雙向葉輪直驅式潮流發電機及其最大功率控制系統研究

孟慶桐 張 利 白連平

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雙向葉輪直驅式潮流發電機及其最大功率控制系統研究

孟慶桐 張 利 白連平

（北京信息科技大學，北京 100192）

海洋能源是新能源中不可或缺的一種。由于海水的能量密度遠遠高于風能和太陽能，因此潮流發電在新能源領域一直是研究的新方向。潮流發電如何將產生的電能進行最大能量捕獲，以及保持發電機處于最佳運行狀態上，都是目前研究的重點。本文在潮流發電方向中，自主研制了一套潮流發電機組，為實驗室模擬潮流以及實際海域發電提供良好的發電單元，并進一步設計出與之相配套的最大功率控制系統。該系統采用可應用于潮流發電的改進型最大功率跟蹤（MPPT）控制算法；以及多電池均衡充電策略，即階梯擇優電池切換控制策略，保證潮流系統持續運行在最大功率。該控制系統在實際海域已進行實驗和控制算法驗證，為進一步探索潮流發電有深遠的影響。

改進型MPPT控制算法；潮流發電；最佳運行；控制系統

海洋能是一種大規模仍未被完全開發的可再生能源，其中發電形式大致可分為潮流發電、波浪發電、溫差發電、鹽差發電[1]。本文所研究的發電形式主要針對潮流能發電，潮流發電在能量上具有周期性，并且發電密度遠高于其他新能源[2]。針對潮流發電，本文先對所設計的潮流發電機做簡要介紹，其次主要闡述潮流發電系統核心電路設計，以及整個系統工作在最佳狀態時的算法研究。

1 雙向葉輪直驅式潮流發電機

雙向葉輪直驅式潮流發電機結構如圖1所示。圖1所展示的為外殼透明的小型發電機組，每個發電機額定功率為20W。發電機組兩邊是永磁發電機，中間是雙向葉輪，兩臺發電機和雙向葉輪同軸聯接，發電機軸伸部分安裝在葉輪的軸孔中間。發電機設計采用集中繞組設計，發電機組以葉輪為中心，兩邊是對稱的。發電機另一端是“子彈頭”形的分流罩，可以有效減小水流直接沖擊到發電機端面的水流阻力。發電機通過支板安裝在圓形導流筒內，導流筒兩端分別有兩個匯流罩，起匯流作用，增大導流筒中水的流速，起到匯集能量的作用[3]。雙向葉輪直驅式潮流發電機組裝置結構緊湊，成本低，系統效率高。此發電機的設計主要為初步研究潮流發電最大功率跟蹤控制算法提供良好的發電單元，并方便在實驗室進行潮流模擬發電實驗。

圖1 20W雙向葉輪直驅式潮流發電機

2 潮流控制系統主要電路設計

潮流發電系統的控制電路部分在整個發電系統中起關鍵作用。其主要功能是將潮流發電機所發出的電能合理地分配給相應的儲能電池組中。電路部分包括：①控制部分，包括主線路對電流控制，以及對電池組中每塊電池自由的切入切出的控制； ②采集部分，包括對主線路上電壓、電流的采集、以及每塊電池開路電壓、溫度的采集。系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

2.1 采集電路設計

采集電路分為兩部分，其中對主線路采用霍爾采集電壓電流，采集位置在Buck斬波電路之后。對于電池組部分，系統要求對每塊電池進行電壓及溫度采集，將采集的信號通過SPI總線傳給MCU，反饋信號的精確性是潮流發電機可以運行在最佳狀態的有力保證。

其中電池電壓采集，本文選用高精度的ADS1256芯片采集電池上的開路電壓，精度可以達到0.001，可實現8路信號電壓采集。由于電池串行連接，在電池兩端直接測量電壓會產生較大的共模電壓，因此本系統選用TI公司共模抑制比高達86dB的INA148芯片測量，再將采集到的電壓值經過電阻分壓網絡給到AD芯片。同時本系統還在每塊電池貼上DS18B20溫度傳感器，對系統計算SOC作溫度補償[4]。電池采集電路框圖如圖3所示。

