[硕士论文精品]风光互补智能控制系统的设计与实现

摘要摘要随着能源危机和环境恶化日益加剧，人们越来越关注环境保护和新能源技术的发展。风力发电和太阳能发电是所有可再生能源中最有前景的，它们具有零污染、低辐射、永不枯竭等诸多不可取代的优点。近年来，世界各国都加大对风能和太阳能产业的投入。随着成本的进一步降低，产业技术的升级以及政府财政与政策的支持，风光互补智能系统作为种灵活、稳定的能源供给系统，将是新能源利用研究与应用的热点。风光互补发电是利用风能和太阳能的资源互补特性，将间歇性的风能和太阳能通过有效的转化、储存、控制等手段，形成稳定的电力输出。风光互补智能系统是由控制系统、储能系统与配套设施组成的。发电系统、控制系统、储能系统独立设计，是整合后系统稳定性差的根本原因，也是目前该行业的技术壁垒。本文以实现具有智能控制和智能保护功能的风光互补系统为目标，在总结与分析已有工作的基础上，着重于风光互补智能控制系统的研制和最大功率跟踪策略两个方面的研究，其主要工作与贡献如下1设计了一个模块化的风光互补智能控制系统。提出了一种模块化的体系结构，将整个系统分为发电控制模块、蓄电池的充放电控制模块、系统管理模块。用户根据应用需求，可以选用模块组件构成实用系统，具有很好的扩展性。在硬件模块化设计的基础上，通过设计一套智能管理系统，实现了模块间的兼容性；在软件实现上，利用单片机编程实现多种功能来代替部分硬件电路，使得系统具有可修改，易于管理与升级，提高了的稳定性与性价比。2通过对光伏系统的最大功率点跟踪问题进行分析，提出了一种最大效率跟踪策略。根据负载的等效电阻不变，推出太阳能电池的功率与工作电压的关系，基于该关系对传统的扰动观测法进行了改进，提出一种基于太阳能输出电压的最大功率点跟踪算法。该算法结构简洁，计算量小，成本低，并具有适应天气变化较快场合的功能。3根据蓄电池的三段式充电要求，设计了一套具有智能控制和智能保护功能的充放电控制的电路。通过采用模块化设计与智能管理，增强了风光互补智能系统的可扩展性与可靠性，有效地延长了蓄电池的使用寿命。4详细分析了开关电源的各个环节，将反馈控制与电源设计相结合，提出了一种利用TL431制作精准开关电源补偿电路的方法。将该方法应用在实际的电路设计中，验证了方法的有效性。关键词风光互补智能控制开关电源最大功率跟踪三段式充电ABSTRACTABSTRACTDUETOEVERINCREASINGENERGYCRISISANDENVIRONMENTDEGRADATION，THEREISARISINGPUBLICAWARENESSOFENVIRONMENTALPROTECTIONANDPROGRESSINPOWERDEREGULATIONWINDANDPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONARETWOOFTHEMOSTPROMISINGRENEWABLEENERGYTECHNOLOGIESOWINGTOMANYMERITSTHEYHAVE，SUCHASZEROORLOWEMISSIONANDINEXHAUSTIBILITYWITHTHEDECLININGOFCOST，UPGRADINGOFINDUSTRYTECHNOLOGYANDTHESUPPORTFROMGOVERNMENTFINANCIALANDPOLICY，HYBRIDWINDANDPHOTOVOLTAICINTELLIGENTPOWERGENERATIONSYSTEMHWPIPGWILLBETHENEWHOTSPOTSOFRESEARCHANDAPPLICATIONOFRENEWABLEENERGY，ASAFLEXIBLEANDSTABLEENERGYSUPPLYSYSTEMWITHTHECOMPLEMENTARYCHARACTERISTICSBETWEENWINDANDPHOTOVOLTAIC，HWPIPGMAKETHEINTERMITTENTWINDANDSOLARENERGYADAPTTODAILYAPPLICATIONBYTHECONTROLOFTRANSFORMATION，CHARGINGANDSTORAGEHWPIPGISCOMPOSEDOFCONTROLSYSTEM，STORAGESYSTEMANDRELATEDFACILITIESBECAUSEOFTHESEPARATEDDESIGNOFGENERATIONSYSTEM，CONTROLSYSTEMANDSTORAGESYSTEM，THEINTEGRATEDSYSTEMMAYNOTWORKSTABLYITALSOISATECHNOLOGYBARRIERINTHISAREAAIMINGATTHEREALIZATIONOFTHEPRACTICALHWPIPGTHATCANCONTROLTHEGENERATIONANDMANAGETHEWHOLESYSTEMS，AFTERTHESURVEYANDANALYSISOFTHECURRENTRESEARCHWORK，WEPRESENTINTHISTHESISOURRESEARCHONTHEPROBLEMSOFHWPIPGDEVELOPMENTANDTHEMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPTTHEMAINCONTRIBUTIONSOFTHISTHESISARE11LTHEARCHITECTUREANDIMPLEMENTATIONOFANINTELLIGENTCONTROLSYSTEMISPRESENTEDINTHISTHESISFIRSTLY,AHYBRIDFLEXIBLEMODULARSTRUCTUREISPROPOSED，COMPOSEDOFGENERATIONCONTROLSECTION，CHARGINGANDDISCHARGINGSECTIONANDSYSTEMMONITORSECTION。