周華偉

（武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 438200）

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)能發(fā)電相比，具有輸入電壓非直流且較大范圍連續(xù)波動(dòng)的特點(diǎn)，這給小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制帶來一定的困難[1]。文中給出了一種方法，能實(shí)現(xiàn)包括最大功率控制、蓄電池充放電控制、風(fēng)力發(fā)電與蓄電池同時(shí)或單獨(dú)給負(fù)載供電的功能。通過對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量流動(dòng)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行合理的調(diào)度，提高能量的轉(zhuǎn)換效率以期實(shí)現(xiàn)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運(yùn)行。

文中設(shè)計(jì)一小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，最大功率為50 W。首先分析DC/DC變換器的工作模式。設(shè)計(jì)變換器工作于兩種模式：1）當(dāng)蓄電池處于低電位時(shí)，可以快速對(duì)其充電，或者當(dāng)有負(fù)載接入，當(dāng)前輸出功率不足時(shí)，進(jìn)行風(fēng)機(jī)功率跟蹤控制；2）當(dāng)蓄電池處于高電位廛，可以對(duì)其進(jìn)行慢充，或者無負(fù)載時(shí)，對(duì)DC/DC的控制恢復(fù)到默認(rèn)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)都具很大相似性，如目前的整流器一般都采用不可控整流，當(dāng)然也會(huì)有各自獨(dú)特的地方。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。它主要包括風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)、不可控橋式整流器、DC/DC變換器、蓄電池、逆變器及控制系統(tǒng)組成。

風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)有多種運(yùn)行狀態(tài)，如啟動(dòng)階段、變速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行等，為了研究方便，只考慮風(fēng)機(jī)在大于切入風(fēng)速的條件下，進(jìn)行穩(wěn)定發(fā)電的狀態(tài)。

圖1 小型風(fēng)電結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of small wind power system

2 最大功率控制分析

文中的DC/DC變換器選用boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能不能滿足負(fù)載用電和蓄電池充電時(shí)，需要調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)按照最佳葉尖速比運(yùn)行，跟蹤最大功率。目前常用的最大風(fēng)能跟蹤控制主要有3種方法，即最佳葉尖速比法，功率反饋法和爬山搜索法。

由于文中研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，從可行性及經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，此處采用爬山搜索法，其他兩種方法可以查閱相關(guān)資料。

爬山搜索法的依據(jù)是在某一固定風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的功率特性P（w）為凸函數(shù)。在有的文獻(xiàn)中，也稱為爬山法、功率擾動(dòng)控制，通過人為的功率擾動(dòng)進(jìn)行離散迭代，使風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)一步一步的沿其功率放大器曲線移動(dòng)到最大什附近，且保持一定的波動(dòng)。

爬山搜索法通過施加人為的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，然后通過測(cè)量功率的變化自動(dòng)搜索發(fā)電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)。這種算法無需知道精確的風(fēng)力機(jī)特性，也無需測(cè)量風(fēng)速和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速便能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲，缺點(diǎn)是即使風(fēng)速穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)功率輸出仍有波動(dòng)，控制周期不能太小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖2顯示的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)力機(jī)輸出功率的關(guān)系。假如風(fēng)速是v1，則轉(zhuǎn)子速度ω1，即系統(tǒng)的工作點(diǎn)在點(diǎn)A處時(shí)可捕獲到最大功率；若轉(zhuǎn)子速度不為ω1，則系統(tǒng)不是工作在最大功率點(diǎn)。

圖2 不同風(fēng)速下轉(zhuǎn)速與輸出功率的關(guān)系Fig.2 Relationship of different wind speed and output power

理論分析：事實(shí)上，風(fēng)力機(jī)只能吸收風(fēng)能中的部分能量，其大小與風(fēng)力系數(shù)有關(guān)，因此，根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，做以下數(shù)學(xué)分析。

風(fēng)力機(jī)特性：

由式（1）、式（2）得到：

風(fēng)力機(jī)在功率最大點(diǎn)時(shí)，應(yīng)滿足：

式中，Pm：每秒葉輪捕獲的風(fēng)能（W），Cp:風(fēng)能利用系數(shù)（一般為 1/3～2/5，最大可達(dá) 0.593）， ρ:空氣質(zhì)量密度（kg/m3）A:風(fēng)力機(jī)葉輪掃掠面積（m2），V：風(fēng)速（m/s）， ω:風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度（rad/s）， R:風(fēng)輪半徑， λ：葉尖速比。

3 電能管理

與太陽(yáng)能發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，那就是太陽(yáng)能電池板只有在有光的條件下才能發(fā)電，即有白天黑夜之分[4]，而風(fēng)機(jī)則沒有這種限制，因此，為了有效利用風(fēng)能，需要對(duì)發(fā)出的電能進(jìn)行管理。

3.1 控制器

文中的控制器選用PIC16F876，具有高性能RISC CPU，僅有35條單字指令，在線串行編程（ICSP），單獨(dú)5 V內(nèi)部電路串行編程 （ICSP），PWM模塊最大分辯率為10位，10位多通道A/D轉(zhuǎn)換。

圖3 電能流動(dòng)控制單元Fig.3 Control unit of power flow

在上圖3中，左端為boost電路，當(dāng)Q4導(dǎo)通時(shí)，若Q2也導(dǎo)通，則可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)Q4截止且風(fēng)電電壓大于Ubattery時(shí)，不能對(duì)蓄電池充電，風(fēng)機(jī)發(fā)出的電可單獨(dú)供負(fù)載使用；當(dāng)Q4截止且風(fēng)電電壓小于Ubattery時(shí)，不能對(duì)蓄電池充電，風(fēng)電與蓄電池同時(shí)給負(fù)載供電。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

文中的軟件部分包括：AD采樣、蓄電池充放電控制。

3.2.1 AD采樣

在PIC16F876中，采樣的數(shù)據(jù)存放在ADRESL和ADRESH[5]里。本電路以陽(yáng)極端作為參考點(diǎn)。AD轉(zhuǎn)換的參考電壓為其VSS、VDD，所以芯片AD模塊輸入的模擬量的量程為－5 V至0 V。其中－5 V對(duì)應(yīng)AD模塊轉(zhuǎn)換結(jié)果0x00，0 V對(duì)應(yīng)0x3f。轉(zhuǎn)換程序如圖4所示。轉(zhuǎn)換計(jì)算方法舉例如下：當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換為十位的數(shù)字量為0x0f，對(duì)應(yīng)的模擬量為255；那么設(shè)AN0輸入的電壓的模擬量為x，則1 023/5=255/（x+5）。由此式可算出x的值。用x的值乘以分壓比即可得實(shí)際電壓值。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換子程序Fig.4 Subroutine of A/D conversion

3.2.2 蓄電池充電控制

蓄電池管理程序如圖5所示。

圖5 蓄電池管理程序Fig.5 Battery management program

圖6 電能流動(dòng)控制程序Fig.6 Control program of power flow

3.2.3 能量流動(dòng)控制

電能流動(dòng)控制程序如圖6所示。

4 結(jié)束語

對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通常采用DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的功率控制[7]。文中結(jié)合本系統(tǒng)所采用的boost拓?fù)洌蟾菰?，從理論上推?dǎo)了通過控制占空比來控制功率的理論的可行性，為使用這一結(jié)論提供理論支持。再結(jié)合該小系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能量管理電路，提供了一種控制策略，利用了風(fēng)機(jī)可連續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，且該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)可操作性的特點(diǎn)。

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