小型风力发电控制研究

周华伟

（武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 438200）

小型风力发电系统与太阳能发电相比，具有输入电压非直流且较大范围连续波动的特点，这给小型风力发电系统的控制带来一定的困难[1]。文中给出了一种方法，能实现包括最大功率控制、蓄电池充放电控制、风力发电与蓄电池同时或单独给负载供电的功能。通过对小型风力发电系统的能量流动进行分析，对系统能量进行合理的调度，提高能量的转换效率以期实现小型风力发电系统的优化及可靠运行。

文中设计一小型风力发电系统，最大功率为50 W。首先分析DC/DC变换器的工作模式。设计变换器工作于两种模式：1）当蓄电池处于低电位时，可以快速对其充电，或者当有负载接入，当前输出功率不足时，进行风机功率跟踪控制；2）当蓄电池处于高电位廛，可以对其进行慢充，或者无负载时，对DC/DC的控制恢复到默认值。

1 系统结构

小型风力发电控制系统基本结构都具很大相似性，如目前的整流器一般都采用不可控整流，当然也会有各自独特的地方。系统结构如下图1所示。它主要包括风力机发电机、不可控桥式整流器、DC/DC变换器、蓄电池、逆变器及控制系统组成。

风力机运行时有多种运行状态，如启动阶段、变速运行、稳定运行等，为了研究方便，只考虑风机在大于切入风速的条件下，进行稳定发电的状态。

图1 小型风电结构图Fig.1 Structure of small wind power system

2 最大功率控制分析

文中的DC/DC变换器选用boost拓扑结构，当风力机捕获的风能不能满足负载用电和蓄电池充电时，需要调节风力机按照最佳叶尖速比运行，跟踪最大功率。目前常用的最大风能跟踪控制主要有3种方法，即最佳叶尖速比法，功率反馈法和爬山搜索法。

由于文中研究的小型风力发电系统，从可行性及经济效益方面考虑，此处采用爬山搜索法，其他两种方法可以查阅相关资料。

爬山搜索法的依据是在某一固定风速下，风力机的功率特性P（w）为凸函数。在有的文献中，也称为爬山法、功率扰动控制，通过人为的功率扰动进行离散迭代，使风机的工作点一步一步的沿其功率放大器曲线移动到最大什附近，且保持一定的波动。

爬山搜索法通过施加人为的转速扰动，然后通过测量功率的变化自动搜索发电机的最优转速点。这种算法无需知道精确的风力机特性，也无需测量风速和发电机的转速便能实现最大风能的捕获，缺点是即使风速稳定，发电机稳态功率输出仍有波动，控制周期不能太小，系统调节时间较长。

图2显示的是转子转速和风力机输出功率的关系。假如风速是v1，则转子速度ω1，即系统的工作点在点A处时可捕获到最大功率；若转子速度不为ω1，则系统不是工作在最大功率点。

图2 不同风速下转速与输出功率的关系Fig.2 Relationship of different wind speed and output power

理论分析：事实上，风力机只能吸收风能中的部分能量，其大小与风力系数有关，因此，根据风力机特性，做以下数学分析。

风力机特性：

由式（1）、式（2）得到：

风力机在功率最大点时，应满足：

式中，Pm：每秒叶轮捕获的风能（W），Cp:风能利用系数（一般为 1/3～2/5，最大可达 0.593）， ρ:空气质量密度（kg/m3）A:风力机叶轮扫掠面积（m2），V：风速（m/s）， ω:风轮旋转的角速度（rad/s）， R:风轮半径， λ：叶尖速比。

3 电能管理

与太阳能发电相比，风力发电有一个显著的特点，那就是太阳能电池板只有在有光的条件下才能发电，即有白天黑夜之分[4]，而风机则没有这种限制，因此，为了有效利用风能，需要对发出的电能进行管理。

3.1 控制器

文中的控制器选用PIC16F876，具有高性能RISC CPU，仅有35条单字指令，在线串行编程（ICSP），单独5 V内部电路串行编程 （ICSP），PWM模块最大分辩率为10位，10位多通道A/D转换。

图3 电能流动控制单元Fig.3 Control unit of power flow

在上图3中，左端为boost电路，当Q4导通时，若Q2也导通，则可以对蓄电池进行充电；当Q4截止且风电电压大于Ubattery时，不能对蓄电池充电，风机发出的电可单独供负载使用；当Q4截止且风电电压小于Ubattery时，不能对蓄电池充电，风电与蓄电池同时给负载供电。

3.2 软件设计

文中的软件部分包括：AD采样、蓄电池充放电控制。

3.2.1 AD采样

在PIC16F876中，采样的数据存放在ADRESL和ADRESH[5]里。本电路以阳极端作为参考点。AD转换的参考电压为其VSS、VDD，所以芯片AD模块输入的模拟量的量程为－5 V至0 V。其中－5 V对应AD模块转换结果0x00，0 V对应0x3f。转换程序如图4所示。转换计算方法举例如下：当电压转换为十位的数字量为0x0f，对应的模拟量为255；那么设AN0输入的电压的模拟量为x，则1 023/5=255/（x+5）。由此式可算出x的值。用x的值乘以分压比即可得实际电压值。

图4 A/D转换子程序Fig.4 Subroutine of A/D conversion

3.2.2 蓄电池充电控制

蓄电池管理程序如图5所示。

图5 蓄电池管理程序Fig.5 Battery management program

图6 电能流动控制程序Fig.6 Control program of power flow

3.2.3 能量流动控制

电能流动控制程序如图6所示。

4 结束语

对于小型风力发电系统，通常采用DC/DC变换器来实现对系统的功率控制[7]。文中结合本系统所采用的boost拓扑，求根溯源，从理论上推导了通过控制占空比来控制功率的理论的可行性，为使用这一结论提供理论支持。再结合该小系统的特点，设计了一种能量管理电路，提供了一种控制策略，利用了风机可连续运行的优点，且该设计具有较强可操作性的特点。

[1]李传统.新能源和可再生能源技术[M].南京：东南大学出版社，2005.

[2]陈亚爱.开关变换器的实用仿真与测试技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]王小娟.小型风力发电系统集成控制的设计与实现[D].内蒙古：内蒙古工业大学，2009.

[4]石赛兰.太阳能LED路灯节能控制系统的设计[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[5]刘笃仁.PIC软硬件系统设计[M].北京：电子工业出版社，2005.

[6]Dixon L.Average current model control of switching power supplies[J].Product&Application Handbook，1993.

[7]李清勉，范旭娟.中国近海风力发电的发展及技术体系探讨[J].陕西电力,2011(08):65－68.

LI Qing-mian，FAN Xu-juan.Probe into development and technology system of offshore wind power in China[J].Shaanxi Electric Power， 2011（08）:65－68.