專利名稱：最大功率跟蹤風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，尤其涉及一種最大功率跟蹤風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近幾年，我國10kW以下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展4艮快，尤其是2kW以下的機(jī)型，從 設(shè)計(jì)制造到運(yùn)行維護(hù)都取得了許多成功的經(jīng)驗(yàn)，解決了 一大批無電少電的農(nóng)、 牧、漁民的基本生活用電問題。但是，現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用發(fā)電機(jī)輸出直接對(duì)蓄電 池進(jìn)行充電，并沒有對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，使得風(fēng)能利用系數(shù)比較低，一 般在O. 3左右。根據(jù)貝茨理論,風(fēng)能利用系數(shù)的極限值為0. 593 ,如果控制風(fēng)力 機(jī)總是以最佳葉尖速比運(yùn)行，年發(fā)電量可以提高20%~ 30%。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多使 用三相同步發(fā)電機(jī)，需要使用變速裝置來保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 多使用三相異步發(fā)電機(jī)，不需要使用變速裝置，但在額定風(fēng)速下發(fā)電機(jī)發(fā)出交 流電的頻率隨風(fēng)速變化而變化。而在中國，由于風(fēng)力資源分布不均勻，而且風(fēng) 力還受季節(jié)的影響，使得小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總處于額定功率工作以下?？梢栽?很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效 率，從風(fēng)中獲取更多的能量。在光伏電池發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)太陽電池的工作原理，當(dāng)光照強(qiáng)度，溫度等 自然條件改變時(shí)，太陽電池的輸出特性將隨之改變，輸出功率及最大工作點(diǎn)亦 相應(yīng)改變。將直接影響發(fā)電電壓、功率輸出等電能指標(biāo)和太陽能發(fā)電控制裝置 的轉(zhuǎn)換效率。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，自然光的輻射強(qiáng)度及大氣的透光率均處于 動(dòng)態(tài)變化中，這就給光伏系統(tǒng)的高效應(yīng)用帶來了困難。根據(jù)上述特點(diǎn)，目前通常采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出，但在 現(xiàn)有的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)控制上，是將太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出經(jīng)過二極管 止逆后并一起，再對(duì)合并后的輸出經(jīng)DC-DC對(duì)電池充電。充電系統(tǒng)多采用CVT (恒 定電壓跟蹤器)，由于CVT的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單成本較低，許多產(chǎn)品仍然采用這種工作方 式以代替相對(duì)復(fù)雜一些的MPPT(最大功率跟蹤器)，但這種方式并非真正的最大的大幅度降價(jià)，已經(jīng)顯得很不經(jīng)濟(jì)。因而只有采用新的拓樸電路和新的控制技 術(shù)才能充分利用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)上的能量，實(shí)現(xiàn)最大的利用率。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的是提供一種最大功率跟蹤風(fēng)光互 補(bǔ)系統(tǒng)，解決目前存在的功率損失問題，充分利用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)上的能量而實(shí) 現(xiàn)最大的利用率。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為 一種最大功率跟蹤風(fēng)光互 補(bǔ)系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池陣列和蓄電池，它還包括最大功率跟蹤控 制器，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過風(fēng)力充電器與所述蓄電池連接，所述光伏電池陣列 通過光伏充電器與所述蓄電池連接，所述最大功率跟蹤控制器分別與所述風(fēng)力 發(fā)電機(jī)、所述風(fēng)力充電器、所述光伏電池陣列、所述光伏充電器相連接，其用 于接收并分析所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流電壓和直流電流、所述風(fēng)力充電器的輸出 電壓和輸出電流、所述光伏電池陣列的直流電壓和直流電流、所述光伏充電器 的輸出電壓和輸出電流，以控制所述光伏電池陣列和所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出最大 功率。所述最大功率跟蹤控制器為dsPIC30F4012單片^U。 所述風(fēng)力充電器和光伏充電器均為buck電路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用光伏充電器和風(fēng)力充電器分別對(duì)光伏電 池陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出能量進(jìn)行控制給蓄電池組充電，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng) 速時(shí)，最大功率跟蹤控制器進(jìn)入工作狀態(tài)；低于額定風(fēng)速時(shí)，最大功率跟蹤控制 器依功率控制方式跟蹤風(fēng)電機(jī)組的功率變化；高于額定風(fēng)速時(shí)，通過風(fēng)電機(jī)組的 機(jī)械式結(jié)構(gòu)限制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使之接近恒功率運(yùn)行。


