风力发电机最大功率匹配充电控制器的设计

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风能作为-种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为 2.74×109MW，其中可利用的风能为 2 X 10 MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大 l0倍。我国幅员辽阔，风能资源丰富，分布面广，据估算，我国陆地可开发风能储量约为2.5亿千瓦，海上风力资源量更大，可开发风能储量约为 7.5亿千瓦，开发利用潜力巨大。随着全球经济的发展和人们对环保意识的提高，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。风力发电-方面作为化石能源的替代品向大规模 、产业化的风力发电场发展。另-方面以中小型离网式风力发电为分散、边远用户提供电力。我国的中小型风力发电机常指 10 kW 以下的、独立运行的、用蓄电池储能的风力发电机组，可为边远山区、草原、海岛、渔排等无电地区提供生活、生产用电。

中小型风力发电机系统-般由风力发电机、充电控制器 、储能元件(最常采用的是蓄电池)等主要部件构成。通过风力带动风力发电机风叶及内部发电机转动，在风力发电机输出端输出电能。现今较流行的中小功率风力发电机输出的是三相交流电，通过相匹配的充电控制器将交流电整流并加于控制在储存到储能元件如蓄电池中。

1 最大功率匹配充电控制器硬件设计单纯的风力发电机并不能完成风能到电能的转换，只能在输出端产生感应电动势，没有合适储能设备以及高效、安全的充电控制器就不能发挥风力发电机发电系统的优势。

因为风量的不稳定程度比太阳能高较多，所以对储能元件及充电控制器的要求更高。在风力较低情况下直充式控制器的就能完成合适的风能转换，而且可以减少控制驱动单元的十几至几十w 的电能 自身消耗，但是当风量较足时，输人输出级的近似等效阻抗越来越不匹配，较多的风能转换成无功功率，没能充分将风能转换成电能。最大功率匹配充电控制器将充电过压过流保护及风能最大利用等功能集合-体，通过 ATMEGA16单片机对充电状态的电压、电流等参数进行实时检测，相应调整 SG3525开关电源变换器拈与继电器切换拈。系统结构框图如图 1所示。

图 1 系统 结构框 图框图介绍：风力发电机三相交流电经过三相整流器整流输入系统，默认情况是通过继电器直接到蓄电池储能单元，主控拈采集输人电压电流等数据量并处理。当-段时间上的输入电流大于设定值表示此时风力较强 ，开启 SG3525全桥开关电源模块，并切断继电器，采用快速逐步逼近法运算输入电压电流以及输出电压电流的值，来调整 SG3525全桥式开关电压拈，使输人输出级快速逼近最大功率匹配点，提高风能的利用率将更多有效的风能转换成电能储存到蓄电池储存中。

收稿 日期：2013-05-08基金项目：辅势技厅2011年科技计划重点项目《风光互补发电系统开发与应用》(编号2011H0007)作者简介：翁 伟(1976-)，男，辅莆田人，讲师，硕士，研究方向：机电-体化。

234《装备制造技术2013年第 8期风力发电机的电压输出随着风力增加而增加，风力发电机为了可以在比较宽的风力情况下充电，通常选用与较低直流 电压 (DC12V、DC24V、DC48V等)的蓄电池作为储能单元。用低电压蓄电池作为储能单元，在强风时通过控制器的电流将会较大，全桥式开关电源拈，在大电流DC-DC功率转换应用中有较多优点。

SG3525开关电源控制芯片和全桥式开关电源变换器控制构成硬件闭环电路 ，硬件闭环较软件闭环的优点是控制响应速度快、系统稳定，抗干扰强。这样也极大的减轻了主控芯片 Atmegal6的负担，让主控芯片专心”做运算处理，将处理结果通过 10口及DA转换芯片间接控制全桥式开关电源。

2 最大功率匹配充电控制器软件设计软件流程图(如图 2所示)系统开始时默认处于直充模式，风力发电机三相整流输入直接经过继电器到蓄电池将风力发电机发出的电能储存到蓄电池中。检测此时的输入输出电压电流并运算出功率，如果出现蓄满 、过压情况时，关闭继电器及 SG3525全桥式开关电源拈，直到蓄电池电压低于额定充饱电压的85%，继电器重新闭合进入直充模式。

图 2 软件流程 图通过 ATMEGA16实时采集输出电压电流来计算充电功率，若输人功率平均值大于额定功率的30%，则转换到最大功率匹配模式。在最大功率匹配模式下 ，开启 SG3525全桥式开关电源拈，对采集的输出电压电流进行运算，采用扰动电压观察法将控制量反馈给SG3525及DA拈，逼近最大功率匹配点，实现最大功率匹配跟踪。如果输入功率小于额定功率30%，单片机关闭SG3525全桥控制器转换拈，控制继电器闭合进入直充模式。在风力较小情况下，直充模式可以减少SG3525控制、功率驱动的自身消耗，更助于此时风力发电的储能。当充电电流大于蓄电池额定充电电流时，切换到直充模式 ，此时减少了蓄电池的充电电流，这样可以保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命。

3 最大功率点追踪算法的选取最大功率点追踪(MPFr)算法常用的有：扰动观察法、最佳叶尖速比法、爬山搜索法等。

(1)最佳叶尖速比法：需要额外测出风速信号或者机械功率信号，用它与风力发电机机的转速信号相比较 ，组成闭环控制系统，调整最大功率输出。风力机的转速与风力成正比与风力发电机的最大机械功率开立方成正比。本方案缺点需要取得准确的风速信号或者机械功率信号。

(2)爬山搜索法：需要采集风力发电机转速信号，通过算法对风力发电机转速进行扰动，判断发电功率的变化方向，但因为风速的变化往往比转速变化的快 ，特别是大型风力大电机有较大的惯量，得不到及时响应。

(3)扰动观察法 ：对输出电压施加扰动，根据输出功率变化决定下-步动作实现最大功率跟踪，不需要测量风速转速等信号，普遍应用于风力和太阳能发电系统的最大功率跟踪技术，结构简单，程序设计统-，虽然最大功率跟踪点工作在最大功率匹配点左右，会有-定的能量损失。

综上所述，本系统考虑不改变风力发电机结构设计额外增加成本并且有较快的响应能力选用扰动观察法。

4 结束语本文介绍了基于 ATMEGA16单片机和开关电源芯片 SG3525的风力大电机最大功率匹配充电控制器的硬件软件设计，该充电控制器能够根据风力大小引起的充电器输入输出电压电流变化的趋势，通过 ATMEGA16运算跟踪风力发电机最大功率匹配点，此时可以提高风能 10%～30%的利用率。由于采用了扰动观察法的运算方式，所以不需要对风力235Equipment Manufacturing Technology No.8，2013发电机结构进行改变或增加其它检测装置等复杂的设计。该充电控制器可以在风速较低与风速较高时，优先选用继电器直冲方式，减少驱动全桥式开关电源的损耗以及蓄电池过流充电的保护，更适用于风力变化较大的应用区域。