基于單片機的小型戶用風力發電控制實驗裝置設計方案*

趙紅玉，張智勇，馬振興，陳瑞

（喀什大學，新疆 喀什 844006）

根據國家氣象部門所公示的數據，我國陸地風能可開發總量為5500 GW，其中實際可供開發量為3610 GW，風能資源豐富地區有東北、華北和西北，東南沿海，廣東沿海及其島嶼等地區[1-2]。近幾年國家大力推廣風能等清潔能源，投入了大量資金和人力資源。與傳統火電相比，風力發電具有顯著優勢。因此，設計一個基于單片機的小型戶用風力發電機控制實驗裝置是非常有必要的。本文針對小型戶用風力發電機控制器進行研究，控制系統中選用NE500M2 型風力機為主體，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、用電設備等部分。風力機風輪先將風能轉化為轉動機械能，然后帶動風力發電機發出三相交流電，經過整流電路后變成直流電，再經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：一是本設計中采用的風機風輪直徑有1.75 m，需要裝設在高處，這與普通實驗室的環境是有矛盾的。為了不增加實驗室建設用地，風機部分直接采用可調的交流三相電源代替。二是在不能實際裝設風機的情況下，需要準確模擬出風力發電過程中狀態。為了更清楚地讓學生理解風力發電的工作模式，設計蓄電池電量顯示的模塊來顯示當前電量。在風機工作和不工作情況下，對負載供電情況進行分析，從而理解風力發電系統的控制過程。

1 小型風力發電控制系統原理

風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片轉動，再通過增速機加快轉動時速，進而使發電機發出電能。由于發電機發出的是交流電，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，使用的時候再轉化成交流電。

目前廣泛應用的離網式小型風力發電控制系統由風力發電機、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換為交流電供給負載使用。

2 控制器設計

控制器的結構見第60 頁圖1，發電機發出的電能經由整流電路、斬波電路儲存在蓄電池，在風力機與發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，根據風力機和蓄電池的工作狀態配合控制電路進行調節，即通過判斷當前蓄電池電壓值來生成相應的PWM 波，進而確定工作模式，并實時進行顯示，以便操作人員監控或控制。

圖1 控制器結構示意圖

2.1 風機與蓄電池的運行狀態

小型風力發電系統的工作狀態主要由風速大小、蓄電池狀態和負載情況決定，發電機輸出量與當前負載的消耗量以及蓄電池儲能總量相匹配[5-6]。風力發電系統一般處于以下4 種狀態中的一種，且隨著風速、風向以及負載的變化，進行狀態切換。

工作狀態1：環境風速低于風力機的啟動風速，此時風力發電機無法發電，由蓄電池向負載供電。

工作狀態2：環境風速高于風力機的啟動風速，此時風力發電機可以發電，而蓄電池電量充足時，則可以由風力機和蓄電池一起向負載供電，當負載較小時，也可由風力發電機單獨向負載供電。

工作狀態3：環境風速高于風力機的啟動速度，但蓄電池虧電較為嚴重時，為保護蓄電池的使用壽命，此時蓄電池無需向負載供電，而風力發電機先向蓄電池輸送電能，不給負載供電。

工作狀態4：與第三種工作狀態相類似，當蓄電池虧電嚴重，但環境風速遠大于啟動風速時，風力發電機發出的電能較多，在滿足為蓄電池充電之外，還可以為負載供電。

實驗裝置中，風力發電機工作狀態和不工作狀態采用按鈕對三相交流電進行通斷控制來模擬。在蓄電池無需充電時，控制系統應該有控制風力機的剎車系統，本設計采用電源端口與電路連接的方式來模擬。

3 硬件設計

3.1 控制面板

根據設計需求，控制器面板見圖2。“U”“V”“W”作為三相電的輸入接線端子，與風力發電機直接相連，表示電壓輸入。LM016L 顯示屏顯示蓄電池端電壓及電池電量。“充電”燈亮表示風力發電機正在向蓄電池充電。“正常”燈亮表示蓄電池工作狀態正常。“反接”燈亮表示蓄電池正負極反接，應停止充電進行檢修。“ON”“OFF”是控制器總開關，按下“ON”風力發電機向蓄電池充電，按下“OFF”控制器停止工作，蓄電池停止充電。當蓄電池電量充足時，無需風機繼續向電路供電，按下“風機”鍵，切斷風機與電路的連接，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 模塊設計方案

設計模塊分為發電機、單片機、鋰電池、整流電路、斬波電路、信號轉換電路、控制方式7 個模塊。本設計所模擬的是NE500M2 型風力機，其額定功率500 W，額定電壓48 V，預設每天工作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，發電機發出電壓為24 V，所以采用降壓斬波電路來向負載供電[7]。模數轉換芯片為ADC0809。控制芯片采用STC89C52單片，由PWM 波來控制蓄電池的充電過程，通過調節PWM 波的占空比控制MOSFET 的開斷，獲得需要的充電電壓，從而實現恒壓充電功能。

4 軟件設計

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。先用5 A 的涓流電流對蓄電池進行預充電，當電池電壓大于等于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。控制系統用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%占空比關系。

表1 部分輸出電壓與PWM 波的對應關系

3） 當電池電壓大于等于11.4 V 時，此時電池處于略虧電狀態。采用恒壓充電，期間逐漸減少充電電流，當充電電流小于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。如此進入循環充電狀態。

5 仿真結果及分析

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下的蓄電池充電仿真結果。利用Protues 軟件按照圖1 的結構示意圖建立仿真模型。結果分析為：一是充電、正常、反接燈能正常亮滅；二是可實時監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%；三是能夠對蓄電池進行充電，電壓值變化通過LCD 顯示。仿真結果與設計預期相符合。綜上所述，設計的控制系統達到設計初期預想。

6 總結

本文根據小型風力發電控制系統原理，設計了實驗用的風力發電控制方案，包括系統面板結構設計、硬件設計、軟件設計、模塊參數確定，利用Protues 軟件搭建了仿真模型，并進行了驗證。該方案的優點是將室外的實訓裝置遷移到實驗臺上，經濟性好，未來可以考慮向智能化發展。