可在線(xiàn)獲取系統中充、放電的電流、電壓參數及系統的狀態(tài)參數。通用串行通信模塊提供了系統之間、系統與上位機之間的通信，方便的輸入控制，多種的顯示輸出以及靈活的通信不僅保障了系統的安全運行，也大大便利r系統的維護、檢修和管理。

3 實(shí)際應用

    風(fēng)光互補獨立電源系統已實(shí)際應用于中小功率用電系統，如路燈、家用照明等。由于太陽(yáng)能、風(fēng)能供電的獨特互補優(yōu)點(diǎn)(如圖6所示)，近年來(lái)風(fēng)光互補獨立電源系統得到迅速發(fā)展。

    如需滿(mǎn)足4對55W低壓鈉燈的供電，每盞燈光通亮7800lm，按實(shí)地情況采用l000W太陽(yáng)能電池板，300W的小型風(fēng)力發(fā)電機，兩組．400A