周華偉

（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 438200）

小型風力發(fā)電系統(tǒng)與太陽能發(fā)電相比，具有輸入電壓非直流且較大范圍連續(xù)波動的特點，這給小型風力發(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，能實現(xiàn)包括最大功率控制、蓄電池充放電控制、風力發(fā)電與蓄電池同時或單獨給負載供電的功能。通過對小型風力發(fā)電系統(tǒng)的能量流動進行分析，對系統(tǒng)能量進行合理的調度，提高能量的轉換效率以期實現(xiàn)小型風力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運行。

文中設計一小型風力發(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。設計變換器工作于兩種模式：1）當蓄電池處于低電位時，可以快速對其充電，或者當有負載接入，當前輸出功率不足時，進行風機功率跟蹤控制；2）當蓄電池處于高電位廛，可以對其進行慢充，或者無負載時，對DC/DC的控制恢復到默認值。

1 系統(tǒng)結構

小型風力發(fā)電控制系統(tǒng)基本結構都具很大相似性，如目前的整流器一般都采用不可控整流，當然也會有各自獨特的地方。系統(tǒng)結構如下圖1所示。它主要包括風力機發(fā)電機、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。

風力機運行時有多種運行狀態(tài)，如啟動階段、變速運行、穩(wěn)定運行等，為了研究方便，只考慮風機在大于切入風速的條件下，進行穩(wěn)定發(fā)電的狀態(tài)。

圖1 小型風電結構圖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拓撲結構，當風力機捕獲的風能不能滿足負載用電和蓄電池充電時，需要調節(jié)風力機按照最佳葉尖速比運行，跟蹤最大功率。目前常用的最大風能跟蹤控制主要有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力發(fā)電系統(tǒng)，從可行性及經(jīng)濟效益方面考慮，此處采用爬山搜索法，其他兩種方法可以查閱相關資料。

爬山搜索法的依據(jù)是在某一固定風速下，風力機的功率特性P（w）為凸函數(shù)。在有的文獻中，也稱為爬山法、功率擾動控制，通過人為的功率擾動進行離散迭代，使風機的工作點一步一步的沿其功率放大器曲線移動到最大什附近，且保持一定的波動。

爬山搜索法通過施加人為的轉速擾動，然后通過測量功率的變化自動搜索發(fā)電機的最優(yōu)轉速點。這種算法無需知道精確的風力機特性，也無需測量風速和發(fā)電機的轉速便能實現(xiàn)最大風能的捕獲，缺點是即使風速穩(wěn)定，發(fā)電機穩(wěn)態(tài)功率輸出仍有波動，控制周期不能太小，系統(tǒng)調節(jié)時間較長。

圖2顯示的是轉子轉速和風力機輸出功率的關系。假如風速是v1，則轉子速度ω1，即系統(tǒng)的工作點在點A處時可捕獲到最大功率；若轉子速度不為ω1，則系統(tǒng)不是工作在最大功率點。

圖2 不同風速下轉速與輸出功率的關系Fig.2 Relationship of different wind speed and output power

理論分析：事實上，風力機只能吸收風能中的部分能量，其大小與風力系數(shù)有關，因此，根據(jù)風力機特性，做以下數(shù)學分析。

風力機特性：

由式（1）、式（2）得到：

風力機在功率最大點時，應滿足：

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

3 電能管理

與太陽能發(fā)電相比，風力發(fā)電有一個顯著的特點，那就是太陽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]，而風機則沒有這種限制，因此，為了有效利用風能，需要對發(fā)出的電能進行管理。

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轉換。

圖3 電能流動控制單元Fig.3 Control unit of power flow

在上圖3中，左端為boost電路，當Q4導通時，若Q2也導通，則可以對蓄電池進行充電；當Q4截止且風電電壓大于Ubattery時，不能對蓄電池充電，風機發(fā)出的電可單獨供負載使用；當Q4截止且風電電壓小于Ubattery時，不能對蓄電池充電，風電與蓄電池同時給負載供電。

3.2 軟件設計

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。本電路以陽極端作為參考點。AD轉換的參考電壓為其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對應AD模塊轉換結果0x00，0 V對應0x3f。轉換程序如圖4所示。轉換計算方法舉例如下：當電壓轉換為十位的數(shù)字量為0x0f，對應的模擬量為255；那么設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際電壓值。

圖4 A/D轉換子程序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 電能流動控制程序Fig.6 Control program of power flow

3.2.3 能量流動控制

電能流動控制程序如圖6所示。

4 結束語

對于小型風力發(fā)電系統(tǒng)，通常采用DC/DC變換器來實現(xiàn)對系統(tǒng)的功率控制[7]。文中結合本系統(tǒng)所采用的boost拓撲，求根溯源，從理論上推導了通過控制占空比來控制功率的理論的可行性，為使用這一結論提供理論支持。再結合該小系統(tǒng)的特點，設計了一種能量管理電路，提供了一種控制策略，利用了風機可連續(xù)運行的優(yōu)點，且該設計具有較強可操作性的特點。

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[3]王小娟.小型風力發(fā)電系統(tǒng)集成控制的設計與實現(xiàn)[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2009.

[4]石賽蘭.太陽能LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設計[D].武漢：武漢理工大學，2011.

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