SECONDLY，THECONTROLLERISIMPLEMENTEDBASEDONTHEFUNCTIONMODULES，MAKINGTHESYSTEMMOREFLEXIBLEBASEDONTHEMODULESDESIGN，ANINTELLIGENTMONITORSYSTEMISDEVELOPEDTOSOLVETHECOMPATIBILITIESAMONGTHEMODULESSOFTWAREMODULESAREDEVELOPEDONMICROCHIP，PERFORMINGSOMEFUNCTIONSTHATHARDWARECANDOTHEDESIGNEDHWPIPGHASPROPERTIESOFOPENNESS，RELIABILITYANDFLEXIBILITY2AHIGHLYEFFICIENTMPPTSTRATEGYFORPHOTOVOLTAICISPRESENTEDBASEDONTHEUNCHANGEDEQUIVALENTRESISTANCE，THERELATIONSHIPBETWEENSOLARPOWERANDVOLTAGEISDEDUCEDITCANBEIMPLEMENTEDONLYBYVOLTAGESENSORBYIMPROVINGIIABSTRACTTHETRADITIONALPERTURBANDOBSERVEMETHODTHESIMULATIONANDEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEPROPOSEDCONTROLSTRATEGYCALLWITHSTANDRAPIDIRRADIATION，ANDTHESYSTEMTRACKSTHEMAXIMUMPOWERPOINTVERYWELL3THECHARGINGANDDISCHARGINGSTRATEGIESOFTHEBATTERYISSTUDIEDACIRCUITISDEVELOPEDTHATCAILPERFORMINGCHARGINGANDDISCHARGINGCURRENTLYTHEFLEXIBLECIRCUITMODULESMAKEITPOSSIBLETORESIZETHEHWPIPGWITHOUTANYADJUSTMENT，EFFECTIVELYEXTENDTHELIFEOFTHEBATTERY4THESWITCHINGPOWERSUPPLYSPSWITHTWOTRANSISTORFORWARDISSTUDIEDASWELLAPPLYINGFEEDBACKCONTROLINSPSDESIGN，AMETHODOFDEVELOPINGTHEFEEDBACKOFPRECISIONSPSUSINGTL431ISDEVELOPED，ANDANEXAMPLEISADDRESSEDTOSHOWTHEADAPTABILITYKEYWORDSHYBRIDWINDANDPHOTOVOLTAICGENERATION，INTELLIGENTCONTROL，SWITCHINGPOWERSUPPLY，MAXIMUMPOWERPOINTTRACKING，THREEPHASECHARGINGIII中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名盈墨签字日期2型2塑中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密年作者签名J匿銎签字日期丝型扛盟导师签名签字日期第一章绪论11研究背景与研究意义第一章绪论能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着经济的快速增长，能源需求大幅增加，能源供需矛盾突出。利用太阳能、风能等干净、环保、免费的可再生能源发电，缓解能源矛盾成为全世界研究的热门课题。早期中小型风力发电机组在偏远穷困地区应用在自然条件好，成本低、造型不要求美观、技术要求不高，用来解决普通的照明和电视等通用家电的用电问题；后来逐渐转入经济发达的地区使用，自然条件相对较差，成本相对较高，造型要求美观。应用不断同时为技术的发展满足市场提供了基础。随着地区环境差异和需求差异较大，单独的风力发电已近不能满足需求，对风光互补发电技术要求增加。低风速启动、低电压储能、抗强台风、智能化控制、信息反馈等等一系列技术不断的提上研发历程。无论是风电系统还是光电系统，都受到自然资源的制约；不仅在地域上差别迥异，而且随时间变化具有很强的不确定性，我们称之为不确性能源。风力发电具有问歇性瞬时变化的特点，光电则具有随季节与天气变化而变化的特点。资源的不确定性导致了发电与用电负荷的不平衡，必须对其进行有效的转化、存储与控制才能实际使用。风光互发电补技术是整合中小型风电技术和太阳能技术，同时综合了各种应用领域的新技术。