基于單片機的小型戶用風(fēng)力發(fā)電控制實驗裝置設(shè)計方案*

趙紅玉，張智勇，馬振興，陳瑞

（喀什大學(xué)，新疆 喀什 844006）

根據(jù)國家氣象部門所公示的數(shù)據(jù)，我國陸地風(fēng)能可開發(fā)總量為5500 GW，其中實際可供開發(fā)量為3610 GW，風(fēng)能資源豐富地區(qū)有東北、華北和西北，東南沿海，廣東沿海及其島嶼等地區(qū)[1-2]。近幾年國家大力推廣風(fēng)能等清潔能源，投入了大量資金和人力資源。與傳統(tǒng)火電相比，風(fēng)力發(fā)電具有顯著優(yōu)勢。因此，設(shè)計一個基于單片機的小型戶用風(fēng)力發(fā)電機控制實驗裝置是非常有必要的。本文針對小型戶用風(fēng)力發(fā)電機控制器進行研究，控制系統(tǒng)中選用NE500M2 型風(fēng)力機為主體，包含控制面板、繼電保護電路、整流電路、斬波電路、蓄電池充放電控制電路、用電設(shè)備等部分。風(fēng)力機風(fēng)輪先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動機械能，然后帶動風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出三相交流電，經(jīng)過整流電路后變成直流電，再經(jīng)過降壓電路降壓后存儲在蓄電池中以供給負載使用。

需要解決的問題如下：一是本設(shè)計中采用的風(fēng)機風(fēng)輪直徑有1.75 m，需要裝設(shè)在高處，這與普通實驗室的環(huán)境是有矛盾的。為了不增加實驗室建設(shè)用地，風(fēng)機部分直接采用可調(diào)的交流三相電源代替。二是在不能實際裝設(shè)風(fēng)機的情況下，需要準確模擬出風(fēng)力發(fā)電過程中狀態(tài)。為了更清楚地讓學(xué)生理解風(fēng)力發(fā)電的工作模式，設(shè)計蓄電池電量顯示的模塊來顯示當(dāng)前電量。在風(fēng)機工作和不工作情況下，對負載供電情況進行分析，從而理解風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制過程。

1 小型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)原理

風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)動，再通過增速機加快轉(zhuǎn)動時速，進而使發(fā)電機發(fā)出電能。由于發(fā)電機發(fā)出的是交流電，其電壓幅值一般在13～25 V 之間變化，因此不能直接使用。解決這個問題的主要方法是利用蓄電池進行電能存儲，使用的時候再轉(zhuǎn)化成交流電。

目前廣泛應(yīng)用的離網(wǎng)式小型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機、整流電路、斬波電路、控制器、蓄電池、逆變電路、負載等組成[3-4]，電能一部分可直接供給相應(yīng)的直流負載，另一部分存儲在蓄電池中，在需要使用的時候利用逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給負載使用。

2 控制器設(shè)計

控制器的結(jié)構(gòu)見第60 頁圖1，發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)由整流電路、斬波電路儲存在蓄電池，在風(fēng)力機與發(fā)電機中間加入繼電保護電路保護控制電路[5]。難點主要是控制蓄電池兩端充電電壓和充電電流。單片機作為主控芯片，根據(jù)風(fēng)力機和蓄電池的工作狀態(tài)配合控制電路進行調(diào)節(jié)，即通過判斷當(dāng)前蓄電池電壓值來生成相應(yīng)的PWM 波，進而確定工作模式，并實時進行顯示，以便操作人員監(jiān)控或控制。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 風(fēng)機與蓄電池的運行狀態(tài)

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要由風(fēng)速大小、蓄電池狀態(tài)和負載情況決定，發(fā)電機輸出量與當(dāng)前負載的消耗量以及蓄電池儲能總量相匹配[5-6]。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般處于以下4 種狀態(tài)中的一種，且隨著風(fēng)速、風(fēng)向以及負載的變化，進行狀態(tài)切換。

工作狀態(tài)1：環(huán)境風(fēng)速低于風(fēng)力機的啟動風(fēng)速，此時風(fēng)力發(fā)電機無法發(fā)電，由蓄電池向負載供電。

工作狀態(tài)2：環(huán)境風(fēng)速高于風(fēng)力機的啟動風(fēng)速，此時風(fēng)力發(fā)電機可以發(fā)電，而蓄電池電量充足時，則可以由風(fēng)力機和蓄電池一起向負載供電，當(dāng)負載較小時，也可由風(fēng)力發(fā)電機單獨向負載供電。

工作狀態(tài)3：環(huán)境風(fēng)速高于風(fēng)力機的啟動速度，但蓄電池虧電較為嚴重時，為保護蓄電池的使用壽命，此時蓄電池?zé)o需向負載供電，而風(fēng)力發(fā)電機先向蓄電池輸送電能，不給負載供電。

