微型風(fēng)力發(fā)電機控制方法的比較與優(yōu)化

葉利境，徐政，陳銳堅

（1.清華大學(xué)深圳研究生院電力系統(tǒng)國家重點實驗室深圳研究室，廣東 深圳 518055；2.深圳天源新能源股份有限公司，廣東 深圳 518055）

微型風(fēng)力發(fā)電機控制方法的比較與優(yōu)化

葉利境1，徐政1，陳銳堅2

（1.清華大學(xué)深圳研究生院電力系統(tǒng)國家重點實驗室深圳研究室，廣東 深圳 518055；2.深圳天源新能源股份有限公司，廣東 深圳 518055）

針對微型風(fēng)力發(fā)電機與儲能蓄電池相結(jié)合的獨立電源系統(tǒng)，分析和比較不同控制方法對系統(tǒng)運行特性的影響，開發(fā)多種充電控制器，通過實驗測試和評估整流直接充電和MPPΤ控制充電的發(fā)電效率，并提出根據(jù)風(fēng)能資源條件的優(yōu)化產(chǎn)品方案，對微型風(fēng)力發(fā)電機的推廣應(yīng)用具有良好的指導(dǎo)意義。

微型風(fēng)力發(fā)電機；永磁同步發(fā)電機；最大功率點跟蹤；直流變換器；蓄電池

微型風(fēng)力發(fā)電機通常是指標稱額定功率小于1 kW、額定電壓范圍為12～48 V的風(fēng)力發(fā)電機，具有對風(fēng)能資源要求低、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等優(yōu)點。主要用于解決偏遠地區(qū)和孤島上的供電問題，為農(nóng)牧漁民帶來生活便利；在小型船舶、無線通信基站和邊防哨所等，也將其作為生活和設(shè)備的電源；另外，城市風(fēng)光互補道路照明系統(tǒng)中也會使用額定功率為300～500 W的風(fēng)力發(fā)電機［1-2］。

作為獨立電源，微型風(fēng)力發(fā)電機要與儲能蓄電池配套使用，以保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。因此，控制器的主要作用是充放電管理，即在保證蓄電池的良好狀態(tài)和使用壽命的前提下，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的高效發(fā)電運行。其中，放電控制環(huán)節(jié)較為簡單，根據(jù)蓄電池的儲能狀態(tài)進行投/切控制，由蓄電池直接對直流負載供電，或通過逆變器對交流負載供電。而充電控制環(huán)節(jié)直接影響風(fēng)力發(fā)電機的運行效率，是本文的主要研究內(nèi)容。

目前，微型風(fēng)力發(fā)電機控制器一般采用二極管全橋整流后直接對蓄電池充電的方式，控制簡單，成本低廉。但是，由于蓄電池對風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓的鉗位作用，不能保證系統(tǒng)始終處于最佳運行狀態(tài)。大型風(fēng)力發(fā)電機組通過各種最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPΤ）控制方法，保證系統(tǒng)高效運行［3-6］。而本文的風(fēng)電控制器只需通過DC/DC變換，就能實現(xiàn)MPPΤ功能。然而，DC/DC變換會增加控制器的功耗和成本，影響系統(tǒng)的發(fā)電效率和性價比。因此，本文從實際應(yīng)用出發(fā)，采用簡單、高效的電路拓撲，開發(fā)具有MPPΤ功能的DC/DC變換器，通過實驗比較不同控制方法對系統(tǒng)發(fā)電效率的影響，結(jié)合風(fēng)能資源條件和控制器成本，綜合評估系統(tǒng)效益，為推廣應(yīng)用提供優(yōu)化的選型策略和方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及特性

微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，由風(fēng)力發(fā)電機、蓄電池、控制器等組成。微型風(fēng)力發(fā)電機有多種類型，但考慮到產(chǎn)品技術(shù)成熟度和實際發(fā)電效率，以多葉片水平軸風(fēng)力機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機的產(chǎn)品為主［2］，蓄電池組的額定電壓一般與發(fā)電機的標稱額定電壓相匹配，控制器承擔(dān)蓄電池的充放電控制、滿足直流負載要求的穩(wěn)壓控制、滿足交流負載要求的逆變控制以及當(dāng)風(fēng)速高于切出風(fēng)速時的制動控制等。

圖1 微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Micro-wind power generation system

根據(jù)風(fēng)力機空氣動力學(xué)特性［4］，其輸出功率為

式中：CP為風(fēng)能利用系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；A為風(fēng)力機葉片掃風(fēng)面積，m2；v為風(fēng)速，m/s。

微型風(fēng)力發(fā)電機采用定槳距風(fēng)力機，CP是葉尖速比λ的函數(shù)，而λ與風(fēng)力機的風(fēng)輪半徑r（m）及轉(zhuǎn)速n（r/min）成正比，即：