单独的风能和单独的太阳能都有其开发的弊端，而风力发电和太阳能发电两者互补性的结合，实现了两种新能源在自然资源的配置、技术方案的整合、性能与价格的对比方面都达到了对新能源综合利用的最合理；不但降低了满足同等需求下的单位成本，而且扩大了市场的应用范围，还提高了产品的可靠性。在远离电网覆盖的地区，独立供电系统就成为人们最需要的电源，需要低成本、高可靠性的独立电源系统。在此种环境下风光互补供电系统较为合理，因为现代能源服务尚不能达到的地方往往是蕴藏着丰富风能和太阳能资源的地方ILL。而且风、光互补系统本身独有的一些性质也恰好与这些地区的自然条件相吻合。因此对于满足偏远地区能源需要和中国贫困地区的可持续发展，风光互补发电是一项关键的能源建设技术。因为风能和太阳能都有间歇性的特点，因此利用风力、太阳能互补发电是一种比单一风力或太FFLLL发电更经济更有效的发电方式，从事风力太阳能互补发第一章绪论电的研究较少，尚处于起步阶段。课题的研究具有较好经济和社会意义。1节能减排和保护生态风光互补发电利用可再生自然资源无需消耗其他自然资源，而且取之不尽用之不竭，无污染，无辐射。它最直接的优点就是节能，基本上是零耗电对当地的生态环境不造成污染，极大的保护了人类的居住环境。以风光互补供电的LED路灯项目为例，分别在3公里、5公里、10公里的道路上铺设路灯，分析其能源消耗与环境保护效益。以每隔30米一盏，每边一盏布灯，则这三段路所需的路灯总数分别为202盏、333盏、666盏。目前70W的LED灯可以达到200W的普通路灯同样的照明效果，而使用寿命LED灯理论上是普通路灯的5倍。按照每节约1度千瓦时电，就相应节约了04千克标准煤，0997千克二氧化碳C02、003千克二氧化硫S02计算，每年太阳能，风能所产生的电量折算为煤炭的总量，以及对应减少二氧化硫，二氧化碳的排放量为图11所示。圈11不同道路采用风光互补路灯方案的节能减排效益2、经济效益风光互补发电属于可再生能源，一次投入后就不要再需要花费用于能源的成本仅仅需要的常规的运营管理和维护开支，它十年的维护费不足项目的投入的5；不仅减少了对有限的煤矿等资源的消耗，而且节约了用电成本。图11中的等效发电量就可以看出，每年因为采用风光互补发电系统而节约的电力戒本是十分可观的。3社会效益及其他效益风光互补智能系统作为一种新能源开发项目，在政府的介入下，可以促进产第一章绪论业结构调整，使得产业结构不断优化不断升级，高耗能、高污染的状况逐步得到改善。由于风光互补发电系统属于离网发电的独立系统，避免了因极端天气、战争或恐怖势力威胁而导致的大面积停电或电网崩溃的危险【21。目前，非常需要对民众进行环保和新能源知识的普及教育，风光互补智能控制系统能最直接的向从们展示太阳能和风能这种清洁的自然能源的应用前景，能增强市民对新能源产品应用的意识，更能无形中提高市民对新能源利用的意识。其直观的科普教育性为带动地区的经济发展提供了诸多无形的价值，更为新能源在社会发展中的教育、普及、推广、应用奠定了基础。风光互补发电系统可广泛运用于道路照明、住宅、农业、种植、旅游业、广告业、服务业、山区、部队边防哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站及其它不便使用市电的地区。12研究与应用现状风力发电自80年代开始受到欧美各国重视以来，至今全球风机发电量以每年30的惊人速度快速成长。表11列出截至2008年全球风机装置容量及人均风机装置容量F3】。表112008年全球风机装置容量及人均风机装置容量单位MWCOUNTRYSTART2008START2009WATTSPERCAPITALUSA1697125388888GERMANY22247239032915SPAIN151451674042487CHINA5906122009。49INDIA78449645941ITALY272637366486FRANCE237033875571UK242533345641DENMARK31243180600PORTUGAL215028332833CANADA184623697642NETHERLANDS1747221614025JAPAUSTRALIA82413066767IRELAND806105328459SWEDEN788102111472从上表中可以看出，目前在风力发领域，主要在欧洲各国发展较快。许多国3第一章绪论家都更加重视新能源和可再生能源的研究、开发和利用工作。在新能源领域风力发电技术比较成熟，商品化风力发电机组逐渐向大型化和小型化两极发展。图12为我国今年来的风力发电机安装容量的统计表，从图中可以看出国内的风力发电市场越来越大州。OL一20012002200320E42005200620072008_当年装机窖量景积装机容量1圈1_2近年我国风机装机容量我国对风力发电技术的研究始于20世纪50年代后期，当时在偏远的农村、牧区、海岛建设了独立运行的功率在LOKW以下的小型风电装置，之后基本处于停滞状态。80年代中后期，由于世界能源危机的影响一些部门的研究机构及大学相继展开了风力发电的研究工作。在风力发电理论研究方面，主要集中在风力发电的大型并网发电以及风力发电的功率控制的仿真研究D。J。到2008年底，全国不含港、澳、台已累计建成239个风电场，安装风电机组11638台，总装机容量达到1217万KWM。针对独立运行的小型离网风力发电系统，理论研究和应用相对较少SL。