孟慶桐 張 利 白連平

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雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機(jī)及其最大功率控制系統(tǒng)研究

孟慶桐 張 利 白連平

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

海洋能源是新能源中不可或缺的一種。由于海水的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)能和太陽能，因此潮流發(fā)電在新能源領(lǐng)域一直是研究的新方向。潮流發(fā)電如何將產(chǎn)生的電能進(jìn)行最大能量捕獲，以及保持發(fā)電機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)上，都是目前研究的重點(diǎn)。本文在潮流發(fā)電方向中，自主研制了一套潮流發(fā)電機(jī)組，為實(shí)驗(yàn)室模擬潮流以及實(shí)際海域發(fā)電提供良好的發(fā)電單元，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)出與之相配套的最大功率控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可應(yīng)用于潮流發(fā)電的改進(jìn)型最大功率跟蹤（MPPT）控制算法；以及多電池均衡充電策略，即階梯擇優(yōu)電池切換控制策略，保證潮流系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行在最大功率。該控制系統(tǒng)在實(shí)際海域已進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和控制算法驗(yàn)證，為進(jìn)一步探索潮流發(fā)電有深遠(yuǎn)的影響。

改進(jìn)型MPPT控制算法；潮流發(fā)電；最佳運(yùn)行；控制系統(tǒng)

海洋能是一種大規(guī)模仍未被完全開發(fā)的可再生能源，其中發(fā)電形式大致可分為潮流發(fā)電、波浪發(fā)電、溫差發(fā)電、鹽差發(fā)電[1]。本文所研究的發(fā)電形式主要針對(duì)潮流能發(fā)電，潮流發(fā)電在能量上具有周期性，并且發(fā)電密度遠(yuǎn)高于其他新能源[2]。針對(duì)潮流發(fā)電，本文先對(duì)所設(shè)計(jì)的潮流發(fā)電機(jī)做簡要介紹，其次主要闡述潮流發(fā)電系統(tǒng)核心電路設(shè)計(jì)，以及整個(gè)系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)時(shí)的算法研究。

1 雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機(jī)

雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1所展示的為外殼透明的小型發(fā)電機(jī)組，每個(gè)發(fā)電機(jī)額定功率為20W。發(fā)電機(jī)組兩邊是永磁發(fā)電機(jī)，中間是雙向葉輪，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)和雙向葉輪同軸聯(lián)接，發(fā)電機(jī)軸伸部分安裝在葉輪的軸孔中間。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)采用集中繞組設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)組以葉輪為中心，兩邊是對(duì)稱的。發(fā)電機(jī)另一端是“子彈頭”形的分流罩，可以有效減小水流直接沖擊到發(fā)電機(jī)端面的水流阻力。發(fā)電機(jī)通過支板安裝在圓形導(dǎo)流筒內(nèi)，導(dǎo)流筒兩端分別有兩個(gè)匯流罩，起匯流作用，增大導(dǎo)流筒中水的流速，起到匯集能量的作用[3]。雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機(jī)組裝置結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，系統(tǒng)效率高。此發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)主要為初步研究潮流發(fā)電最大功率跟蹤控制算法提供良好的發(fā)電單元，并方便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行潮流模擬發(fā)電實(shí)驗(yàn)。

圖1 20W雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機(jī)

2 潮流控制系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

潮流發(fā)電系統(tǒng)的控制電路部分在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。其主要功能是將潮流發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能合理地分配給相應(yīng)的儲(chǔ)能電池組中。電路部分包括：①控制部分，包括主線路對(duì)電流控制，以及對(duì)電池組中每塊電池自由的切入切出的控制； ②采集部分，包括對(duì)主線路上電壓、電流的采集、以及每塊電池開路電壓、溫度的采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 采集電路設(shè)計(jì)

采集電路分為兩部分，其中對(duì)主線路采用霍爾采集電壓電流，采集位置在Buck斬波電路之后。對(duì)于電池組部分，系統(tǒng)要求對(duì)每塊電池進(jìn)行電壓及溫度采集，將采集的信號(hào)通過SPI總線傳給MCU，反饋信號(hào)的精確性是潮流發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在最佳狀態(tài)的有力保證。

其中電池電壓采集，本文選用高精度的ADS1256芯片采集電池上的開路電壓，精度可以達(dá)到0.001，可實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)電壓采集。由于電池串行連接，在電池兩端直接測量電壓會(huì)產(chǎn)生較大的共模電壓，因此本系統(tǒng)選用TI公司共模抑制比高達(dá)86dB的INA148芯片測量，再將采集到的電壓值經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)給到AD芯片。同時(shí)本系統(tǒng)還在每塊電池貼上DS18B20溫度傳感器，對(duì)系統(tǒng)計(jì)算SOC作溫度補(bǔ)償[4]。電池采集電路框圖如圖3所示。

圖3 電池采集電路框圖

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，分為電流控制電路及電池控制單元。電流控制電路控制主線路上的電流，這里選用Buck電路。對(duì)線路上電流控制就是保證儲(chǔ)能設(shè)備上流過的電流不宜過大，以減少大電流對(duì)電池的 沖擊。

