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s V =60~90V ，输出电压48o V =V, 占空比0.360.53D ≤≤，开关频率20f KHz =，输出电流平均值04I A =，纹波电流I ∆不超过20%。

(1) 功率器件的选择根据Buck 电路中开关管的电压应力要求[40]V T = V s ，即V T 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100V DSS V =，导通电阻()0.036DS on R =Ω，额定电流值42A D I =。

(2) 滤波电感的设计[41]Buck 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(0~1t )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o s V V ≈，输出电流0I 呈指数曲线上升；在(1~2t t )时，开关管关断，电容C 放电，经续流二极管D1续流，此时o V 0≈，负载电流o I 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。

+-(a) Buck 变换器电路图 (b) 开关管Q 导通时等效电路+-Vo(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 0~1t 时，开关管开通，L i 的增量L i +∆为：S 0S 0S 0L+==on s sV V V V V V i T DT D L L Lf ---∆= (4-1) 在1~2t t 时，开关管关断，L i 的减少量L i -∆为： 0000L-=()=(1)(1)off s on s sV V V Vi T T T D T D L L L Lf ∆=--=- (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o I 就是L i 的平均值L I ，即：min maxo 2L L L I I I I +== (4-3) max1122o L o L L V I I i i R =+∆=+∆ (4-4)min1122o L o L L V I I i i R =-∆=-∆ (4-5)根据电感电流连续模式时min L I 总是大于0，且L L+L-i i i ∆=∆=∆，有：12o L V i R +≥∆ (4-6) 由式(4-1)、(4-6)得：S 02o s V V V D R Lf -≥，即S 02o sV V I D Lf -≥，由此可知电感电流的临界电感量S 02c o sV V L D I f -=，考虑到纹波系数f K ，一般取0.1~0.3，则有临界电感量S 03(6048)0.530.2220.242010f o s V V L D mH K I f --==⨯=⨯⨯⨯⨯ (4-7)电感的设计本文采用AP 法，即计算出磁芯窗口面积和磁芯有效截面积的乘积AP 值，根据AP 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：223242(/2)0.210(40.4) 1.93610222o L L I I LI E H A --+∆⨯+====⨯ (4-8)计算AP 值：417.0114411j 423.0)4334.03.010*1036.19(10(cm K K B LI AP XO W =⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=--+） (4-9)在式(4-9)中，W B 为铁氧体最大工作磁感应强度取0.3T , O K 为窗口有效使用系数，j K 为电流密度系数，X 为常数 取0.17X =-。

故选用的铁氧体磁环的参数为：外径31mm D =, 厚度8mm T =, 内径19mm d =，有效磁路面积20.471cm e A =，有效磁路长度7.55mm e L =，22.83cm w A =。

b.计算电流密度：0.172()433(0.47 2.83)412.5A/cm X j e w J K A A -=⨯=⨯⨯= (4-10)式(4-10)中，电流密度系数433j K =，常数0.17X =-。

c.计算裸线面积：240.420.0106cm 412.5O xp II A J ∆++=== (4-11) 选取17#AWG -导线，裸线面积加上绝缘外皮面积为0.01172cm ，直径为0.122cm 。

d.计算线圈匝数：'230.75 2.83 2.125cm w w A S A ==⨯= (4-12)匝1080117.06.0125.2'2=⨯==x w A S A N (4-13) (3) 输出电容的设计Buck 变换器的最大输出电压为48V ，所以选择电解电容的耐压值应比这一值大，考虑到纹波电压，本文取纹波电压为0.5V o U ∆=26223480.53(5010)79.5uf 880.2100.5o s o V D C T L V --⨯==⨯⨯=∆⨯⨯⨯ (4-14) 因此，图4.2中的C1取100uf ，耐压值为100V 的电解电容。

(4) 续流二极管的选择计算流过二极管的峰值电流P I ：1180.288.8A 22P O I I I =+∆=+⨯⨯= (4-15)式(4-15)中，O I 为光伏发电和风力发电输出电流之和，即4A 4A 8A O I =+=，纹波电流I ∆不超过20%，即I ∆上限值不能超过0.20.28A 1.6A O I =⨯=。

为保证电路工作时安全可靠，选取续流二极管MBRF15100CT ，反向耐压100V ，允许通过峰值电流为15A 。

2. 风力发电部分实验中用市电经三相调压器调压代替风力发电机输出三相交流电，经不控整流器整流输出电压范围为60~90V(DC)，即Buck 变换器的输入电压i V =60~90V ，输出电压还是48o V =V ，风力发电部分的参数设计原理与光伏发电部分相同，功率器件选择IR 公司的开关管IRFP150N ，滤波电感L2取0.2mH ，输出电容C2取100uf ，耐压值为100V 的电解电容。

4.2.3缓冲电路由于电路中存在分布电感和感性负载，当MOS 管关断时，将会在MOS 管上产生很大的浪涌电压。

为了消除浪涌电压的危害，提高MOS 管工作可靠性和效率，常用的方法是使用缓冲电路。

本文采用RCD 型缓冲电路，如图所示。

图4.4 RCD 型缓冲电路缓冲电路器件参数计算：69()40.110210F 200C r f CEI t t C V --+⨯⨯=≈=⨯ (4-16)式(4-16)中，C I 为开关管Q1关断时流过电容C29的瞬间电流，即4A C I =；r f t t +为C29的充电与放电时间之和，60.110s r f t t -+≈⨯；CE V 为电容C29上的钳位电压，当开关管Q1关断时，输入电源给开关管的漏源极间电容和电路中的其他杂散电容充电，直到漏源电压达到in V ，二极管导通，箝位电容电压逐渐上升，即漏源电压也逐渐上升，而且箝位在2in V 数值，即2200V CE in V V ==。

根据(4-16)计算，取C29100uf =，开关频率20KHz f =，0.50.525us on t T f===，则有：25833.3330.01on t R C ==≈Ω⨯ (4-17) 故R21可以取1K Ω，D13采用DESI60-10A 。

4.3 控制电路设计控制电路是指控制主电路的控制回路，通常包括检测电路、驱动电路和保护电路等。

本文设计选择美国Microchip 公司开发生产的PIC16F877A 单片机作为控制芯片，由于其计算速度等性能比普通单片机高，且价格比高级信号处理器（DSP ）低，所以得到广泛应用。

PIC16F877A 具有以下功能和特点[44]：(1) 属于精简指令集(RISC)的计算机结构，只有35个汇编语言指令，且每一条指令都固定为14位长；(2) 采用哈佛总线结构，它的程序存储器、数据存储器以及堆栈可以灵活设计； (3) 工作频率范围为DC~20MHz ，具有上电复位和掉电锁定复位两种重置功能； (4) 3个定时器(Timer)，除了具有最基本的定时器功能外，还有捕捉、比较、产生PWM 信号等功能；(5) 12个外部中断源，共享一个中断向量(位于程序存储器的004H处)；(6) RS232串行通信接口；(7) 8个8位模拟数字转换器(A/D)；(8) 采用Flash程序存储器芯片，产品可以多次编程，可以随意擦写芯片程序；(9) I/O端口驱动负载能力较强，输出引脚可以驱动20~50mA的负载。