一种离网型小型风力发电蓄电池充电器的设计

孙宏光，姜元军，傅震宇



一种离网型小型风力发电蓄电池充电器的设计

孙宏光1，姜元军1，傅震宇2

（1. 海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连 116021；2. 中国卫星海上测控部，江苏江阴 214400）

本文介绍了离网型小型风力发电系统的系统组成，根据风力发电系统的功能特点以及蓄电池设计中存在的三个难点设计出合理的蓄电池充电器。介绍了充电器各部分电路，着重对BOOST-BUCK电路原理进行分析，得到输入电压和输出电压之间的关系，同时利用MATLAB对BOOST-BUCK电路进行了仿真，得到各个参数对电路的具体影响，来进一步修正指导设计。

风力发电 蓄电池 充电器 BOOST-BUCK

1 引言

小容量离网型风力发电作为独立的发电系统，结构简单、安装维修方便，可解决无法通过电网延伸供电的偏远地区用电问题，是节能减排建设绿色家园的首选。

能量存储对于小型离网型风力发电系统是非常重要的。蓄电池储能以其低廉的价格，成熟的技术成为独立运行风力发电系统最主要的储能方式。由于持续的风速变化导致风力发电机输出不断变化，风力系统的输出功率不可能时刻随着负载的变化而变化，这也给蓄电池的合理充电带来了很大的困难，设计高效稳定的蓄电池充电器对系统正常运行非常重要。

2 蓄电池充电电路工作原理

2.1 蓄电池充电器设计难点

风力发电机产生的交流电压随风速的变化而不断变化，而风速的大小是无规律变化的，因此风力发电机产生的交流电压的幅度和频率都是变化的，将这样变化的交流电变换成稳定的直流电难度较大，需要进行反馈控制。由于蓄电池组的端电压为48 V，而风力发电机产生的电压变化范围很大，从几伏到上百伏，因此需要设计复杂的升降压电路来实现。

过充现象使电池容量减少。过充现象：硫酸铅被转换成了负极板上的铅和正极板上的二氧化铅，当电池内的大部分硫酸铅被变成铅和二氧化铅后，随之就出现了电池的过充电现象，导致氢气和氧气的产生。通过检测电池充电电压可以检测过充电的出现。过充现象产生时，使蓄电池的电压快速上升，而这时蓄电池并没有把电量充满，因此为了使蓄电池的电量恢复到100%，必须允许过充电现象的产生。

充电铅酸电池的电压具有负温度系数，其单格值为-4 mV/C。在环境温度为25℃时工作很理想的普通充电器，当环境温度降到0℃时，该电池就不能充足电，当环境温度上升到50℃时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。

2.2 蓄电池充电器的结构组成

基于风力发电系统的功能特性，以及2.1中对充电器设计的难点分析，将蓄电池充电器结构设计为三大部分：输入整流滤波电路、升降压电路、蓄电池充电电路。结构如图1所示。

图1 蓄电池充电器结构图

3 蓄电池充电器的综合设计

3.1 输入整流滤波电路设计

输入整流滤波电路是将风力发电机的交流电压转换成直流电压，并要求输入整流滤波电路应具有一定的输出电压保持能力和防止开关接通瞬间浪涌电流的软启动能力。设计了如图2电路。

图2 输入整流滤波电路

3.2 升降压电路设计

升降压型（BOOST-BUCK）电路又称串、并联开关变换器电路，如图3所示。由MOSFET (V)、二极管(VD1)、储能电感(1)和滤波电容(1)组成。MOSFET以几十千赫兹的频率工作，在t期间V导通，t期间V关断，工作周期为=t+t，工作频率为=1/T。

图3 BOOST-BUCK电路

1) 储能电感1

在on期间， MOSFET导通，VD1截止，1储能；在off期间，MOSFET截止，电感1向负载及电容释放能量。电感电流中的纹波电流DL如式（1）所示

在电流连续的情况下，当Lmin的值等于零时，电感电流的纹波DL值最大。

电感值1可用(2)式求取

其中：0是下一级电路（蓄电池充电电路）的输入电压，设定为常值54 V。为MOSFET的开关频率，与1成反比关系，即提高可以降低1的大小。这里取20 kHz。

DL为允许的纹波电流。额定输入功率为1 kW，额定输入电压为56 V，则额定输入电流L=17.86 A。取DL=20%´17.85=3.57 A。

V为输入电压，范围是20～150 V。通过1对V求导数可知，二者成正比。即随着V的增大1也增大。为了满足要求，这里V取150 V。将上述已知量带入（2）式，得1=0.55 mH。

2) 输出滤波电容1

设输出电压的纹波值为Do，则电容值1可用（3）式求取

其中：Do为输出电压的允许纹波值，取0.5 V。

V为输入电压，范围是20～150 V。通过1对V求导数可知，二者成反比。即随着V的减小1增大。为了满足要求，这里V取20 V，得1=1350mF。考虑到实际情况取1为1500mF，同时考虑到耐压值，取耐压值为200 V，所以选择1500mF/200 V的电解电容。

