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摘 要：基于PWM控制技术的多种能源互补智能供电系统，主要是由光伏供电装置以及其配套系统、余热能供电装置以及其配套系统、风力供电以及其配套系统、负反馈系统、逆变与负载等部分组成。本系统充分利用风力发电机、太阳能电池方阵等输入设备，将电能输入至本机控制系统中，控制系统通过智能识别输入端，电能较强者为主输入，其余输入端为辅助输入。系统通过智能脉冲“PWM”特殊的充电方式，可以有效减少电池的发热，大大提高充电时能源的利用率，同时延长了电池的使用寿命。该供电系统的研发，能够更进一步的高效利用可再生能源，且大大弥补了单一能源发电受自然环境影响而产生的不足。
关键词：智能脉冲;能源;供电
中图分类号：TM769 文献标识码：A
0 引言
当前利用水力发电、风力发电、太阳能热发电、核能发电、太阳能光发电、火力发电是我们国家的主要发电方式。除此之外还存在着海洋温差发电、潮汐发电、地热发电等发电方式。但是目前我国大规模的发电方式主要还是火力发电、水力发电和核能发电[1]。
传统能源消耗巨大，且有些能源不可再生。风能、太阳能、潮汐能、余热能等清洁能源逐渐被开发利用。但是单一的风力发电或者单一的光伏发电易受到自然环境的影响[2]。例如，当没有风或者风力不强时，风力发电将会效率低甚至无法运作。当连续阴雨天、无太阳光或者太阳光线不足时，光伏发电将会效率低甚至无法运作。另外，传统的充电方式导致电池散热不均匀，容易引起电池爆炸。随着社会的发展进步，能源需求强烈，为了可持续发展，能够实现多种能源互补且智能控制的发电系统越来越重要[3]。
1 设计方案
1.1 电器控制
本套系统的组成部分：风力供电装置以及配套系统、光伏供电装置以及配套系统、余热能供电以及配套系统、逆变与负载、负反馈系统等。内部系统实拍图如图1所示。
电器控制部分采用自动控制比较容易实现，考虑到系统的存储系统（阵列电池组）在充电的过程中散热。系统采用了“PWM控制”，“PWM控制”时利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制。
为什么要用“PWM控制”技术对蓄电池进行充电呢？蓄电池在充电时电解液会发热、产生气泡。“PWM控制”可以实现充电+停止相结合的方式，比如充电0.8秒，停止0.2秒。在停止充电的0.2秒内，利于蓄电池内部的散热和气泡挥发。不同阶段使用不同的PWM信号充电，不同的工作环境采用不同的PWM信号充电控制不同的充电模式，这种结构非常有利于保护蓄电池并且延长蓄电池的使用寿命。
1.2 逆变器
为了充分适应逆变过程中蓄电池的波动范围比较大且电压比较低，本套基于PWM控制技术的多种能源互补智能供电系统的逆变器采用了两级式变流器，与此同时缩小了体积。
为了将蓄电池的输出电压升至380 V并且实现隔离，于是前级我们采用了隔离式DC/DC变换器。为了实现可以独立/并网双模式工作，于是后级我们采用了DC/AC变换器。
当逆变器处在独立逆变模式下工作时，将采用电压反馈闭环控制。
1.3 保护电路
为了适应工作环境的复杂多变，克服恶劣环境对系统可能带来的不利影响，保证系统能够稳定安全地进行电力输出，所以逆变器必须要具备完善的保护功能。
本系统设置了硬件保护功能，满足输入、输出电压以及过热保护等都要求响应速度极快的需求。
其中硬件接口电路的主要工作是向保护电路模块传递出保护信号，模块接收到保护信号时将响应保护，继而输出信号并且作出应答，关闭功率管驱动，与此同时向微控制器发出逻辑电平。当微控制器接收到其发出的信号后，会在面板上自动显示故障类型或者传递至上位机。对于那些不需要快速响应的保护，可以先由单片机判断，再将信号传递给保护模块[4]。
1.4 变换器
该系统采用了MPPT变换器。因为蓄电池的外部端电压一般情况下变化很小，可以近似认为没有变化。即MPPT控制器的输出电压固定不变。在系统工作在最大功率点附近时，占空比基本稳定不变，控制器输入电压的变化主要是由于风力机上的风速变化或光伏板的工作环境（光强、环境温度等）变化而引起的[5]。如果系统的最大功率点的电压值落在蓄电池电压两侧，那么MPPT控制器必须设计为兼有升压和降压功能，所以单独的Boost和Buck变换器将不能胜任，而Cuk或Buck-Boost电路虽能解决升降压问题，但它们的输出反压，Cuk电路更是需要用无极性电容传输能量，这会增加电路设计的不可靠性和成本[6]。
