引言
綜合利用了風(fēng)能、光能的風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)是一種合理的電源系統(tǒng)。不僅能為電網(wǎng)供電不便的地區(qū)，如邊防哨所，通訊的中繼站，交通的信號(hào)站，勘探考察的工作站以及農(nóng)牧區(qū)提供低成本、高可靠性的電源，而且也為解決當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境污染開辟了一條新路。
單獨(dú)的太陽能或風(fēng)能系統(tǒng)，由于受時(shí)間和地域的約束，很難全天候利用太陽能和風(fēng)能資源。而太陽能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，白天光照強(qiáng)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(qiáng)，太陽能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源利用上的最佳匹配。
l 硬件構(gòu)成
風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)由光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、系統(tǒng)智能管理核心、逆變器、儲(chǔ)能元件等構(gòu)成，如圖l所示。
系統(tǒng)的具體構(gòu)成參數(shù)由使用時(shí)最大用電負(fù)荷與日平均用電量決定。最大用電負(fù)荷是選擇系統(tǒng)逆變器容量的依據(jù)，而平均日發(fā)電量則是選擇風(fēng)機(jī)及光電板容量和蓄電池組容量的依據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的風(fēng)光資源狀況也是確定光電板和風(fēng)機(jī)容量的另一個(gè)依據(jù)。
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(guī)模的光電板，轉(zhuǎn)換太陽光能，并通過智能管理核心對蓄電池充電、放電、逆變進(jìn)行統(tǒng)一管理。風(fēng)力發(fā)電單元利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)換風(fēng)能，同時(shí)通過智能管理核心控制整個(gè)系統(tǒng)的允放電。兩個(gè)單元在能源的采集上互相補(bǔ)充，同時(shí)又各具特色：光伏發(fā)電單元供電可靠，運(yùn)行維護(hù)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(yùn)行維護(hù)成本低，但可靠性低。
儲(chǔ)能元件鉛酸蓄電池足風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)常用的儲(chǔ)能元件，其成本低、容量大、免維護(hù)的特性使其成為風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源的首選。由于風(fēng)電和光電單元必須通過蓄電池儲(chǔ)能才能穩(wěn)定供電，蓄電池合理的容量和科學(xué)的充放電是系統(tǒng)壽命的保證，本系統(tǒng)采用雙標(biāo)三階段充電，實(shí)現(xiàn)對鉛酸蓄電池的科學(xué)充電。風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源采用雙儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括二套鉛酸蓄電池組，使得充放電能同時(shí)進(jìn)行，通過智能核心控制既可以對負(fù)載放電，同時(shí)叉可以在充電條件到達(dá)時(shí)對備用儲(chǔ)能電池組充電，兩組蓄電池之間的切換由系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測其電壓狀態(tài)決定。
MOSFET充放模塊由智能管理核心驅(qū)動(dòng)的MOSFET充電模塊，可根據(jù)系統(tǒng)的不同，選取不同電壓等級(jí)的MOSFET，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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)品具有開關(guān)迅速、開通阻抗低、性價(jià)比高等特色?？刂颇K根據(jù)不同的MOSFET門級(jí)電壓設(shè)計(jì)，由智能管理核心控制MOSFET模塊的輸出狀態(tài)。
逆變器系統(tǒng)不僅可以提供穩(wěn)定的直流供電，帶動(dòng)直流負(fù)載，而且可以通過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、MCU組成，是系統(tǒng)控制、管理的核心，驅(qū)動(dòng)MOSFET充電模塊實(shí)現(xiàn)對蓄電池的雙標(biāo)三階段充電，驅(qū)動(dòng)JCBT實(shí)現(xiàn)DC／AC逆變、以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)保護(hù)和數(shù)據(jù)再現(xiàn)與傳輸?shù)?，同時(shí)提供風(fēng)機(jī)的磁電限速保護(hù)，在風(fēng)力過功率時(shí)，給風(fēng)機(jī)反向磁阻力矩，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)核心MCU選用TI公司的MSP430單片機(jī)，其豐富的片上資源使得系統(tǒng)的控制和管理都極為方便。
2 系統(tǒng)工作原理及軟件實(shí)現(xiàn)
2.1 雙標(biāo)三階段充電原理及實(shí)現(xiàn)
鉛酸蓄電池是系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，電是影響風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)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(dǎo)致蓄電池的崩潰。系統(tǒng)智能管理核心拄制蓄電池的充放電過程。本系統(tǒng)采用雙標(biāo)三階段充電來優(yōu)化充電過程。雙標(biāo)三階段充電過程符合鉛酸蓄電池的特性，能很好地維護(hù)蓄電池。三階段充電過程如圖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(dāng)電壓小于過標(biāo)準(zhǔn)開路電壓(Voc)時(shí)，太陽能電源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(tǒng)取值不同，可按C／5充電率取值，C為蓄電池容量)，由于太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(nèi)。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(dá)70％～90%。
第二階段 過電壓恒充階段(over chargestate)以恒定的過標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)狀態(tài)，與輸入控制、觸發(fā)信號(hào)聯(lián)合控制充電狀態(tài)。
2.2逆變器原理與實(shí)現(xiàn)