据2007年统计资料，2006年我国离网型风电机组主要以200W、300W和500W为主，产量为35116台，并形成了年生产能力达5万台的小型风力发电机组产业19。除了与其他能源组成互补系统，用于道路照明、通信电源等之外，小型风力发电机组还可以作为分布式电源系统的重要电源之一，进行井网应用。我国的独立电源系统主要采用水平轴风力发电机和光伏系统来供应电力，主要应用于通信基站、边防哨所、海岛部队等特殊场合。进入新世纪后，世界太阳能发电总量每年以30|；I上的速度递增加，2004年装机总量达到120MW，比加2003年同比增长61强，是全球发展最快的新能源。表12是近几年国际上太阳能发电装机容量增速前几位的数据对比【I“。日R00RRLLLLR辜。捌砷蟒第一章绪论寝L2近年各国太阳能安装量对比单位为MCOUNTRY2004200526200720002009EGERMANY450837930132818602474US941051402323601822JAPAN2672923002302301275SPAIN11207464024601860ITALY251390240403KOEREAS131624650280420CHINA35446258565140ROW8947681868170115400TOIM96213971744283759469464圈13为我国今年来装机容量的一个统计图。从图中可以看出，光伏系统的装机容量相对风机来说较少但随着国家的政策推出，以及成本的下降，光伏系统的应用会有一个质的飞跃。困13近年中国光伏系统装机容量当前影响太阳能电池大规模应用的主要障碍是它的成本太高因此太阳能电池的主要发展方向是通过改进现有的制造工艺，设计新的电池结构，开发新颖的电池材料等方式降低电池成本，提高光电转换效率。技术进步是降低太阳能发电成本、促进太阳能产业和市场发展的重要因素。先进技术不断向产业注入，使商业化电池技术不断得到提升。目前商业化晶硅电池的效率达到1520单晶硅电池1620，多晶硅1518蛳；商业化非晶硅薄膜电池效率也不断提高，其中单结非晶硅电池57双结非晶硅电池效率在68之甸，非晶第一章绪论硅微晶硅迭层电池效率在810之间，而且稳定性不断提高IIL。可以预知，随着太阳能电池成本不断下降，太阳能发电将进入大规模高速发展时期。目前我国光伏系统主要用于以下四个方面通信和工业应用农村和边远地区应用太阳能光伏照明并网太阳能发电系统随着太阳能发电应用规模的扩大，并网发电系统将快速发展。自上世纪90年代以来，美国、德国、日本、印度等国家计划建设的“太阳屋顶”，都采用并网光伏发电系统。太阳能发电技术发展的趋势为太阳能电池近期将以高效晶体硅电池为主，然后逐步过渡到薄膜电池等各种新型电池；应用上将从屋顶系统突破，逐步向建筑一体化BIPV的大型并网太阳能电站发展IL引。在风光互补发电领域，国外研究现状的典型特征是在系统控制方面研究较多，而对系统的管理和维护相对较少仿真研究较多1314。”，而针对具体电源系统运行研究相对较少。在新能源领域的研究主要集中于大型并网发电场及单独风力发电和单独太阳能发电的控制，风光互补发电方面的研究比较少，但也有一些初步的研究成果。RAJESHKARLD等人【16,171研究了独立小型风光发电系统的成本及可靠性计算，指出根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，是降低发电成本、提高系统可靠性的重要途径。RDUFOLOPEZZARAGOZA大学，西班牙等人用C语言开发了一套用于光风、光柴油机等互补发电系统的基于遗传算法的优化系统软件，并对位于ZARAGOZAN班牙的光柴油机互补发电系统进行了设计与优化，还与另外一个互补优化系统软件HOMERHYBRIDOPTIMIZATIONMODELFORELECTRICRENEWABLE，可再生能源互补发电优化建模进行了比较【18】，结果显示该系统能够根据负载和光照条件确定所用的太阳能阵列、蓄电池和柴油机的数量与类型，能够找到蓄电池最佳SOC点STATEOFCHARGEOFTHEBATTERIES，蓄电池充电状态，能够以最小的成本获得最大的电能输出，证实了光风、光柴油机等互补发电系统比任何一种单独发电系统都更具优势【L引。在国内，研究并设计开发独立运行风光互补电站的单位，主要是中国科学院电工研究所，各地新能源研究所、高校以及近年发展起来的一些公司。风光互补智能系统的研究一方面主要是利用飞速发展的电力电子技术和微计算机控制技术提高系统的供电效性和运行稳定性。通过电力电子技术实现风力发电和太阳能发电的最大输出功率追踪捕捉以及负载端的交流值流逆变输出。在这方面的技术创新层出不穷。华南理工大学研究设计了新型无刷双馈发电机，并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输网；通过微计算机控制技术来实现对系统6第一章绪论的控制与保护，保证系统在无人职守的情况下能稳定可靠地运行。这方面的研究多见于西北部偏远山区农牧民供电系统以及海岛居民生活用电系统【20】。以上的各种系统模拟多是针对系统初期投资及控制策略的模拟，而很少有对一个以确定的控制策略下蓄电池控制电压的研究，实际上即使在同一个控制策略下，蓄电池控制电压的不同对系统的运行效率的影响非常大，甚至会影响到系统的稳定性。无论风力发电系统还是风光互补系统，都由控制系统和储能系统组成等配套产业组成，发电系统、控制系统、储能系统各自分家，是整合后系统稳定性差的根本原因，也是目前该行业的技术壁垒。