CN201041137Y

CN201041137Y - 最大功率跟踪风光互补系统

Info

Publication number: CN201041137Y
Application number: CNU2007200485046U
Authority: CN
Inventors: 李永富
Original assignee: ZHUHAI TAINENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN RICHFUL SOLAR ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2017-02-09

Abstract

本实用新型公开了一种最大功率跟踪风光互补系统，包括风力发电机、光伏电池阵列和蓄电池，它还包括最大功率跟踪控制器，所述风力发电机通过风力充电器与所述蓄电池连接，所述光伏电池阵列通过光伏充电器与所述蓄电池连接，所述最大功率跟踪控制器分别与所述风力发电机、所述风力充电器、所述光伏电池阵列、所述光伏充电器相连接，其用于接收并分析所述风力发电机的直流电压和直流电流、所述风力充电器的输出电压和输出电流、所述光伏电池阵列的直流电压和直流电流、所述光伏充电器的输出电压和输出电流，以控制所述光伏电池阵列和所述风力发电机输出最大功率。

Description

最大功率跟踪风光互补系统

技术领域

本实用新型涉及小型风光互补系统，尤其涉及一种最大功率跟踪风光互补系统。

背景技术

近几年，我国10kW以下风力发电系统发展很快，尤其是2kW以下的机型，从设计制造到运行维护都取得了许多成功的经验，解决了一大批无电少电的农、牧、渔民的基本生活用电问题。但是，现有系统一般采用发电机输出直接对蓄电池进行充电，并没有对风力机转换环节进行控制，使得风能利用系数比较低，一般在0.3左右。根据贝茨理论，风能利用系数的极限值为0.593，如果控制风力机总是以最佳叶尖速比运行，年发电量可以提高20％～30％。大型风力发电机多使用三相同步发电机，需要使用变速装置来保持发电机的转速。小型风力发电机多使用三相异步发电机，不需要使用变速装置，但在额定风速下发电机发出交流电的频率随风速变化而变化。而在中国，由于风力资源分布不均匀，而且风力还受季节的影响，使得小型风力发电系统总处于额定功率工作以下。可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取更多的能量。

在光伏电池发电系统中，根据太阳电池的工作原理，当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。将直接影响发电电压、功率输出等电能指标和太阳能发电控制装置的转换效率。在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的高效应用带来了困难。

根据上述特点，目前通常采用风光互补系统来实现稳定的功率输出，但在现有的风光互补系统控制上，是将太阳能电池和风力发电机的输出经过二极管止逆后并一起，再对合并后的输出经DC-DC对电池充电。充电系统多采用CVT(恒定电压跟踪器)，由于CVT的设计简单成本较低，许多产品仍然采用这种工作方式以代替相对复杂一些的MPPT(最大功率跟踪器)，但这种方式并非真正的最大功率跟踪，它所带来的功率损失相比近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价，已经显得很不经济。因而只有采用新的拓扑电路和新的控制技术才能充分利用风光互补系统上的能量，实现最大的利用率。

发明内容

针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种最大功率跟踪风光互补系统，解决目前存在的功率损失问题，充分利用风光互补系统上的能量而实现最大的利用率。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种最大功率跟踪风光互补系统，包括风力发电机、光伏电池阵列和蓄电池，它还包括最大功率跟踪控制器，所述风力发电机通过风力充电器与所述蓄电池连接，所述光伏电池阵列通过光伏充电器与所述蓄电池连接，所述最大功率跟踪控制器分别与所述风力发电机、所述风力充电器、所述光伏电池阵列、所述光伏充电器相连接，其用于接收并分析所述风力发电机的直流电压和直流电流、所述风力充电器的输出电压和输出电流、所述光伏电池阵列的直流电压和直流电流、所述光伏充电器的输出电压和输出电流，以控制所述光伏电池阵列和所述风力发电机输出最大功率。

