風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用解析

節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必要條件。人們的注意力正轉(zhuǎn)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，隨著電子技術(shù)和硅材料研究的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用，市場(chǎng)前景相當(dāng)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(bǔ)綜合電源系統(tǒng)。

1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)、光互補(bǔ)電源系統(tǒng)主要有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、蓄電池組和電源綜合控制柜組成。其設(shè)計(jì)理念是利用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙發(fā)電系統(tǒng)對(duì)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(zhǎng)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(tǒng)不能輸出可靠穩(wěn)定的直流電，若對(duì)其不加處理地直接對(duì)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ATMEGA8單片機(jī)數(shù)字功率跟隨技術(shù)的控制系統(tǒng)，不僅大大提高了發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且提高了電源系統(tǒng)的可靠性。

2充電系統(tǒng)組成

以風(fēng)機(jī)為例，充電系統(tǒng)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(diào)。風(fēng)機(jī)為三相線電壓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(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(dá)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash ;具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼通過(guò)片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時(shí)讀寫作。

通過(guò)霍爾電流傳感器把充電電流轉(zhuǎn)換成0~5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(jī)的輸出電壓，從而通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字PI調(diào)節(jié)達(dá)到恒流的目的。不過(guò)充電機(jī)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(xiàn)。特別是風(fēng)能，如果風(fēng)速特別大而充電機(jī)仍然輸出不變的電流(負(fù)載不變)會(huì)損壞風(fēng)機(jī)。如果風(fēng)速小功率不夠就會(huì)導(dǎo)致充電機(jī)無(wú)法正常工作，時(shí)而關(guān)斷，時(shí)而開(kāi)通。造成此種現(xiàn)象是因?yàn)槌潆娔�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(shù)字功率跟隨技術(shù)，以風(fēng)機(jī)輸入電壓300V經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)整負(fù)載大小(輸出電流)做數(shù)字PI調(diào)節(jié)，從而達(dá)到充電機(jī)正常工作。

4軟件設(shè)計(jì)思想

AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。1997年，由Atmel公司挪威設(shè)計(jì)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(jī)，簡(jiǎn)稱AVR.

程序的編寫采用AVR單片機(jī)專用的匯編語(yǔ)言，模塊化設(shè)計(jì)。監(jiān)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(jiān)控主程序流程圖

全部程序代碼由模擬量的數(shù)字采集，中值濾波、數(shù)字比較、PWM輸出等組成。關(guān)鍵是數(shù)字比較構(gòu)成簡(jiǎn)單的PI調(diào)節(jié)且電流環(huán)嵌套與電壓環(huán)之內(nèi)。

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(jī)輸出電流由0~5V信號(hào)線性調(diào)節(jié)，電流給定信號(hào)(0~5V)由ATMEGA8單片機(jī)PBl口輸出10位PWM脈寬調(diào)制波形，再經(jīng)RC濾波產(chǎn)生。將M8單片機(jī)的T/Cl控制寄存器TCCRlA設(shè)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(jì)數(shù)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(shè)定值與TCNTl寄存器計(jì)數(shù)值比較產(chǎn)生;OClA的內(nèi)容由0000-0lFFH可變?cè)O(shè)定也就決定輸出電壓由0~5V線性可調(diào)。OClA值由電壓環(huán)做模擬PI調(diào)節(jié)運(yùn)算后給定，這樣電壓環(huán)和電流環(huán)的互相嵌套便構(gòu)成了功率的恒定跟隨，從而提高了風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電的效率。

5結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能充電電路和風(fēng)機(jī)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(jī)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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，已在上海的花鳥(niǎo)島某駐軍運(yùn)行2年多，十分穩(wěn)定，受到了軍部領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)。