以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)框圖。圖2是本實(shí)用新型的主電路原理框圖。圖3是本實(shí)用新型的充電原理框圖。圖4是最大功率跟蹤器線性電路原理圖。圖5是增量電導(dǎo)法的流程圖。 圖6是最大功率跟蹤流程框圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1、圖2和圖3，本實(shí)施方式的最大功率跟蹤風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)包括風(fēng) 力發(fā)電機(jī)、光伏電池陣列、蓄電池和最大功率跟蹤控制器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過風(fēng) 力充電器與蓄電池連接，光伏電池陣列通過光伏充電器與蓄電池連接，最大功 率跟蹤控制器分別與風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力充電器、光伏電池陣列、所述光伏充電 器相連接。為了達(dá)到風(fēng)光系統(tǒng)中的最大功率捕捉，而且為了便于描述，假設(shè)蓄 電池的容量很大，能夠容下光伏電池陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能。最大功率5艮3宗器即MPPT (Maximum Power Point Tracker),其作用是4吏太陽 能電池陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)。本實(shí)施方式中最大功率跟蹤器選用型號(hào)為 dsPIC30F4012的單片機(jī)。請(qǐng)參閱圖6，實(shí)現(xiàn)MPPT控制，需要測(cè)量光伏電池陣列 的直流電壓和直流電流以及光伏充電器的輸出電壓和電流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流 電壓和直流電流以及風(fēng)力充電器的輸出電壓和電流，再通過A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信 號(hào)輸入到單片機(jī)經(jīng)分析運(yùn)算后輸出P麗脈沖控制光伏充電器和風(fēng)力充電器轉(zhuǎn)換 電路中的開關(guān)管。本實(shí)施方式中對(duì)所有的直流電壓，直流電流的測(cè)量，都選用 了高性能差動(dòng)放大器。在本應(yīng)用中使用一個(gè)單片機(jī)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏充電器和 風(fēng)力充電器轉(zhuǎn)換電路的單獨(dú)PWM驅(qū)動(dòng)控制輸出。dsPIC30F4012是專門為電機(jī)高 速控制和開關(guān)電源所設(shè)計(jì)的一種16位微處理器。它有1個(gè)16位CPU和1個(gè)DSP 內(nèi)核。內(nèi)部時(shí)鐘頻率為最高120MHz時(shí)，1個(gè)6通道的電機(jī)專用MCP麗控制器。 dsPIC30F4012片內(nèi)MCP窗電機(jī)專用PWM控制器，是其特色設(shè)計(jì)之一。這一設(shè)置 大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產(chǎn)生獨(dú)立的、具 有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，或者單獨(dú)編程每一個(gè)P麗通道的 工作頻率和工作方式。每個(gè)PWM引腳驅(qū)動(dòng)電流達(dá)25mA。風(fēng)力充電器與光伏充電器均采用BUCK (降壓式)電路分別對(duì)光伏電池陣列 和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出能量進(jìn)行控制給蓄電池組充電。在一定光強(qiáng)和溫度下，存在一個(gè)光伏電池的最大功率點(diǎn)， 一定光強(qiáng)下光伏 電池V-I特性隨輸出電池變化。由于光伏電池輸出特性的非線性，光伏電池工 件點(diǎn)并不是時(shí)刻最大功率點(diǎn)附近，從而造成了光伏電池能量的浪費(fèi)。同樣，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化，風(fēng)力發(fā)電最大功率點(diǎn)也隨之改變。請(qǐng)參閱圖4，負(fù)載上的功率為式(1)，將式(1)對(duì)/ 。求導(dǎo)，因?yàn)閂、R都是 常數(shù)，所以可得式(2 ):4哉=(^^)、及 ( 1 )《。=〖/2 《_凡 (2 )說,，—'(《+《,)3當(dāng)《,=《時(shí)，Z^有最大值。對(duì)于線性電路來說，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，電源有最大功率輸出。雖然太陽電池和DC-DC變換電路都是強(qiáng)非線性的，然而 在極短的時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為是線性電路。因此，當(dāng)時(shí)，/ 。兩端的電壓是 K/2。這表明若i 。兩端的電壓等于^/2,;同樣也是最大值。MPPT也可這樣理解，發(fā)電系統(tǒng)等效為一個(gè)有內(nèi)阻的電壓源，內(nèi)阻受外部(如 溫度，太陽照度、風(fēng)速等)及內(nèi)部的影響而一直變化著，而負(fù)載端則為受電源供 電電壓和外接用戶負(fù)載影響的可變負(fù)栽。如果要想保證負(fù)栽端一直能得到最大 的功率供給，則始終要保證i 。=《。所以只要調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使 它始終等于光伏電池(風(fēng)力發(fā)電才幾)的內(nèi)阻，就可以實(shí)現(xiàn)光伏電池(風(fēng)力發(fā)電4幾) 的最大輸出，也就實(shí)現(xiàn)了光伏電池(風(fēng)力發(fā)電機(jī))的MPPT。
