风-光-柴油机互补发电逆变系统的研究与设计

风一光一柴油机互补发电逆变系统的研究与MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713917649541_3 The Research and Design for W ind—solar-diesel Hybrid Power Oonverter 刘畅 张庆范 山东大学控制科学与工程学院 (济南 250061) Liu Chang Zhang Qingfan Shandong University(250061) 胡顺全 山东新风光电子科技发展有限公司 (济宁 272500) Hu Shunquan Shandong Xinfengguang Electric Technology Develops Co．，Ltd．(272500) 高金波 山东大学控制科学与工程学院 (济南 250061) Gao Jinbo Shandong University(250061) 摘 要：节能和环保已成为当今世界的两大主 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。利用风能、太阳能发电是两种最为理想、无污染的绿色再生资源的利用，目前已成为 开发研究的一项重大课题。而如何解决好风能、太阳能、柴油机互补发电系统中的匹配问题是此课题的关键。文章介绍了在 DSP微处 理器的控制下，用一种新的方法实现风机充电控制、太阳能充电控制、柴油机发电控制与逆变系统的结合，从而实现了系统的优化控制。 叙 词：风能 太阳能 风一光一柴油机互补系统 逆变器 Abstract：economizing energy sources and protecting entironment have been two subj ect of the world，nowadays．The win&force and SO— lar-energy，a green reborn resource free from the pollution，is the most ideal to generate electricity．Now，this is already an important project for US tO develop and study．But how to improve the matching problem in wind—solar-diesel hybrid power system is the key to the project．The paper dissertates the converter system in the combine of wind generator charge，solar charge and diesel generating set with the control of DSP microprocessor realizing the optimization of system contro1． Keywords：wind power solar power wind-solar-diesel hybrid power system converter [中图分类号] TM92 [文献标识码] A 文章编号：1561—0349(2008)01—0046—05 1 引言 进入 21世纪 ，随着全球经济 的发展和科学技术的进步，人 们对电的依赖越来越多，电力已经成为人们 日常生活和生产中 必不可少的动力来源 而与此同时，环境污染 日益严重，不可再 生能源正被耗尽，资源缺乏的压力不断增加。这样 ，如何解决人 们赖以生存的环境问题，如何解决人们需求的增加与资源不断 减少之间的矛盾，成为当今国内外学者开始研究与探讨的重大 问题。利用绿色可再生资源是一条很好的出路 ，风能、太阳能就 是取之不尽的天然绿色可再生资源。 46 I TheWorld of Power Supply Jan 2008 风一光一柴油机互补发电系统是一种将太阳能和风能转化为 电能，并把柴油机作为后备装置的发电系统。