风光互补发电系统.docx

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风光互补发电系统

摘要

进入二十一世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，而能源问题日益严重，一方面是常规能源的匮乏，另一方面石油等常规能源的开发带来一系列的问题，如环境污染、温室效应等。

人类需要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。

而太阳能和风能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重视。

由于风力发电和太阳能发电系统均受到外部条件的影响，光靠独立的风力或太阳能发电系统经常会难以保证系统供电的连续性和稳定性，因此，在采用风光互补的混合发电系统来进行相互补充，实现连续、稳定地供电。

风光互补发电以其独特优势成为新能源研究的热点之一。

本文针对风光互补发电系统设计了一套小型模拟装置，包括太阳能电池模拟，用直流电机对风机的模拟和交错并联Buck-Boost蓄电池充电主电路，并对交错并联Buck-Boost电路和交错并联Cuk斩波电路进行了研究、仿真，以及进行了模拟风机装置的调试。

系统控制全部采用Freescale公司的56F8013DSP控制实现，给出了各部分流程图。

对于软硬件的关键问题还给出了相应解决方案。

关键词：

风光互补Buck–Boost电路DSP

Wind&SolarHybridGeneratingSystem

ABSTRACT

Enteringthe21stcentury,humanbeingsarefacingtorealizethesustainabledevelopmentofeconomyandsociety,andenergyproblembecomesmoreandmoreserious,ontheonehand,

conventionalenergyisseriousshortontheotherhand,thedevelopmentofoilandotherconventionalenergybringsaseriesofproblems,suchastheenvironmentalpollution,thegreenhouseeffectandsoon.Onlybyrelyingontheprogressofscienceandtechnologyandthelarge-scaleexploitationandutilizationofrenewableenergyandnewenergycanhumansolvetheproblemofenergy,andrealizethesustainabledevelopment.Andsolarandwindpowerareconsideredthemostrepresentativeofnewandrenewableenergy,Thepowertechnologyofsolarenergyandwindattrackworld’sattention.Becauseofwindpowerandsolarpowersystemunderexternalconditions,andonlybyindependentwindorsolarpowersystemsoftenhardtoensurethecontinuityandconsistencyofpowersystemtherefore,usinghybridpowersystemofcomplementaryscenerytocomplementeachother,realizethecontinuous,stablepowersupply.Wind-lightcomplementarywithitsuniqueadvantagesbecomeoneofnewenergyresearchhotspots.Aimingatwind-lightcomplementarythisarticledesignasmalldevice,includingsolarcellsindcmotor,thesimulationandinterlacingoffanparallelBuck-hee,andmaincircuitbatteriestoBuckstaggeredshuntcircuitandinterlacingparallelhee-Cukchopperwerestudied,andthesimulation,thesimulatedfanunitcommissioning.ControlsystemadoptFreescalecompany56F8013DSPcontrolchart,eachpart.Thekeyquestionforsoftwareandhardwaretothecorrespondingsolutions.

Keyword:

WindandPVhybridBuck–BoostCircuitDSP

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

能源问题1

风能太阳能的概况1

风光发电的发展概况1

本文的主要内容3

2风光互补发电系统总体方案的设计4

风光互补发电系统的组成及总体框图4

模拟太阳能电池框图5

模拟风力发电机组的组成及框图6

3风光互补发电系统的硬件设计7

风光互补系统硬件的总体设计7

风光互补系统主电路8

风光互补系统的电源模块9

电压产生电路9

电压产生电路9

电压产生电路10

检测模块11

电压检测电路11

电流检测电路11

驱动模块12

4风光互补发电系统的软件设计14

软件实现功能14

模拟太阳能电池输出装置软件主要实现功能14

直流电机电枢电流控制软件主要实现功能14

蓄电池充电电路软件主要实现功能14

软件设计工具14

软件开发环境CodeWarrior概述15

Expert）概述15

程序实现方法及流程图15

模拟太阳能电池输出流程图15

模拟风机流程图17

蓄电池充电电路流程图18

程序关键部分的实现20

使用DSP芯片实现PWM移相20

单极性移相PWM控制的实现21

双极性移相PWM控制的实现21

DSP定标和标幺化21

定标21

标么化22

5系统仿真与调试23

仿真工具简介23

交错互补buck-boost斩波电路23

仿真模型23

仿真结果23

结果分析26

模拟风机系统调试26

调试设备27

跟踪风机I-n曲线实验27

模拟太阳能电池输出曲线30

6结论32

参考文献33

附录34

谢辞57

1绪论

能源问题

能源是不仅仅是现代经济社会发展的基础，也是经济社会发展的重要制约因素。

当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油和煤炭等矿物燃料为主要能源。

随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的日益恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。