使最终用户衡量考察中小型风力发电及风光互补新能源发电技术产生误差。独立各个系统都是合格的，在各种恶劣的自然环境下一整合系统就是劣质的，不是控制系统不当就是储能系统和发电系统配比不适合等，体现在用户面前的不仅仅是单一发电系统的发电效率、低风速启动、低风速储能、抗大风保护等，还涉及到控制系统的智能控制、低电压升压、充放电控制等，储能系统的选择、匹配等等一系列衍生的产业问题【2LJ。13研究内容与论文结构本文以实现具有智能控制和智能保护功能的风光互补系统为目标，在总结与分析已有工作的基础上，着重于风光互补智能控制系统的研制和最大功率跟踪策略两个方面进行了研究。其一，研究系统各部分的功能模块化，设计了一套风光互补智能控制系统；其二，提出了一种直接基于电压的太阳能系统的最大功率跟踪控制策略。本文的主要内容为1基于高频技术的双管正激电路拓扑的风力发电控制。该部分内容主要围绕高频开关技术、双管正激电路拓扑、高频开关电源的变压器设计等方面，阐述了风力发电控制技术；在分析电源系统反馈环节的基础上，给出了基于TL431的精准电源反馈补偿设计与选型的方法。2光伏系统的最大功率跟踪策略的研究。根据光伏系统的等效电阻不变，推导出太阳能电池阵列的输出功率增量与工作电压的关系；基于该关系对传统的扰动测量法进行改进，提出了一种直接电压控制的光伏系统最大功率跟踪算法。该算法消除了控制系统对电流传感器的要求，有效地降低了系统的成本。为了验证算法有效性，进行了仿真和实际测试进行对比，结果证明算法的优越性。3风光互补控制系统的蓄电池充放电控制技术。在研究蓄电池的充放电特性的基础上，设计了满足三段式充电的充电控制电路，完全实现了蓄电池三段式7第一章绪论充电的电压与电流要求，有效地延长了蓄电池的使用寿命。实际应用测试数据表明，电路设计的性能完全符合理论要求。4风光互补智能控制系统的设计。根据风光互补系统的性能要求与应用环境，将系统设计按照功能模块化，增强了系统的可扩展性。在模块化设计的基础上，通过设计一套具有智能管理发电控制、蓄电池充放电、最大功率跟踪以及其他系统服务的控制系统。提高了风力和太阳能发电技术整合后的稳定性问题。根据上研究内容，本文的章节安排如下第一章为绪论，介绍了风光互补智能系统的应用背景和现状，结合本文的应用项目，阐述了以风光互补智能系统所带来的社会，技术和经济效益。简要介绍了本文的研究内容与章节安排。第二章介绍风力和太阳能发电系统中的各个部分的原理。主要阐述了风力发电机和太阳能电池的工作原理以及蓄电池的充放电要求。第三章分析了风光互补智能系统的运行控制。风力发电部分介绍集中常见的控制策略。太阳能发电部分介绍了目前研究的具有代表意义的MPPT策略，在对它们进行了总结对比的基础上，提出了一种基于等效电阻的MPPT策略。第四章介绍整个系统的设计和实现。风力发电部分介绍了电路的设计和关键期间的设计步骤，以及整个控制回路的分析，得出了反馈回路等效电路；设计了满足三段式充电的充电电路。太阳能发电部分设计了一个适用于充放电的双向结构电路，在分析其工作原理的基础上，给出了控制策略。同时也介绍了风光互补管理系统的管理功能和软件实现的框架。第五章给出了本文设计的风光互补智能系统的仿真与实测结果，并对各种结果进行了相关的分析与阐述。第六章总结全文并对本文后续工作进行展望。8第二章风光互补智能系统的基本原理第二章风光互补智能系统的基本原理本文基于独立运行的风力与太阳能发电系统，研究风光互补智能系统的原理与控制策略，设计一套具有实际应用价值意义的智能管理系统。图21是一种典型的风光互补联合发电系统的原理框图，目前国内外混合发电系统基本上是以这种运行方式为主。本课题所做的工作也是基于这种系统进行的，通过设计模块化的控制器，每个控制电路模块实现某种特定的功能。这种模块化的设计，同时也完全符合风光互补控制系统的应用，以最少的成本为用户提供满足不同特定需求的控制器。L风刀友电机R_1ACDCP叫控制器卜1直流负载ILI叫DCACH交流负载I太阳能电池L，蓄电池卜图21风光互补智能系统方框图从能量的观点看，整个系统由能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节三部分组成。能量的产生环节又分为风力发电和太阳能发电部分，分别将风能、太阳能转化为高品质的电力能源能量的存储环节由蓄电池来承担，如前文所述，引入蓄电池的主要作用就是为了尽量消除由于天气等原因引起能量供应和需求的不平衡，在整个系统中起到能量调节和平衡负载的作用；能量消耗环节就是各种用电负载，可分为直流负载和交流负载两类。工作电压匹配的直流负载可以直接接入电路，工作电压不匹配的直流负载通过直流变换器后接入电路；交流负载连入电路时需要配备逆变器。一套独立运行的风光互补发电系统由风力发电机、太阳能阵列、控制器、蓄电池和负载等组成。风力发电机输出交流电，经整流后变成直流电，它与太阳能阵列输出的直流电经控制器的控制，对蓄电池进行充电。控制器除了控制风力发电机和太阳能阵列对蓄电池的充电外，还包括对蓄电池向负载放电的管理。下面简单介绍在该系统中主要部件的功能原理。21风力发电部分211风力发电机组成从风能转换的角度来看，风力发电机组包括两个部分其一是风力机，它的9第二章风光互补智能系统的基本原理功能是将风能转换成机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换成电能。