微型风力发电机控制方法的比较与优化

叶利境，徐政，陈锐坚

（1.清华大学深圳研究生院电力系统国家重点实验室深圳研究室，广东 深圳 518055；2.深圳天源新能源股份有限公司，广东 深圳 518055）

微型风力发电机控制方法的比较与优化

叶利境1，徐政1，陈锐坚2

（1.清华大学深圳研究生院电力系统国家重点实验室深圳研究室，广东 深圳 518055；2.深圳天源新能源股份有限公司，广东 深圳 518055）

针对微型风力发电机与储能蓄电池相结合的独立电源系统，分析和比较不同控制方法对系统运行特性的影响，开发多种充电控制器，通过实验测试和评估整流直接充电和MPPΤ控制充电的发电效率，并提出根据风能资源条件的优化产品方案，对微型风力发电机的推广应用具有良好的指导意义。

微型风力发电机；永磁同步发电机；最大功率点跟踪；直流变换器；蓄电池

微型风力发电机通常是指标称额定功率小于1 kW、额定电压范围为12～48 V的风力发电机，具有对风能资源要求低、结构紧凑、安装方便等优点。主要用于解决偏远地区和孤岛上的供电问题，为农牧渔民带来生活便利；在小型船舶、无线通信基站和边防哨所等，也将其作为生活和设备的电源；另外，城市风光互补道路照明系统中也会使用额定功率为300～500 W的风力发电机［1-2］。

作为独立电源，微型风力发电机要与储能蓄电池配套使用，以保证供电的连续性和稳定性。因此，控制器的主要作用是充放电管理，即在保证蓄电池的良好状态和使用寿命的前提下，实现风力发电机的高效发电运行。其中，放电控制环节较为简单，根据蓄电池的储能状态进行投/切控制，由蓄电池直接对直流负载供电，或通过逆变器对交流负载供电。而充电控制环节直接影响风力发电机的运行效率，是本文的主要研究内容。

目前，微型风力发电机控制器一般采用二极管全桥整流后直接对蓄电池充电的方式，控制简单，成本低廉。但是，由于蓄电池对风力发电机输出电压的钳位作用，不能保证系统始终处于最佳运行状态。大型风力发电机组通过各种最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPΤ）控制方法，保证系统高效运行［3-6］。而本文的风电控制器只需通过DC/DC变换，就能实现MPPΤ功能。然而，DC/DC变换会增加控制器的功耗和成本，影响系统的发电效率和性价比。因此，本文从实际应用出发，采用简单、高效的电路拓扑，开发具有MPPΤ功能的DC/DC变换器，通过实验比较不同控制方法对系统发电效率的影响，结合风能资源条件和控制器成本，综合评估系统效益，为推广应用提供优化的选型策略和方案。

1 系统构成及特性

微型风力发电系统的构成如图1所示，由风力发电机、蓄电池、控制器等组成。微型风力发电机有多种类型，但考虑到产品技术成熟度和实际发电效率，以多叶片水平轴风力机直接驱动永磁同步发电机的产品为主［2］，蓄电池组的额定电压一般与发电机的标称额定电压相匹配，控制器承担蓄电池的充放电控制、满足直流负载要求的稳压控制、满足交流负载要求的逆变控制以及当风速高于切出风速时的制动控制等。

图1 微型风力发电系统Fig.1 Micro-wind power generation system

根据风力机空气动力学特性［4］，其输出功率为

式中：CP为风能利用系数；ρ为空气密度，kg/m3；A为风力机叶片扫风面积，m2；v为风速，m/s。

微型风力发电机采用定桨距风力机，CP是叶尖速比λ的函数，而λ与风力机的风轮半径r（m）及转速n（r/min）成正比，即：

变速运行的风力机维持获得最大风能利用系数CPmax的叶尖速比λopt为恒值，而与风力机同轴相连的永磁同步发电机的感应电动势与风力机的转速成正比。因此，在最佳运行状态下，风力机的转速与风速成正比，输出功率与风速的3次方成正比，而发电机的输出电压与风速近似成正比。