风能与太阳能在 时间和地域上有着很强的互补性 ，可以弥补单一能源发电造成 的不平衡的缺陷，使风、光互补发电系统在资源上具有最佳的匹 配性，其优点是无污染，无噪音，不产生废弃物，并且可再生。而 把柴油机作为后备辅助发电装置，能使系统更加稳定、完善。逆 变器是风、光互补发电系统的关键设备，直接关系到供电质量和 系统运行的可靠性。因而，采用什么样的方法能使逆变器发出 稳定的交流电给负载供电，是要解决的首要问题 。 文章从系统的实际出发，以DSP为微处理器，提出了一种新 维普资讯 http://www.cqvip.com 的逆变器控制方法，能较好地控制逆变系统直流端电压的稳定， 提高系统供电质量，发出稳定的 220V／50Hz交流电，对沿海季 风型城市用户和边远山区用户有很大帮助。 2 系统结构和主要功能 整套发电装置的系统结构框图如图 1所示 ，包括风能发电 系统 、光能发电系统、柴油机后备发电系统、逆变系统、控制系统 五大部分_2]。其中逆变系统又包括Buck降压电路和逆变器。 控 带4 系 统 柴油机后备发电系统 罄 闰 光能发电系统 r_]： 懂 《 图 1 系统结构框图 逆变系统 负 载 风能发电系统是将风能转化为电能的装置。首先利用风力 发电机组 ，将风能转换成三相交流电，然后经过整流器整流成为 直流电，对逆变系统直流端充电。风机可采用专门设计的变桨 距风力发电机或调叶面风力发电机l5J，可在 3～1O级风时达到 稳定输出，对风速不稳定产生 的尖峰电压电流可通过卸载电阻 释放。该系统的优点是系统 日发电量大，系统造价低，运行维护 成本低；缺点是可靠性较差。光电系统是利用光电池板，将太阳 能转换成电能 ，储存在太阳能蓄电池中，再通过控制器对逆变系 统直流端充电的一套系统。该系统的特点是可靠性高，运行维 护成本低；缺点是系统造价高。柴油机发电系统是在风一光发电 系统出现故障或是供电不足时 的后备系统 ，目前技术 已趋于完 善。因此利用风一光互补发电且以风电为主 ，柴油机作为后备系 统，是最佳的匹配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。降压环节采用简单稳定的Buck降压电 路，将风能系统和光能系统的高压电降为350V左右，送到逆变 器直流端。逆变器设计为 sPwM触发，单向 IGBT逆变器，采用 目前成熟的大功率电力电子功率转换器件 IGBT，确保逆变器系 统正常工作。逆变器最终将输出 220V／50Hz的交流电供负载 使用。控制系统是整套设备的大脑 ，选用 目前功能强大的 DSP 系列作为微处理器。控制 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 及其外围设备用来实现对系统的 数据采集、实时监控和 IGBT的触发。 3 逆变系统控制方式和工作原理 逆变系统的控制结构如图 2所示。对于整套系统来说，稳定 逆变系统直流端电压，提高系统供电质量是系统控制的首要任 务。这样，采用什么样的控制方法控制整套发电系统就至关重要。 3．1 风机充电控制 被控对象是三相桥式整流电路，结构框图如图2所示。风 机选用变桨距风力发电机或调叶面风力发电机，这种风力发电 机通过风一电机组的机械式结构限制风机的转速l5]，可在 3～10 级风时达到较稳定输 出。系统再加入 CVT(Constant Voltage Tracking)式 的 MPPT(Max Power Point Tracking)功率跟踪 器_1]，即把 MPPT控制简化为稳压控制，即可把风力发电机的电 压输出值限制在一定范围内，减少风力发电机输出的冲击 ，对提 高风力发电机系统的工作可靠性起到了很好的作用。 图 2 逆变系统控制结构框图 电源世界 2008／01 I 47 维普资讯 http://www.cqvip.com 当风速达到启动风速时，风电系统进入发电状态。电压传 感器 1时刻检测三相风力发电机线电压 的大小，把电压数据 值传人 DSP处理器。