风力发电机的种类和式样很多，但由于风力发电机将风能转变成机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮，因此，风力发电机根据风轮白塑结构及其在气流中的位置大体上可分成两大类一类为水平轴风力机，风轮围绕一个水平轴旋转；另外一类为垂直轴风力机，风轮围绕一个垂直轴而旋转。风力发电机的式样很多，其原理和结构总的说来大同小异。以水平轴风力发电机为例，它主要由以下几部分组成风轮、传动机构增速箱、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器等。212风机输出特性风力机起动时，需要一定的力矩来克服其内部的摩擦阻力，这一力矩称作风力机的起动力矩。起动力矩与风力机本身传动机构的摩擦阻力有关，因此风力机有一个最低的工作风速，只有风速大于D“。时风力机才能工作。而当风速超过某一值的时候，基于安全上的考虑主要是塔架和桨叶强度，风力机应当停止运转，所以每台风力机都规定有最高工作风速D，砌。，该风速值与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。介于最低风速和最高风速之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出，风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速称为该风力机的额定风速。为充分利用风力资源进行发电，应按当地的风力资源来确定风力机的起动风速和额定风速，进而选择合适的机型。相关文酬22J中有详细论述，本文不再赘述。事实上，风力机只能从风能中获取一部分能量，其吸收能量的大小程度可用风能利用系数来衡量。对于一台实际的风力机，其机械输出功率己可以用下式表示【2324】1FIT“己CP只“，PAY3CPIIL,PD2D3CP21ZO其中E为通过风轮扫掠面积的风的功率；D是风轮直径；C。为风能利用系数，它不是一个常数，随着风速、风力机转速以及风力机叶片参数如攻角、桨距角的变化而变化；D是风轮远前方风速。风力发电系统中，发电机及其控制系统承担了机械能到电能的能量转换过程，发电机不仅直接影响了这个转换过程的性能、效率和供电质量，而且还影响风能到机械能转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，选择适合于风电转换用的运行可靠、效率高、控制和供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。工程上一般使用风力发电机的风速功率曲线来表示风力发电机的运行特性。图22为一台风力发电机的是工作时的输出功率曲线。10第二章风光互补智能系统的基本原理图22风机功率曲线图通过以上分析可以看出，风力发电机组并不能把通过桨叶扫掠面积的风能全部转换为电能，而是存在一定的损失，实际上，风力机和发电机将风能转化为电能的效率大约为35。一台实际运行的风力发电机，当风带动风机转动至发电机发电运行的转速范围内时，启动对蓄电池进行充电；同时测定风电发电机发出的电压与设定的安全电压比较，如高于安全电压则通过串联在其中的功率开关管调节功率调节；若蓄电池充满或大风时，则启动卸荷电路进行卸荷，以保障设备安全。213风力发电机的种类风力发电机分直流发电机和交流发电机两种。1直流发电机1电励磁式直流发电机主要有他励、自励和复励几种形式。小型直流发电系统大都用于1KW以下的微、小型风力发电装置，与蓄电池储能配合使用。这种直流发电系统在风速变化时，一般通过调节励磁来保持输出电压的恒定。2永磁式直流发电机这种发电机主要是励磁不可调节，结构较电励磁式直流发电机简单。系统采用输出电压随风速变化的系统，在发电机和负载间设置储能设备如蓄电池和整流、逆变设备来变换，以满足用户对输出电压的要求。虽然直流发电机可直接产生直流电，但由于直流电机结构复杂、价格较贵，而且由于直流电机带整流子和电刷，维护麻烦，故在风力发电系统中很少采用。2交流发电机交流发电机主要有两种，一种是同步发电机，一种是异步发电机。前者运行于电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步速成的转速运行。主要有感应发电机发电模式、硅整流自励交流发电机发电模式、无刷爪极自励发电机发电模式、永磁发电机发电模式。第二章风光互补智能系统的基本原理本文根据实际情况，选用交流永磁发电机。在风力发电机发电时，将所发交流电整流，变换成可控直流电给蓄电池充电。在风力发电机发电使蓄电池充满电后，减少或停止继续给蓄电池充电。将卸荷负载接入以防风力发电机飞车，还将多余电能消耗掉，达到功率平衡的目的。由于永磁发电机的运行性能不能通过自身来调节，为了调节其输出功率，必须另加输出控制电路。另外，由于其控制系统较复杂，其相对感应发电机成本较高，这在实际应用时应综合考虑经济性。22太阳能电池特性221太阳能电池阵列原理太阳能作为可再生能源的一种，是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种，主要的种是由于阻挡层的存在。以下以光照下的PN结为例说明PN结光电效应【2。有光照时，PN结内将产生一个附加电流光电流，。，其方向与PN结反向饱和电流厶相同，一般，。