大功率风光互补独立供电系统设计与实现

摘要

进入21世纪后，能源危机和环境污染越来越严重。风能、太阳能是天然绿色资源，无污染、无辐射，具有清洁、安全、可持续利用的特点；有效利用风能、太阳能等新能源已成为全世界研究的热门课题。远离电网覆盖地区的农牧民定居点、通信基站、边防哨所、高速公路监控系统、森林防火监控系统以及野外科研场所等，都需要低成本、高可靠性的独立供电系统。这些地区往往蕴藏着丰富的风能和太阳能资源。随着各国政府政策和资金支持，风力和太阳能发电技术不断进步，发电成本也不断下降。风光互补独立供电系统能够为这些偏远地区提供低成本、高可靠性且不会破坏生态环境的电力，已经成为满足人类社会长期能源需要、解决偏远地区供电问题的最优选择。
　　 风能和太阳能在时间上具有很强的互补性，风光互补独立供电系统利用风能和太阳能的互补性，通过智能控制系统将不确定性的风能和太阳能转换为稳定可靠的电能，供给负载。一套完整的风光互补独立供电系统包括风力发电机组、太阳能电池板方阵、蓄电池、智能控制器、逆变器。智能控制器实现将风能和太阳能转换为稳定的直流电为蓄电池充电，控制蓄电池为负载供电，同时为系统各个部分提高完善的保护。智能控制技术的不成熟是风光互补独立供电系统有效推广的最大障碍。本文以大功率风光互补独立供电系统的设计和实现为目标，着重于风光互补智能控制器的设计与实现，主要工作包含以下三个方面：
　　 1）按照模块化体系结构的要求设计风光互补独立供电系统的智能控制器。根据风光互补智能控制器的功能，本文将其划分为整流滤波模块、DC-DC转换器模块、智能控制中心模块以及辅助和状态显示模块。分别介绍了各个模块的设计以及关键元器件的选型。智能控制软件设计也采用模块化体系结构，使得整个系统易于维护、扩展，提高了系统的适用范围。
　　 2）在分析现有的三相全桥整流技术和两相双电压整流技术的基础上，本文提出了一种三相双电压整流技术。与现有整流技术相比，在同样风力发电机输出的情况下，减小了整流滤波后输出的直流电压的波动，有效的提高了风力发电机的利用率。
　　 3）在分析DC-DC模块并联冗余工作和蓄电池三段式充电要求的基础上，本文提出了一种基于单片机的智能均流技术，该方法基于平均电流法原理，通过单片机A/D口检测蓄电池充电电压和各并联DC-DC模块充电电流，判断蓄电池状态，自适应调整各模块PWM信号占空比，最终实现均流和充电控制。该方法能够同时满足DC-DC变换器并联冗余和蓄电池三段式充电的要求，有效地提高系统可靠性和延长蓄电池使用寿命。