渦激式微型風能采集裝置的控制系統研究

趙鵬程， 劉紹娜， 江 坤， 黃勤斌， 陳 威

（1. 南京理工大學 能源與動力工程學院， 江蘇 南京 210094； 2. 鹽城工學院 汽車工程學院， 江蘇 鹽城224007； 3.國網浙江平湖供電有限公司， 浙江 嘉興 314000）

0 引言

伴隨著綠色生活觀念深入人心， 各種可再生能源產業蓬勃發展。 風能是可再生能源中應用非常廣泛的一種。 渦激式微型風能采集裝置采用無槳葉設計，具有結構簡單、微型化、適配低風速、可給戶外小型設備供電等優點， 因此在微型發電系統中備受關注[1]。 渦激式微型發電的目標是利用渦激振動壓電結構將風能轉換為機械能并應用到負載上[2]。 能量接口電路是渦激式微型發電裝置中連接機械能與電能的橋梁， 對于微型風力發電的效率有著重要的影響。

作為壓電振動能量回收的關鍵環節， 能量接口電路種類繁多， 但在渦激式微型發電中得到實際工程應用的報道卻很少。 文獻[3]闡釋了由全橋整流器和充電電容組成的標準能量收集電路。 文獻[4]將標準能量收集電路運用到渦激式微型風能采集裝置，但受制于沒有良好的控制系統，輸出功率有限，且電壓不穩定，難以在電子設備的供能中得到應用。 文獻[5]比較了并聯同步電感接口電路與串聯同步電感接口電路， 二者都促使電壓極性快速翻轉，提升了能量采集系統的輸出功率，減少了能量損耗，但是，以上兩種電路只能在最優負載處才能獲得最大輸出功率。

為了提高渦激式微型發電裝置的性能， 本文基于同步電荷提取（SECE）電路[6]的原理，結合MSP430 單片機系統設計了硬件電路與控制算法。 通過實驗對壓電雙晶片上的電壓進行峰值檢測， 控制SECE 電路中MOS 管的導通與關斷，提高了渦激式微型發電裝置的性能， 使輸出功率不受負載影響。

1 同步電荷提取電路原理

SECE 拓撲如圖1 所示。 圖中左半部分的4個二極管對壓電雙晶片產生的交流電進行整流，右半部分可以等效為Buck-Boost 變換器。 當壓電片振動到極值處時，其產生的電壓也為峰值，此時開關S 閉合， 壓電片上的電能經由整流二極管轉移至電感L 上，最后作用于負載[7]。

圖1 SECE 電路拓撲圖Fig.1 SECE circuit topology

忽略電路中的能量損耗，SECE 電路獲得的能量E 可以表示為[8]

式中：L 為電能存儲轉移電感；I 為壓電片流出電流；C0為壓電雙晶片的受夾電容；Vp為壓電雙晶片的端電壓。

當電路中的開關S 斷開后，I 變為0，則：式中：VDC為壓電片的端電壓；RL為負載阻值。

對比式（3），（4）可知，相比于傳統的經典電路，在相關參數一致的條件下，SECE 電路具有能量回收功率高、回收功率與負載無關等優點。

2 單片機控制算法設計

圖2 控制電路流程圖Fig.2 Flow chart of control circuit

根據SECE 電路的需求，MSP430 單片機程序設計需要具備兩個條件：一是檢測電壓信號，判斷是否為電壓峰值； 二是電壓峰值時產生一個脈沖信號。 針對以上兩個條件，在IAR 里編寫了端口初始化函數、脈沖信號輸出函數。

3 渦激式微型風能采集裝置的硬件實現

渦激式微型風力發電采集裝置系統結構框圖如圖3 所示。

圖3 渦激式微型發電裝置系統結構框圖Fig.3 Structural block diagram of vortex-excited micro power generation system

渦激振動壓電結構如圖4 所示。

圖4 渦激振動壓電結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of piezoelectric structure by vortex-induced vibration

壓電雙晶片為雙疊片結構， 型號為QDA60-20-0.7，長度為60 mm，寬度為20 mm，厚度為0.7 mm，自由長度為50 mm。 鈍體在風的作用下將帶動壓電雙晶片周期性位移， 因此壓電雙晶片上的輸出電壓也是周期性的，存在極大值與極小值。在SECE 電路有一個開關S，當壓電雙晶片上的電壓為峰值時， 開關S 閉合1/4 個LC0諧振周期的時長， 因此產生脈沖信號的時間點與脈沖寬度需要精準控制。

渦激式微型風能采集裝置的實物如圖5 所示。 圖中，SECE 電路中的MOS 管選擇N 溝道增強型IRF540N，其柵源極導通電壓為2～4 V，漏源極導通內阻小于77 mΩ，負載為可調電阻，阻值可調節為0～300 kΩ。由于MSP430 單片機的ADC12輸入電壓不能超過3.3 V， 因此使用1 MΩ 與9 MΩ 的電阻串聯對整流后的電壓進行分壓。

圖5 渦激式微型風能采集裝置的實物圖Fig.5 Physical drawing of a micro vortex - induced wind energy harvesting device

