小型风力发电控制器设计
1 引言
1．1 本课题的意义
1.1.1 风力发电的意义
随着现代工业的发展和社会的进步，人们对供电持续性和供电量的要求也越来越高。而煤炭、石油的日趋减少，开发新能源成为当今社会最热门的话题之一。风能作为一种自然资源，它有取之不尽、清洁无污染等优点，所以被人们称为“绿色资源”受到青睐[1]。利用可再生能源可以节约能源和保护环境，而风力发电与其它再生能源相比，更具竞争潜力，因而发展迅速。我国幅员辽阔，居民分布东多西少。考虑到生活在边远地区的农、牧民以及沿海地区岛屿上的渔民、边、海防哨所、通讯塔站及微波中继站等居民的用电特点，用常规电网覆盖他们十分困难，而且也很不经济。因此在我国的许多边远地区，电力短缺造成经济，文化与教育的严重落后。但由于这些地区一般风力资源比较丰富，因此在这些地区大力推广小型风力发电机系统的应用也将是一种比较理想的策略[2]。
1.1.2 目前户用小型风力发电存在的问题
风力发电是涉及电机、电力电子、电化学、机械、空气动力学、计算机、自动控制、气象等多种学科的综合课题，大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电；小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用除能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)。常见的独立运行小型风力发电系统框图如图1.1所示[3]。
控制器逆变器交流负载蓄电池直流负载
图1.1 小型风力发电系统框图
由于风能的随机性和不稳定性以及负载的随时变化使得现有小型风电系统仍然存在不少问题。
1、效率较低，现有系统一般采用发电机输出直接对蓄电池进行充电，并没有对风电转换环节进行控制，使得风能利用系数比较低，一般在0.3左右。据贝茨理论风能利用系数的极限值为0.593，如果控制风力机总是以最佳叶尖速比运行，年发电量可以提20%～
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30%。
2、蓄电池的工作状态不尽合理，使得其寿命短暂，一般两三年就得更换，增加了整机维护成本，不合理使用主要是充电方式与蓄电池可接受特性相距甚远。电池使用寿命短，则会使得度电成本居高不下，从而使小型风力发电系统难于推广应用。
3、小型风力发电系统中，蓄电池的充电设备均有欠、过压保护装置，如果电压波动不稳，变化幅度较大，势必会造成这些装置频频动作，对这些保护装置的寿命造成直接的影响。
4、没有考虑风能变化、负载变化以及蓄电池状态相互之间的关系；
5、小型风力发电系统由于成本的原因，发电机和蓄电池的保护措施比较简单，这就导致系统的综合可靠性和效率较差，往往达不到设计使用寿命[4]。
1.1.3 本课题的重点
现有的小型风力发电系统存在能量转换效率低、蓄电池使用寿命短、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等问题。因此提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，正确地监控蓄电池状态，确保蓄电池的正确使用、延长蓄电池的使用寿命对小型风力发电有着重要意义。本文研究的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计简单、高效、高可靠性的风机控制器，实现风电系统可靠及优化运行。控制器是由一些电子元器件组成，起一个“开关”的作用[5]。当风力发电机输出的交流电经过整流后，如果蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路接通，风力发电机开始向蓄电池充电；当蓄电池电压上升到保护电压的时候充电控制开关电路截止，风力发电机停止向蓄电池充电，以免蓄电池过充影响寿命。
在实际运行中，控制器应具有以下主要功能：
1、保证风机安全运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行； 2、减少风速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定，减少纹波； 3、合理调度系统电能，保证向负载提供连续电能；
4、保护蓄电池，防止过充和过放，提供足够充电能量进行快速充电[6]。
综上所述，研究可靠性更高、价格更廉的小型风力发电控制器，对于增强市场竞争能力，加速小型风力发电的普及和应用，节约能源和保护环境都具有重要意义。
1．2 蓄电池的工作原理
1.2.1 铅蓄电池的电化学特性
蓄电池在风力发电系统中是作为储能器件使用的。常见的蓄电池有铅酸蓄电池和碱性蓄电池。本文采用铅蓄电池，它是用铅和二氧化铅作为负极和正极的活性物质，以27%～37%浓度的硫酸作为电解液的电池，即通常所说的铅酸蓄电池。
依据哥来德斯东和特利浦双硫酸化理论：铅酸电池释放化学能的过程是负极进行氧
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化，正极进行还原的过程；电池补充化学能的过程则是负极进行还原，正极进行氧化的过程[7]。
铅蓄电池充电时，正极上的硫酸铅氧化成二氧化铅，负极上的硫酸铅还原成金属铅；放电后正、负两极都生成硫酸铅(PbSO4)这种硫酸盐。
放电反应和充电反应互为可逆反应。放电反应消耗电解液中的硫酸，生成水，结果是硫酸溶液的浓度下降。充电时极板中的硫酸铅转变成铅和二氧化铅，把硫酸根放回电解液，与水形成硫酸(H2SO4)，浓度又逐渐上升，最后达到一稳定值。因此，可以用电池中硫酸溶液的密度来衡量电池充放电的程度。
