一種離網型小型風力發電蓄電池充電器的設計

孫宏光，姜元軍，傅震宇

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一種離網型小型風力發電蓄電池充電器的設計

孫宏光1，姜元軍1，傅震宇2

（1. 海軍駐大連地區軍事代表室，遼寧大連 116021；2. 中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214400）

本文介紹了離網型小型風力發電系統的系統組成，根據風力發電系統的功能特點以及蓄電池設計中存在的三個難點設計出合理的蓄電池充電器。介紹了充電器各部分電路，著重對BOOST-BUCK電路原理進行分析，得到輸入電壓和輸出電壓之間的關系，同時利用MATLAB對BOOST-BUCK電路進行了仿真，得到各個參數對電路的具體影響，來進一步修正指導設計。

風力發電 蓄電池 充電器 BOOST-BUCK

1 引言

小容量離網型風力發電作為獨立的發電系統，結構簡單、安裝維修方便，可解決無法通過電網延伸供電的偏遠地區用電問題，是節能減排建設綠色家園的首選。

能量存儲對于小型離網型風力發電系統是非常重要的。蓄電池儲能以其低廉的價格，成熟的技術成為獨立運行風力發電系統最主要的儲能方式。由于持續的風速變化導致風力發電機輸出不斷變化，風力系統的輸出功率不可能時刻隨著負載的變化而變化，這也給蓄電池的合理充電帶來了很大的困難，設計高效穩定的蓄電池充電器對系統正常運行非常重要。

2 蓄電池充電電路工作原理

2.1 蓄電池充電器設計難點

風力發電機產生的交流電壓隨風速的變化而不斷變化，而風速的大小是無規律變化的，因此風力發電機產生的交流電壓的幅度和頻率都是變化的，將這樣變化的交流電變換成穩定的直流電難度較大，需要進行反饋控制。由于蓄電池組的端電壓為48 V，而風力發電機產生的電壓變化范圍很大，從幾伏到上百伏，因此需要設計復雜的升降壓電路來實現。

過充現象使電池容量減少。過充現象：硫酸鉛被轉換成了負極板上的鉛和正極板上的二氧化鉛，當電池內的大部分硫酸鉛被變成鉛和二氧化鉛后，隨之就出現了電池的過充電現象，導致氫氣和氧氣的產生。通過檢測電池充電電壓可以檢測過充電的出現。過充現象產生時，使蓄電池的電壓快速上升，而這時蓄電池并沒有把電量充滿，因此為了使蓄電池的電量恢復到100%，必須允許過充電現象的產生。

充電鉛酸電池的電壓具有負溫度系數，其單格值為-4 mV/C。在環境溫度為25℃時工作很理想的普通充電器，當環境溫度降到0℃時，該電池就不能充足電，當環境溫度上升到50℃時，電池將因嚴重的過充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉換電壓必須隨電池電壓的溫度系數而變。

2.2 蓄電池充電器的結構組成

基于風力發電系統的功能特性，以及2.1中對充電器設計的難點分析，將蓄電池充電器結構設計為三大部分：輸入整流濾波電路、升降壓電路、蓄電池充電電路。結構如圖1所示。

圖1 蓄電池充電器結構圖

3 蓄電池充電器的綜合設計

3.1 輸入整流濾波電路設計

輸入整流濾波電路是將風力發電機的交流電壓轉換成直流電壓，并要求輸入整流濾波電路應具有一定的輸出電壓保持能力和防止開關接通瞬間浪涌電流的軟啟動能力。設計了如圖2電路。

圖2 輸入整流濾波電路

3.2 升降壓電路設計

升降壓型（BOOST-BUCK）電路又稱串、并聯開關變換器電路，如圖3所示。由MOSFET (V)、二極管(VD1)、儲能電感(1)和濾波電容(1)組成。MOSFET以幾十千赫茲的頻率工作，在t期間V導通，t期間V關斷，工作周期為=t+t，工作頻率為=1/T。