4 實驗方案與結果分析

實驗方案： 風速選取為14，16 m/s 和18 m/s。在風速不變的條件下， 負載選定為10 kΩ～300 kΩ，每10 kΩ 取一個阻值，共30 個負載阻值。 利用經典電路與SECE 電路分別對壓電雙晶片上的能量進行回收， 改變負載阻值測試渦激振動發電裝置在不同負載下的回收功率。 比較經典電路與SECE 電路的渦激式微型風能采集裝置的回收功率，并對比兩種裝置的回收效率。由于經典電路的拓撲結構是全橋整流器與電容、電阻直接相連，因此為了對比分析， 在實驗中并沒有對經典電路外加任何檢測控制系統。

保持風速為14 m/s 不變，使用示波器觀察壓電片兩端電壓在經典電路與SECE 電路下的波形（圖6）。 由圖6 可知：當壓電片兩端電壓到達極大值時，電感的導通會使壓電片端電壓迅速變為0，縮短了壓電片負向積累電荷的時間， 提高了能量回收效率；在經典電路下，壓電片兩端的平均開路電壓為3.09 V，在SECE 電路下，壓電片兩端的平均電壓為3.75 V，較經典電路提高了21.4%。

圖6 風速為14 m/s 時壓電片兩端電壓Fig.6 Voltage at both ends of piezoelectric plate at wind speed of 14 m/s

當風速為14 m/s 時， 經典電路與SECE 電路下的回收功率與負載阻值的關系如圖7 所示。 由圖7 可知： 在經典電路下， 當負載阻值由10 kΩ增大至300 kΩ 時， 回收功率隨著負載阻值的增加先增大后減小；在SECE 電路下，當負載阻值由10 kΩ 增大至140 kΩ 時， 回收功率逐漸增加，當負載阻值為140 kΩ 時， 回收功率達到41.5 μW，之后回收功率穩定在40 μW 左右。與經典電路相比，SECE 電路的回收功率提高了75.3%。

圖7 風速14 m/s 下回收功率與負載阻值Fig.7 Recovered power and load resistance at wind speed of 14 m/s

在風速為16 m/s 時， 經典電路與SECE 電路下的壓電片兩端電壓波形如圖8 所示。

圖8 風速為16 m/s 時壓電片兩端電壓Fig.8 Voltage at both ends of piezoelectric plate at wind speed of 16 m/s

由圖8 可知： 當壓電片兩端電壓到達極大值時，MSP430 單片機均能檢測到電壓峰值并產生一個脈沖信號來導通電感；在經典電路下，壓電片兩端的平均開路電壓為4.5 V， 在SECE 電路下，壓電片兩端的平均電壓為5.28 V， 較經典電路提高了17.3%。

當風速為16 m/s 時， 經典電路與SECE 電路下的回收功率與負載阻值的關系如圖9 所示。 由圖9 可知： 在經典電路下， 當負載阻值由10 kΩ增大至50 kΩ 時， 回收功率逐漸增加至最大，而后隨著負載阻值的增加逐漸減小； 在SECE 電路下，當負載阻值由10 kΩ 增大至50 kΩ 時，回收功率逐漸增加，50 kΩ 時回收功率達到76.05 μW，之后，回收功率穩定在65 μW 左右。 與經典電路相比，SECE 電路的回收功率提高了52.2%。

圖9 風速16 m/s 下回收功率與負載阻值Fig.9 Recovered power and load resistance at wind speed of 16 m/s

當風速為18 m/s 時， 經典電路與SECE 電路下的壓電片兩端電壓波形如圖10 所示。

圖10 風速為18 m/s 時壓電片兩端電壓Fig.10 Voltage at both ends of piezoelectric plate at wind speed of 18 m/s

由圖10 可知：壓電片兩端電壓先逐漸增大后逐漸減小； 當壓電片兩端電壓到達極大值時，MSP430 單片機均能檢測到電壓峰值并產生一個脈沖信號來導通電感；在經典電路下，壓電片兩端的平均開路電壓為5.3 V，在SECE 電路下，壓電片兩端的平均電壓為5.87 V， 較經典電路兩端電壓提高了10.8%。

當風速為18 m/s 時， 經典電路與SECE 電路下的回收功率與負載阻值的關系如圖11 所示。由圖11 可知：在經典電路下，當負載阻值從10 kΩ增加至50 kΩ 時，回收功率隨負載阻值的增加而逐漸增加， 之后回收功率隨著負載阻值的增加而逐漸減小；在SECE 電路下，當負載阻值由10 kΩ增大至60 kΩ 時，回收功率逐漸增加，60 kΩ 時回收功率達到最大值112 μW，而后回收功率在80～100 μW 內波動， 隨負載阻值的增大回收功率減小不明顯；與經典電路相比，SECE 電路下的回收功率提高了47.8%。

圖11 風速為18 m/s 時回收功率與負載阻值Fig.11 Recovered power and load resistance at wind speed of 18 m/s

5 結論

本文基于MSP430 單片機系統研究了一種渦激式微型風能采集裝置的控制系統。 以SECE 電路為基礎， 使用MSP430 單片機對壓電雙晶片兩端電壓進行峰值檢測， 并產生脈沖信號控制SECE 電路里的開關導通， 縮短壓電片負向積累電荷的能量損耗， 提升渦激式微型發電裝置的性能。 實驗結果表明，在風速為14，16 m/s 和18 m/s時，與經典電路相比，基于SECE 電路的渦激式微型風能采集裝置的回收功率分別提高了75.3%，52.2%和47.8%。