電力電子技術(shù)在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1 引言

　　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是一種將光能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。由于太陽(yáng)能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在資源上的間斷不平衡、不穩(wěn)定?？梢愿鶕?jù)用戶的用電負(fù)荷情況和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置。既可保證風(fēng)光系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)。同時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)是一套獨(dú)立的分散式供電系統(tǒng)，可不依賴電網(wǎng)獨(dú)立供電，不消耗市電，不受地域限制，既環(huán)保又節(jié)能，還可作為一道典雅的風(fēng)景為城市景觀增姿添彩。

　　風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)由光伏電池組件(太陽(yáng)能電池板)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、蓄電池組、控制器、逆變器等幾部分組成。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的混合功率，為風(fēng)電的額定功率加光伏電池的峰值功率，它們共同向蓄電池組充電?？刂破骺刂浦L(fēng)電和光電最大程度地發(fā)揮各自的效能，同時(shí)又要保證不會(huì)對(duì)蓄電池過充電，能穩(wěn)定電壓，使系統(tǒng)在恒壓充電狀態(tài)下工作。該系統(tǒng)無污染、無噪音，不產(chǎn)生廢棄物，是一種自然、清潔的可再生能源。人類為使居住環(huán)境不再受污染，風(fēng)能和太陽(yáng)能將是今后世界能源的必然選擇。目前，利用太陽(yáng)能和風(fēng)能在不同的季節(jié)、時(shí)間上互補(bǔ)特點(diǎn)發(fā)展起來的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電照明技術(shù)，已日臻完善，且正以前所未有的速度和力度迅速在全國(guó)推廣。

　　2007年2月經(jīng)省批準(zhǔn)，森源電氣公司為河南省的風(fēng)力發(fā)電工程研究中心。現(xiàn)已在長(zhǎng)葛推進(jìn)區(qū)外9路及許昌東區(qū)107國(guó)道等不同路段，研制和安裝了風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)合理，效果良好。

　　依據(jù)我國(guó)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)cjj45-2006，森源電氣公司的風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)的配置方案，如附表所列。

　　電力電子(pe)技術(shù)是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。它包括pe器件、變流電路和控制電路三部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，pe技術(shù)由于和現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門。毫無疑問，它將成為新世紀(jì)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。

　　2 pe技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用

　　森源電氣股份有限公司最近正研制開發(fā)適用于微風(fēng)起動(dòng)、發(fā)電的第三代風(fēng)力發(fā)電機(jī)syfⅲ，該電機(jī)為軸向磁通的盤式永磁發(fā)電機(jī)。最大特點(diǎn)是能根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)況的變化，相應(yīng)改變定子線圈的連接，共有16線圈串接、8串2并聯(lián)、4串4并、2串8并四種運(yùn)行模式，如圖1所示，以滿足闊功率范圍的正常發(fā)電與大幅度提高風(fēng)能利用率的要求。

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目的，定子線圈的連接線端均通過固定的空心軸引出，接到專用的切換裝置上。然后，利用裝在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)速傳感器，輸出不同整定值的轉(zhuǎn)速信號(hào)，并由此按預(yù)定的運(yùn)行模式對(duì)線圈的連接進(jìn)行切換，以便實(shí)現(xiàn)高的效率和高的輸出功率。

　　圖2(a)所示為定子線圈連接切換的原理圖;圖2(b)為具體的切換控制電路。按照風(fēng)速的大小，當(dāng)轉(zhuǎn)速nn3)，通過類似方式發(fā)電機(jī)線圈則形成2串8并的連接模式。由此可實(shí)現(xiàn)大功率范圍的正常運(yùn)行發(fā)電。

　　3 pe技術(shù)在控制器上的應(yīng)用

　　3.1 控制器的基本功能

　　離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)路燈的智能型控制器，是整個(gè)系統(tǒng)中的重要部件。其主要功能是：可對(duì)所發(fā)出的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載;另一方面把盈余的能量送往蓄電池儲(chǔ)存。當(dāng)所發(fā)的電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器又把蓄電池的電量送往負(fù)載。

