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一种离网型风力发电充电控制器
吴晓明
（华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）
摘要：介绍了一种小功率的离网型风力发电充电控制器。该控制器能有效利用风能，在风速低时，通过buck-boost电路将整流输出电压升到设定值再送后级电路；当风速高时，buck-boost电路将整流输出电压降到设定值再送到后级电路。最后通过实验验证了设计的正确性。
关键字：风力发电；升降压电路；蓄电池
中图分类号：TM 571 文献标识码：A
An off-grid wind power generation charging controller
WU Xiaoming
(Electric Power College, South China University of Technology Guangzhou Guangdong 510640, China)
Abstract：A low-power off-grid wind power genetation charging controller is introduced.The controller uses the wind power efficiently,when wind speed is low,rectifier output voltage will rise to a constant value and then sent to circuit by buck-boost chopper.When the wind speed is high , rectifier output voltage will reduce to a constant value and then sent to circuit by buck-boost chopper.Finally,the experimental results verify the correctness of the design.
Keywords：wind power generation;buck-boost; Battery

1引言
人类进入21世纪，大量使用的能源还是化石能源，化石能源的使用带来了一系列的社会，经济，环境问题。在不久将来，人类为了解决化石能源的枯竭和环境问题必将大力发展新能源，其中风能因其清洁无污染将会得到快速发展。在风能应用方面主要有两种形式，一种是并网发电，另一种是离网发电作独立的分布式电源。由于风能的不连续型，并网发电会对电网造成很大的冲击，所以风能的并网发电应用需要很高的控制要求，成本较高。离网型风力发电相对而言控制要求不高，成本合理，适宜推广应用。
2离网型风力发电充电控制器原理图
风力发电机主要有两种类型[2]，异步电机和永磁电机。永磁同步发动机是利用永磁体代替转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。本文中风力发电机采用具有良好低速特性的永磁发电机，其适用于低风速启动并具有较高的发电效率。
离网型风力发电充电控制器主要由小型永磁发电机、铅酸蓄电池，直流斩波电路，控制电路组成，如图1所示。

图1 离网型风力发电充电控制器
风力发电机的三相电经过二极管桥式不可控整流为直流电，整流桥后的电容起到对直流电滤波的作用。直流斩波电路采用buck-boost电路。由于风能的随机性很大，不确定性强，其输出电压不稳。由文献知，风力发电机的输出电压与转速成正比。当风速低时，风力发电机的输出电压低，此时使buck-boost电路占空比D>0.5，对整流后的直流电升压。当风速高时，风力发电机输出电压高，此时使buck-boost电路占空比D<0.5，对整流后的直流电降压。风力发电机输出电压经过整流，直流斩波变换以后，与大电容并联对铅酸蓄电池充电。该控制器采用PIC16F873单片机作控制芯片，通过对风力发电机整流输出电压，buck-boost变换器输出电压和铅酸蓄电池端电压的检测来实现控制和保护功能。

3硬件电路设计

图2 控制器的主电路图
控制器的主电路图如图2。与开关管S1并联的电阻R3和电容C7起缓冲作用。C3和C6作滤波用。C1和C2，C4和C5采用两个电容并联，这样的稳压效果比只使用一个大电容好。开关管S1和S2采用MOS管，为电压型器件，驱动控制方便。
要使单片机能检测到风力发电机整流输出电压，buck-boost变换器输出电压和铅酸蓄电池端电压从而对开关管控制，必须要使以上电压映射到单片机能识别的0—5v的范围。测量中检测电路[1]采用精密电阻进行比例衰减，将输入电压范围转换为单片机的量程范围。检测电路使用低压器件去检测高压大电流模拟量， 因此必须要有隔离，避免高压大电流窜入低压器件将其烧毁。光耦器件可以较好地实行输入输出隔离，并具有线性放大的作用，可以作为检测隔离器件。控制器的检测电路如图3.

图3电压检测电路
开关管S1的开通或关断由风力发电机整流输出电压决定。由文献知，buck-boost电路在电感电流连续情况下，其输出电压Vo，输入电压Vin，占空比D满足[3]
（1）。
保持开关管频率不变情况下，检测风力发电机整流输出电压，假定buck-boost电路输出电压为固定的Vset，由公式（1）可得占空比D。开关管S2的开通或关断由buck-boost变换器输出电压和蓄电池的端电压共同决定，蓄电池的端电压未达到蓄电池的充电终止电压时，当buck-boost变换器输出电压超过设定值Vset时，开关管S2导通，控制器对蓄电池充电；当buck-boost变换器输出电压低于设定值Vset时，开关管S2关断，控制器停止对蓄电池充电。检测到蓄电池端电压达到蓄电池充电终止电压时，关断开关管S2停止对蓄电池充电。
4控制器软件设计
控制器的控制芯片采用PIC16系列单片机中的PIC16F873作控制芯片。该单片机内部集成了A/D转换功能和2个CCP（捕捉/比较/脉宽调制PWM）模块。PIC16F873有8个A/D输入通道，通过简单的编程，便可实现单路或多路A/D转换。PIC16F873工作在PWM方式下时，具有2个脉宽调制输出通道。本控制器将风力发电机整流输出电压，buck-boost变换器输出电压和铅酸蓄电池端电压送入单片机的3个A/D转换口，由脉宽调制输出通道CCP1输出驱动型号控制S1的通断。控制器的单片机电路如图4。

图4控制器单片机电路图
控制器的程序流程图如图5。

图5 控制器的程序流程图
实验结果
采用ADLEEPOWER变频器和三相异步电动机模拟风力机，利用电动机带动300W的永磁发电机发电，通过控制变频器来控制发电机的转速继而控制发电机的输出电压。铅酸蓄电池采用两个12v，65AH蓄电池串联。令Vset=24v，蓄电池充电终止电压为28v。
当电动机的转速n=2000rad/min，控制器各部分波形如图6和7。

图6 风力机整流输出波形，

图7 蓄电池充电电流波形。
充电电流的采样使用霍尔电流传感器，采样比例为1：1。由图7知，最大充电电流达到5.6A，满足蓄电池的充电要求。
结论
该离网型风力发电充电控制器可靠性高，成本较低，发电效率高能充分利用风能。通过电动机带动发电机发电模拟风力机发电，由实验得到的波形图分析知该控制器能有效地对蓄电池充电，适用于在小功率风力发电系统中推广应用。
参考文献
[1] 韩志强，姚国兴。风光互补充电控制器的研究[J]。电力电子技术，2011，45(1);25-26,47.
[2]李永东，原熙博，彭凌，郑艳文。风力发电系统技术讲座 第一讲：风力发电系统技术概述[J]。电力电子，2009,6,52-57.
[3]王兆安，黄俊。电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.