可设定三相线电压 的工作电压范围值， 当风速突然增大导致电压突然增加超出上限值 一 时，可通过 接通卸载电阻进行能量释放，此时接通启动光能发电系统，待风 速稳定后 ，电压 处于工作电压范围时再接通风能发电装置。 当风速弱， 达不到下限值 时，也启动光能发电系统。 3．2 光伏充电控制 被控对象是太阳能光伏电池充电系统，结构框图如图 2所 示。有 El照时，太阳能电池板吸收光能，然后转化为电能输 出直 流电，储存在太阳能蓄电池之中，再通过电路中 IGBT的通断，实 现对逆变器直流母线端的充电l_3]。在光 电转换过程中，通过改 变开关管的脉冲宽度，可以控制 DC-DC变换器给太阳能蓄电池 充电的电流，保证蓄电池电压的稳定，以确保对逆变器直流端的 恒压供电l_4]。光伏电池的 I输出特性与 El照及电池板温度有 关，为了提高太阳电池的发电效率，在系统中加入一个太阳能电 池峰值功率跟踪器，即基于 CVT式的 MPPT跟踪器，这也简化 成了CVT式的 MPPT控制。 电压传感器 2时刻检测太阳能蓄电池电压 的大小 ，把电 压数据值传人 DSP处理器。当风电系统线电压 不能满足逆 变器要求时，启动光伏电池对逆变器充电，通过光电系统电路中 IGBT的通断控制 ，保证逆变系统直流端电压 的大小。一般 设置蓄电池电压 的电压范围值比 的略大，这样可以减少 IGBT开关次数。 3．3 逆变系统控制 逆变系统是发电的核心装置，直接决定发电质量，也是最容 易损坏和出现故障的部分，所 以采用的传感器和保护器件 比较 多。电压传感器 3时刻检测逆变系统直流母线端电压 的大 小 ，如前所述，配合 和 的值来决定充电方式是风能充电还 是光能充电。由于 的波动性，加入 Buck降压电路是为了稳 定逆变器直流端电压。电压传感器 4时刻检测逆变器直流端 电 压 的大小，保证逆变的稳定。当逆变器输出端电压因负载加 大而产生电压降低时，可适当增加输出端电压 的值。 (1)降压环节。降压环节的主要任务就是将风机整流后和 光能转换后的 500V左右的高压降为 350V，并能对输出进行过 压和过流保护。电路采用 Buck降压方式 ，在开关频率、直流LC 滤波参数和PWM 电路合理设计下，电路能很好地满足要求。 如图 3所示，整个控制电路以 SG3525为核心，为了保证系统的 可靠运行，选择光耦 HCP13120作为 IGBT的驱动模块。它的最 大输出电流为 2A，最大交换速度为 500ns，能满足器件的开关频 率以及控制电路与驱动电路的隔离要求。系统故障保护功能则 采用 DSP对 SG3535脉冲封锁端的控制来协调完成。 图 3 降压环节控制电路图 SG3525是采用电压模式控制的集成 wM 控制器，其输出 脉冲频率的选择决定了输出直流电压的纹波和滤波器所需电感 量的大小，是整个降压环节设计的关键 ，它同时受器件极限开关 频率的影响。综合各方面考虑，选择 _厂为 40kHz，则 _厂一 1／Cr(O．7RT+ 3RD) 式中，cr一10nF，RT一3．6kn，RD=0，其中cr为 ~-J3525的5引脚 对地电容，RT为 6脚对地电阻，Rn为 5脚和 7脚之间串入的死区 时间电阻。误差放大器按设计要求接成 比例积分方式对反馈电 压进行无静差调节，从系统降压要求可以看出，输出脉宽占空 比 应在 0．4～O．7之间，所以应将 ,-~-J3525设计为输出脉冲占空 比为 O～9O 的形式。具体连接方法为 11脚和 14脚并联接地，13脚 48 I The World of Power Supply Jan 2008 设为脉冲输出端。整个降压环节的控制和驱动电路如图3所示，1 脚反馈电压通过直流输出电压分压获得，脉冲封锁端来 自DcsP的 RD0引脚。为了保证 IGBT的可靠关断，驱动电路还设计了反向 负偏置电路，整个降压方案简单灵活，稳定性较好。 (2)逆变环节。逆变环节的主要任务就是将降压电路输出 的直流电压通过逆变控制器和 LC滤波输出稳定的 220V／50Hz 的正弦波。整个逆变环节的控制电路如图4所示。利用 PIC系 列速度快，片内资源丰富的特点设计了专用 SPWM 控制器。