所述最大功率跟踪控制器为dsPIC30F4012单片机。

所述风力充电器和光伏充电器均为buck电路。

与现有技术相比，本实用新型采用光伏充电器和风力充电器分别对光伏电池阵列和风力发电机的输出能量进行控制给蓄电池组充电，当风速达到启动风速时，最大功率跟踪控制器进入工作状态；低于额定风速时，最大功率跟踪控制器依功率控制方式跟踪风电机组的功率变化；高于额定风速时，通过风电机组的机械式结构限制风电机组的转速，使之接近恒功率运行。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

图1是本实用新型的系统框图。

图2是本实用新型的主电路原理框图。

图3是本实用新型的充电原理框图。

图4是最大功率跟踪器线性电路原理图。

图5是增量电导法的流程图。

图6是最大功率跟踪流程框图。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3，本实施方式的最大功率跟踪风光互补系统包括风力发电机、光伏电池阵列、蓄电池和最大功率跟踪控制器，风力发电机通过风力充电器与蓄电池连接，光伏电池阵列通过光伏充电器与蓄电池连接，最大功率跟踪控制器分别与风力发电机、风力充电器、光伏电池阵列、所述光伏充电器相连接。为了达到风光系统中的最大功率捕捉，而且为了便于描述，假设蓄电池的容量很大，能够容下光伏电池阵列和风力发电机所产生的电能。

最大功率跟踪器即MPPT(Maximum Power Point Tracker)，其作用是使太阳能电池阵列工作在最大输出功率点。本实施方式中最大功率跟踪器选用型号为dsPIC30F4012的单片机。请参阅图6，实现MPPT控制，需要测量光伏电池阵列的直流电压和直流电流以及光伏充电器的输出电压和电流，风力发电机的直流电压和直流电流以及风力充电器的输出电压和电流，再通过A/D转换将数字信号输入到单片机经分析运算后输出PWM脉冲控制光伏充电器和风力充电器转换电路中的开关管。本实施方式中对所有的直流电压，直流电流的测量，都选用了高性能差动放大器。在本应用中使用一个单片机来同时实现对光伏充电器和风力充电器转换电路的单独PWM驱动控制输出。dsPIC30F4012是专门为电机高速控制和开关电源所设计的一种1 6位微处理器。它有1个16位CPU和1个DSP内核。内部时钟频率为最高120MHz时，1个6通道的电机专用MCPWM控制器。dsPIC30F4012片内MCPWM电机专用PWM控制器，是其特色设计之一。这一设置大大简化了产生PWM波形的控制软件和外部硬件，通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的三相6路PWM波形，或者单独编程每一个PWM通道的工作频率和工作方式。每个PWM引脚驱动电流达25mA。

风力充电器与光伏充电器均采用BUCK(降压式)电路分别对光伏电池阵列和风力发电机的输出能量进行控制给蓄电池组充电。

在一定光强和温度下，存在一个光伏电池的最大功率点，一定光强下光伏电池V-I特性随输出电池变化。由于光伏电池输出特性的非线性，光伏电池工件点并不是时刻最大功率点附近，从而造成了光伏电池能量的浪费。

同样，当风速发生变化时，风力发电机的转速也发生变化，风力发电最大功率点也随之改变。

请参阅图4，负载上的功率为式(1)，将式(1)对R_o求导，因为V、R都是常数，所以可得式(2)：

P_{Ro} = I^{2} R_{o} {(\frac{V_{i}}{R_{i} + R_{o}})}^{2} \times R_{o} - - - (1)

\frac{{dP}_{Ro}}{{dR}_{o}} {= V}_{i}^{2} \frac{R_{i} - R_{o}}{{(R_{i} + R_{o})}^{3}} - - - (2)

当R_o＝R_i时，P_Ro有最大值。对于线性电路来说，当负载电阻等于电源内阻时，电源有最大功率输出。虽然太阳电池和DC-DC变换电路都是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。因此，当R_o＝R_i时，R_o两端的电压是V_i/2。这表明：若R_o两端的电压等于V_i/2，P_Ro同样也是最大值。