L。此时口C，IL矿IO，P22开路电压吃光照下的PN结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I0时的U值0LE秀ZO，。，于是有吃KTQLNIPZO23短路电流，。光照下的PN结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流J。臣LL_K述电流方程22中U0时的J值，得15。IPO吃与L是光照下PN结的两个重要参数，在一定温度下，K与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，L与E有线性关系。太阳能电池目前大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4,一100EM，太阳能单12第二章风光互补智能系统的基本原理体的工作电压约为045“05V，工作电流为2025MA，一般不能单独作为电源使用。将太阳能单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦上百瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元，太阳能电池组件再经过串并联并安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所需要的输出功率。222太阳能阵列的等效电路太阳能电池IV特性与太阳辐射强度S和太阳能电池温度丁有极大关系，即，FU，S，丁。采用单结晶硅为材料的太阳能电池电路原理如图23所示【251。IZ片盯墨V；陵玉图23太阳能电池等效电路原理图由于器件瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容C，在太阳能阵列的理论分析中加以忽略。尺幽为考虑载流子产生与复合以及沿电池边缘的表面漏电流而设计的等效并联电阻，足为扩散顶区的表面电阻、电池体电阻及上下电极之间的欧姆电阻等复合得到的等效串联电阻。由图23的太阳能太阳能电池等效电路得出ILLIDI嘲Q4、其中J是太阳能模块输出电流，厶是光生电流，厶是流过二极管电流，厶是太阳能模块漏电流。223太阳能阵列的输出特性2231太阳能阵列的几个重要参数在讨论太阳能电池方阵基本特性之前，先让我们来了解太阳能阵列的几个重要参数1短路电流匕为给定日照强度和温度下的最大输出电流。2开路电压比在给定日照强度和温度下的最大输出电压。3最大功率点电流L。在给定日照强度和温度下，最大功率点的电流。4最大功率点电压在给定日照强度和温度下，最大功率点的电压。5最大功率点功率在给定日照强度和温度下，太阳能阵列可能输出的最大功率。第二章风光互补智能系统的基本原理2232太阳能阵列的输出特性的数学描述考虑到日照强度、环境温度以及太阳能电池自身的参数，在参考条件下一般取参考日照强度为10KWM2，参考环境温度为25。C，太阳能电池输出特性的数学模型可以表示为26,27】上，L。1一QEQ一125式中纠琶1脚IN一每CT一”冀C2VOCCI21一P耳，夕丁一Z盯足，CTST一巧订LS一盯其中口为在参考日照下的电流的变化温度系数AM雠。C；为在参考温度下的电压变化温度系数V。C对于单晶硅和多晶硅太阳能电池的实测值为1281口00012，OOOSVO,；R。为太阳能电池的串联电阻。其值的模型参见文献【2鳓。2233外界环境对太阳能阵列的影响利用式25，对我们应用的多晶硅太阳能电池进行建模。太阳能电池的标称参数为表21所示。表21太阳能电池标称参数项目参数单位开路电压吃215V最大功率电压圪。175V最大功率电流L口353A短路电流L373A输出串联电阻00027Q标称功率己。60W图24为在参考条件下，太阳能电池阵列输出特性。可以看出，太阳能电池输出特性具有明显的非线性。随着太阳能电池阵列工作电压的不同，输出功率和电流发生相应的变化有所不同；电流在电压达到最大功率输出电压点之前，几乎没有变化，大致维持在L；输出功率则在达到最大。太阳能电池的输出受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时，太阳能电池14第二章风光互补智能系统的基本原理的开路电压下降，短路电流稍有增加，最大输出功率减小；当日照强度增加时，太阳能电池的开路电压变化不大，短路电流增加，最大输出功率增加。在一定的温度和日照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率点，当太阳能电池工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。圣喜三圣一静蠡图25为太阳图24PIIV曲线工作电压【VL图25太阳能电池输出功率受温度的影响图26为太阳能电池在不同日照条件下的功率输出特性。可以看出，仅在光照变化的情况下，工作在同一工作电压时，光照越强，太阳能电池输出的功率越大。15第二章风光互补智能系统的基本原理图26太阳能电池输出功率受光照的影响23系统储能设备一蓄电池在风光互补智能系统中，蓄电池作为储能环节，在风力、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能在风力、日照不佳的情况下输出电能给负载。