专利名称：最大功率跟踪风光互补系统的制作方法
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4艮快，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O. 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的大幅度降价，已经显得很不经济。因而只有采用新的拓朴电路和新的控制技 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別与所述风力 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^U。 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。
以下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5艮3宗器即MPPT (Maximum Power Point Tracker),其作用是4吏太阳 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P丽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16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MCP丽控制器。 dsPIC30F4012片内MCP窗电机专用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P丽通道的 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/ 。求导，因为V、R都是 常数，所以可得式(2 ):4哉=(^^)、及 ( 1 )《。=〖/2 《_凡 (2 )说,，—'(《+《,)3当《,=《时，Z^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，当时，/ 。两端的电压是 K/2。这表明若i 。两端的电压等于^/2,;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栽。如果要想保证负栽端一直能得到最大 的功率供给，则始终要保证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(风力发电才几)的内阻，就可以实现光伏电池(风力发电4几) 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 conductance method,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 x V ( 3 )将两端对V求导，并将I作为V的函数，可得，=懇=1评！ ( 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!>-丄 (7>F ) ( 5 )^/j/ 隨，<—丄 (F〈K ) ( 6 )W 匪{= 一丄(K = F ) ( 7 ), F 陋这样，可以根据dl/dV与-1/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Vw,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O,那 么就根据dl的正负对进行调整。假如dV不为0,再冲艮据式(5)、 (6)和(7)给出 的关系，对V^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△ V的设置关系到算法能否准确的实现MPPT功能。△ V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P丽信号占空比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。
权利要求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dsPIC30F楊2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。
专利摘要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。
文档编号F03D9/00GK201041137SQ20072004850
公开日2008年3月26日 申请日期2007年2月9日 优先权日2007年2月9日
发明者李永富 申请人:珠海泰能电子科技有限公司