電力電子技術在風光互補發電系統中的應用

　　1 引言

　　風光互補發電是一種將光能和風能轉化為電能的裝置。由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發電系統彌補了風電和光電獨立系統在資源上的間斷不平衡、不穩定。可以根據用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置。既可保證風光系統供電的可靠性，又可降低發電系統的造價。同時，風光互補系統是一套獨立的分散式供電系統，可不依賴電網獨立供電，不消耗市電，不受地域限制，既環保又節能，還可作為一道典雅的風景為城市景觀增姿添彩。

　　風光互補系統由光伏電池組件(太陽能電池板)、風力發電機組、蓄電池組、控制器、逆變器等幾部分組成。風光互補系統的混合功率，為風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。控制器控制著風電和光電最大程度地發揮各自的效能，同時又要保證不會對蓄電池過充電，能穩定電壓，使系統在恒壓充電狀態下工作。該系統無污染、無噪音，不產生廢棄物，是一種自然、清潔的可再生能源。人類為使居住環境不再受污染，風能和太陽能將是今后世界能源的必然選擇。目前，利用太陽能和風能在不同的季節、時間上互補特點發展起來的風光互補發電照明技術，已日臻完善，且正以前所未有的速度和力度迅速在全國推廣。

　　2007年2月經省批準，森源電氣公司為河南省的風力發電工程研究中心。現已在長葛推進區外9路及許昌東區107國道等不同路段，研制和安裝了風光互補路燈照明系統。實踐證明，設計合理，效果良好。

　　依據我國城市道路照明設計標準cjj45-2006，森源電氣公司的風光互補路燈照明系統的配置方案，如附表所列。

　　電力電子(pe)技術是利用電力電子器件對電能進行控制和轉換的學科。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領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發展，pe技術由于和現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關，已逐步發展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術學科，其應用領域幾乎涉及到國民經濟的各個工業部門。毫無疑問，它將成為新世紀的關鍵支撐技術之一。

　　2 pe技術在風力發電機上的應用

　　森源電氣股份有限公司最近正研制開發適用于微風起動、發電的第三代風力發電機syfⅲ，該電機為軸向磁通的盤式永磁發電機。最大特點是能根據風速、風況的變化，相應改變定子線圈的連接，共有16線圈串接、8串2并聯、4串4并、2串8并四種運行模式，如圖1所示，以滿足闊功率范圍的正常發電與大幅度提高風能利用率的要求。

　　為了實現這一目的，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，利用裝在轉軸上的轉速傳感器，輸出不同整定值的轉速信號，并由此按預定的運行模式對線圈的連接進行切換，以便實現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。按照風速的大小，當轉速nn3)，通過類似方式發電機線圈則形成2串8并的連接模式。由此可實現大功率范圍的正常運行發電。

　　3 pe技術在控制器上的應用

　　3.1 控制器的基本功能

　　離網型風光互補路燈的智能型控制器，是整個系統中的重要部件。其主要功能是：可對所發出的電能進行調節和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載;另一方面把盈余的能量送往蓄電池儲存。當所發的電量不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電量送往負載。

　　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”;當蓄電池所存儲的電池放完后，又要控制蓄電池不被“過放電”，保護蓄電池。控制器的性能不好，對蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響到系統的可靠性。控制器的性能對改善整個風光互補系統的運行效果具有十分重要的意義。

　　3.2 控制器的特點

　　3.2.1 單片機的應用

　　森源電氣公司研制的控制器，是一款基于微處理器stc12c5410ad進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控。既能將風電機組和太陽能所發出的能量儲存到蓄電池，又能控制負載的輸出模式和輸出條件。而且對蓄電池有過充、過放的保護功能，確保蓄電池不受損害。此外，它還監控著狀態指示燈、蓄電池電量指示燈、負載指示燈，并利用雙色/彩色指示燈顯示系統的工況。該芯片可以在線下載，無需仿真器、編程器，就能輕松實現在線下載與調試。控制器的原理框圖示于圖3。

　　3.2.2 開關電源的應用

　　風力發電機發出的三相交流電經過整流以后，再通過開關電源的升壓和降壓作用穩定電壓，繼而再給蓄電池進行充電，大大提高了風能的利用率。開關電源是利用現代電力電子技術，控制功率半導體器件開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。本開關電源采用雙極性晶體管制成的100khz的dc/dc模塊，由于開關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電荷的影響而產生浪涌，為了控制浪涌，我們采用了r-c緩沖器。

　　開關電源輸出的電壓分為兩路給蓄電池充電，當電池電壓低于21v時就采用快充電路對蓄電池進行大電流快速充電，這樣可以增加蓄電池的充電和放電深度，延長蓄電池的使用壽命。而當蓄電池的電壓高于23.6v時切換到浮充狀態對蓄電池進行緩慢充電，能使得蓄電池不欠壓。

　　3.2.3 mos管的啟用

　　mos管也即絕緣柵型場效應管，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體(mos)管。它的柵-源間電阻比結型效應管大的多，可達1010ω以上，還因為它比結型場效應管溫度穩定性好、集成化工藝簡單，而廣泛應用于大規模和超大規模集成電路之中。

　　圖3 智能型風光互補路燈控制器原理圖

　　本控制器的電路板采用了低內阻的mos管，n型的內阻為8毫歐，p型的為20毫歐。當電流通過時驅動板自身的損耗很小，因此能在驅動功率比較大的照明設備時mos管本身的發熱量也不大。如果是用兩塊l298要達到4a的驅動電流的話，不但要用大面積的散熱片，而且還要加散熱風扇，這樣既增加成本，占用空間，性能還不可靠。

　　3.2.4 triac的應用

　　當蓄電池的電壓過高時，要對風力發電機采取措施來保護蓄電池不被過充，相對于以往在小型風力發電機系統中普遍采用的利用繼電器進行制動和機械制動，本控制器是利用雙向可控硅(triac)來制動。上述繼電器制動對于繼電器的吸合次數有所限制，而且繼電器容易拒動，這將導致控制器的壽命和可靠性均降低，而機械制動對風力發電機的使用壽命同樣有影響。采用長壽命、高可靠性的triac就避免了上述弊端，極大延長了風力發電機的使用壽命，從而也提高了控制器的可靠性。

　　4 結束語

　　智能型風光互補路燈系統由于應用了先進的電力電子技術，經過實踐驗證該系統是最為合理的綠色照明系統，這種合理性還表現在資源配置最合理，技術方案最合理，性能價格最合理。正是這種合理性保證了風光互補發電系統的高可靠性。