本套系统在设计上采用了Boost/Buck结合的变换器，充分发挥其性能安全可靠，结构简单容易的优点。
2 设计时解决的关键技术问题
系统的结构设计部分如图2所示。
2.1 太阳能光伏发电板的采光率受到太阳高度角的影响问题
为解决太阳能光伏发电板的采光率受到太阳高度角的影响问题，本系统装置设计了铰链滑动升降机构。包括感光器、铰链、升降杆、导向轮。系统通过感光器自动识别太阳高度角及补偿角，升降杆每隔一定时间段实现一次调节，升降杆推动导向轮在导轨移动，在铰链的配合下实现角度调节。
2.2 阵列电池组的物理散热问题
为解决阵列电池组的散热问题，本系统装置设计了独立储能仓。每一个储能仓都有足够的空间进行空气的流动，从而实现散热。储能仓的底部由导热性良好的金属材料制作而成，便于电池的底部散热。
2.3 防水性問题
因设备需要放置在室外，考虑设备的使用寿命，必须要考虑防水性问题。从内部防水性问题和外部防水性问题两方面考虑。
（1）内部防水性问题：装置采用紧密的机械组合，以及在连接处使用防水垫圈、防水垫片来提高内部的防水性能。 （2）外部防水性问题：在塑料连接处使用耐力胶进行粘合，并且使用复合防水涂料。根据实验，结果显示本装置防水等级可以达到IP67级。
2.4 设备固定问题
为解决本供电系统长时间放置于户外的固定问题，装置设计了自锁万向轮，当自锁时，可以实现将其固定在户外。
3 工作原理及性能分析
3.1 工作原理
本套多种能源互补智能供电系统，将太阳能光伏板、风力发电机、储能装置——蓄电池组、控制器、电力变换装置——逆变器、整流器等集于一体，为各类直流或交流用电负载供电。
太阳能光伏发电的过程如下：通过本系统的太阳能电池板所产生的光伏效应，可以将光能转换成电能，实现为蓄电池充电。当太阳光辐射到本装置的光伏板上，光伏板的正负两极形成了电压差——开路电压，再将正负两极直接连接起来，形成短路电流。将直流负载直接接到光伏两极之间，就会产生电流通过。为了光伏发电系统可以输出最大功率，我们采用了DC/DC电路。
该套风电机组的发电过程如下：本系统充分利用装备的风力机，通过风能吹动系统上端的风轮装置，风轮转动，将清洁能源——风能转换为机械能，带动其交流发电机发電，从而将机械能转换成了电能。再利用整流桥将发电机所输出的交流电转换为直流电，继而通过控制器实现为蓄电池充电，最后逆变器实现为负载供电的功能。该套风电机组控制电路的基本功能：过流过压的保护、MPPT、控制负载电流电压等。
3.2 性能分析
根据调研，得到图3，分析得出：多种能源互补智能供电系统在一月份至三月份发电量与负载耗电量的差值呈现上涨趋势，温度低导致自然风量增大，四月份至五月份发电量与负载耗电量的差值呈现陡坡下降的趋势，原因是随着天气温度的上升人们的用电量在增大，自然风量也有明显的减小。六月份至九月份发电量与负载耗电量的差值最小，正处夏季导致人们的用电量大大的增加，发电量也有增加。十月份至十二月份发电量与负载耗电量的差值慢慢地上升。由上述分析可得该供电系统能够很好的满足日常家庭用电。
4 创新点及应用
4.1 创新点
（1）风能、光能、余热能互补协调使用，打破传统单一能源供电局限，大大提高清洁能源的综合利用率。（2）系统通过智能脉冲“PWM”特殊的充电方式，可以有效减少电池的发热，大大提高充电时能源的利用率，同时延长了电池的使用寿命。（3）防水性强，不受恶劣环境影响，工作环境的适应性强。（4）系统操作和控制简便，使用方法简便。（5）设备占地小，移动、运输方便，适用范围非常广。
4.2 应用
多种能源互补智能供电系统的应用范围极广，不仅仅适用于应急用电、居民用电，还可以应用于更多的领域。例如：利用多能源互补供电系统为景观景点照明、利用多能源互补供电系统为农村或者城市居民供暖、利用多能源互补系统打造便携式电源、利用多能源互补供电系统助力海水淡化等。近年来，我国积极倡导建设资源节约型、环境友好型社会，实现可持续发展。中小型能源发电机产品随之而多样化，多能源互补供电系统在市政项目、偏远地区、边防哨所的应用前景非常广阔。
参考文献：
[1]张文超.小型风光互补发电体系的认识[J].科技与创新，2017，4（07）：71
[2]张欢.风光互补供电系统的设计[D].苏州大学，2017.
[3]金晓航，孙毅，单继宏，等.风力发电机组故障诊断与预测技术研究综述[J].仪器仪表学报，2017，38（05）：1041-1053.
