一种弱海流叶轮发电储电系统研究

李 旺，王育才，黄 闯，宋博义

（西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072）

0 引言

目前，随着化石燃料资源的日益枯竭，对海洋能源的有效利用已成为当前世界上主要沿海国家的战略性选择[1]。海流能是指海水流动的动能，是一种以动能形态出现的海洋能。海流能的主要利用方式为发电，其原理与风力发电、水力发电类似，依靠海流的冲击力使叶轮转动，然后再驱动发电机发电，故又称“水下风车”[2]。一般来说，弱海流广泛存在于各处海域[3]，开发弱海流发电可以为各种海洋设备提供可持续的能量。海流能叶轮发电装置输出的是交流电，无法直接储存和利用。因此，提出将储电系统作为后置处理装置，将输出的交变电流转换为稳定的直流电，能够解决这一问题。

1 系统构成与功能

1.1 系统构成

叶轮发电储电系统由电能存储和充电子系统以及内测、控制子系统构成，其原理构成如图1所示。

图1 发电和存储系统的构成

1.2 系统功能

叶轮发电储电系统的功能主要有：

a.当电机工作于发电工况时，通过二极管向电容器充电并向电压调整模块提供电能，电压调整模块和充电管理模块实现对蓄电池的充电。

b.当电机超转致使其系统电压可能过高时，通过高速开关向泄流负载提供电流，加大电机转矩，降低系统转速，确保系统不超载。

c.利用电机轴上的编码器测量电机转速，通过电枢电流的测量得到电机转矩，通过电流、电压的测量得到系统电功率，测量值储存于Flash中。

d.测量、高速开关的控制等功能均由单片机及其辅助电路实现。

2 电能存储和充电子系统

2.1 基本原理

系统将海流冲击叶轮转动产生的电能，通过处理后存储在蓄电池中，以供利用。总体来说，系统电路分为电能存储和控制记录2部分。电能存储电路包括过压反向保护电路、电流监测电路、储电电容、过压泄流兼电压监测电路、DC-DC模块和充电管理电路6部分；控制记录部分是MCU内测系统。电能存储系统组成如图2所示。

图2 电能存储系统的组成

由海流驱动电机产生电能，电机的电压输出范围是0V以上，而后端电路的可用电压在3.5V以上，系统的过压反向保护电路的作用是保护后端电路。电流监测电路与过压泄流兼电压监测电路的作用，在于监测电路中的电流电压值并送入MCU内测系统中。同时，后者还用于电路过压保护。DCDC模块电路用于输出某一恒定电压。

2.2 系统电路硬件设计

2.2.1 过压反向保护电路

电路主要由LTC4365和2个MOS开关管组成。当电机的转速过快或过慢时开关断开，当电压在安全范围以内时MOS开关闭合，这样可以起到保护后端的电路和提高电能利用率的作用。过压保护和欠压保护的门限值通过改变电阻R1，R2，R26，R28的阻值来设定，电路如图3所示。

图3 过压反向保护电路

2.2.2 电流监测电路

电路的功能是监测主干电路的电流，并将与电流正比的电压值送入MCU内测系统的ADC采样。电路应用INA213芯片，通过差模放大的原理放大变换后的电压信号，在INA213的同向、反向输入端加入R4，R5和C4进行低通RC滤波，以滤除干扰。电路如图4所示。

图4 电流监测电路

2.2.3 过压泄流兼电压监测电路

电路的功能是当前端电路电压高于设定门限值14.5V时，自动开启泄流作用以达到降压的目的，对后端电路有一定的保护作用。电路由2部分组成：由MOS开关管SI4497DY和三端并联稳压器TL431组成的过压泄流电路；由R18，R39，C17组成的电压监测电路。电路如图5所示。

图5 过压泄流兼电压监测电路

2.2.4 DC-DC模块电路

电路的功能是将电机的输出电压转换为稳定的直流电压。在实际设计的电路中，LT3759需要搭配外部MOS开关管搭建成SEPIC结构电路。电路如图6所示。

图6 LT3759连接的SEPIC模式电路

2.2.5 充电管理电路

充电管理电路用一个比较器，通过电流反馈作用不断调节DC-DC模块输出电压，完成对锂离子电池的恒流充电过程。电路中设计了电压反馈和电流反馈2种反馈回路。电压反馈是由R1，R2产生反馈电压，使SEPIC电路稳定到一个基本的输出电压。电流反馈通过R4采样电阻将电流转换成电压信号，通过运放U1和比较器U2产生反馈电压。电路如图7所示。

图7 充电管理电路

3 内测、控制子系统

内测、控制子系统实现了对DC／DC变换器通路电流电压参量的监测、控制和记录的功能。

3.1 内测、控制子系统设计

MCU片上有丰富的模拟和数字模块，利用片上12位ADC，采集电能存储电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流等信号，并实时记录到在电路板上的SD卡中。MCU片可以根据输入电压和输入电流信号判定是否开始DC／DC电压转换；根据输出电压、输出电流可以判断锂电池的充电状态，并且根据所需的充电曲线，通过片上12位DAC产生控制电压，来控制DC／DC电压变换电路输出的电压。内测、控制子系统原理如图8所示。

图8 内测、控制系统原理

3.2 内测、控制子系统程序设计

程序分为主程序和中断服务程序。主程序在上电之后进行初始化，主要包括设定TimerA捕获参数，TimerB计时参数，ADC转换模式设定，DAC初始化设置。而后读取外部拨码开关的数值，确定工作状态。

a.进入数据导出工作状态后初始化串口，进入命令解析循环。当上位机有命令输入时按照命令执行相应的参数设定，数据导出，SD卡擦除程序。

b.当进入正常的记录工作状态，也就是在水下时正常的内测和控制状态，开启TimerA，TimerB和ADC转换。随即根据电能存储子系统输出的电压电流判断锂电池的充电状态，计算DAC输出的控制电压的数值。此部分程序的代码较少，实时性要求相对不是很高，所以放在主程序的循环中。

c.在主程序循环时，3个中断服务程序可以随时打断。3个中断服务程序分别是：计数器A中断服务程序，完成发电机转速的测量；计数器B中断服务程序程序，完成10 ms中断进行采样数据记录；SPI中断服务程序，完成MCU向Micro SD卡中写入数据。

主程序流程与中断服务程序流程分别如图9和图10所示。

4 实验结果

以可调直流稳压电源替代电机，稳压电源输出电压在3.5～14.5V之间变化，子系统的电池充电输出端接电阻模拟充电负载，电池充电输出端接示波器，分别进行空载和带载（模拟负载5.7Ω）2种条件下的实验。其结果如图11所示。由图11可知，在空载和带载的条件下，当输入电压在3.5～14.5 V之间变化时，储电系统均能输出12V稳定电压。

图11 实验结果

5 结束语

储电系统能够将叶轮发电系统输出的交流电转化为可以直接利用、储存的直流电。在海流流速为0.1m／s的最小设计工况时，系统能够正常运行，稳定输出12V电压并对蓄电池进行充电。在发电和电能存储过程中，能够实现对转速、电流和电压等参数的记录，可以用于对海洋探测设备、坐底设备提供持续能源。储电系统能够作为叶轮海流能发电系统、海洋晃动发电系统等的后置处理模块，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。

[1]刘美琴，仲 颖，郑 源，等.海流能利用技术研究进展与展望[J].可再生能源，2009，27（5）：78-80.

[2]邓隐北，熊 雯.海洋能的开发与利用[J].可再生能源，2004，（3）：70-72.

[3]余 志.海洋能源的种类[J].太阳能，1999，（4）：25.