“解决能源危机可以有如下三种办法：

一是提高燃烧效率以减少能源消耗，实现清洁煤燃料以减少污染；二是开发新能源，积极利用可再生能源；三是开发新材料、新工艺，最大限度地实现实现节能。

太阳能和风能被看作是最具有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用，太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重视。

”[1]

风能太阳能的概况

人太阳能能分布广发，可自由利用，取之不经，用之不竭，是人类最终可以依赖的能源。

而光伏发电技术是太阳能利用技术中最具有发展前景的方式之一。

[5]它具有无污染、无噪声、安全可靠、故障率低、维护简单、建设周期短等优点。

它是今后可替代矿物燃料的战略性能源，又是当前边远地区能源供应的一种有效的补充。

随着矿物燃料的逐渐消耗，太阳能光伏发电技术将越来越显示其重要性和发展潜力。

风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射造成地球表面受热不均引起的，引起大气层压力分布不均，以致空气流动所形成的动能称为风能。

风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源，一起蕴藏量巨大、可以再生、分布广泛以及没有污染等优势而在各国发展迅速。

全球的风能约为×109WM，其中可利用的风能为2×107WM，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

可以看出，太阳能发电和风力发电对于改善能源结构、推动生态环境建设，特别是对边远地区的生产、生活用电等诸多领域的发展将发挥积极的作用，具有广阔的市场前景。

风光发电的发展概况

光伏发电技术

1839年，法国物理学家EdmondBecquerel意外的发现，用两片金属浸入溶液结构的付打电池在光照下会产生额外的电视，他将这种现象称为“光生付打效应（PhotovoltaicEffect）”。

1873年，英国科学家WilouzhbySmith观察到对光敏感的硒材料，并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比与光通量。

1880年，CharlesFfitts开发出以硒为基础的太阳能电池，以后人们即把能够产生光生付打效应的器件称为“光伏器件”。

半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“太阳能电池（SolarCell）”。

1954年，贝尔实验室的科学家们第一次用晶体硅材料制成了光伏电池，光电转换效率高达4%。

始于20世纪50年代的空间发展计划成为光伏发电技术的第一个主要应用对象，而且光伏技术的发展也成为整个空间技术发展计划的一部分，对光伏技术的发展起到了巨大的推动作用。

今天，几乎所有的人造卫星都是靠光伏电池供电，包括通信卫星、军事卫星和科学家实验卫星。

风能发电技术

20世纪90年代中后期，在世界范围内形成了一股风力发电热，风力发电量增长速度居全球之首。

全世界风力发电迅猛发展的原因主要有一下几个：

第一，风力发电技术比较成熟。

近20年来，美国、丹麦等国家投入了大量的人力、物力和财力研究可以商业运营的风力机，取得了突破性的进展。

可利用率从原来的50%提高到98%，风能利用系数超了40%。

由于采用计算机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护措施更加完善，并且实现了单机独立控制、多机群控和遥控，完全可以无人职守。

现代风力机技术是现代高科技的完善组合。

目前，百千瓦级风机已经商品化，投入批量生产，兆瓦级机组也正小批量生产。

第二，风力发电具有经济性。

目前据美国能源部2000年统计，全世界风力发电机组的单位造价已降为1000美元/KW，单位发电成本为4~7美分/kWh；而火力发电单位造价为700~800美元/KW，单位发电成本为5~8美分/kWh。

第三，全球有丰富的风能资源。

据统计全球风能潜力约为目前全球用电量的5倍。

美国%的陆地面积安装了风力发电机，便可以满足美国目前电力需求的20%。

第四，政府的优惠政策。

美国政府为风力机行业提供40%的信贷；德国政府也给风力机投资者提供资助，资助金额最高达单台风力机投资的60%；丹麦政府对风力机投资者提供资助，20世纪80年代初期为30%，以后逐年减少，到1990年资助完全取消。