圖3 電池采集電路框圖

2.2 控制電路設計

在整個系統中，分為電流控制電路及電池控制單元。電流控制電路控制主線路上的電流，這里選用Buck電路。對線路上電流控制就是保證儲能設備上流過的電流不宜過大，以減少大電流對電池的 沖擊。

電池控制單元可以實現對4塊電池進行不停機串聯切入切出，控制框圖如圖4所示。控制單元選用的開關元件為繼電器，每兩個繼電器分別控制電池的正負極，選用繼電器主要是考慮繼電器處于閉合狀態時不產生壓降，減少電能損失。本系統選用12V/7Ah鉛酸蓄電池，每4塊串聯占用一個電池控制單元，其中電池控制單元可以根據發電電壓的大小，實現級聯操作。

圖4 電池控制單元框圖

3 改進型MPPT算法

多用于太陽能光伏系統中的MPPT算法，可以很方便地追蹤最大功率，滿足蓄電池充電要求。在潮流發電系統中，潮流也存在周期性變化，但相對于太陽能來說，周期變化速度快，往復性強。目前，MPPT常用的算法為擾動觀察法及電導增量法，擾動觀察法容易實現，但是對于潮流變化比較快的環境下，這種方法會出現比較大跟蹤誤差，在發電功率上有很大的損失，在程序運行上也會出現計算跑偏。電導增量法在計算最大功率時，波動較小，精準性高，但要求單片機不斷對要測量的量進行A/D轉換。

考慮到本系統的STM32速率可以達到72MHz，完全滿足工作要求。因此這里選用可變步長的電導增量法去尋找最大功率點。

進一步簡化可得

圖5 潮流發電P-U曲線

為驗證改進型MPPT法追蹤潮流發電系統最大功率的準確性，將潮流發電機運行在流速為1.25m/s的潮流模擬裝置中，對發電系統投入1節鉛酸蓄電池充電，采用PI算法追蹤最大功率，得到的發電功率及占空比調節如圖6所示。

圖6 發電功率及占空比變化曲線

4 階梯式擇優串聯電池切換策略

由于本系統在主線路上采用Buck斬波電路，因此在進行如上算法前，首先要根據此時的發電電壓選擇投入串聯電池數量。本文采用階梯式擇優串聯接入的方法實現。此類方法要求系統不斷地測量每一個電池的開路電壓，其中本系統采用的是閥控式鉛酸蓄電池，開路電壓又與近似成線性關系，如圖7所示。電池的計算本文采用電流積分的方法即可方便實現。

圖7 電池SOC-OCV曲線

擇優串聯接入的方法就是保證串入電池的總電壓要小于此時主線路電壓的70%即可。其中串聯電池接入的數量根據電池開路電壓的大小計算得知。系統每5min計算一次鉛酸蓄電池的剩余容量，判斷在該時刻是否存在小于25%的電池，若存在電池，則進一步對小于25%的電池細分，以單位為5%的一小組分類，共5個階梯組，系統建立5個二維數組分別存儲5個階梯組的電池標號及值，并分別對這5組電池在系統中進行由小到大排序，以優先選擇最小的蓄電池所在組別充電原則充電，投入該小組最小電量的蓄電池充電，階梯擇優串聯電池切換算法流程圖如圖8所示。

在充電過程中，系統加快計算間隔時間，以每1min計算該充電電池所在小組的所有電池值，當最小電量的電池充電達到小組中最為接近的電池值時，進一步判斷與其相接近電池在電氣連接上是否為充電電池左右串聯。若兩者中間無電池串聯，則系統改變繼電器開關動作，同時為兩塊電池共同串聯充電，在繼續充電過程中，兩個串聯電池達到小組中排序最為接近電池電量值時，若該電池為兩電池串聯相相鄰電池，則串入共同充電，依次類推；當充電電池的值達到其他電池值時，若系統判斷充電電池與接近電池不相鄰，則不改變繼電器動作，繼續為投入的電池充電，直到該電池超過該小組判斷閾值。當最小階梯小組中所有電池按如上方法充電到第二階梯小組時，按照上述方法繼續充電，以此最終達到為25%的充電要求，再對下一個階梯大組充電。若系統在一開始判斷電池電量沒有小于25%的電池，則直接進入下一個階梯大組判斷電池剩余電量，直到找到最小未充滿電電池的階梯大組，再進入階梯小組充電，直到所有電池充滿電為止。系統在每一階梯小組充電過程中，當出現超過2節的串聯電池充電時，可以改變電池串聯組合，分開充電，以滿足調整負載進一步達到最大功率充電的要求。例如，在某一小組中存在有3個串聯電池共同充電，若標號為3、4、5，則可改變的充電組合可以是3、4、5、34、45、345。

