风光互补控制器的研究

摘要：在冬天，风力发电的能力要远远超过夏天。相反，夏天更适合于太阳能发电。在可再生资源的发电中，这两种不同的发电方式可以确保在季节性符合曲线上的相互弥补，可以通过风光互补控制器发挥风能和太阳能最佳混合发电。本文主要讨论风光互补控制器的设计，经过实践，取得了良好效果。

关键词：风力发电；风光互补；控制器

作者简介：李沛（1971-），女，吉林伊通人，北京信息科技大学机电实习中心，高级实验师；郑军（1963-），男，北京人，北京信息科技大学机电实习中心，高级工程师。

基金项目：本文系北京信息科技大学校科研基金项目“风光互补LED路灯系统的研究与设计”（项目编号：1125046）的研究成果。

中图分类号：TM571  文献标识码：A  文章编号：1007-0079（2011）36-0139-03

能源是国家与社会发展的重要基础，电力短缺一直是我国一个很大的问题，仅仅依靠常规能源很难解决。为此，我国大力提倡发展风能、太阳能等清洁能源。目前我国对于风能、太阳能的开发程度已经达到一定的水平，但对于风能和太阳能的利用还是以单一、独立为主，这样就造成能源的利用率不高。我们可以利用风光互补的方式来解决这一问题。

一、概述

风光互补中所提到的互补，其主要意义是在天气上太阳能和风能的互补。阳光充足时，可通过太阳能发电，风力相对较大时，可以利用风力发电机发电，这样一来，在同一个系统中，就同时用到了风能和太阳能，大幅度的提高了可再生资源的利用率。若这种技术在今后得到大力发展并成熟起来，将对我国的能源发展起着至关重要的作用。

1.风光互补发生系统

风光互补控制系统主要包括的部分有：风力发电机、太阳能光伏电池、控制器、逆变器以及蓄电池，控制器中包括整流模块、风能、太阳能输入电压调节模块和控制负载输出模块。风光互补的系统框图。

2.小型风力发电系统

可再生能源中风能是未来最有潜力的，它以最具统治地位的能量身份出现，对可再生能源的发展有着非常大的贡献。一个简单、直接的回答：在只有风力发电的情况下，全球有足够的风力资源供应所有地区的发电。但是，由于天气波动的原因，不能仅仅简单的靠风力发电来解决问题。所以，大量的能量互补和存储将会被提升到仅靠风力发电的情况之上。

风力发电的原理是利用风力机将风能转变为机械能，风力机带动发电机再将机械能转变为电能。小型风力发电系统将发电机发出的电能用储存设备储存起来（一般用蓄电池），需要时再提供给直流负载，还可以通过逆变装置将发电机输出的电能进行交直流变换，适应交流负载的需要。

3.太阳能电池、太阳能发电原理

太阳能作为一种辐射能，不能直接转换成电能，必须借助于能量转换器。太阳能电池就是把太阳能（或其他光照）变成电能的能量转换器。太阳能电池工作原理的基础是半导体P-N结的光生伏打效应。这种效应在气体、液体和固体中均可以产生，尤其是在半导体中，光能转换为电能的效率特别高，人们据此发明制造了太阳能电池。

二、控制器的设计

本系统中控制器采用STC12C5410AD单片机进行控制。STC12C5410AD系列是新一代8051单片机，具有速度快、功耗低、抗干扰能力强的特点。指令系统完全兼容8051，但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM，8路高速10位A/D转换，主要针对电机控制，强干扰场合。

1.风力发电部分控制

图3所示是控制风力发电部分的充电和关断的控制电路，使用的开关器件是IRF3205。

通过对IRF3205的开通和关断，去控制在不同时间和情况下为蓄电池充电。当风力发电机发出的电压在蓄电池合理的充电范围13.8V~14.5V之间，就关断IRF3205，风力发电机正常工作；当风力很大、风力发电机发出的电压超出蓄电池合理的充电范围，则通过控制电路来使IRF3205开通，风力发电机短路，使风力发电机抱闸，达到风力发电机自动刹车的效果。

这部分的控制是通过单片机的P2.5口控制的，P2.5是一个普通的I/O口。通过控制这个I/O口输出的电平，就可以控制IRF3205的开通和关断，从而就能控制风力发电机的正常充电和抱闸。

2.太阳能发电部分控制

太阳能发电部分的控制电路，控制太阳能发电部分所使用的开关器件是IRFZ44N。

通过对IRFZ44N的开通和关断，控制在不同时间情况下为蓄电池充电。太阳能发电部分的电压是通过调节PWM波的占空比来控制的，通过PWM来设置IRFZ44N的开通和关断时间，调节输出电压的平均值，这样起到了当太阳能电池发出的电压稍大时，把电压调低的效果。

图4中所示的P3.7，就是单片机PWM波的输出口。当处于PWM波低电平时，三极管Q13关断，12V的电压加到IRFZ44N上，使IRZ44N开通；当处于PWM高电平时，三极管Q13导通，12V的电压就直接接地，IRZ44N关断。以此方式来控制IRFZ44N的开通和关断。

太阳能电池充电这部分的控制是与电压检测相配合进行的。太阳能电池发电电压检测，所用的单片机的I/O口是P1.1口。通过P1.1口检测到电压之后，再经过单片机的处理，判断I/O口P3.7应该输出多大占空比的PWM波。