利用试验平台测试微型风力发电机的运行特性。风洞由4台轴流风机和1台调速控制变频器组成，可提供风速为2～11.5 m/s的实验环境；发电机的输出经整流后接可变电阻0～40 Ω负载。通过调节风速和电阻值，即可获得不同风速条件下风力发电机的运行特性曲线及准确的最大功率点。对多台水平轴微型风力发电机进行了测试，特性曲线相似。本文以1台5叶片风力发电机为例，规格参数为：额定风速12 m/s，切入风速3 m/s，切出风速18 m/s；额定功率400 W，最大功率500 W；额定电压24 V。实验结果表明：

1）与恒定风速对应的功率—转速曲线如图2所示，功率—电压曲线如图2b所示，均为单峰值曲线，但后者略显平坦。

2）最大功率点功率Pmax与风速的平方相关，如图2c所示，并非如式（1）所述的由风速的3次方决定，最佳叶尖速比λopt稳定在4.6左右。

3）最大功率点电压与风速基本保持线性关系，如图2d所示，在试验风速范围3～11.5 m/s内，最大功率点电压的变化范围为13～49 V。

因此，当对电压较为稳定的蓄电池充电时，只有采用DC/DC变换电路，才能保证风力发电机始终处于高效运行状态。

图2 最大功率点实测结果Fig.2 Measured results of maximum power point

2 控制方法的比较

本文针对微型风力发电机对蓄电池的充电环节，比较以下2种控制方法。

2.1 整流直接充电

整流直接充电控制电路如图3所示，发电机的三相交流输出经三相二极管整流桥DB后，直接向蓄电池B充电，开关器件S为充电控制继电器，充电时导通，停运或充满时关断。由于整流电路损耗小，对蓄电池的充电功率与发电机的输出功率近似相等。

图3 整流直接充电电路Fig.3 Rectified direct charge circuit

对24 V/100 A·h铅酸蓄电池组直接充电的实验结果表明，充电功率Pc基本随着风速线性增长如图4a所示。但对比图2c和图4a可知，由于蓄电池对电压的钳位作用，充电功率低于最大功率点功率，且偏差的程度受风速和蓄电池电压的双重影响，而标称额定电压24 V的铅酸蓄电池组的正常工作电压范围为22～28 V。若定义功率损失Pmiss为

则由图2b可得不同风速和电压条件下的功率损失曲线如图4b所示。当风速大于7 m/s时，风速越大、电压越低，功率损失就越大；当风速小于7 m/s时则相反。因此，采用具有MPPΤ功能的DC/DC变换器，能够提高风力发电机的输出功率。

图4 整流直接充电实验结果Fig.4 Experimental results of directly charging with a rectifier

2.2 MPPT充电

为了实现从切入风速到切出风速范围内的高效充电控制，需要使用DC/DC升降压变换器，低风速时升压，高风速时降压。本文开发了结构简单、功耗较低的Buck-Boost控制器［7］，以满足低成本的要求，系统结构如图5所示。发电机的交流输出经整流和平波后，由开关器件S根据扰动观察法调节导通占空比，实现MPPΤ功能，开关频率为10 kHz。

图5 Buck-Boost充电电路Fig.5 Buck-Boost charge circuit

图6为使用Buck-Boost控制器的MPPΤ充电实验结果，蓄电池的开路电压为24.4 V。虽然控制器实现了良好的MPPΤ功能，发电机的输出功率明显增大，但由于控制电路功耗、高频开关损耗和储能电感L充放电损耗等，实测控制器的转换效率约为83%，对蓄电池的充电功率并未获得相应幅度的增长。与整流直接充电实验结果的比较如表1所示。在低风速区，2种方法对蓄电池的充电功率都很小，差别可忽略不计；在中风速区，MPPΤ充电的充电功率反而略低；只有在高风速区，MPPΤ充电才略显优势。