請(qǐng)參閱圖5，實(shí)現(xiàn)MPPT的算法采用增量電導(dǎo)法(incremental conductance method,簡(jiǎn)稱IncCond法)。對(duì)光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行MPPT的目的是使充 電電路能獲得最大功率。如果DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率足夠高，可以近似認(rèn)為當(dāng) 蓄電池獲得最大充電功率時(shí)，光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率也是最大的。 IncCond法能夠判斷出工作點(diǎn)電壓與最大功率點(diǎn)電壓之間的關(guān)系。對(duì)于功率有P=I x V ( 3 )將兩端對(duì)V求導(dǎo)，并將I作為V的函數(shù)，可得，=懇=1評(píng)！ ( 4 )從式4可知，當(dāng)dP/dV〉 0時(shí)，V小于最大功率點(diǎn)電壓；當(dāng)dP/dV< 0時(shí)，V 大于最大功率點(diǎn)電壓；當(dāng)dP/dV=0, V即為最大功率點(diǎn)電壓。即有!>-丄 (7>F ) ( 5 )^/j/ 隨，<—丄 (F〈K ) ( 6 )W 匪{(lán)= 一丄(K = F ) ( 7 ), F 陋這樣，可以根據(jù)dl/dV與-1/V之間的關(guān)系來調(diào)整工作點(diǎn)電壓而實(shí)現(xiàn)MPPT的 跟蹤。這里，引入?yún)⒖茧妷篤w,Vk、 Ik是新測(cè)量的值，根據(jù)這兩個(gè)值計(jì)算I和V的變化。首先要判斷dV是 否為0,如果V、 I沒變化，則不需要調(diào)整；如果V沒有變化，而dI不為O,那 么就根據(jù)dl的正負(fù)對(duì)進(jìn)行調(diào)整。假如dV不為0,再?zèng)_艮據(jù)式(5)、 (6)和(7)給出 的關(guān)系，對(duì)V^進(jìn)行調(diào)整。所以IncCond法是通過每次的測(cè)量和比較，預(yù)估出最 大功率點(diǎn)的大致位置，再根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整電壓△ V的設(shè)置關(guān)系到算法能否準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)MPPT功能?！?V設(shè)置偏大， 會(huì)導(dǎo)致跟蹤精度不夠，使工作點(diǎn)始終無法達(dá)到最大功率點(diǎn)；反之會(huì)導(dǎo)致跟蹤速 度減慢，浪費(fèi)電能。請(qǐng)參閱圖6,單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)35kpbs的定時(shí)中斷，定時(shí)中斷 后運(yùn)行增量電導(dǎo)法子程序確定P麗信號(hào)占空比D的值，最后輸出PWM信號(hào)給驅(qū)
動(dòng)電路。這樣可以保證PWM的輸出頻率為35KHz。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的保護(hù)等動(dòng)作都 在PWM的下一個(gè)周期執(zhí)行。
權(quán)利要求1、一種最大功率跟蹤風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池陣列和蓄電池，其特征在于，它還包括最大功率跟蹤控制器，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過風(fēng)力充電器與所述蓄電池連接，所述光伏電池陣列通過光伏充電器與所述蓄電池連接，所述最大功率跟蹤控制器分別與所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)、所述風(fēng)力充電器、所述光伏電池陣列、所述光伏充電器相連接，其用于接收并分析所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流電壓和直流電流、所述風(fēng)力充電器的輸出電壓和輸出電流、所述光伏電池陣列的直流電壓和直流電流、所述光伏充電器的輸出電壓和輸出電流，以控制所述光伏電池陣列和所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出最大功率。
2、 如權(quán)利要求1所述的最大功率跟蹤風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述最 大功率跟蹤控制器為dsPIC30F楊2單片機(jī)。
3、 如權(quán)利要求1所述的最大功率跟蹤風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng) 力充電器和光伏充電器均為buck電路。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種最大功率跟蹤風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池陣列和蓄電池，它還包括最大功率跟蹤控制器，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過風(fēng)力充電器與所述蓄電池連接，所述光伏電池陣列通過光伏充電器與所述蓄電池連接，所述最大功率跟蹤控制器分別與所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)、所述風(fēng)力充電器、所述光伏電池陣列、所述光伏充電器相連接，其用于接收并分析所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流電壓和直流電流、所述風(fēng)力充電器的輸出電壓和輸出電流、所述光伏電池陣列的直流電壓和直流電流、所述光伏充電器的輸出電壓和輸出電流，以控制所述光伏電池陣列和所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出最大功率。
文檔編號(hào)F03D9/00GK201041137SQ20072004850
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者李永富 申請(qǐng)人:珠海泰能電子科技有限公司