變速運行的風(fēng)力機維持獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)CPmax的葉尖速比λopt為恒值，而與風(fēng)力機同軸相連的永磁同步發(fā)電機的感應(yīng)電動勢與風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速成正比。因此，在最佳運行狀態(tài)下，風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比，輸出功率與風(fēng)速的3次方成正比，而發(fā)電機的輸出電壓與風(fēng)速近似成正比。

利用試驗平臺測試微型風(fēng)力發(fā)電機的運行特性。風(fēng)洞由4臺軸流風(fēng)機和1臺調(diào)速控制變頻器組成，可提供風(fēng)速為2～11.5 m/s的實驗環(huán)境；發(fā)電機的輸出經(jīng)整流后接可變電阻0～40 Ω負載。通過調(diào)節(jié)風(fēng)速和電阻值，即可獲得不同風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機的運行特性曲線及準確的最大功率點。對多臺水平軸微型風(fēng)力發(fā)電機進行了測試，特性曲線相似。本文以1臺5葉片風(fēng)力發(fā)電機為例，規(guī)格參數(shù)為：額定風(fēng)速12 m/s，切入風(fēng)速3 m/s，切出風(fēng)速18 m/s；額定功率400 W，最大功率500 W；額定電壓24 V。實驗結(jié)果表明：

1）與恒定風(fēng)速對應(yīng)的功率—轉(zhuǎn)速曲線如圖2所示，功率—電壓曲線如圖2b所示，均為單峰值曲線，但后者略顯平坦。

2）最大功率點功率Pmax與風(fēng)速的平方相關(guān)，如圖2c所示，并非如式（1）所述的由風(fēng)速的3次方?jīng)Q定，最佳葉尖速比λopt穩(wěn)定在4.6左右。

3）最大功率點電壓與風(fēng)速基本保持線性關(guān)系，如圖2d所示，在試驗風(fēng)速范圍3～11.5 m/s內(nèi)，最大功率點電壓的變化范圍為13～49 V。

因此，當(dāng)對電壓較為穩(wěn)定的蓄電池充電時，只有采用DC/DC變換電路，才能保證風(fēng)力發(fā)電機始終處于高效運行狀態(tài)。

圖2 最大功率點實測結(jié)果Fig.2 Measured results of maximum power point

2 控制方法的比較

本文針對微型風(fēng)力發(fā)電機對蓄電池的充電環(huán)節(jié)，比較以下2種控制方法。

2.1 整流直接充電

整流直接充電控制電路如圖3所示，發(fā)電機的三相交流輸出經(jīng)三相二極管整流橋DB后，直接向蓄電池B充電，開關(guān)器件S為充電控制繼電器，充電時導(dǎo)通，停運或充滿時關(guān)斷。由于整流電路損耗小，對蓄電池的充電功率與發(fā)電機的輸出功率近似相等。

圖3 整流直接充電電路Fig.3 Rectified direct charge circuit

對24 V/100 A·h鉛酸蓄電池組直接充電的實驗結(jié)果表明，充電功率Pc基本隨著風(fēng)速線性增長如圖4a所示。但對比圖2c和圖4a可知，由于蓄電池對電壓的鉗位作用，充電功率低于最大功率點功率，且偏差的程度受風(fēng)速和蓄電池電壓的雙重影響，而標稱額定電壓24 V的鉛酸蓄電池組的正常工作電壓范圍為22～28 V。若定義功率損失Pmiss為

則由圖2b可得不同風(fēng)速和電壓條件下的功率損失曲線如圖4b所示。當(dāng)風(fēng)速大于7 m/s時，風(fēng)速越大、電壓越低，功率損失就越大；當(dāng)風(fēng)速小于7 m/s時則相反。因此，采用具有MPPΤ功能的DC/DC變換器，能夠提高風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率。

圖4 整流直接充電實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of directly charging with a rectifier

2.2 MPPT充電

為了實現(xiàn)從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速范圍內(nèi)的高效充電控制，需要使用DC/DC升降壓變換器，低風(fēng)速時升壓，高風(fēng)速時降壓。本文開發(fā)了結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低的Buck-Boost控制器［7］，以滿足低成本的要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。發(fā)電機的交流輸出經(jīng)整流和平波后，由開關(guān)器件S根據(jù)擾動觀察法調(diào)節(jié)導(dǎo)通占空比，實現(xiàn)MPPΤ功能，開關(guān)頻率為10 kHz。

圖5 Buck-Boost充電電路Fig.5 Buck-Boost charge circuit

圖6為使用Buck-Boost控制器的MPPΤ充電實驗結(jié)果，蓄電池的開路電壓為24.4 V。雖然控制器實現(xiàn)了良好的MPPΤ功能，發(fā)電機的輸出功率明顯增大，但由于控制電路功耗、高頻開關(guān)損耗和儲能電感L充放電損耗等，實測控制器的轉(zhuǎn)換效率約為83%，對蓄電池的充電功率并未獲得相應(yīng)幅度的增長。與整流直接充電實驗結(jié)果的比較如表1所示。在低風(fēng)速區(qū)，2種方法對蓄電池的充電功率都很小，差別可忽略不計；在中風(fēng)速區(qū)，MPPΤ充電的充電功率反而略低；只有在高風(fēng)速區(qū)，MPPΤ充電才略顯優(yōu)勢。