　　圖2 定子線圈連接切換原理圖

　　蓄電池充滿后，控制器要控制蓄電池不被“過充電”;當(dāng)蓄電池所存儲(chǔ)的電池放完后，又要控制蓄電池不被“過放電”，保護(hù)蓄電池。控制器的性能不好，對(duì)蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響到系統(tǒng)的可靠性?？刂破鞯男阅軐?duì)改善整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行效果具有十分重要的意義。

　　3.2 控制器的特點(diǎn)

　　3.2.1 單片機(jī)的應(yīng)用

　　森源電氣公司研制的控制器，是一款基于微處理器stc12c5410ad進(jìn)行控制管理的智能型控制器，所有的控制電路均通過芯片的調(diào)控。既能將風(fēng)電機(jī)組和太陽(yáng)能所發(fā)出的能量?jī)?chǔ)存到蓄電池，又能控制負(fù)載的輸出模式和輸出條件。而且對(duì)蓄電池有過充、過放的保護(hù)功能，確保蓄電池不受損害。此外，它還監(jiān)控著狀態(tài)指示燈、蓄電池電量指示燈、負(fù)載指示燈，并利用雙色/彩色指示燈顯示系統(tǒng)的工況。該芯片可以在線下載，無需仿真器、編程器，就能輕松實(shí)現(xiàn)在線下載與調(diào)試。控制器的原理框圖示于圖3。

　　3.2.2 開關(guān)電源的應(yīng)用

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)過整流以后，再通過開關(guān)電源的升壓和降壓作用穩(wěn)定電壓，繼而再給蓄電池進(jìn)行充電，大大提高了風(fēng)能的利用率。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制功率半導(dǎo)體器件開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。本開關(guān)電源采用雙極性晶體管制成的100khz的dc/dc模塊，由于開關(guān)速度的提高以及由電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌，為了控制浪涌，我們采用了r-c緩沖器。

　　開關(guān)電源輸出的電壓分為兩路給蓄電池充電，當(dāng)電池電壓低于21v時(shí)就采用快充電路對(duì)蓄電池進(jìn)行大電流快速充電，這樣可以增加蓄電池的充電和放電深度，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。而當(dāng)蓄電池的電壓高于23.6v時(shí)切換到浮充狀態(tài)對(duì)蓄電池進(jìn)行緩慢充電，能使得蓄電池不欠壓。

　　3.2.3 mos管的啟用

　　mos管也即絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，它的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用sio2絕緣層隔離，因此而得名。又因柵極為金屬鋁，故又稱為金屬氧化物半導(dǎo)體(mos)管。它的柵-源間電阻比結(jié)型效應(yīng)管大的多，可達(dá)1010ω以上，還因?yàn)樗冉Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化工藝簡(jiǎn)單，而廣泛應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。

　　圖3 智能型風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器原理圖

　　本控制器的電路板采用了低內(nèi)阻的mos管，n型的內(nèi)阻為8毫歐，p型的為20毫歐。當(dāng)電流通過時(shí)驅(qū)動(dòng)板自身的損耗很小，因此能在驅(qū)動(dòng)功率比較大的照明設(shè)備時(shí)mos管本身的發(fā)熱量也不大。如果是用兩塊l298要達(dá)到4a的驅(qū)動(dòng)電流的話，不但要用大面積的散熱片，而且還要加散熱風(fēng)扇，這樣既增加成本，占用空間，性能還不可靠。

　　3.2.4 triac的應(yīng)用

　　當(dāng)蓄電池的電壓過高時(shí)，要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取措施來保護(hù)蓄電池不被過充，相對(duì)于以往在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中普遍采用的利用繼電器進(jìn)行制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)，本控制器是利用雙向可控硅(triac)來制動(dòng)。上述繼電器制動(dòng)對(duì)于繼電器的吸合次數(shù)有所限制，而且繼電器容易拒動(dòng)，這將導(dǎo)致控制器的壽命和可靠性均降低，而機(jī)械制動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命同樣有影響。采用長(zhǎng)壽命、高可靠性的triac就避免了上述弊端，極大延長(zhǎng)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命，從而也提高了控制器的可靠性。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　智能型風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)由于應(yīng)用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證該系統(tǒng)是最為合理的綠色照明系統(tǒng)，這種合理性還表現(xiàn)在資源配置最合理，技術(shù)方案最合理，性能價(jià)格最合理。正是這種合理性保證了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性。