离网型“风-光-储”互补发电测控平台的设计

2017-01-09胡天湘夏浩刚胡清灵林飞宇

四川水利 2016年2期

关键词：风光测控发电

方彤，胡天湘，张力，夏浩刚，胡清灵，林飞宇

(1.西华大学电气与电子信息学院，成都，610039；2.西昌市呷榴河电力开发有限责任公司，四川西昌，615050)

离网型“风-光-储”互补发电测控平台的设计

方彤1，胡天湘2，张力1，夏浩刚1，胡清灵1，林飞宇1

(1.西华大学电气与电子信息学院，成都，610039；2.西昌市呷榴河电力开发有限责任公司，四川西昌，615050)

离网型“风-光-储”互补发电测控平台，通过控制器将风力发电系统和太阳能发电系统整合成为一个风光储互补独立发电系统，利用STM32单片机对整个系统的各项功能进行控制且对系统中的各项参数进行检测，最终显示到基于LABVIEW的上位机监控系统中。通过离网型风光储独立发电测控平台，可以让相关人员快速掌握风光互补发电实践技术，为工程实际提供有力支撑。

风力发电太阳能发电 STM32单片机风光储独立发电系统 LABVIEW

1 概述

在新能源中，风能和太阳能是目前应用最多的两类新能源，利用风能和太阳能的天然互补性，风光互补发电系统大大提高了发电的可靠性和连续性。

本文主要以风光互补发电测控平台为研究对象，阐述风光互补发电技术。该测控平台以200W输出电压为24V的风力发电机为基础，以2kW、额定转速2400r/min的鼓风机模拟风场；太阳能电池板为两组两块串联的10W/12V太阳能电池板并联组成，采用浴霸光模拟太阳光发电，采用一块12V/20AH的铅蓄电池用于储存测控平台电能，最后加上整流和测控装置，构成离网型“风-光-储”发电测控平台。

2 系统实现原理

该测控平台主要分为三个部分：主电路部分、检测与控制电路部分。主电路中太阳能电池板接收浴霸的光，将光能转换成电能。另外力矩调节器控制鼓风机转速模拟风源，吹动风力发电机旋转，将机械能转化为电能。由于风力发电机发出的电为交流电，因此需要使用整流器将其变为直流。两路电能分别被送入充电管理模块，由控制电路对其检测判断后，通过控制实现对蓄电池或者负载供电。检测与控制电路主要为STM32单片机对平台进行检测与电气控制以及基于LABVIEW的上位机的通讯控制，电气控制用于对测控平台整体功能实现以及逻辑控制，通讯控制则主要用于在上位机中显示检测的各项参数值以及对系统进行远距离控制。该系统框图如图1所示。

图1 离网型“风-光-储”发电测控平台系统

3 系统硬件设计

该测控平台硬件设计包括主电路设计和检测控制电路设计两个部分，这里仅对部分重要的设计模块电路进行说明。

3.1 光照强度采集模块

光照强度采集模块主要用于采集太阳板接收到的光照，光照强度检测采用BH1750光强采集芯片，该芯片内置16位的模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，不再需要做复杂的计算，就能将检测的值以数字信号与STM32单片机通讯。光照强度采集模块电路原理(如图2所示)。

图2 光照强度采集模块电路原理

3.2 电压电流采集模块

本模块电路主要用于检测系统中输入电路的电压电流。此电路的输入端设置了一个电磁继电器和一个自锁开关，电磁继电器由STM32单片机I/O口负责控制，自锁开关是用于人工操作时控制线路是否接入的物理开关。

当风力发电机和太阳能光伏电池开始发电时，电能先经过一个电压跟随器，通过电压跟随器，由STM32单片机检测跟随器输出的电压即为当前的检测电压。本系统通过电压跟随器采集电压，避免了数据采集时会影响原电路电参数的情况。电压跟随器的输入端分出一支路，串联一个大约0.02Ω的采样电阻，利用INA282芯片采集采样电阻两端的电压，芯片将电压信息转换为电流信息输出给STM32单片机，这样，就得到了精度较高的母线电流，而且采样电阻阻值很小，对原电路的电压影响很小。另一方面，STM32单片机得到此线路上的电压和电流，将与系统设计好的电压值进行比较，控制电磁继电器是否导通，为电池或者负载提供电能。电压电流采集模块电路的电路图如图3所示：

图3 电压电流采集模块原理

3.3 充电管理模块

本测控平台充电管理模块使用CN3722集成芯片作为主控制芯片，它是具有太阳能电池最大功率点跟踪功能的5A多类型电池充电管理集成电路，能根据系统发电的点亮情况采用不同的充电方式。当发电输出电压达到16.5V时，进入充电过程，当电池电压低于测控平台所设置的恒压充电电压的66.7%时，CN3722则用所设置的恒流充电电流的15%对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，充电过程持续直到充电电流减小到零，这样即使发电系统输出很小的功率，也能对电池充电；当发电输出电压低于16.5V时，CN3722自动进入无输出状态及休眠状态。充电过程示意图如图4所示。

图4 充电过程示意

4 系统软件设计

系统软件设计主要包括程序设计和上位机界面设计两个部分。

4.1 离网型“风-光-储”发电测控平台程序设计

离网型“风-光-储”发电测控平台的程序设计采用模块化设计，通过调用子程序的方式，一方面实现对整个系统的有效控制，另一方面可以针对各个模块更加方便地调试、检测以及二次开发。程序主要由光强检测子程序、电池检测子程序、光伏检测子程序、风力检测子程序、自动控制子程序、数据通讯子程序组成。软件程序流程图如图5所示。

图5 软件程序流程

如图5所示，在主程序中首先对变量进行初始化，然后进入循环。当检查完各种需要检测的电参数后，系统无论是不是自动控制模式，都会将检测结果显示在上位机上。在自动控制模式下，程序会将当前检测到的电压电流与设定的动作阈值比较，如果满足要求，则进行相应动作，比如对铅蓄电池充电、切出风力发电、切入光伏发电等等。

4.2 离网型“风-光-储”发电测控平台上位机界面设计

离网型“风-光-储”发电测控平台上位机界面，包括光照强度、光伏发电、风力发电、电池等各个部分的电参数显示界面，左侧的方框显示实时的检测值，右侧的黑框中则根据历史数据自动绘出波形图，左下方的方框按钮是手动控制的开关，椭圆形的控件则显示当前的控制状态。离网型“风-光-储”发电测控平台上位机界面如图6所示。