圖3 BOOST-BUCK電路

1) 儲能電感1

在on期間， MOSFET導通，VD1截止，1儲能；在off期間，MOSFET截止，電感1向負載及電容釋放能量。電感電流中的紋波電流DL如式（1）所示

在電流連續的情況下，當Lmin的值等于零時，電感電流的紋波DL值最大。

電感值1可用(2)式求取

其中：0是下一級電路（蓄電池充電電路）的輸入電壓，設定為常值54 V。為MOSFET的開關頻率，與1成反比關系，即提高可以降低1的大小。這里取20 kHz。

DL為允許的紋波電流。額定輸入功率為1 kW，額定輸入電壓為56 V，則額定輸入電流L=17.86 A。取DL=20%′17.85=3.57 A。

V為輸入電壓，范圍是20～150 V。通過1對V求導數可知，二者成正比。即隨著V的增大1也增大。為了滿足要求，這里V取150 V。將上述已知量帶入（2）式，得1=0.55 mH。

2) 輸出濾波電容1

設輸出電壓的紋波值為Do，則電容值1可用（3）式求取

其中：Do為輸出電壓的允許紋波值，取0.5 V。

V為輸入電壓，范圍是20～150 V。通過1對V求導數可知，二者成反比。即隨著V的減小1增大。為了滿足要求，這里V取20 V，得1=1350mF。考慮到實際情況取1為1500mF，同時考慮到耐壓值，取耐壓值為200 V，所以選擇1500mF/200 V的電解電容。

3.3 UC3842控制電路設計

1）電壓取樣電阻1

設定升降壓電路的輸出電壓為54 V，并且已知UC3842的電壓反饋端的基準電壓為2.5 V，則由歐姆定律知：

現在設定=10 kW，可得1=458W。

2）電流取樣電阻

3）振蕩器中T和T

振蕩器頻率由T和T決定，并且與1成反比關系，即提高可以降低1的大小。為了得到較高并且穩定的震蕩頻率，我們采用采用試驗的方法。

首先選取T=0.01mF，用51 kW的電位器來代替T，將UC3842的PWM輸出端6接到示波器上觀察觸發信號的頻率和穩定情況。通過調節電位器的位置，可以發現當T=9.15 kW時，頻率達到20 kHz，并且較穩定。

其中：T=0.01mF，T=9.15 kW。可以得到0=19.67 kHz，理論計算與試驗結果相吻合。

3.4 蓄電池充電電路設計

實踐證明，要保證鉛酸蓄電池的使用壽命，正確充電方法是非常重要的，溫度對充電有很重要的影響。為了充分發揮鉛酸蓄電池的作用，在電池充電的過程中，應給電池充足電，盡量避免過充電，從而延長其使用壽命。鉛酸蓄電池的電量和溫度有關，所以在設計充電器電路時應考慮到溫度對充電量大小的影響。為了達到充電效果，采用了基于UC3906的三種充電工作狀態充電法。

1）鉛酸蓄電池的大電流充電階段；

2）鉛酸蓄電池的過充電；

3）鉛酸蓄電池的浮充電。

UC3906使用很少的外部器件就可以構成密封蓄電池的快速充電電路。如圖5所示。

圖中1、2和3組成的電阻分壓器用以檢測充電電池，通過與實際精確參考電壓(REF)相比較來確定浮充電電壓、過充電電壓和涓電流充電的閥值電壓。

4 升降壓電路仿真與實驗

利用MATLAB對BOOST-BUCK型升降壓的設計進行仿真校驗，建立仿真圖型如圖6所示。

假設直流電源的輸入電流電壓V設定為100 V，要求輸出電壓為54 V，電感電流的紋波為1.2 A，輸出電壓的紋波允許為5%，MOSFET的開關頻率在20 kHz上下浮動，這里取20 kHz。則經計算占空比應取36%，設置以上電路原件參數后，對電路進行仿真，仿真結果如圖7至圖11所示。