采 用单极性调制方式，常用的双极性调制技术由于主逆变电路中 同一桥臂的开关器件处于互补导通状态，所以易发生直通现象。 通常的做法是设置死区，而这会导致谐波成分增加，基波幅值减 维普资讯 http://www.cqvip.com I可 再 小，载波频率的提高受到限制。同双极调制技术相比，单极调制 由于同一桥臂的两个开关管一个是反复通断的，另一个是始终 截止的，处于非互补通断状态，只需在正弦波控制过零点设置死 区时间，直通可能性降低，但它需要几路相互独立的驱动电源。 根据系统特点 ，辅助电源的设计可以很好地解决这个问题，所以 在提高输出波形质量的前提下采用单极性调制方式。 z。 图 4 逆变环节控制电路 整个 SPWM控制器以PIC16F873为中心，利用内部 CCP模 块的PWM工作模式直接从引脚Rcl、Rc2输出 2路 SPWM信号， 通过非门逻辑电路 74HC00的变换，为驱动电路提供了4路对 应的SPWM脉冲。由于采用的是全数字的SPWM信号，电路的 抗干扰能力明显优于采用分立元件和集成运算放大器构成的模 拟电路，相对通常与 8位或 16位单片机配套使用的专用 SPWM 信号发生器，它的性价 比较高，而且通过单片机内部程序的设 计 ，可以灵活地满足系统的要求，对于开关频率低于 40kHz的电 路是较好的选择。 输出电压通过电压互感器和 PIC内部的高精度 1O位 A-D 进行测量。同时，为了防止输出电流过高而损害电源，设计了过 流保护电路(参见图 4)，利用串在主电路中的 0．5a／5w 的电阻 检测电流信号，这样就在 电阻上得到一个对地电压值，通过 由 LM393设计的滞环电压比较器封锁输出脉 冲，既防止 了高频信 号的干扰 ，又达到了可靠保护的 目的。为了保证系统的可靠关 断，与逆变环节的驱动电路一样，也设计了反向负偏置电路。 3．4 其他装置控制 (1)柴油机后备发电系统：当风一电系统和光一电系统同时不 能满足充电要求时，启动此装置。例如，风机发电电压达不到指 定电压，存储的太阳能用尽时，可启动柴油机发电，一边向负载 端发电一边向逆变器直流母线端充电，但此情况很少。 (2)有源滤波稳压器：当进行风一光一柴油机发电切换时，会有 一 定的冲击电压。电压输出端引入有源滤波稳压器可很好地抑 制电压谐波，提高电网电压输出质量。 4 控制系统运行策略 能 I 耘鼢秽 (1)对微处理器的要求。从控制方法图中可以看出，整套 电路多处用了 电压、电流传感器，所以整个 控制系统是基 于 实时数据采集 的全 自动智能控制系统 ，每天都需要时刻不 问 断地进行数据采集 。而且必要时的中断处理和多处 IGBT的 PWM触发也对微处理器有着特殊要求。因此本系统采用运 算功能强大 ，运算速度快，片内可产生 PWM 控制信号的 DSP 作为微处理器 。 (2)系统控制流程。整套系统 的控制流程如 图 5所示。 (注：启动单发 电装置时，同时关闭其他发 电装置。例如：启动 光一电系统时，先检测风一电系统和柴油机后备系统是否关闭，再 启动光一电系统。)这种控制方法 的最大优点就是对风一电系统、 光一电系统、逆变器直流母线端，实时进行双峰值电压检测，最大 限度地保证了逆变器供电电压的稳定，是一种新的控制方法。 5 系统仿真 图 5 系统控制策略流程图 此发电装置的设计主要是针对偏远山区家庭用户和供 电紧 张城市用户，一般输出端 电压 U4的取值为 220v／50Hz。利用 Matlab仿真软件，对光一电系统在电流闭环控制基础上进行 CVT 的 MPPT仿真，仿真波形如图 6所示。 8 0 7．5 7．0 6．5 6．0 ：： 一：尹、 — _^ ■，k—、‘_‘ ’ 图 6 MPPT光伏电池充电波形 源世界 2008／01 I 49 维普资讯 http://www.cqvip.com I可l再I生j能j源I Ra 总ble En目孵 — — 由图 6可以看出：采用此 CvT式的 MPPT控制方式后，光 电装置的充电电流波动很小，这样，光电系统输出电压即可稳定 在一定范围内，也不会造成大的电流冲击。 同理，采取相同控制方法的风一电系统也是如此。 