电力电子技术在风光互补发电系统中的应用_9

1 引言

  风光互补发电是一种将光能和风能转化为电能的装置。由于太阳能与风能的互补性强,风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源上的间断不平衡、不稳定。可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置。既可保证风光系统供电的可靠性,又可降低发电系统的造价。同时,风光互补系统是一套独立的分散式供电系统,可不依赖电网独立供电,不消耗市电,不受地域限制,既环保又节能,还可作为一道典雅的风景为城市景观增姿添彩。

  风光互补系统由光伏电池组件(太阳能电池板)、风力发电机组、蓄电池组、控制器、逆变器等几部分组成。风光互补系统的混合功率,为风电的额定功率加光伏电池的峰值功率,它们共同向蓄电池组充电。控制器控制着风电和光电最大程度地发挥各自的效能,同时又要保证不会对蓄电池过充电,能稳定电压,使系统在恒压充电状态下工作。该系统无污染、无噪音,不产生废弃物,是一种自然、清洁的可再生能源。人类为使居住环境不再受污染,风能和太阳能将是今后世界能源的必然选择。目前,利用太阳能和风能在不同的季节、时间上互补特点发展起来的风光互补发电照明技术,已日臻完善,且正以前所未有的速度和力度迅速在全国推广。

  2007年2月经省批准,森源电气公司为河南省的风力发电工程研究中心。现已在长葛推进区外9路及许昌东区107国道等不同路段,研制和安装了风光互补路灯照明系统。实践证明,设计合理,效果良好。

  依据我国城市道路照明设计标准cjj45-2006,森源电气公司的风光互补路灯照明系统的配置方案,如附表所列。

  电力电子(pe)技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括pe器件、变流电路和控制电路三部分,是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展,pe技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关,已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科,其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。毫无疑问,它将成为新世纪的关键支撑技术之一。

2 pe技术在风力发电机上的应用

  森源电气股份有限公司最近正研制开发适用于微风起动、发电的第三代风力发电机syfⅲ,该电机为轴向磁通的盘式永磁发电机。最大特点是能根据风速、风况的变化,相应改变定子线圈的连接,共有16线圈串接、8串2并联、4串4并、2串8并四种运行模式,如图1所示,以满足阔功率范围的正常发电与大幅度提高风能利用率的要求。

  为了实现这一目的,定子线圈的连接线端均通过固定的空心轴引出,接到专用的切换装置上。然后,利用装在转轴上的转速传感器,输出不同整定值的转速信号,并由此按预定的运行模式对线圈的连接进行切换,以便实现高的效率和高的输出功率。

  图2(a)所示为定子线圈连接切换的原理图;图2(b)为具体的切换控制电路。按照风速的大小,当转速n<n1时ic元件u1输出高电平,u2、u3处于低电平,此时,双向开关管k1、k3、k5导通,发电机定子为16线圈1串联模式;当转速n1<n<n2时,u2输出高电平,u1、u3输出低电平,此时k1、k2、k4、k5导通,形成8串2并模式;当转速继续上升,处于n2<n<n3时,双向开关管k2、k4、k6、k7、k8、k9接通,发电机线圈形成4串4并模式;当转速升高超过n3时(n>n3),通过类似方式发电机线圈则形成2串8并的连接模式。由此可实现大功率范围的正常运行发电。

3 pe技术在控制器上的应用

  3.1 控制器的基本功能

  离网型风光互补路灯的智能型控制器,是整个系统中的重要部件。其主要功能是:可对所发出的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载;另一方面把盈余的能量送往蓄电池储存。当所发的电量不能满足负载需要时,控制器又把蓄电池的电量送往负载。

  图2 定子线圈连接切换原理图

  蓄电池充满后,控制器要控制蓄电池不被过充电;当蓄电池所存储的电池放完后,又要控制蓄电池不被过放电,保护蓄电池。控制器的性能不好,对蓄电池的使用寿命影响很大,并最终影响到系统的可靠性。控制器的性能对改善整个风光互补系统的运行效果具有十分重要的意义。

  3.2 控制器的特点

  3.2.1 单片机的应用

  森源电气公司研制的控制器,是一款基于微处理器stc12c5410ad进行控制管理的智能型控制器,所有的控制电路均通过芯片的调控。既能将风电机组和太阳能所发出的能量储存到蓄电池,又能控制负载的输出模式和输出条件。而且对蓄电池有过充、过放的保护功能,确保蓄电池不受损害。此外,它还监控着状态指示灯、蓄电池电量指示灯、负载指示灯,并利用双色/彩色指示灯显示系统的工况。该芯片可以在线下载,无需仿真器、编程器,就能轻松实现在线下载与调试。控制器的原理框图示于图3。

  3.2.2 开关电源的应用

  风力发电机发出的三相交流电经过整流以后,再通过开关电源的升压和降压作用稳定电压,继而再给蓄电池进行充电,大大提高了风能的利用率。开关电源是利用现代电力电子技术,控制功率半导体器件开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。本开关电源采用双极性晶体管制成的100khz的dc/dc模块,由于开关速度的提高以及由电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌,为了控制浪涌,我们采用了r-c缓冲器。

  开关电源输出的电压分为两路给蓄电池充电,当电池电压低于21v时就采用快充电路对蓄电池进行大电流快速充电,这样可以增加蓄电池的充电和放电深度,延长蓄电池的使用寿命。而当蓄电池的电压高于23.6v时切换到浮充状态对蓄电池进行缓慢充电,能使得蓄电池不欠压。

  3.2.3 mos管的启用

  mos管也即绝缘栅型场效应管,它的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用sio2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为金属氧化物半导体(mos)管。它的栅-源间电阻比结型效应管大的多,可达1010以上,还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化工艺简单,而广泛应用于大规模和超大规模集成电路之中。

  图3 智能型风光互补路灯控制器原理图

  本控制器的电路板采用了低内阻的mos管,n型的内阻为8毫欧,p型的为20毫欧。当电流通过时驱动板自身的损耗很小,因此能在驱动功率比较大的照明设备时mos管本身的发热量也不大。如果是用两块l298要达到4a的驱动电流的话,不但要用大面积的散热片,而且还要加散热风扇,这样既增加成本,占用空间,性能还不可靠。

  3.2.4 triac的应用

  当蓄电池的电压过高时,要对风力发电机采取措施来保护蓄电池不被过充,相对于以往在小型风力发电机系统中普遍采用的利用继电器进行制动和机械制动,本控制器是利用双向可控硅(triac)来制动。上述继电器制动对于继电器的吸合次数有所限制,而且继电器容易拒动,这将导致控制器的寿命和可靠性均降低,而机械制动对风力发电机的使用寿命同样有影响。采用长寿命、高可靠性的triac就避免了上述弊端,极大延长了风力发电机的使用寿命,从而也提高了控制器的可靠性。

4 结束语

  智能型风光互补路灯系统由于应用了先进的电力电子技术,经过实践验证该系统是最为合理的绿色照明系统,这种合理性还表现在资源配置最合理,技术方案最合理,性能价格最合理。正是这种合理性保证了风光互补发电系统的高可靠性。