铅蓄电池放电时，它的大部分化学能转换成电能供给外电路，一小部分化学能转换成热能散失掉。同时活性物质和电解液转变成PbSO4+2H2O+PbSO4这个物质体系。在放电过程中，蓄电池内的电化学反应吸收热量，内阻产生的热量被电化学反应吸收，所以放电时蓄电池温升较低。
充电时，蓄电池把外界传输给它的电能转换成化学能储蓄到Pb+2H2S04+S02这个物质体系之中。这个物质体系比PbSO4+2H20+PbSO4含有更多的化学能。因此，刚充足电的蓄电池电压高，电解液浓，能量多。所以要特别注意和小心避免发生短路。
在充电过程中，蓄电池内的电化学反应释放热量；此外，充电电流流过蓄电池的内阻时，也产生热量，蓄电他的温度因此升高[8]。蓄电池充电电流越大，温升越高，就是这个缘故。充电时还伴随着一个很难避免的副反应，就是电解水生成氢气和氧气。特别是充电后期，电压升高了，电能主要消耗在电解水方面，而且对极板活性物质很不利。因此在充电过程中要对蓄电池进行过充电保护。
1.2.1 蓄电池充电器的发展
充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。充电器的发展经历了三个阶段：
1、限流限压式充电器
最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅 寿命表述就是时间，没有次数，比如10年[9]。这种充电模式的效果较差。
2、恒流/限压式充电器是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。首恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之换电压就是第二阶段的恒电压。这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能成充电效率低，大大降低了电池的寿命。
3、自适应智能充电器
随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称 代充电器。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊法不断调整充
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电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调的输出电流，无需人工选择，避免操作失误[10]。
2 系统总体设计
2.1 课题要求
目前，小型风力发电机都采用蓄电池贮能，电器的用电都由蓄电池提供，蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充。由于风能的随机性以及风速变化范围比较大，给蓄电池充电带来困难。本课题将初步设计一个风力发电系统中的控制器，实现蓄电池的充电控制。
具体内容和要求包括：
1、对国内外小型风力发电能量存储研究现状和常用的蓄电池充电方法有深入了解。 2、完成控制蓄电池充电的硬件设计方案，包括硬件选型。建立起以单片机为主控制芯片的控制系统，带有必要的保护功能。
3、完成基本程序的编写和调试，能满足蓄电池在充电电流不超过Imax=（0.1C～0.5C）A，充电电压不高于过充电压的情况下，快速给蓄电池供电。
4、所设计的系统应能实现基于单片机的蓄电池安全快速充电，并能带有必要的显示功能，使适用者及时了解蓄电池的充电情况。
2.2 采取的充电控制策略
本文结合了一些普通充电器的充电策略，又根据风力发电的不稳定性和蓄电池的充电特性做出了以下的充电策略：
充电过程分为三个阶段：涓流充电阶段、大电流充电阶段和浮充电阶段。通过采样电路得到实时的蓄电池的充电电流和充电电压数据，CPU根据A/D送来的数据判断蓄电 的充电状态，输出相应的D/A数据，从而得到合适脉宽的PWM波，调节蓄电池的充电电流。在每个充电阶段，如果充电电流大于了规定的电流值，CPU会调节D/A输出，从而调节充电电流。另外，系统还包括键盘模块，当使用者不满意当前的充电电流时，可以用键盘设置D/A参数，调节电流。在本设计中，为了节省CPU的时间，键盘采用的是中断扫描的方式。LED显示模块实时显示充电电流、充电电压和PWM输出百分比。
3 硬件电路部分
3.1 硬件原理图的总体设计
如图3.1所示：
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PWM输出电路D/A转换电路显示电压检测电路
驱动电路单片主充电电路机蓄电池A/D转换电流检测电路键盘
图3.1 硬件结构框图
蓄电池充电控制系统的电路框图如图3.1所示，主控制器采用AT89C51微处理器为控制核心，辅助电源用于提供电路所需的多路电压，A/D采样电路完成电流和电压的采样，驱动电路驱动充电电路中的MOS管的通断来调节充电电流，实时打开卸荷电路防止蓄电池过充。
3.2 风力机选型
在本设计中选用的是HY-400型风力机。其技术参数如表3.1所示。风力涡轮机叶片由超高强度的工程塑料精密铸造成型，风轮运转平稳而宁静。该风轮的翼型经气动力学专家精心设计而成，具有极低的启动及切入点，极高的风能利用效率并能依藉叶片自身的气动力效应防止任何风况下飞车。发电机采用优质高强永磁材料，发电机体积小、重量轻而且发电效率高。电机专家独特的电磁设计技术造就了该发电机具有及其微小的起动阻力矩，有效保证了HY系列在微风中便能启动。该发电机的 发电效率、起动性能以及超速过载能力堪称当今世界一流。整机全部采用优质铝合金精密压铸部件与不锈钢配件，整机重量极轻。广泛适用于-30℃～60℃气温、高湿度、风沙及盐雾等多种环境，具有极高的可靠性。
HY型小型风力发电机造型优美、安装简便[11]。
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