因此，蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。在常用的蓄电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善，得到了广泛的应用。本文讨论的风光互补智能系统也选用铅酸蓄电池作为储能装置。231蓄电池工作状态蓄电池具有三种主要的工作状态放电状态、充电状态和浮充状态【3们。处于放电状态时，蓄电池将储蓄的化学能转化为电能供给负载充电状态是在蓄电池放电之后进行能量储蓄的状态，此种状态下电能转化为化学能存储起来浮充状态则是蓄电池维持一定化学能存储量所要保持的工作状态，浮充状态下的蓄电池的储能不会因为自放电而损失。放电、充电、浮充电三个状态构成蓄电池的一个完整的工作循环。232蓄电池的充电方式蓄电池的造价成本低，容量大，价格低廉，使用十分广泛，由于其固有的特性，若使用不当，寿命将会大大地缩短，影响蓄电池寿命的因素很多，采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命，因此，设计一种智能型的蓄电池充电器是十分必要的【3LL。16第二章风光互补智能系统的基本原理蓄电池组充电时，有几个关键参数最高充电电压、浮充电压、浮充转换电流、最大充电电流。对于目前市面上主流的铅酸电池，常规充电方式有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、均衡充电等方法。2321恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于又多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，最好用于小电流长时间的充电模式。其不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65。由于析气较多，VRLA蓄电池不宜使用此法。2322恒压充电恒压充电就是指以恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。此法也有其不足之处1在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤；2如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电；3蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方式，在小型光伏发电系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，而且在这样的系统中蓄电池组串联不多。2323三段式充电这种方式是以克服恒流、恒压充电的缺点，而采用两者结合的一种充电控制策略。它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压方式进行充电，这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。在两阶段充电完毕，即蓄电池容量到达其额定容量当时环境条件下时，许17第二章风光互补智能系统的基本原理多充电控制器允许对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。这就是在两阶段基础上的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。由于考虑到系统中有些蓄电池充电电流的限制，设计的充电控制器就采用了PWM技术来实现限恒流和恒压的两阶段方式以上为目前常用的铅酸蓄电池充电方式。风光互补智能系统作为边远地区的独立供电系统，需要提供不间断的电力能源。蓄电池在这样的系统中基本上是以浮充方式运行的。在这样的工作方式下，蓄电池并不是工作在典型的充放电循环状态，而是在主充电、限流充电、浮充三个阶段下工作，在主充电阶段，对蓄电池进行大电流恒流充电，电池电压快速上升，当电压升至均充电压阈值，进入第二阶段进行限流充电。当电流减小到一定值时，表明电池已基本充满，此时转入第三阶段，以渭流形式对蓄电池进行浮充电，维持蓄电池荷电。充足电的蓄电池若脱离系统存储，由于电池内部化学物质不十分纯净，某些杂质将与活性物质组成短路式微原电池，周而复始地在电池内部进行放电而使蓄电池容量不断损耗，这种现象称为自放电。由于蓄电池自放电现象难以抑制，所以对蓄电池以小电流间断的充电称为浮充电，使电池备足容量。三个阶段内都可能因为发电设备工况变化出现蓄电池浅放电，但在这种工作方式下蓄电池端电压能够维持在相对稳定的值域。该工作方式下蓄电池的状态变化如图27所示。_一壤硼砻袄幽掣舞脚充电时间【小时1图27典型的三阶段式充电第二章风光互补智能系统的基本原理24负载控制负载是风光互补控制系统中的能量消耗环节。负载的特性对分析整个系统都会有很重要的意义。一方面，负载特性分析对系统优化设计时各个设备的选型匹配有举足轻重的影响，这在风光互补智能系统的设计环节有较详细的论述，可参阅文献【32331。本文不做过多讨论；另一方面，负载的特性对运行控制的方式也有决定性的作用。在风光互补智能系统中，需要根据负载的功能作用划分其优先级别，一般将负载划分为三个等级重要负载、次重要负载、一般负载。重要负载通常需要在