智能型高效风光互补控制器的设计.doc

第四章 智能型高效风光互补控制器的设计 4.1 控制器的总体设计框图 智能型高效风光互补控制器的总体设计框图如图4.1所示，该控制器由主电路板和控制电路板两部分组成。主电路板主要包括不控整流器、DC/DC变换器、防反充二极管等。控制电路板中的控制芯片为PIC16F877A单片机，它负责整个系统的控制工作，是控制核心部分，其外围电路包括电压、电流采样电路，功率管驱动电路，保护电路，通讯电路，辅助电源电路等。 图4.1 风光互补控制器总体设计框图 4.2主电路设计 4.2.1主电路结构 控制器的硬件电路主体部分如图4.2所示。风力发电机输出的三相交流电接U、V、W，经三相不控整流器整流和电容C0稳压后给蓄电池充电。图中SP、SN分别为太阳能电池板的正、负极接线端子， D1为防反充二极管，其作用是防止蓄电池电压和风力发电机的整流电压对太阳能电池阵列反向灌充，确保太阳能电池的单向导电性。R0是风力发电机的卸荷电阻，当风速过高时，风力发电机输出电压大于蓄电池过充电压，单片机输出脉冲（PWM）来控制Q3开通，使多余的能量被消耗在卸荷电阻上，从而保护蓄电池。二极管D2和保险丝F1是为了防止蓄电池接反，当蓄电池接反时，蓄电池通过D2与F1构成短路回路，烧毁保险丝而切断电路，从而保护控制器和蓄电池。主电路中间部分是两个输出并联的Buck型DC/DC变换器，为了抑制MOSFET管因过压、du/dt或者过流、di/dt产生的开关损耗，本设计的DC/DC变换器采用具有缓冲电路的Buck变换器。 图4.2 硬件主电路结构 4.2.2主电路参数设计 由图4.2可知，主电路是由两个互相独立输出端并联的Buck电路组成，一路是光伏发电系统主电路，一路是风力发电系统主电路。 1. 光伏发电部分 实验中采用光伏电池组件的最大功率点电压为17.6V，开路电压为21.6V，一共使用了4块太阳能光伏电池，选择的太阳能光伏电池组件输出电压范围为60~90V，参数设计指标如下： Buck变换器的输入电压60~90V，输出电压V, 占空比，开关频率，输出电流平均值，纹波电流不超过20%。 根据Buck电路中开关管的电压应力要求[40]VT = Vs，即VT等于最大直流输入电压90V，考虑到需要留有一定的电压裕量，耐压值选用100V即可，本文中功率器件实际选择IR公司的开关管IRFP150N，其相关参数为：耐压值，导通电阻，额定电流值。 电路工作有两种模式，电感电流连续模式CCM(Continuous Current Mode)和电感电流断续模式DCM(Discontinuous Current Mode)。前者输出电压仅由占空比D决定，而后者与D和负载R相关，本文选择电感电流连续工作模式。 设Buck电路的开关周期为T，占空比为D，在电感电流连续工作模式下，图4.3(a)所示的Buck电路只有两种开关状态。在()时，如图4.3(b)所示，开关管Q导通，电源对电容充电，同时向负载供电。此时输出电压，输出电流呈指数曲线上升；在()时，开关管关断，电容C放电，经续流二极管D1续流，此时，负载电流呈指数曲线下降。为使负载电流连续且脉动小，串联的电感必须足够大，电感量越大，滤波效果越明显，但是电感量过大时，会使滤波器的电磁时间常数变大，使得输出电压对占空比响应速度变慢。 (c) 开关管Q关断时等效电路 (d) 电感电流连续波形 图4.3 Buck变换器的电路图及电感电流连续时波形 由图4.3(d)可知在 时，开关管开通，的增量为： (4-1) 在时，开关管关断，的减少量为： (4-2) 稳态时，一个开关周期内，滤波电容C的平均充电电流与放电电流相等，故变换器的输出的负载电流平均值就是的平均值，即： (4-3) (4-4) (4-5) 根据电感电流连续模式时总是大于0，且，有： (4-6) 由式(4-1)、(4-6)得：，即，由此可知电感电流的临界电感量，考虑到纹波系数，一般取0.1~0.3，则有临界电感量 (4-7) 电感的设计本文采用法，即计算出磁芯窗口面积和磁芯有效截面积的乘积值，根据值查找相应表格，找出所需磁性材料编号[42][43]。 a.确定磁芯规格 计算电感储能量： (4-8) 计算值： (4-9) 在式(4-9)中，为铁氧体最大工作磁感应强度取0.3,