6 结语 整套发电系统运用计算机控制技术 ，以风一电系统 、光一电 系统和逆变器直流母线端 的双峰值检测法 为控 制策略，把 风一电系统 、光一电系统 、柴油机发电系统和逆变器有机地结合 在了一起 ，实现了以风能发电为主，光能发电为辅 ，柴油机发 电作为后备的完善发电方法，具有过电流和过电压 的完善保 护功能，能向家用负载提供不间断供电，可解决边远地 区和 供电紧张城市用户用电困难的问题。在实际应用 中，可根据 不同用户设计最佳使用参数 。 参考文献 Press，2002，9：144— 148． [2]Tomas Markvart．Sizing Of Hybrid Photovoltaic-Wind Ener— gY System[J]．Solar Energy．1996，57(4)：277—281． [33汪海宁．光伏并网功率调节系统的研究．中国电机工程学报． 2006． [4]李安定．太阳能光伏发电系统工程．北京：北京工业大学出版 社．2001． [5]叶杭冶．风力发电机组的控制技术．北京：机械工业出版社． 2002． 作者简介 刘畅，男，1981年生，硕士，研究方向为电力电子技术及其应 用。 张庆范，男，1949年生，教授 ，博士生导师，研究方向为电力 电子技术及其应用。 胡顺 全，男，1976年 生，副总工，研究方向为 DSP、变频 器。 [1]Jia Yaoqin，Yang Zhongqing，Cao Binggang．A New Maxi一 高金波，男，1982年生，硕士，研究方向为电力电子及其应 mum Power Point Tracking Control Scheme for Wind Gen一 用。 eration[A]．Proceedings of 2002 Intemational Conference On Power System Technology[C]．Science&Technology 收稿 日期：2007—10—20 定稿 日期：2007—12—21 深 圳 太 阳 能 产 业 示 范 基 地 挂 牌 20日，深圳太阳能产业示范基地正式挂牌成立，拓日等 4家企业成为首批示范企业，并分别获得 30万元的补贴。深圳太阳 能学会负责人表示，在示范基地的带动下，深期I太阳能产业可望迎来高速发展期。 产业示范基地获资助 为扶持太阳能产业做大做强，市贸工局联合市建设局，从全市范围内选择生产规模大、市场占有率高、自主创新能力强、发 展前景看好的太阳能企业，组建深圳市太阳能光伏、光热产业示范基地。拓 日、创益、珈伟、嘉普通等 4家企业最终在 申报企业 中脱颖而出，成为首批太阳能产业示范基地企业。 市贸工局副局长张涞临表示，政府将给每家示范企业 30万元的补贴，资助其制订发展规划。同时，将继续加大太阳能应用 技术研究和推广支持力度，按照《深期I市节能贴息项 目暂行实施办法》、《深圳市产业技术进步资金管理办法》的规定，对于太阳 能产业突破性的技术、产品或重大项 目予以资金扶持。明年，我市还将从专项基金中列支 120万元支持太阳能产业基地建设。 深圳太阳能光伏领域优势明显 据透露，深圳太阳能建筑应用基础良好，今年全市共有 32个项 目列入建筑节能和绿色建筑示范项 目计划，涉及建筑面积 430万平方米，投资额 130亿元，其中有 10个示范项目被列入国家首批可再生能源规模化应用示范项 目，获得国家财政部资助 达 5000万元。 目前，深圳太阳能热利用生产企业达 14家，年销售产值 2．2亿元 ；太阳能光热产业从业人员约 1．2万人，其中工程技术人 员约 7500人左右；在太阳能光伏领域，深圳的优势比较明显，全世界约 72 的太阳能光伏应用小产品生产厂家主要集中在深期I 及周边地区，各式各样的太阳能光伏应用小产品中都可以看到“深圳制造”。珈伟、创益、拓日、先行等光伏企业，无论技术水平， 还是产业规模，在国内市场上都 占据着一定的位置 ，特别是在非晶硅光伏电池的产量超过 80％。 50 I The World of Power Supply Jan 2008 维普资讯 http://www.cqvip.com