DC／DC變換由48V鉛酸蓄電池輸出通過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(gòu)成，還包括熔斷器、抗干擾的濾波器、保護(hù)二極管等?？刂齐娐酚煽刂骗h(huán)節(jié)和保護(hù)環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成智能管理核心作為控制環(huán)節(jié)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(hù)環(huán)節(jié)分為硬件保護(hù)部分和軟件保護(hù)部分，完成對系統(tǒng)的短路、過載、失壓、過壓、缺相等的保護(hù)。逆變后的單項(xiàng)交流電通過電壓、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(gòu)成如圖4所示。
2.3 系統(tǒng)控制保護(hù)原理與實(shí)現(xiàn)
風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)根據(jù)性能可分為充電狀態(tài)、負(fù)載狀態(tài)(放電狀態(tài))、保護(hù)狀態(tài)。系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、負(fù)載和兩組蓄電池的狀況，在相應(yīng)條件下，進(jìn)入對應(yīng)的狀態(tài)。在每一狀態(tài)中，系統(tǒng)不僅完成自身階段的工作，還可根據(jù)用戶需要給出相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)顯示、多系統(tǒng)之間的通訊及系統(tǒng)與E位機(jī)之問的通訊，系統(tǒng)狀態(tài)流程如圖5所示。
系統(tǒng)在初始化中，完成參數(shù)的設(shè)定，如光伏發(fā)電單元電壓、電流、負(fù)載、過壓、過流保護(hù)參數(shù)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁電保護(hù)參數(shù)；鉛酸蓄電池雙標(biāo)三階段充電的充電系數(shù)。同時(shí)也完成系統(tǒng)人機(jī)通訊(鍵盤、液晶模塊、LED等)的初始化和系統(tǒng)通用串行通信模塊的設(shè)定。
系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采樣模塊、上位機(jī)觸發(fā)信號(hào)和用戶控制信號(hào)聯(lián)合判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。首先，通過實(shí)時(shí)采樣模塊采集系統(tǒng)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(chǔ)能蓄電池和負(fù)載的狀況，從而決定系統(tǒng)應(yīng)處的狀態(tài)。其次，上位機(jī)觸發(fā)信號(hào)和用戶控制信號(hào)也聯(lián)合控制系統(tǒng)狀態(tài)，可強(qiáng)行控制系統(tǒng)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)入其他狀態(tài)。
系統(tǒng)在充電狀態(tài)中以雙標(biāo)二階段充電法對鉛酸蓄電池進(jìn)行合理允電，通過在線對系統(tǒng)中光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、蓄電池和負(fù)載的狀態(tài)采集，合理完成灌充和過電壓恒充，并以浮充狀態(tài)維持鉛酸蓄電池的電壓。
在負(fù)載狀態(tài)(放電狀態(tài))中，按負(fù)載需要，進(jìn)行直流或單項(xiàng)交流供電。同時(shí)監(jiān)測蓄電池組的狀態(tài)，在到達(dá)設(shè)定條件時(shí)，與備用蓄電池組實(shí)現(xiàn)輪流充放電，提高系統(tǒng)對能源的利用。另外，在負(fù)載狀態(tài)時(shí)，鉛酸蓄電池的狀態(tài)也需實(shí)時(shí)監(jiān)測，以免過放對蓄電池造成損害。
當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)巾的光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、鉛酸蓄電池、負(fù)載以及系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)到達(dá)所設(shè)的保護(hù)值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)人保護(hù)狀態(tài)，避免了短路、過壓、過流等對系統(tǒng)的危害，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁電限速保護(hù)，鉛酸蓄電池的過放保護(hù)，以及對負(fù)載的過壓保護(hù)等。
同時(shí)，系統(tǒng)提供了方便的人機(jī)接口，可在線獲取系統(tǒng)中充、放電的電流、電壓參數(shù)及系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。通用串行通信模塊提供了系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與上位機(jī)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(tǒng)的安全運(yùn)行，也大大便利r系統(tǒng)的維護(hù)、檢修和管理。
3 實(shí)際應(yīng)用
風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用于中小功率用電系統(tǒng)，如路燈、家用照明等。由于太陽能、風(fēng)能供電的獨(dú)特互補(bǔ)優(yōu)點(diǎn)(如圖6所示)，近年來風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。
如需滿足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太陽能電池板，300W的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，兩組．400A·h左右的鉛酸蓄電池，可滿足所需照明．若需加長在無風(fēng)、陰天持續(xù)狀態(tài)下的供電天數(shù)，可適當(dāng)加大鉛酸蓄電池的容量。這里所選的具體參數(shù)是結(jié)合了當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r、負(fù)載需求狀況而選取的。
本系統(tǒng)結(jié)合具體路燈的實(shí)際應(yīng)用，接人感光器件，判斷白天與黑夜，實(shí)現(xiàn)了無人管理。如圖7流程圖所示，把系統(tǒng)分為3個(gè)狀態(tài)：狀態(tài)l——蓄電池電壓過低，不能再放電，否則影響蓄電池壽命；狀態(tài)2——蓄電池電壓正常，可進(jìn)行充放電；狀態(tài)3——蓄電池電壓過高，對負(fù)載有傷害，需進(jìn)行放電后，方可接入負(fù)載。
4 結(jié)語
風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對自然資源的合理利用，而風(fēng)光互補(bǔ)的技術(shù)方案保證了系統(tǒng)的高可靠性?；贛CU的風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)不僅在理論上有保證，而且在實(shí)際應(yīng)用中也得到了檢驗(yàn)。