孫宏光，姜元軍，傅震宇

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一種離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電蓄電池充電器的設(shè)計(jì)

孫宏光1，姜元軍1，傅震宇2

（1. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連 116021；2. 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214400）

本文介紹了離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功能特點(diǎn)以及蓄電池設(shè)計(jì)中存在的三個(gè)難點(diǎn)設(shè)計(jì)出合理的蓄電池充電器。介紹了充電器各部分電路，著重對(duì)BOOST-BUCK電路原理進(jìn)行分析，得到輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系，同時(shí)利用MATLAB對(duì)BOOST-BUCK電路進(jìn)行了仿真，得到各個(gè)參數(shù)對(duì)電路的具體影響，來(lái)進(jìn)一步修正指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

風(fēng)力發(fā)電 蓄電池 充電器 BOOST-BUCK

1 引言

小容量離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電作為獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維修方便，可解決無(wú)法通過(guò)電網(wǎng)延伸供電的偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問(wèn)題，是節(jié)能減排建設(shè)綠色家園的首選。

能量存儲(chǔ)對(duì)于小型離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是非常重要的。蓄電池儲(chǔ)能以其低廉的價(jià)格，成熟的技術(shù)成為獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最主要的儲(chǔ)能方式。由于持續(xù)的風(fēng)速變化導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出不斷變化，風(fēng)力系統(tǒng)的輸出功率不可能時(shí)刻隨著負(fù)載的變化而變化，這也給蓄電池的合理充電帶來(lái)了很大的困難，設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的蓄電池充電器對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行非常重要。

2 蓄電池充電電路工作原理

2.1 蓄電池充電器設(shè)計(jì)難點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電壓隨風(fēng)速的變化而不斷變化，而風(fēng)速的大小是無(wú)規(guī)律變化的，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電壓的幅度和頻率都是變化的，將這樣變化的交流電變換成穩(wěn)定的直流電難度較大，需要進(jìn)行反饋控制。由于蓄電池組的端電壓為48 V，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓變化范圍很大，從幾伏到上百伏，因此需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的升降壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

過(guò)充現(xiàn)象使電池容量減少。過(guò)充現(xiàn)象：硫酸鉛被轉(zhuǎn)換成了負(fù)極板上的鉛和正極板上的二氧化鉛，當(dāng)電池內(nèi)的大部分硫酸鉛被變成鉛和二氧化鉛后，隨之就出現(xiàn)了電池的過(guò)充電現(xiàn)象，導(dǎo)致氫氣和氧氣的產(chǎn)生。通過(guò)檢測(cè)電池充電電壓可以檢測(cè)過(guò)充電的出現(xiàn)。過(guò)充現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，使蓄電池的電壓快速上升，而這時(shí)蓄電池并沒(méi)有把電量充滿(mǎn)，因此為了使蓄電池的電量恢復(fù)到100%，必須允許過(guò)充電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

充電鉛酸電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，其單格值為-4 mV/C。在環(huán)境溫度為25℃時(shí)工作很理想的普通充電器，當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時(shí)，該電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度上升到50℃時(shí)，電池將因嚴(yán)重的過(guò)充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi)，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。

2.2 蓄電池充電器的結(jié)構(gòu)組成

基于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功能特性，以及2.1中對(duì)充電器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)分析，將蓄電池充電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三大部分：輸入整流濾波電路、升降壓電路、蓄電池充電電路。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蓄電池充電器結(jié)構(gòu)圖

3 蓄電池充電器的綜合設(shè)計(jì)

3.1 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸入整流濾波電路是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，并要求輸入整流濾波電路應(yīng)具有一定的輸出電壓保持能力和防止開(kāi)關(guān)接通瞬間浪涌電流的軟啟動(dòng)能力。設(shè)計(jì)了如圖2電路。

圖2 輸入整流濾波電路

3.2 升降壓電路設(shè)計(jì)

升降壓型（BOOST-BUCK）電路又稱(chēng)串、并聯(lián)開(kāi)關(guān)變換器電路，如圖3所示。由MOSFET (V)、二極管(VD1)、儲(chǔ)能電感(1)和濾波電容(1)組成。MOSFET以幾十千赫茲的頻率工作，在t期間V導(dǎo)通，t期間V關(guān)斷，工作周期為=t+t，工作頻率為=1/T。