工作狀態(tài)4：與第三種工作狀態(tài)相類似，當(dāng)蓄電池虧電嚴重，但環(huán)境風(fēng)速遠大于啟動風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能較多，在滿足為蓄電池充電之外，還可以為負載供電。

實驗裝置中，風(fēng)力發(fā)電機工作狀態(tài)和不工作狀態(tài)采用按鈕對三相交流電進行通斷控制來模擬。在蓄電池?zé)o需充電時，控制系統(tǒng)應(yīng)該有控制風(fēng)力機的剎車系統(tǒng)，本設(shè)計采用電源端口與電路連接的方式來模擬。

3 硬件設(shè)計

3.1 控制面板

根據(jù)設(shè)計需求，控制器面板見圖2?！癠”“V”“W”作為三相電的輸入接線端子，與風(fēng)力發(fā)電機直接相連，表示電壓輸入。LM016L 顯示屏顯示蓄電池端電壓及電池電量?！俺潆姟睙袅帘硎撅L(fēng)力發(fā)電機正在向蓄電池充電?！罢！睙袅帘硎拘铍姵毓ぷ鳡顟B(tài)正常?！胺唇印睙袅帘硎拘铍姵卣摌O反接，應(yīng)停止充電進行檢修。“ON”“OFF”是控制器總開關(guān)，按下“ON”風(fēng)力發(fā)電機向蓄電池充電，按下“OFF”控制器停止工作，蓄電池停止充電。當(dāng)蓄電池電量充足時，無需風(fēng)機繼續(xù)向電路供電，按下“風(fēng)機”鍵，切斷風(fēng)機與電路的連接，保護電路“+”“-”是蓄電池的正負極。選用LM016L 液晶顯示屏進行顯示。

圖2 控制面板

3.2 模塊設(shè)計方案

設(shè)計模塊分為發(fā)電機、單片機、鋰電池、整流電路、斬波電路、信號轉(zhuǎn)換電路、控制方式7 個模塊。本設(shè)計所模擬的是NE500M2 型風(fēng)力機，其額定功率500 W，額定電壓48 V，預(yù)設(shè)每天工作5 h。

磷酸鐵鋰電池配用額定容量為150 Ah，額定電壓為12 V。整流電路選擇三相橋式不可控整流電路。因為蓄電池電壓為12 V，發(fā)電機發(fā)出電壓為24 V，所以采用降壓斬波電路來向負載供電[7]。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為ADC0809。控制芯片采用STC89C52單片，由PWM 波來控制蓄電池的充電過程，通過調(diào)節(jié)PWM 波的占空比控制MOSFET 的開斷，獲得需要的充電電壓，從而實現(xiàn)恒壓充電功能。

4 軟件設(shè)計

充電過程主要分為以下3 種情況。

1） 若蓄電池電壓小于10.6 V，此時電池處于嚴重虧電狀態(tài)。先用5 A 的涓流電流對蓄電池進行預(yù)充電，當(dāng)電池電壓大于等于10.6 V 時采用大電流充電，此時PWM 波占空比100%。

2） 若蓄電池電壓大于等于10.6 V 小于11.4 V，此時電池處于普通虧電狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)用20 A 的大電流進行充電，充電電流隨著時間逐漸減小。表1 為輸出電壓10.6～11.6 V 與PWM 100%～0%占空比關(guān)系。

表1 部分輸出電壓與PWM 波的對應(yīng)關(guān)系

3） 當(dāng)電池電壓大于等于11.4 V 時，此時電池處于略虧電狀態(tài)。采用恒壓充電，期間逐漸減少充電電流，當(dāng)充電電流小于1 A 時充電過程基本停止。隨后采用涓流充電的方式，其充電很輕微，可省略。如此進入循環(huán)充電狀態(tài)。

5 仿真結(jié)果及分析

該模型的難點主要集中在蓄電池的充電過程，本文主要分析不同狀態(tài)下的蓄電池充電仿真結(jié)果。利用Protues 軟件按照圖1 的結(jié)構(gòu)示意圖建立仿真模型。結(jié)果分析為：一是充電、正常、反接燈能正常亮滅；二是可實時監(jiān)測蓄電池電壓值和電量值，如蓄電池普通虧電時的電壓值顯示為10.6 V，電量值為87%；三是能夠?qū)π铍姵剡M行充電，電壓值變化通過LCD 顯示。仿真結(jié)果與設(shè)計預(yù)期相符合。綜上所述，設(shè)計的控制系統(tǒng)達到設(shè)計初期預(yù)想。

6 總結(jié)

本文根據(jù)小型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)原理，設(shè)計了實驗用的風(fēng)力發(fā)電控制方案，包括系統(tǒng)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、模塊參數(shù)確定，利用Protues 軟件搭建了仿真模型，并進行了驗證。該方案的優(yōu)點是將室外的實訓(xùn)裝置遷移到實驗臺上，經(jīng)濟性好，未來可以考慮向智能化發(fā)展。