電池控制單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4塊電池進(jìn)行不停機(jī)串聯(lián)切入切出，控制框圖如圖4所示?？刂茊卧x用的開關(guān)元件為繼電器，每兩個(gè)繼電器分別控制電池的正負(fù)極，選用繼電器主要是考慮繼電器處于閉合狀態(tài)時(shí)不產(chǎn)生壓降，減少電能損失。本系統(tǒng)選用12V/7Ah鉛酸蓄電池，每4塊串聯(lián)占用一個(gè)電池控制單元，其中電池控制單元可以根據(jù)發(fā)電電壓的大小，實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)操作。

圖4 電池控制單元框圖

3 改進(jìn)型MPPT算法

多用于太陽能光伏系統(tǒng)中的MPPT算法，可以很方便地追蹤最大功率，滿足蓄電池充電要求。在潮流發(fā)電系統(tǒng)中，潮流也存在周期性變化，但相對(duì)于太陽能來說，周期變化速度快，往復(fù)性強(qiáng)。目前，MPPT常用的算法為擾動(dòng)觀察法及電導(dǎo)增量法，擾動(dòng)觀察法容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于潮流變化比較快的環(huán)境下，這種方法會(huì)出現(xiàn)比較大跟蹤誤差，在發(fā)電功率上有很大的損失，在程序運(yùn)行上也會(huì)出現(xiàn)計(jì)算跑偏。電導(dǎo)增量法在計(jì)算最大功率時(shí)，波動(dòng)較小，精準(zhǔn)性高，但要求單片機(jī)不斷對(duì)要測量的量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

考慮到本系統(tǒng)的STM32速率可以達(dá)到72MHz，完全滿足工作要求。因此這里選用可變步長的電導(dǎo)增量法去尋找最大功率點(diǎn)。

進(jìn)一步簡化可得

圖5 潮流發(fā)電P-U曲線

為驗(yàn)證改進(jìn)型MPPT法追蹤潮流發(fā)電系統(tǒng)最大功率的準(zhǔn)確性，將潮流發(fā)電機(jī)運(yùn)行在流速為1.25m/s的潮流模擬裝置中，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)投入1節(jié)鉛酸蓄電池充電，采用PI算法追蹤最大功率，得到的發(fā)電功率及占空比調(diào)節(jié)如圖6所示。

圖6 發(fā)電功率及占空比變化曲線

4 階梯式擇優(yōu)串聯(lián)電池切換策略

由于本系統(tǒng)在主線路上采用Buck斬波電路，因此在進(jìn)行如上算法前，首先要根據(jù)此時(shí)的發(fā)電電壓選擇投入串聯(lián)電池?cái)?shù)量。本文采用階梯式擇優(yōu)串聯(lián)接入的方法實(shí)現(xiàn)。此類方法要求系統(tǒng)不斷地測量每一個(gè)電池的開路電壓，其中本系統(tǒng)采用的是閥控式鉛酸蓄電池，開路電壓又與近似成線性關(guān)系，如圖7所示。電池的計(jì)算本文采用電流積分的方法即可方便實(shí)現(xiàn)。

圖7 電池SOC-OCV曲線

擇優(yōu)串聯(lián)接入的方法就是保證串入電池的總電壓要小于此時(shí)主線路電壓的70%即可。其中串聯(lián)電池接入的數(shù)量根據(jù)電池開路電壓的大小計(jì)算得知。系統(tǒng)每5min計(jì)算一次鉛酸蓄電池的剩余容量，判斷在該時(shí)刻是否存在小于25%的電池，若存在電池，則進(jìn)一步對(duì)小于25%的電池細(xì)分，以單位為5%的一小組分類，共5個(gè)階梯組，系統(tǒng)建立5個(gè)二維數(shù)組分別存儲(chǔ)5個(gè)階梯組的電池標(biāo)號(hào)及值，并分別對(duì)這5組電池在系統(tǒng)中進(jìn)行由小到大排序，以優(yōu)先選擇最小的蓄電池所在組別充電原則充電，投入該小組最小電量的蓄電池充電，階梯擇優(yōu)串聯(lián)電池切換算法流程圖如圖8所示。