MPPT也可这样理解，发电系统等效为一个有内阻的电压源，内阻受外部(如温度，太阳照度、风速等)及内部的影响而一直变化着，而负载端则为受电源供电电压和外接用户负载影响的可变负载。如果要想保证负载端一直能得到最大的功率供给，则始终要保证R_o＝R_i。所以只要调节DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于光伏电池(风力发电机)的内阻，就可以实现光伏电池(风力发电机)的最大输出，也就实现了光伏电池(风力发电机)的MPPT。

请参阅图5，实现MPPT的算法采用增量电导法(incremental conductancemethod，简称IncCond法)。对光伏电池和风力发电机进行MPPT的目的是使充电电路能获得最大功率。如果DC-DC转换器的效率足够高，可以近似认为：当蓄电池获得最大充电功率时，光伏电池和风力发电机的输出功率也是最大的。IncCond法能够判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。对于功率有

P＝I×V (3)

将两端对V求导，并将I作为V的函数，可得

\frac{dP}{dV} = \frac{d (IV)}{dV} = 1 + V \frac{dI}{dV} - - - (4)

从式4可知，当dP/dV＞0时，V小于最大功率点电压；当dP/dV＜0时，V大于最大功率点电压；当dP/dV＝0，V即为最大功率点电压。即有

\begin{matrix} \frac{dP}{dV} > - \frac{1}{V} & (V > V_{\max}) - - - (5) \end{matrix}

\begin{matrix} \frac{dP}{dV} < - \frac{1}{V} & (V < V_{\max}) - - - (6) \end{matrix}

\begin{matrix} \frac{dP}{dV} = - \frac{1}{V} & (V = V_{\max}) - - - (7) \end{matrix}

这样，可以根据dI/dV与-I/V之间的关系来调整工作点电压而实现MPPT的跟踪。这里，引入参考电压V_ref，

Vk、Ik是新测量的值，根据这两个值计算I和V的变化。首先要判断dV是否为0，如果V、I没变化，则不需要调整；如果V没有变化，而dI不为0，那么就根据dI的正负对进行调整。假如dV不为0，再根据式(5)、(6)和(7)给出的关系，对V_ref进行调整。所以IncCond法是通过每次的测量和比较，预估出最大功率点的大致位置，再根据结果进行调整。

调整电压ΔV的设置关系到算法能否准确的实现MPPT功能。ΔV设置偏大，会导致跟踪精度不够，使工作点始终无法达到最大功率点；反之会导致跟踪速度减慢，浪费电能。

请参阅图6，单片机的定时计数器产生一个35kpbs的定时中断，定时中断后运行增量电导法子程序确定PWM信号占空比D的值，最后输出PWM信号给驱动电路。这样可以保证PWM的输出频率为35KHz。风光互补系统的保护等动作都在PWM的下一个周期执行。

Claims

1.一种最大功率跟踪风光互补系统，包括风力发电机、光伏电池阵列和蓄电池，其特征在于，它还包括最大功率跟踪控制器，所述风力发电机通过风力充电器与所述蓄电池连接，所述光伏电池阵列通过光伏充电器与所述蓄电池连接，所述最大功率跟踪控制器分别与所述风力发电机、所述风力充电器、所述光伏电池阵列、所述光伏充电器相连接，其用于接收并分析所述风力发电机的直流电压和直流电流、所述风力充电器的输出电压和输出电流、所述光伏电池阵列的直流电压和直流电流、所述光伏充电器的输出电压和输出电流，以控制所述光伏电池阵列和所述风力发电机输出最大功率。

2.如权利要求1所述的最大功率跟踪风光互补系统，其特征在于，所述最大功率跟踪控制器为dsPIC 30F4012单片机。

3.如权利要求1所述的最大功率跟踪风光互补系统，其特征在于，所述风力充电器和光伏充电器均为buck电路。