这些优惠政策，促进了风力商品化进程，这也是以上3个国家能成为世界上风电生产大国的一个主要原因。

第五，风力发电是实现人类可持续发展的需要。

随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规能源日趋匮乏。

据专家预测，煤炭还可以开采221年，石油还可以开采39年，天然气只能用60年。

国际能源专家预言：

21世纪是风力发电的世纪。

绿色能源——风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望。

【2】

风光互补发电

上世纪八十年代许多人开始了风能、太阳能的综合利用的研究。

丹麦的和Kllenbach（1981年）提出了太阳能和风能混合利用技术问题；美国的（1981）研究太阳能——风能混合转换系统的气象问题；前苏联的等根据概率原理，统计出近似的太阳能风能潜力的估计值；余华杨等（1987）也提出了太阳能、风能发电机的能量转换装置。

尽管太阳能和风力发电有上述众多优势，但是作为独立供电设备二者均存在一定的局限性。

独立的风力发电装置在无风天气下无法提供电能的连续供应，而太阳能发电装置在夜晚以及阴雨天等气候条件下无法保证电能的连续供应。

采用风光互补发电技术后，可以有效解决单一发电不连续问题，保证基本稳定的供电。

我国属季风气候区，一般冬季风大，太阳辐射强度小；夏季风小，太阳辐射强度大。

同时大部分地区正午太阳光强的时候一般没有风，而在夜间没有太阳光照的时候风力则相对较强。

风和光在时间上的互补性使得风光互补发电技术在保障供电连续性上有重大意义，风光互补发电系统具有电力输出稳定、经济性高、对环境影响小等优点，也解决了太阳能发展中对电网冲击等影响。

因而风光互补发电技术正在得到广泛地应用。

毕设任务的提出

将风力发电机与太阳能电池组合，通过控制系统对蓄电池进行充电，就能保证晴天、阴雨天的充电能量能够持续。

但是由于风能和太阳能受气候影响波动大，输出不稳定，而且二者输出功率不匹配，使得风光互补发电系统协调工作存在一定困难。

因此，本文的主要目的是在模拟一套风光互补发电系统装置对风光互补发电匹配进行试验，设计一种用于小型风光互补发电系统储能环节的充电控制器，该控制器能够实现升降压控制稳定输出电压，这样就可以将功率变化较大的风电和光电有效的加以利用，从而提高系统的整体运行效率。

本文的主要内容

主要的工作

本文对风光互补发电系统的特点设计了一套风光互补模拟装置，其中包括风机模拟装置和太阳能电池输出模拟装置，并设计了蓄电池充电电路，还进行了大量理论研究、仿真模拟和实验验证。

本文主要章节如下安排：

第一章介绍了本课题提出的背景，将当今世界的能源问题和新的能源的发展情况进行了简要的概述，明确了自己的设计任务。

第二章简单的介绍了风力发电，太阳能发电以及风光互补发电的发展和技术特点、难点。

第三章给出了总系统的设计方案，有系统的总框图、蓄电池充电主电路、模拟太阳能电池输出装置和模拟风机装置的电路框图。

第四章就本文所涉及到的关键问题进行了分析与解决，包括主要拓扑结构的选择，控制策略的选择和实现方法等。

第五章用PSIM对本文提到的两种交错拓扑进行了仿真研究，得到了些仿真结果，证明了设计思路的合理性和分析结果的正确性；并对桥式电路的模拟风机和太阳能输出效果做了实验，证明了可行性。

第六章总结了个人所做的工作和不足之处。

2风光互补发电系统总体方案的设计

风光互补发电系统的组成及总体框图

风光互补发电系统由太阳能电池板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等组成。

本文基于太阳能模拟电路模拟太阳能电池板输出，使用直流电机模拟小型风机带动直流发电机构成风力发电机组，蓄电池充电电路为交错互补buck—boost电路，系统控制器采用Freescale公司DSP56F8013为控制核心对各模块分别控制实现。