從圖中易見，電路進入穩態以后的仿真結果與根據公式計算出的結果基本吻合。

改變參數進行仿真，表1-表7都是在PWM波頻率＝20 kHz，占空比D＝25％，電感＝1 mH，電容＝200mF，負載電阻L-＝18 Ω的基礎改變單一量選擇仿真時間＝0.25 s，采用ode15算法進行仿真得到的數據。

圖6 BOOST-BUCK仿真電路圖

圖7 輸出電壓

圖8 輸出電壓放大圖

圖9 MOSFET脈沖電壓

圖10 MOSFET脈沖電流

圖11 儲能電感電流

表1 占空比變化時輸出電壓與紋波電壓

表2 負載變化時輸出電壓與紋波電壓

從表1可以看出，占空比增加使紋波電壓增大，同時會使輸出電壓上升。為了避免出現電壓失調，要將占空比限定在一定范圍內，程序中將占空比D限制在20%～50%范圍內。

從表2可以看出存在一個合適的負載，即負載電阻約為40 Ω時，使紋波電壓達到最小，約為0.07 V。還可以看出輸出電壓在輸入電壓不變的情況下與負載無關。

從表3看出，電感對輸出電壓和紋波電壓基本上無影響，而會影響動態性能，表中振蕩次數反映了這一點。但從仿真圖中看到，電感減小，振蕩次數會增加，但衰減更快，這是因為電感愈小，對電流的衰減阻礙也弱，相同時間內儲能愈少，電流衰減更快。

從表4可以看出，電容對穩態電壓無影響，主要影響紋波電壓和動態調節性能。電容愈大，紋波電壓愈小。這時因為電容愈大，其儲能能力愈強，放電時電壓衰減愈慢。從仿真圖中還可以看出，電容愈大，調節時間會上升。

表3 電感變化時輸出電壓、紋波電壓與振蕩次數

表4 電容變化時輸出電壓、紋波電壓與振蕩次數

表5 PWM波頻率變化時輸出電壓與紋波電壓

從表5可以看出，PWM波頻率對紋波電壓有至關重要的影響，1 kHz時紋波電壓可達5 V，而50 kHz時紋波電壓只有0.08 V。因此選擇合適的頻率才能獲得較穩定的輸出電壓。選擇20 kHz是兼顧了較小的紋波電壓和MOS管發熱較少。

表6 輸入電壓變化時輸出電壓與紋波電壓

從表6可以看出，輸入電壓減小時，輸出電壓也隨之減小，紋波電壓也減小。

表7是為方便調試提供達到輸出36 V所需占空比參考數據。當輸入電壓減小時，要使輸出電壓穩定在36 V，則需增加占空比，通過仿真得到一個參考值，減小在硬件調試時的盲目性，同時還可以看出，占空比增加也會使紋波電壓加大。

表7 輸出電壓達到36V對應的各參數

5 結論

本文介紹了離網型風力發電系統蓄電池充電器的設計方案，對具體電路進行了設計和參數計算，并通過MATLAB仿真和數據測量得到了較好的結果，達到了設計的目標。

[1] 路求生. 常用充電器電路與應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2004.

[2] 何希才. 新型開關電源設計與應用[M]. 北京: 科學出版社, 2001.

[3] 孫頻東. 升降壓型DC電源的設計與制作[J]. 南京師范大學學報, 2002, 2(4).

[4] 路秋生, 趙紅, 唐繼芳. 采用UC3906的開關型鉛酸蓄電池充電電路. UPS引用. 2006年5月.

[5] 栗書賢等. 電力電子技術實驗[M]. 北京: 機械工業出版社, 2004年.

[6] 陸治國. 電源的計算機仿真技術[M]. 北京: 科學出版社,2001.

[7] 陳桂明, 張明照. 應用MATLAB 建模與仿真[M]. 北京: 科學出版社, 2001.

[8] 李傳琦. 電力電子技術計算機仿真實驗[M]. 北京: 電子工業出版社.

[9] 湯建新, 馬皓. 電力電子技術試驗教程[M]. 北京: 機械工業出版社, 2007.

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

孫宏光（1987-），男，工學碩士，助理工程師，主要研究方向為電力集成技術。