3.3 UC3842控制电路设计

1）电压取样电阻1

设定升降压电路的输出电压为54 V，并且已知UC3842的电压反馈端的基准电压为2.5 V，则由欧姆定律知：

现在设定=10 kW，可得1=458W。

2）电流取样电阻

3）振荡器中T和T

振荡器频率由T和T决定，并且与1成反比关系，即提高可以降低1的大小。为了得到较高并且稳定的震荡频率，我们采用采用试验的方法。

首先选取T=0.01mF，用51 kW的电位器来代替T，将UC3842的PWM输出端6接到示波器上观察触发信号的频率和稳定情况。通过调节电位器的位置，可以发现当T=9.15 kW时，频率达到20 kHz，并且较稳定。

其中：T=0.01mF，T=9.15 kW。可以得到0=19.67 kHz，理论计算与试验结果相吻合。

3.4 蓄电池充电电路设计

实践证明，要保证铅酸蓄电池的使用寿命，正确充电方法是非常重要的，温度对充电有很重要的影响。为了充分发挥铅酸蓄电池的作用，在电池充电的过程中，应给电池充足电，尽量避免过充电，从而延长其使用寿命。铅酸蓄电池的电量和温度有关，所以在设计充电器电路时应考虑到温度对充电量大小的影响。为了达到充电效果，采用了基于UC3906的三种充电工作状态充电法。

1）铅酸蓄电池的大电流充电阶段；

2）铅酸蓄电池的过充电；

3）铅酸蓄电池的浮充电。

UC3906使用很少的外部器件就可以构成密封蓄电池的快速充电电路。如图5所示。

图中1、2和3组成的电阻分压器用以检测充电电池，通过与实际精确参考电压(REF)相比较来确定浮充电电压、过充电电压和涓电流充电的阀值电压。

4 升降压电路仿真与实验

利用MATLAB对BOOST-BUCK型升降压的设计进行仿真校验，建立仿真图型如图6所示。

假设直流电源的输入电流电压V设定为100 V，要求输出电压为54 V，电感电流的纹波为1.2 A，输出电压的纹波允许为5%，MOSFET的开关频率在20 kHz上下浮动，这里取20 kHz。则经计算占空比应取36%，设置以上电路原件参数后，对电路进行仿真，仿真结果如图7至图11所示。

从图中易见，电路进入稳态以后的仿真结果与根据公式计算出的结果基本吻合。

改变参数进行仿真，表1-表7都是在PWM波频率＝20 kHz，占空比D＝25％，电感＝1 mH，电容＝200mF，负载电阻L­＝18 Ω的基础改变单一量选择仿真时间＝0.25 s，采用ode15算法进行仿真得到的数据。

图6 BOOST-BUCK仿真电路图

图7 输出电压

图8 输出电压放大图

图9 MOSFET脉冲电压

图10 MOSFET脉冲电流

图11 储能电感电流

表1 占空比变化时输出电压与纹波电压

表2 负载变化时输出电压与纹波电压

从表1可以看出，占空比增加使纹波电压增大，同时会使输出电压上升。为了避免出现电压失调，要将占空比限定在一定范围内，程序中将占空比D限制在20%～50%范围内。

从表2可以看出存在一个合适的负载，即负载电阻约为40 Ω时，使纹波电压达到最小，约为0.07 V。还可以看出输出电压在输入电压不变的情况下与负载无关。

从表3看出，电感对输出电压和纹波电压基本上无影响，而会影响动态性能，表中振荡次数反映了这一点。但从仿真图中看到，电感减小，振荡次数会增加，但衰减更快，这是因为电感愈小，对电流的衰减阻碍也弱，相同时间内储能愈少，电流衰减更快。

从表4可以看出，电容对稳态电压无影响，主要影响纹波电压和动态调节性能。电容愈大，纹波电压愈小。这时因为电容愈大，其储能能力愈强，放电时电压衰减愈慢。从仿真图中还可以看出，电容愈大，调节时间会上升。

表3 电感变化时输出电压、纹波电压与振荡次数

表4 电容变化时输出电压、纹波电压与振荡次数

表5 PWM波频率变化时输出电压与纹波电压

从表5可以看出，PWM波频率对纹波电压有至关重要的影响，1 kHz时纹波电压可达5 V，而50 kHz时纹波电压只有0.08 V。因此选择合适的频率才能获得较稳定的输出电压。选择20 kHz是兼顾了较小的纹波电压和MOS管发热较少。

表6 输入电压变化时输出电压与纹波电压

从表6可以看出，输入电压减小时，输出电压也随之减小，纹波电压也减小。

表7是为方便调试提供达到输出36 V所需占空比参考数据。当输入电压减小时，要使输出电压稳定在36 V，则需增加占空比，通过仿真得到一个参考值，减小在硬件调试时的盲目性，同时还可以看出，占空比增加也会使纹波电压加大。

表7 输出电压达到36V对应的各参数

5 结论

本文介绍了离网型风力发电系统蓄电池充电器的设计方案，对具体电路进行了设计和参数计算，并通过MATLAB仿真和数据测量得到了较好的结果，达到了设计的目标。

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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

孙宏光（1987-），男，工学硕士，助理工程师，主要研究方向为电力集成技术。