圖8 階梯擇優串聯電池切換算法流程圖

圖9 系統控制流程圖

5 實際海域試驗驗證

目前，本套潮流實驗系統已在北戴河以及青島做過試驗，潮流發電海試照片如圖10所示。實際海域中，潮流流速在一天中變化不定，每一時刻潮流發電機所產生的最大功率都會不同。

圖10 潮流發電海試照片

通過測量實際海域的潮流流速，得到30s內的潮流流速曲線，如圖11所示。

圖11 實際海域潮流流速曲線

在該時間段潮流流速保持在1.6m/s的流動速度，將潮流發電機運行在該流速變化范圍內，選擇1節蓄電池投入系統充電，每2s記錄1次發電功率數值，30s內的發電功率曲線如圖12所示。

實驗中PI調節最大功率的速度在200ms以內，因此對于水流流速變化速度不快的情況下，系統都可實現最大功率跟蹤。當水流流速達到1.6m/s時，系統追蹤14W的最大功率，并且在PI調節過程中沒有出現系統超調?？梢?，針對潮流發電所設計的改進型MPPT法可以達到快速的跟蹤效果。

圖12 發電功率變化曲線

6 結論

本文結合實際潮流發電，設計出一套潮流發電最大功率跟蹤控制系統。該系統可以將潮流發電裝置所產生的能量最大化的傳輸給蓄電池組均衡充電，整體系統包括硬件設計、軟件算法設計部分。硬件設計主要包括主回路電壓電流采集，計算不同時刻的發電功率，為改進型MPPT算法追蹤最大功率提供實時比較數據；采集電池組上電壓、溫度，計算所有蓄電池剩余容量，為系統蓄電池均衡充電提供依據。

同時，為驗證潮流發電系統中采用可變步長的電導增量法跟蹤算法，以及階梯擇優串聯電池切換策略的準確性，已經對該控制系統進行實際海域試驗。實驗結果表明，該系統可以快速準確的跟蹤潮流發電最大功率，并維持系統運行在最佳狀態，為進一步研究更大容量的潮流發電系統提供了寶貴的經驗。

[1] 王傳良. 潮流發電[J]. 華東水電技術, 1998(11): 79-80.

[2] 劉富鈾, 趙世明, 張智慧, 等. 我國海洋能研究與開發現狀分析[J]. 海洋技術, 2007, 26(3): 118-120.

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[5] 朱建波, 張正江, 朱志亮, 等. 基于PI調節占空比的自適應MPPT方法[J]. 計算機測量與控制, 2017, 25(7): 194.

Two-way impeller direct-drive tidal current generator and its maximum power control system research

Meng Qingtong Zhang Li Bai Lianping

(Beijing Information Science &Technology University, Beijing 100192)

Marine energy is an indispensable source of new energy. Due to the energy density of seawater is much higher than that of wind energy and solar energy, it is particularly important in new energy power generation. How current power generation captures the maximum energy produced by the power generation and maintains the generator in its best operating condition are the focus of current research. This article independently develops a set of tidal power generating units in the tidal power generation direction to provide a good power generation unit for the laboratory simulation of tidal currents and actual sea power generation. And further design a matching maximum power control system that uses an improved MPPT control algorithm that can be applied to power flow generation;And multi-battery equalization charging strategy, which is a step-by-step battery switching control strategy to ensure that the power flow system continues to operate at maximum power. The control system has been verified by experiments and control algorithms in actual sea areas, which has far-reaching implications for further exploration of power generation.

improved MPPT control algorithm; power generation; best run; control system

2018-04-19

孟慶桐（1993-），男，北京，碩士研究生，主要從事潮流發電控制方面的研究工作。