[4]李俊华.组合型风能与光能互补发电系统的设计[J].科技创新导报，2019，16（19）：83-84+86.
[5]卢佳.风能发电系统暂态稳定性智能控制研究[J].中国电子科学研究院学报，2019，14（03）：321-326.
[6]白健美，黄文娟，李柯，等.微型风光互补稳定发电模型[J].电子技术与软件工程，2019，8（21）：216-217.
关键词：智能脉冲;能源;供电
中图分类号：TM769 文献标识码：A
0 引言
当前利用水力发电、风力发电、太阳能热发电、核能发电、太阳能光发电、火力发电是我们国家的主要发电方式。除此之外还存在着海洋温差发电、潮汐发电、地热发电等发电方式。但是目前我国大规模的发电方式主要还是火力发电、水力发电和核能发电[1]。
传统能源消耗巨大，且有些能源不可再生。风能、太阳能、潮汐能、余热能等清洁能源逐渐被开发利用。但是单一的风力发电或者单一的光伏发电易受到自然环境的影响[2]。例如，当没有风或者风力不强时，风力发电将会效率低甚至无法运作。当连续阴雨天、无太阳光或者太阳光线不足时，光伏发电将会效率低甚至无法运作。另外，传统的充电方式导致电池散热不均匀，容易引起电池爆炸。随着社会的发展进步，能源需求强烈，为了可持续发展，能够实现多种能源互补且智能控制的发电系统越来越重要[3]。
1 设计方案
1.1 电器控制
本套系统的组成部分：风力供电装置以及配套系统、光伏供电装置以及配套系统、余热能供电以及配套系统、逆变与负载、负反馈系统等。内部系统实拍图如图1所示。
电器控制部分采用自动控制比较容易实现，考虑到系统的存储系统（阵列电池组）在充电的过程中散热。系统采用了“PWM控制”，“PWM控制”时利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制。
为什么要用“PWM控制”技术对蓄电池进行充电呢？蓄电池在充电时电解液会发热、产生气泡。“PWM控制”可以实现充电+停止相结合的方式，比如充电0.8秒，停止0.2秒。在停止充电的0.2秒内，利于蓄电池内部的散热和气泡挥发。不同阶段使用不同的PWM信号充电，不同的工作环境采用不同的PWM信号充电控制不同的充电模式，这种结构非常有利于保护蓄电池并且延长蓄电池的使用寿命。
1.2 逆变器
为了充分适应逆变过程中蓄电池的波动范围比较大且电压比较低，本套基于PWM控制技术的多种能源互补智能供电系统的逆变器采用了两级式变流器，与此同时缩小了体积。
为了将蓄电池的输出电压升至380 V并且实现隔离，于是前级我们采用了隔离式DC/DC变换器。为了实现可以独立/并网双模式工作，于是后级我们采用了DC/AC变换器。
当逆变器处在独立逆变模式下工作时，将采用电压反馈闭环控制。
1.3 保护电路
为了适应工作环境的复杂多变，克服恶劣环境对系统可能带来的不利影响，保证系统能够稳定安全地进行电力输出，所以逆变器必须要具备完善的保护功能。
本系统设置了硬件保护功能，满足输入、输出电压以及过热保护等都要求响应速度极快的需求。
其中硬件接口电路的主要工作是向保护电路模块传递出保护信号，模块接收到保护信号时将响应保护，继而输出信号并且作出应答，关闭功率管驱动，与此同时向微控制器发出逻辑电平。当微控制器接收到其发出的信号后，会在面板上自动显示故障类型或者传递至上位机。对于那些不需要快速响应的保护，可以先由单片机判断，再将信号传递给保护模块[4]。
1.4 变换器
该系统采用了MPPT变换器。因为蓄电池的外部端电压一般情况下变化很小，可以近似认为没有变化。即MPPT控制器的输出电压固定不变。在系统工作在最大功率点附近时，占空比基本稳定不变，控制器输入电压的变化主要是由于风力机上的风速变化或光伏板的工作环境（光强、环境温度等）变化而引起的[5]。如果系统的最大功率点的电压值落在蓄电池电压两侧，那么MPPT控制器必须设计为兼有升压和降压功能，所以单独的Boost和Buck变换器将不能胜任，而Cuk或Buck-Boost电路虽能解决升降压问题，但它们的输出反压，Cuk电路更是需要用无极性电容传输能量，这会增加电路设计的不可靠性和成本[6]。
本套系统在设计上采用了Boost/Buck结合的变换器，充分发挥其性能安全可靠，结构简单容易的优点。
2 设计时解决的关键技术问题
系统的结构设计部分如图2所示。
2.1 太阳能光伏发电板的采光率受到太阳高度角的影响问题