圖6 MPPT充電實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of MPPT charging

表1 不同控制方法的充電功率Tab.1 Charge power under different control methods

由此可見，控制器的轉(zhuǎn)換效率對能否提高充電功率具有舉足輕重的影響。由于Buck-Boost控制器的輸出電能全部要在儲能電感L中經(jīng)歷電—磁—電2次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率難以進一步提高，故本文推薦使用轉(zhuǎn)換效率更高的Buck電路。低風(fēng)速時，開關(guān)器件S保持導(dǎo)通，相當(dāng)于整流直接充電；高風(fēng)速時，開關(guān)器件S斬波降壓，實現(xiàn)MPPΤ充電。對開發(fā)的另一款Buck充電控制器進行了轉(zhuǎn)換效率測試，開關(guān)頻率20 kHz，充電功率100～300 W，轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在89～90%之間。

3 效益分析

根據(jù)上述實驗結(jié)果和最大輸出功率500 W的限制，可以確定從切入風(fēng)速3 m/s到切出風(fēng)速18 m/s整流直接充電與MPPΤ充電的充電功率曲線如圖7a所示，上升段曲線的擬合公式分別為

當(dāng)風(fēng)速升至13.6 m/s時，采用Buck降壓MPPΤ充電控制的發(fā)電機輸出功率達到500 W，充電功率為450 W，并一直保持到切出風(fēng)速；當(dāng)風(fēng)速升至15.3 m/s時，采用整流直接充電控制的發(fā)電機輸出功率才達到500 W，充電功率為490 W，并一直保持到切出風(fēng)速。

風(fēng)速的概率密度函數(shù)近似滿足威布爾分布［8］：

式中：k為形狀參數(shù)；c為平均風(fēng)速，m/s。

平均充電功率可以用下式來表達：

則年充電量Q（kW·h）為

以本文的實驗系統(tǒng)為例，表2為不同平均風(fēng)速下年充電量的計算結(jié)果，形狀系數(shù)k取2。MPPΤ年充電量QMPPT與整流直接年充電量Qrect的比值曲線如圖7b所示。

圖7 充電功率與年充電量比值Fig.7 Charge power and annual charge quantity ratio

由此可知，在平均風(fēng)速低于3 m/s地區(qū)，風(fēng)能利用效果差，不適宜推廣應(yīng)用；在平均風(fēng)速3～5 m/s地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先采用成本低、效率高的整流直接充電控制方法；在平均風(fēng)速大于5 m/s地區(qū)，采用Buck降壓MPPΤ充電控制方法，能夠增加約6%的有效年發(fā)電量，而控制器的硬件成本僅增加約50元。

表2 不同平均風(fēng)速條件下的年充電量Tab.2 Annual charge quantities under different average wind speeds

4 結(jié)論

微型風(fēng)力發(fā)電機的推廣應(yīng)用首先要選擇風(fēng)能資源可開發(fā)利用地區(qū)，其發(fā)電效率取決于控制方法和控制器的轉(zhuǎn)換效率。在平均風(fēng)速相對較低地區(qū)，應(yīng)優(yōu)選整流直接充電控制方法；而在高風(fēng)速地區(qū)，Buck降壓MPPΤ充電控制方法能夠提高系統(tǒng)的有效發(fā)電效率，具有較好的應(yīng)用價值。

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Comparisons of Control Methods for Micro-wind Power Generators and Its Optimization Analysis

YE Lijing1，XU Zheng1，CHEN Ruijian2
（1.National Key Laboratory of Power System in Shenzhen，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，Guangdong，China；2.Shenzhen Solartech Renewable Energy Co.，Ltd.，Shenzhen 518055，Guangdong，China）

Regarding a stand-alone power supply system including a micro-wind power generator with battery energy storage，the impacts of different control methods on system operating performance were analyzed and compared.Furthermore，several kinds of battery charging controllers were developed，and the corresponding generating efficiencies of rectified direct charging control and maximum power point tracking（MPPT）charging control were tested and evaluated by experiments.Finally，an optimized product solution based on wind resource condition was proposed which can provide a good guidance for the application of micro-wind power generators.

micro-windpowergenerator；permanentmagnetsynchronousgenerator；maximumpowerpointtracking；DC/DC converter；battery

TN721

A

10.19457/j.1001-2095.20170211

2016-01-26

修改稿日期：2016-08-20

葉利境（1990-），男，碩士研究生，Email：yelijingly@qq.com