圖3 BOOST-BUCK電路

1) 儲(chǔ)能電感1

在on期間， MOSFET導(dǎo)通，VD1截止，1儲(chǔ)能；在off期間，MOSFET截止，電感1向負(fù)載及電容釋放能量。電感電流中的紋波電流DL如式（1）所示

在電流連續(xù)的情況下，當(dāng)Lmin的值等于零時(shí)，電感電流的紋波DL值最大。

電感值1可用(2)式求取

其中：0是下一級(jí)電路（蓄電池充電電路）的輸入電壓，設(shè)定為常值54 V。為MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率，與1成反比關(guān)系，即提高可以降低1的大小。這里取20 kHz。

DL為允許的紋波電流。額定輸入功率為1 kW，額定輸入電壓為56 V，則額定輸入電流L=17.86 A。取DL=20%′17.85=3.57 A。

V為輸入電壓，范圍是20～150 V。通過(guò)1對(duì)V求導(dǎo)數(shù)可知，二者成正比。即隨著V的增大1也增大。為了滿(mǎn)足要求，這里V取150 V。將上述已知量帶入（2）式，得1=0.55 mH。

2) 輸出濾波電容1

設(shè)輸出電壓的紋波值為Do，則電容值1可用（3）式求取

其中：Do為輸出電壓的允許紋波值，取0.5 V。

V為輸入電壓，范圍是20～150 V。通過(guò)1對(duì)V求導(dǎo)數(shù)可知，二者成反比。即隨著V的減小1增大。為了滿(mǎn)足要求，這里V取20 V，得1=1350mF?？紤]到實(shí)際情況取1為1500mF，同時(shí)考慮到耐壓值，取耐壓值為200 V，所以選擇1500mF/200 V的電解電容。

3.3 UC3842控制電路設(shè)計(jì)

1）電壓取樣電阻1

設(shè)定升降壓電路的輸出電壓為54 V，并且已知UC3842的電壓反饋端的基準(zhǔn)電壓為2.5 V，則由歐姆定律知：

現(xiàn)在設(shè)定=10 kW，可得1=458W。

2）電流取樣電阻

3）振蕩器中T和T

振蕩器頻率由T和T決定，并且與1成反比關(guān)系，即提高可以降低1的大小。為了得到較高并且穩(wěn)定的震蕩頻率，我們采用采用試驗(yàn)的方法。

首先選取T=0.01mF，用51 kW的電位器來(lái)代替T，將UC3842的PWM輸出端6接到示波器上觀(guān)察觸發(fā)信號(hào)的頻率和穩(wěn)定情況。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的位置，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)T=9.15 kW時(shí)，頻率達(dá)到20 kHz，并且較穩(wěn)定。

其中：T=0.01mF，T=9.15 kW?？梢缘玫?=19.67 kHz，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3.4 蓄電池充電電路設(shè)計(jì)

實(shí)踐證明，要保證鉛酸蓄電池的使用壽命，正確充電方法是非常重要的，溫度對(duì)充電有很重要的影響。為了充分發(fā)揮鉛酸蓄電池的作用，在電池充電的過(guò)程中，應(yīng)給電池充足電，盡量避免過(guò)充電，從而延長(zhǎng)其使用壽命。鉛酸蓄電池的電量和溫度有關(guān)，所以在設(shè)計(jì)充電器電路時(shí)應(yīng)考慮到溫度對(duì)充電量大小的影響。為了達(dá)到充電效果，采用了基于UC3906的三種充電工作狀態(tài)充電法。

1）鉛酸蓄電池的大電流充電階段；

2）鉛酸蓄電池的過(guò)充電；

3）鉛酸蓄電池的浮充電。

UC3906使用很少的外部器件就可以構(gòu)成密封蓄電池的快速充電電路。如圖5所示。

圖中1、2和3組成的電阻分壓器用以檢測(cè)充電電池，通過(guò)與實(shí)際精確參考電壓(REF)相比較來(lái)確定浮充電電壓、過(guò)充電電壓和涓電流充電的閥值電壓。

4 升降壓電路仿真與實(shí)驗(yàn)

利用MATLAB對(duì)BOOST-BUCK型升降壓的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真校驗(yàn)，建立仿真圖型如圖6所示。

假設(shè)直流電源的輸入電流電壓V設(shè)定為100 V，要求輸出電壓為54 V，電感電流的紋波為1.2 A，輸出電壓的紋波允許為5%，MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率在20 kHz上下浮動(dòng)，這里取20 kHz。則經(jīng)計(jì)算占空比應(yīng)取36%，設(shè)置以上電路原件參數(shù)后，對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7至圖11所示。