下图为系统的总体框图：

图2—1风光互补发电系统总体框图

模拟风机所要使用的直流电机以及永磁发电机、增量式编码器的照片如下：

图2—2模拟风力发电装置及测速环节

（1）风力机：

将风能转换为机械能。

本实验中使用直流电机模拟。

（2）发电机：

发电机直接与风力机相连，由风力机带动向外发电。

（3）整流桥：

实现不可控整流，将发电机所发出的交流换为直流电。

（4）模拟太阳能电池装置：

产生类似于太阳能电池输出特性的直流电输出。

（5）DC/DC模块：

直流模块，将整流、滤波后的直流电变换为可供蓄电池和负载使用的恒压或横流电，是系统的主要受控模块。

（6）蓄电池：

系统的储能装置，它将系统所发电能储存起来，在无风的情况下释放能量向负载供电。

（7）辅助电源：

由多个DC_DC电源模块组成，产生不同幅值的电压，向控制板上的各类有源器件提供电能供应。

（8）DSP控制器：

系统的控制核心，用来进行检测信号的分析、处理并得出相应的控制策略，从而产生控制信号。

（9）驱动：

用于驱动控制板上各种功率元件。

（10）上位机PC:

与控制器之间进行通信，可向控制器发出各种控制指令，并可获得下位机的工作情况。

模拟太阳能电池框图

图2-3太阳能电池模拟装置总体框图

（1）交流变压器：

产生一个可以调节的交流电压，一方面降低整流电路器件压力，另一方面实现电气隔离，防止烧毁器件。

（2）整流桥：

实现不可控整流，将发电机所发出的交流电变换为直流电。

（3）滤波电路：

电容滤波，产生电压比较稳定的直流电。

（4）全桥变换电路：

通过PWM控制，调节输出电压。

（5）辅助电源：

由多个DC-DC电源模块组成，产生不同幅值的电压，向控制板上各类有源器件提供电能供应。

（6）DSP控制器：

系统的控制核心，用来进行检测信号的分析、处理并得出相应的控制策略，从而产生控制信号。

（7）驱动：

用于产生能够驱动IGBT的PWM信号。

模拟风力发电机组的组成及框图

图2-4模拟风机装置的总体框图

（1）交流变压器：

产生一个可以调节的交流电压，一方面降低整流电路器件电压应力，另一方面实现电气隔离，防止烧毁器件。

（2）整流桥：

实现不可控整流，将发电机所发出的交流电变换为直流电。

（3）滤波电路：

电容滤波，产生电压比较稳定的直流电。

（4）全桥变换电路：

通过PWM控制，调节输出电流。

（5）直流电机：

用来模拟风机输出特性，其输出I~n曲线符合风力机输出曲线。

（6）光电编码器：

用于检测直流电机转速。

（7）辅助电源：

由多个DC-DC电源模块组成，产生不同幅值的电压，向控制板上各类有源器件提供电能供应。

（8）DSP控制器：

系统的控制核心，用来进行检测信号的分析、处理并得出相应的控制策略，从而产生控制信号。

（9）驱动：

用于产生能够驱动IGBT的PWM信号。

3风光互补发电系统的硬件设计

风光互补系统硬件的总体设计

系统硬件电路包括主电路部分，控制板部分，驱动部分，信号采样调理部分和辅助电源部分，设计原理图如图3-1所示，图3-2为PCB设计图。

接上一节去教学楼的

图3-1风光互补系统硬件设计原理图

图3-2PCB设计图

图3-3系统电路板实物图

风光互补系统主电路

系统主电路的原理如图3-4所示。

图3-4系统主电路原理图

图中BR为不可控整流桥，E1=E2=630uF/450V为整流滤波电容，R1=330K、R2=360K、R3=10K为输入侧直流电压检测部分，Q1~Q4为直流变换开关器件，Q5为负载投切控制开关,IGBT选用G40N60B3D。

L1=L2=为电路主电感，D1、D2为BUCK变换续流二极管，D3、D4为BOOST变换反关断二极管，R8=100K、R9=10K为输出直流侧电压检测部分，Ra为流经蓄电池电流的检测电阻，Rb为负载电流检测电阻。