为解决太阳能光伏发电板的采光率受到太阳高度角的影响问题，本系统装置设计了铰链滑动升降机构。包括感光器、铰链、升降杆、导向轮。系统通过感光器自动识别太阳高度角及补偿角，升降杆每隔一定时间段实现一次调节，升降杆推动导向轮在导轨移动，在铰链的配合下实现角度调节。
2.2 阵列电池组的物理散热问题
为解决阵列电池组的散热问题，本系统装置设计了独立储能仓。每一个储能仓都有足够的空间进行空气的流动，从而实现散热。储能仓的底部由导热性良好的金属材料制作而成，便于电池的底部散热。
2.3 防水性問题
因设备需要放置在室外，考虑设备的使用寿命，必须要考虑防水性问题。从内部防水性问题和外部防水性问题两方面考虑。
（1）内部防水性问题：装置采用紧密的机械组合，以及在连接处使用防水垫圈、防水垫片来提高内部的防水性能。 （2）外部防水性问题：在塑料连接处使用耐力胶进行粘合，并且使用复合防水涂料。根据实验，结果显示本装置防水等级可以达到IP67级。
2.4 设备固定问题
为解决本供电系统长时间放置于户外的固定问题，装置设计了自锁万向轮，当自锁时，可以实现将其固定在户外。
3 工作原理及性能分析
3.1 工作原理
本套多种能源互补智能供电系统，将太阳能光伏板、风力发电机、储能装置——蓄电池组、控制器、电力变换装置——逆变器、整流器等集于一体，为各类直流或交流用电负载供电。
太阳能光伏发电的过程如下：通过本系统的太阳能电池板所产生的光伏效应，可以将光能转换成电能，实现为蓄电池充电。当太阳光辐射到本装置的光伏板上，光伏板的正负两极形成了电压差——开路电压，再将正负两极直接连接起来，形成短路电流。将直流负载直接接到光伏两极之间，就会产生电流通过。为了光伏发电系统可以输出最大功率，我们采用了DC/DC电路。
该套风电机组的发电过程如下：本系统充分利用装备的风力机，通过风能吹动系统上端的风轮装置，风轮转动，将清洁能源——风能转换为机械能，带动其交流发电机发電，从而将机械能转换成了电能。再利用整流桥将发电机所输出的交流电转换为直流电，继而通过控制器实现为蓄电池充电，最后逆变器实现为负载供电的功能。该套风电机组控制电路的基本功能：过流过压的保护、MPPT、控制负载电流电压等。
3.2 性能分析
根据调研，得到图3，分析得出：多种能源互补智能供电系统在一月份至三月份发电量与负载耗电量的差值呈现上涨趋势，温度低导致自然风量增大，四月份至五月份发电量与负载耗电量的差值呈现陡坡下降的趋势，原因是随着天气温度的上升人们的用电量在增大，自然风量也有明显的减小。六月份至九月份发电量与负载耗电量的差值最小，正处夏季导致人们的用电量大大的增加，发电量也有增加。十月份至十二月份发电量与负载耗电量的差值慢慢地上升。由上述分析可得该供电系统能够很好的满足日常家庭用电。
4 创新点及应用
4.1 创新点
（1）风能、光能、余热能互补协调使用，打破传统单一能源供电局限，大大提高清洁能源的综合利用率。（2）系统通过智能脉冲“PWM”特殊的充电方式，可以有效减少电池的发热，大大提高充电时能源的利用率，同时延长了电池的使用寿命。（3）防水性强，不受恶劣环境影响，工作环境的适应性强。（4）系统操作和控制简便，使用方法简便。（5）设备占地小，移动、运输方便，适用范围非常广。
4.2 应用
多种能源互补智能供电系统的应用范围极广，不仅仅适用于应急用电、居民用电，还可以应用于更多的领域。例如：利用多能源互补供电系统为景观景点照明、利用多能源互补供电系统为农村或者城市居民供暖、利用多能源互补系统打造便携式电源、利用多能源互补供电系统助力海水淡化等。近年来，我国积极倡导建设资源节约型、环境友好型社会，实现可持续发展。中小型能源发电机产品随之而多样化，多能源互补供电系统在市政项目、偏远地区、边防哨所的应用前景非常广阔。
参考文献：
[1]张文超.小型风光互补发电体系的认识[J].科技与创新，2017，4（07）：71
[2]张欢.风光互补供电系统的设计[D].苏州大学，2017.
[3]金晓航，孙毅，单继宏，等.风力发电机组故障诊断与预测技术研究综述[J].仪器仪表学报，2017，38（05）：1041-1053.
[4]李俊华.组合型风能与光能互补发电系统的设计[J].科技创新导报，2019，16（19）：83-84+86.
[5]卢佳.风能发电系统暂态稳定性智能控制研究[J].中国电子科学研究院学报，2019，14（03）：321-326.
[6]白健美，黄文娟，李柯，等.微型风光互补稳定发电模型[J].电子技术与软件工程，2019，8（21）：216-217.