图6 MPPT充电实验结果Fig.6 Experimental results of MPPT charging

表1 不同控制方法的充电功率Tab.1 Charge power under different control methods

由此可见，控制器的转换效率对能否提高充电功率具有举足轻重的影响。由于Buck-Boost控制器的输出电能全部要在储能电感L中经历电—磁—电2次转换，转换效率难以进一步提高，故本文推荐使用转换效率更高的Buck电路。低风速时，开关器件S保持导通，相当于整流直接充电；高风速时，开关器件S斩波降压，实现MPPΤ充电。对开发的另一款Buck充电控制器进行了转换效率测试，开关频率20 kHz，充电功率100～300 W，转换效率稳定在89～90%之间。

3 效益分析

根据上述实验结果和最大输出功率500 W的限制，可以确定从切入风速3 m/s到切出风速18 m/s整流直接充电与MPPΤ充电的充电功率曲线如图7a所示，上升段曲线的拟合公式分别为

当风速升至13.6 m/s时，采用Buck降压MPPΤ充电控制的发电机输出功率达到500 W，充电功率为450 W，并一直保持到切出风速；当风速升至15.3 m/s时，采用整流直接充电控制的发电机输出功率才达到500 W，充电功率为490 W，并一直保持到切出风速。

风速的概率密度函数近似满足威布尔分布［8］：

式中：k为形状参数；c为平均风速，m/s。

平均充电功率可以用下式来表达：

则年充电量Q（kW·h）为

以本文的实验系统为例，表2为不同平均风速下年充电量的计算结果，形状系数k取2。MPPΤ年充电量QMPPT与整流直接年充电量Qrect的比值曲线如图7b所示。

图7 充电功率与年充电量比值Fig.7 Charge power and annual charge quantity ratio

由此可知，在平均风速低于3 m/s地区，风能利用效果差，不适宜推广应用；在平均风速3～5 m/s地区，应优先采用成本低、效率高的整流直接充电控制方法；在平均风速大于5 m/s地区，采用Buck降压MPPΤ充电控制方法，能够增加约6%的有效年发电量，而控制器的硬件成本仅增加约50元。

表2 不同平均风速条件下的年充电量Tab.2 Annual charge quantities under different average wind speeds

4 结论

微型风力发电机的推广应用首先要选择风能资源可开发利用地区，其发电效率取决于控制方法和控制器的转换效率。在平均风速相对较低地区，应优选整流直接充电控制方法；而在高风速地区，Buck降压MPPΤ充电控制方法能够提高系统的有效发电效率，具有较好的应用价值。

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［2］徐政，广锐，吴贞龙．风光互补路灯应用效益考察与分析［J］.太阳能，2014（5）：21-25.

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［8］Burton T，Sharpe D，Jenkins N，et al.Wind Energy Handbook［M］.Hoboken：John Wiley&Sons Ltd.，2005.

Comparisons of Control Methods for Micro-wind Power Generators and Its Optimization Analysis

YE Lijing1，XU Zheng1，CHEN Ruijian2
（1.National Key Laboratory of Power System in Shenzhen，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，Guangdong，China；2.Shenzhen Solartech Renewable Energy Co.，Ltd.，Shenzhen 518055，Guangdong，China）

Regarding a stand-alone power supply system including a micro-wind power generator with battery energy storage，the impacts of different control methods on system operating performance were analyzed and compared.Furthermore，several kinds of battery charging controllers were developed，and the corresponding generating efficiencies of rectified direct charging control and maximum power point tracking（MPPT）charging control were tested and evaluated by experiments.Finally，an optimized product solution based on wind resource condition was proposed which can provide a good guidance for the application of micro-wind power generators.

micro-windpowergenerator；permanentmagnetsynchronousgenerator；maximumpowerpointtracking；DC/DC converter；battery

TN721

A

10.19457/j.1001-2095.20170211

2016-01-26

修改稿日期：2016-08-20

叶利境（1990-），男，硕士研究生，Email：yelijingly@qq.com