基于MCU的风光互补独立电源系统

综合利用了风能、光能的风光互补独立电源系统是一种合理的电源系统。不仅能为电网供电不便的地区，如边防哨所，通讯的中继站，交通的信号站，勘探考察的工作站以及农牧区提供低成本、高可靠性的电源，而且也为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路。

单独的太阳能或风能系统，由于受时间和地域的约束，很难全天候利用太阳能和风能资源。而太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，白天光照强时风小，夜间光照弱时，风能由于地表温差变化大而增强，太阳能和风能在时间上的互补性是风光互补发电系统在资源利用上的最佳匹配。

1 硬件构成

风光互补独立电源系统由光伏发电单元、风力发电单元、系统智能管理核心、逆变器、储能元件等构成，如图1所示。

系统的具体构成参数由使用时最大用电负荷与日平均用电量决定。最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据，而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。同时系统安装地点的风光资源状况也是确定光电板和风机容量的另一个依据。

光伏发电单元与风力发电单元光伏发电单元采用所需规模的光电板，转换太阳光能，并通过智能管理核心对蓄电池充电、放电、逆变进行统一管理。风力发电单元利用小型风力发电机，转换风能，同时通过智能管理核心控制整个系统的允放电。两个单元在能源的采集上互相补充，同时又各具特色：光伏发电单元供电可靠，运行维护成本低，但造价高；风力发电单元发电量高，造价和运行维护成本低，但可靠性低。

储能元件铅酸蓄电池足风光互补独立电源系统常用的储能元件，其成本低、容量大、免维护的特性使其成为风光互补独立电源的首选。由于风电和光电单元必须通过蓄电池储能才能稳定供电，蓄电池合理的容量和科学的充放电是系统寿命的保证，本系统采用双标三阶段充电，实现对铅酸蓄电池的科学充电。风光互补独立电源采用双储能系统，包括二套铅酸蓄电池组，使得充放电能同时进行，通过智能核心控制既可以对负载放电，同时叉可以在充电条件到达时对备用储能电池组充电，两组蓄电池之间的切换由系统实时监测其电压状态决定。

MOSFET充放模块由智能管理核心驱动的MOSFET充电模块，可根据系统的不同，选取不同电压等级的MOSFET，来实现系统对蓄电池的充放电。MOSFET可选用International Rectifier公司的第三代HEXFETs产品，IR系列产品具有开关迅速、开通阻抗低、性价比高等特色。控制模块根据不同的MOSFET门级电压设计，由智能管理核心控制MOSFET模块的输出状态。

逆变器系统不仅可以提供稳定的直流供电，带动直流负载，而且可以通过逆变吕提供单相交流电。

智能管理核心由LCM液晶显示模块、键盘、MCU组成，是系统控制、管理的核心，驱动MOSFET充电模块实现对蓄电池的双标三阶段充电，驱动JCBT实现DC／AC逆变、以及系统的实时保护和数据再现与传输等，同时提供风机的磁电限速保护，在风力过功率时，给风机反向磁阻力矩，降低风机转速。系统核心MCU选用TI公司的MSP430单片机，其丰富的片上资源使得系统的控制和管理都极为方便。

2 系统工作原理及软件实现

2.1 双标三阶段充电原理及实现

铅酸蓄电池是系统的储能元件，电是影响风光互补系统寿命的关键因素，对铅酸蓄电池充放电的控制直接影响蓄电池的寿命，不合理的充放电将直接导致蓄电池的崩溃。系统智能管理核心拄制蓄电池的充放电过程。本系统采用双标三阶段充电来优化充电过程。双标三阶段充电过程符合铅酸蓄电池的特性，能很好地维护蓄电池。三阶段充电过程如图2所示。


第一阶段 大电流灌充阶段(high currentbulk charge state)由电压采样电路获取蓄电池的电压状况，当电压小于过标准开路电压(Voc)时，太阳能电源、风力发电机以其所能提供的最大电流对蓄电池充电(最大电流对不同功率的系统取值不同，可按C／5充电率取值，C为蓄电池容量)，由于太阳能电池和风力发电机的电流与天气状况有关，所以大电流的取值将在一定范围之内。保持大电流充电至Voc后，进入第二阶段。第一阶段的充电程度可达70％～90%。

第二阶段 过电压恒充阶段(over chargestate)以恒定的过标准电压(Voc)充电，直到充电电流降至Ioct进入第三阶段。第二阶段的充电程度近100％。

第三阶段浮充阶段(float charge state)以恒定精确的浮充电压Vf进行浮充。蓄电池充满后，以浮充方式维持电压。浮充电压的选择对蓄电池的寿命尤为重要，即使5％的误差也将使得蓄电池的寿命缩短一半。

智能管理核心充电流程如图3所示。智能核心实时采集并判断系统状态，与输入控制、触发信号联合控制充电状态。