從圖中易見(jiàn)，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后的仿真結(jié)果與根據(jù)公式計(jì)算出的結(jié)果基本吻合。

改變參數(shù)進(jìn)行仿真，表1-表7都是在PWM波頻率＝20 kHz，占空比D＝25％，電感＝1 mH，電容＝200mF，負(fù)載電阻L-＝18 Ω的基礎(chǔ)改變單一量選擇仿真時(shí)間＝0.25 s，采用ode15算法進(jìn)行仿真得到的數(shù)據(jù)。

圖6 BOOST-BUCK仿真電路圖

圖7 輸出電壓

圖8 輸出電壓放大圖

圖9 MOSFET脈沖電壓

圖10 MOSFET脈沖電流

圖11 儲(chǔ)能電感電流

表1 占空比變化時(shí)輸出電壓與紋波電壓

表2 負(fù)載變化時(shí)輸出電壓與紋波電壓

從表1可以看出，占空比增加使紋波電壓增大，同時(shí)會(huì)使輸出電壓上升。為了避免出現(xiàn)電壓失調(diào)，要將占空比限定在一定范圍內(nèi)，程序中將占空比D限制在20%～50%范圍內(nèi)。

從表2可以看出存在一個(gè)合適的負(fù)載，即負(fù)載電阻約為40 Ω時(shí)，使紋波電壓達(dá)到最小，約為0.07 V。還可以看出輸出電壓在輸入電壓不變的情況下與負(fù)載無(wú)關(guān)。

從表3看出，電感對(duì)輸出電壓和紋波電壓基本上無(wú)影響，而會(huì)影響動(dòng)態(tài)性能，表中振蕩次數(shù)反映了這一點(diǎn)。但從仿真圖中看到，電感減小，振蕩次數(shù)會(huì)增加，但衰減更快，這是因?yàn)殡姼杏?，?duì)電流的衰減阻礙也弱，相同時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能愈少，電流衰減更快。

從表4可以看出，電容對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓無(wú)影響，主要影響紋波電壓和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能。電容愈大，紋波電壓愈小。這時(shí)因?yàn)殡娙萦?，其?chǔ)能能力愈強(qiáng)，放電時(shí)電壓衰減愈慢。從仿真圖中還可以看出，電容愈大，調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)上升。

表3 電感變化時(shí)輸出電壓、紋波電壓與振蕩次數(shù)

表4 電容變化時(shí)輸出電壓、紋波電壓與振蕩次數(shù)

表5 PWM波頻率變化時(shí)輸出電壓與紋波電壓

從表5可以看出，PWM波頻率對(duì)紋波電壓有至關(guān)重要的影響，1 kHz時(shí)紋波電壓可達(dá)5 V，而50 kHz時(shí)紋波電壓只有0.08 V。因此選擇合適的頻率才能獲得較穩(wěn)定的輸出電壓。選擇20 kHz是兼顧了較小的紋波電壓和MOS管發(fā)熱較少。

表6 輸入電壓變化時(shí)輸出電壓與紋波電壓

從表6可以看出，輸入電壓減小時(shí)，輸出電壓也隨之減小，紋波電壓也減小。

表7是為方便調(diào)試提供達(dá)到輸出36 V所需占空比參考數(shù)據(jù)。當(dāng)輸入電壓減小時(shí)，要使輸出電壓穩(wěn)定在36 V，則需增加占空比，通過(guò)仿真得到一個(gè)參考值，減小在硬件調(diào)試時(shí)的盲目性，同時(shí)還可以看出，占空比增加也會(huì)使紋波電壓加大。

表7 輸出電壓達(dá)到36V對(duì)應(yīng)的各參數(shù)

5 結(jié)論

本文介紹了離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池充電器的設(shè)計(jì)方案，對(duì)具體電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，并通過(guò)MATLAB仿真和數(shù)據(jù)測(cè)量得到了較好的結(jié)果，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

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Design and Study on an independent wind power system

Sun Hongguang1, Jiang Yuanjun1, Fu Zhenyu2

( 1. Naval Representative Office of Dalian Area, Dalian, Liaoning 116021, China; 2. China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214400, Jiangsu, China )

TM614

A

1003-4862（2013）04-0004-04

2012-08-20

孫宏光（1987-），男，工學(xué)碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娏杉夹g(shù)。