此外，主电路中还包括各滤波电容、功率器件的缓冲电路、蓄电池和负载等部分。

风光互补系统的电源模块

内部电源模块的24V电源直接由主电路获得，当系统开始正常工作时，系统一边向负载和蓄电池供电，同时向内部电源模块供电，以保证控制部分的正常工作。

而在系统的启动过程中，蓄电池将提供系统启动所需的电能，在系统开始正常工作后进行补充。

电压产生电路

15V电压产生电路如图3-4所示。

该电路使用24V转15V的带隔离直流电源模块IB2415LS/D-2W，该模块体积小，工作稳定性好，应用灵活，

图3-415V电压产生电路

很适合线路板上分布式电源系统中需要产生一组与输入电源隔离的电源的应用场合。

系统共有三个该电源产生电路，用于提供功率开关IGBT的驱动电压，其中Q1、Q3由于发射极与输入电压不共地，所以需要单独提供驱动电源，Q2、Q4、Q5发射极基本处于同一电位，所以可共用一个驱动电源。

3.3.2±5V电压产生电路

±5V电压产生电路如图3-5所示。

该电路使用24V转±5V的带隔离稳压的直流电源模块IA2405KS-1W，该模块温度特性好，且输出电压稳定纹波小，适合与线路板上产生与输入隔离的正负电源的场合。

系统只有一个该电路结构，它的输出参考点和系统模拟地共在一起，用于向电流检测信号调理电路的运放提供所需的正负电源。

图3-55V电压产生电路

3.3.35V电压产生电路

图3-6为数字电压产生电路，该电路由两个直流模块组成，先使用IB2405LS/D-2W将24V电压变为5V电压，再利用芯片LM3940将5V电压变为电压。

LM3940使用时输入和输出侧必须要有滤波电容，否则无法正常工作。

该电路主要向控制板的DSP及其外围电路和驱动芯片输入端进行供电。

图3-6数字电压产生电路

图3-7是产生模拟电源的电路，利用小磁珠将数字和模拟、数字地和模拟地进行隔离，得到干净的模拟电源，作为运放输入的参考电压使用。

图中DS为电源指示灯，R55为限流电阻，当系统上电后，DS发光表明供电模块正常。

图3-7模拟电压产生电路

检测模块

3.4.1电压检测电路

电压检测电路如图3-8所示，该系统直接利用电阻分压进行电压检测。

分压电阻根据端电压的最大值大进行选取，当端电压为最大值时，使分压结果为即可。

C为滤波电容，滤除高频噪声。

D1、D2为限压保护二极管，当检测电压低于0V时，下管D2导通，将输出电压U牵制在0V，而当检测电压高于时，上管D1导通，从而将输出电压U牵制在了，所以输出电压U只在0V到之间，不会对DSP产生损坏。

3.4.2电流检测电路

电流检测电路如图3-9所示，利用一个采样电阻进行电流检测。

Ra为50mΩ采样电阻，最大可通过5A电流，C为滤波电容。

由于采样电阻很小，所以需要进行进一步的处理才能输入到DSP，图3-10为电流检测信号放大调理电路。

该电路共有两级运放，由于所检测的蓄电池电流有正负之分，所以运放利用正负电源进行供电。

电路选用双运放芯片OP284，该芯片具有供电电压范围宽，增益稳定，温漂小，带宽大，噪声小等特点，完全可以满足电路设计需要。

图3-8电压检测电路图3-9电流检测电路

图3-10电流检测信号放大调理电路

电路第一级为信号放大环节，设其增益为A1，输入为V1in，输出为V1out，则有：

（3-1）

该环节放大电路将采样电阻检测得到的微小电压信号，放大为~+的电压信号。

由于DSP的输入只能是0V~的电压信号，所以需要偏置环节将前级放大信号调整到合适的范围，调理环节实际上就是给前级输出加一个直流偏置，将~+的电压信号变换为0V~的电压信号。

调理环节的输入为V1out，设其输出为V2in，则有：

（3-2）

第二级运放为电压跟随电路，设其输出为V2out，则有：

（3-3）

该环节将调整好的电压信号直接输出，起缓冲稳压作用。

最后的环节是对信号进行滤波与保护，该环节的作用和电压检测电路中介绍的作用相同。

驱动模块

由于DSP发出的PWM信号不能直接驱动IGBT工作，IGBT工作时需要+15V的开栅电压和低于0V的关栅电压，所以本文选用惠普公司专用驱动芯片HCPL3120。

它是一种专门用于驱动IGBT的光耦隔离式集成驱动芯片，最高开关频率可达2MHz，输出驱动电压变化范围大，它可以驱动1200V