在充電過程中，系統(tǒng)加快計(jì)算間隔時(shí)間，以每1min計(jì)算該充電電池所在小組的所有電池值，當(dāng)最小電量的電池充電達(dá)到小組中最為接近的電池值時(shí)，進(jìn)一步判斷與其相接近電池在電氣連接上是否為充電電池左右串聯(lián)。若兩者中間無電池串聯(lián)，則系統(tǒng)改變繼電器開關(guān)動(dòng)作，同時(shí)為兩塊電池共同串聯(lián)充電，在繼續(xù)充電過程中，兩個(gè)串聯(lián)電池達(dá)到小組中排序最為接近電池電量值時(shí)，若該電池為兩電池串聯(lián)相相鄰電池，則串入共同充電，依次類推；當(dāng)充電電池的值達(dá)到其他電池值時(shí)，若系統(tǒng)判斷充電電池與接近電池不相鄰，則不改變繼電器動(dòng)作，繼續(xù)為投入的電池充電，直到該電池超過該小組判斷閾值。當(dāng)最小階梯小組中所有電池按如上方法充電到第二階梯小組時(shí)，按照上述方法繼續(xù)充電，以此最終達(dá)到為25%的充電要求，再對(duì)下一個(gè)階梯大組充電。若系統(tǒng)在一開始判斷電池電量沒有小于25%的電池，則直接進(jìn)入下一個(gè)階梯大組判斷電池剩余電量，直到找到最小未充滿電電池的階梯大組，再進(jìn)入階梯小組充電，直到所有電池充滿電為止。系統(tǒng)在每一階梯小組充電過程中，當(dāng)出現(xiàn)超過2節(jié)的串聯(lián)電池充電時(shí)，可以改變電池串聯(lián)組合，分開充電，以滿足調(diào)整負(fù)載進(jìn)一步達(dá)到最大功率充電的要求。例如，在某一小組中存在有3個(gè)串聯(lián)電池共同充電，若標(biāo)號(hào)為3、4、5，則可改變的充電組合可以是3、4、5、34、45、345。

圖8 階梯擇優(yōu)串聯(lián)電池切換算法流程圖

圖9 系統(tǒng)控制流程圖

5 實(shí)際海域試驗(yàn)驗(yàn)證

目前，本套潮流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已在北戴河以及青島做過試驗(yàn)，潮流發(fā)電海試照片如圖10所示。實(shí)際海域中，潮流流速在一天中變化不定，每一時(shí)刻潮流發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的最大功率都會(huì)不同。

圖10 潮流發(fā)電海試照片

通過測量實(shí)際海域的潮流流速，得到30s內(nèi)的潮流流速曲線，如圖11所示。

圖11 實(shí)際海域潮流流速曲線

在該時(shí)間段潮流流速保持在1.6m/s的流動(dòng)速度，將潮流發(fā)電機(jī)運(yùn)行在該流速變化范圍內(nèi)，選擇1節(jié)蓄電池投入系統(tǒng)充電，每2s記錄1次發(fā)電功率數(shù)值，30s內(nèi)的發(fā)電功率曲線如圖12所示。

實(shí)驗(yàn)中PI調(diào)節(jié)最大功率的速度在200ms以內(nèi)，因此對(duì)于水流流速變化速度不快的情況下，系統(tǒng)都可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。當(dāng)水流流速達(dá)到1.6m/s時(shí)，系統(tǒng)追蹤14W的最大功率，并且在PI調(diào)節(jié)過程中沒有出現(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)?？梢姡槍?duì)潮流發(fā)電所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型MPPT法可以達(dá)到快速的跟蹤效果。

圖12 發(fā)電功率變化曲線

6 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際潮流發(fā)電，設(shè)計(jì)出一套潮流發(fā)電最大功率跟蹤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將潮流發(fā)電裝置所產(chǎn)生的能量最大化的傳輸給蓄電池組均衡充電，整體系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)、軟件算法設(shè)計(jì)部分。硬件設(shè)計(jì)主要包括主回路電壓電流采集，計(jì)算不同時(shí)刻的發(fā)電功率，為改進(jìn)型MPPT算法追蹤最大功率提供實(shí)時(shí)比較數(shù)據(jù)；采集電池組上電壓、溫度，計(jì)算所有蓄電池剩余容量，為系統(tǒng)蓄電池均衡充電提供依據(jù)。

同時(shí)，為驗(yàn)證潮流發(fā)電系統(tǒng)中采用可變步長的電導(dǎo)增量法跟蹤算法，以及階梯擇優(yōu)串聯(lián)電池切換策略的準(zhǔn)確性，已經(jīng)對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際海域試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的跟蹤潮流發(fā)電最大功率，并維持系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，為進(jìn)一步研究更大容量的潮流發(fā)電系統(tǒng)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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Two-way impeller direct-drive tidal current generator and its maximum power control system research

Meng Qingtong Zhang Li Bai Lianping

(Beijing Information Science &Technology University, Beijing 100192)

Marine energy is an indispensable source of new energy. Due to the energy density of seawater is much higher than that of wind energy and solar energy, it is particularly important in new energy power generation. How current power generation captures the maximum energy produced by the power generation and maintains the generator in its best operating condition are the focus of current research. This article independently develops a set of tidal power generating units in the tidal power generation direction to provide a good power generation unit for the laboratory simulation of tidal currents and actual sea power generation. And further design a matching maximum power control system that uses an improved MPPT control algorithm that can be applied to power flow generation;And multi-battery equalization charging strategy, which is a step-by-step battery switching control strategy to ensure that the power flow system continues to operate at maximum power. The control system has been verified by experiments and control algorithms in actual sea areas, which has far-reaching implications for further exploration of power generation.

improved MPPT control algorithm; power generation; best run; control system

2018-04-19

孟慶桐（1993-），男，北京，碩士研究生，主要從事潮流發(fā)電控制方面的研究工作。