具体的控制方式是：若P1.1口检测的电压在13.8V~14.5V之间，这时可以正常为蓄电池充电，P3.7口输出的PWM波的占空比设置为1，保持电压不变；若P1.1口检测的电压在14.5V~16V之间，这时就把PWM波的占空比调到大约90%左右，当太阳能电池发出的电压大于16V时，继续调节占空比，使电压调节控制到13.8V~14.5V之间；当充电电压在12V~13.8V之间时，保持浮充状态，这时不做任何改变；当太阳能电池发出的电压小于12V时，这时就处于欠压状态，让PWM波的占空比变为0，就可以让IRFZ44N关断，停止让太阳能电池为蓄电池充电。控制太阳能电池部分用单片机上P3.7口。P3.7口是一个可输出PWM波的I/O口，通过输出的PWM波，调节占空比，控制在一个周期内IRFZ44N的开通和关断时间，以达到控制太阳能电池输出电压平均值的目的。

3.控制器软件设计

软件是用C语言编写而成，软件主要实现的功能：通过分别检测太阳能电池和风力发电机在不同天气状况中所发出的电压，根据蓄电池电压情况，负载输出情况，来调节所发出的电压，以及在什么时候要充电，什么时候不需要充电。主程序流程图。

三、系统电路板设计与制作

设计、绘制PCB主要有三个步骤，第一步：绘制原理图，这其中包括在原理图库中绘制芯片、器件，将这些器件芯片、器件摆放到画布中，按照预先的原理设计画出原理图。在画原理图的同时，最好把每个器件、芯片的封装一起画出来，并添加到相应的器件中去，以便画PCB的时候方便使用；第二步：画过原理图后，生成网络表；第三步：绘制PCB，这其中包括器件的布局、连线。我们使用的画图软件是Altium Designer 6.9破解版，是Protel系列软件的升级版，具有更强的绘图功能，操作更简单、更易学习。已设计并制作好电路板。

四、系统调试

系统的调试包括硬件部分的调试和软件部分的调试。在硬件制作过程中，硬件调试工作也伴随其一同进行，焊接器件时按功能分模块焊接，然后对该模块进行测试，如果出现错误，也能够及时地确定错误位置，提高工作效率。软件调试也可以分别对某个特定的模块进行分别调试。

1.软硬件调试

器件焊接完毕之后，先检查焊接的器件是否有虚焊、漏焊的地方，用万用表检测电源和地之间是否有短路问题。最主要测试的部分就是5V电压输出。装单片机前，一定要确保单片机的VCC正确，GND处正确。在这个装置中，实际测得的VCC处的电压是5.02V，我们使用的STC12系列单片机的正常工作电压在3.5V-5.5V，单片机可正常工作。检测整流桥堆三相电输入后能否正确输出两项直流电，用示波器观察电压波形是否良好。

单片机程序使用C语言编写而成的，写程序所采用的软件是Keil。编写程序期间，边写边对程序进行模块化调试。

2.整机调试

整机调试时，用稳压电源分别代替风力发电机和太阳能光伏电池，利用可调稳压源分别模拟原理设计的在不同时候控制器的动作。

（1）把稳压电源加到整流桥后，逐渐加大电压，用示波器观察单片机的P2.5口，在电压达到14.5V之前，这个I/O输出的波形应该是一个5V的高电平，当电压超过14.5V的时候，P2.5口输出的波形就应该变为低电平，用万用表测一下IRF3205的VGS=3.05V，达到了IRF3205的开启电压，IRF3205开通，风机抱闸。风机可以供电时对应的LED1亮，风机没有供电时LED1灭。

（2）把电压源加到太阳能电池板接入的地方，逐渐加大电压，用示波器观察单片机P3.7口的波形。在电压没到12V之前，P3.7口输出的波形应该都是低电平，IRFZ44N关断；当电压调到12V~14.5V之间时，P3.7应该输出一个高电平的波形，PWM占空比为1；当把电压调到14.5V以上时，P3.7口应该会输出相对应的占空比的PWM波，控制电压。LED3在太阳能电池可充电时亮，太阳能电池不能充电时灭。

（3）测试负载输出，把稳压电源加到太阳能电池输入口，用示波器分别观察单片机的P1.3口和P1.4口。如果电压在7V以下，单片机不工作，IRFZ44N关断；把电压调到7V以上，用拨码开关来控制负载的开通和关断。

参考文献：

[1]刘锐,刘毅.小型风力发电技术研讨[J].机电信息,2009,(36).

[2]崔雪,贾廷纲.一种小型独立风光互补照明装置[J].上海电机学院学报,2010,(2):87-90.

[3]彭晓华,邓隐北,孟雪玲,等.离网型风光互补发电系统的研制与应用[J].太阳能技术与产品,2009,(2):24-26.

[4]王志新.风光互补技术及应用[J].新材料产业,2009,(2):34-39.

[5]严强,蒋超奇.垂直轴风力发电机的发展趋势和应用[J].上海电力,2007,(2):166-167.

[6]DominikHeide,LuedervonBremen,MartinGreiner,etc. Seasonal optimal mix of wind and solar power in a future,highly renewable Europe[J].Renewable Energy,2010,(35):2483-2489.