基于单片机的小型户用风力发电控制实验装置设计方案*

赵红玉，张智勇，马振兴，陈瑞

（喀什大学，新疆 喀什 844006）

根据国家气象部门所公示的数据，我国陆地风能可开发总量为5500 GW，其中实际可供开发量为3610 GW，风能资源丰富地区有东北、华北和西北，东南沿海，广东沿海及其岛屿等地区[1-2]。近几年国家大力推广风能等清洁能源，投入了大量资金和人力资源。与传统火电相比，风力发电具有显著优势。因此，设计一个基于单片机的小型户用风力发电机控制实验装置是非常有必要的。本文针对小型户用风力发电机控制器进行研究，控制系统中选用NE500M2 型风力机为主体，包含控制面板、继电保护电路、整流电路、斩波电路、蓄电池充放电控制电路、用电设备等部分。风力机风轮先将风能转化为转动机械能，然后带动风力发电机发出三相交流电，经过整流电路后变成直流电，再经过降压电路降压后存储在蓄电池中以供给负载使用。

需要解决的问题如下：一是本设计中采用的风机风轮直径有1.75 m，需要装设在高处，这与普通实验室的环境是有矛盾的。为了不增加实验室建设用地，风机部分直接采用可调的交流三相电源代替。二是在不能实际装设风机的情况下，需要准确模拟出风力发电过程中状态。为了更清楚地让学生理解风力发电的工作模式，设计蓄电池电量显示的模块来显示当前电量。在风机工作和不工作情况下，对负载供电情况进行分析，从而理解风力发电系统的控制过程。

1 小型风力发电控制系统原理

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片转动，再通过增速机加快转动时速，进而使发电机发出电能。由于发电机发出的是交流电，其电压幅值一般在13～25 V 之间变化，因此不能直接使用。解决这个问题的主要方法是利用蓄电池进行电能存储，使用的时候再转化成交流电。

目前广泛应用的离网式小型风力发电控制系统由风力发电机、整流电路、斩波电路、控制器、蓄电池、逆变电路、负载等组成[3-4]，电能一部分可直接供给相应的直流负载，另一部分存储在蓄电池中，在需要使用的时候利用逆变电路将直流电转换为交流电供给负载使用。

2 控制器设计

控制器的结构见第60 页图1，发电机发出的电能经由整流电路、斩波电路储存在蓄电池，在风力机与发电机中间加入继电保护电路保护控制电路[5]。难点主要是控制蓄电池两端充电电压和充电电流。单片机作为主控芯片，根据风力机和蓄电池的工作状态配合控制电路进行调节，即通过判断当前蓄电池电压值来生成相应的PWM 波，进而确定工作模式，并实时进行显示，以便操作人员监控或控制。

图1 控制器结构示意图

2.1 风机与蓄电池的运行状态

小型风力发电系统的工作状态主要由风速大小、蓄电池状态和负载情况决定，发电机输出量与当前负载的消耗量以及蓄电池储能总量相匹配[5-6]。风力发电系统一般处于以下4 种状态中的一种，且随着风速、风向以及负载的变化，进行状态切换。

工作状态1：环境风速低于风力机的启动风速，此时风力发电机无法发电，由蓄电池向负载供电。

工作状态2：环境风速高于风力机的启动风速，此时风力发电机可以发电，而蓄电池电量充足时，则可以由风力机和蓄电池一起向负载供电，当负载较小时，也可由风力发电机单独向负载供电。

工作状态3：环境风速高于风力机的启动速度，但蓄电池亏电较为严重时，为保护蓄电池的使用寿命，此时蓄电池无需向负载供电，而风力发电机先向蓄电池输送电能，不给负载供电。

工作状态4：与第三种工作状态相类似，当蓄电池亏电严重，但环境风速远大于启动风速时，风力发电机发出的电能较多，在满足为蓄电池充电之外，还可以为负载供电。

实验装置中，风力发电机工作状态和不工作状态采用按钮对三相交流电进行通断控制来模拟。在蓄电池无需充电时，控制系统应该有控制风力机的刹车系统，本设计采用电源端口与电路连接的方式来模拟。

3 硬件设计

3.1 控制面板

根据设计需求，控制器面板见图2。“U”“V”“W”作为三相电的输入接线端子，与风力发电机直接相连，表示电压输入。LM016L 显示屏显示蓄电池端电压及电池电量。“充电”灯亮表示风力发电机正在向蓄电池充电。“正常”灯亮表示蓄电池工作状态正常。“反接”灯亮表示蓄电池正负极反接，应停止充电进行检修。“ON”“OFF”是控制器总开关，按下“ON”风力发电机向蓄电池充电，按下“OFF”控制器停止工作，蓄电池停止充电。当蓄电池电量充足时，无需风机继续向电路供电，按下“风机”键，切断风机与电路的连接，保护电路“+”“-”是蓄电池的正负极。选用LM016L 液晶显示屏进行显示。

图2 控制面板

3.2 模块设计方案

设计模块分为发电机、单片机、锂电池、整流电路、斩波电路、信号转换电路、控制方式7 个模块。本设计所模拟的是NE500M2 型风力机，其额定功率500 W，额定电压48 V，预设每天工作5 h。

磷酸铁锂电池配用额定容量为150 Ah，额定电压为12 V。整流电路选择三相桥式不可控整流电路。因为蓄电池电压为12 V，发电机发出电压为24 V，所以采用降压斩波电路来向负载供电[7]。模数转换芯片为ADC0809。控制芯片采用STC89C52单片，由PWM 波来控制蓄电池的充电过程，通过调节PWM 波的占空比控制MOSFET 的开断，获得需要的充电电压，从而实现恒压充电功能。

4 软件设计

充电过程主要分为以下3 种情况。

1） 若蓄电池电压小于10.6 V，此时电池处于严重亏电状态。先用5 A 的涓流电流对蓄电池进行预充电，当电池电压大于等于10.6 V 时采用大电流充电，此时PWM 波占空比100%。

2） 若蓄电池电压大于等于10.6 V 小于11.4 V，此时电池处于普通亏电状态。控制系统用20 A 的大电流进行充电，充电电流随着时间逐渐减小。表1 为输出电压10.6～11.6 V 与PWM 100%～0%占空比关系。

表1 部分输出电压与PWM 波的对应关系

3） 当电池电压大于等于11.4 V 时，此时电池处于略亏电状态。采用恒压充电，期间逐渐减少充电电流，当充电电流小于1 A 时充电过程基本停止。随后采用涓流充电的方式，其充电很轻微，可省略。如此进入循环充电状态。

5 仿真结果及分析

该模型的难点主要集中在蓄电池的充电过程，本文主要分析不同状态下的蓄电池充电仿真结果。利用Protues 软件按照图1 的结构示意图建立仿真模型。结果分析为：一是充电、正常、反接灯能正常亮灭；二是可实时监测蓄电池电压值和电量值，如蓄电池普通亏电时的电压值显示为10.6 V，电量值为87%；三是能够对蓄电池进行充电，电压值变化通过LCD 显示。仿真结果与设计预期相符合。综上所述，设计的控制系统达到设计初期预想。

6 总结

本文根据小型风力发电控制系统原理，设计了实验用的风力发电控制方案，包括系统面板结构设计、硬件设计、软件设计、模块参数确定，利用Protues 软件搭建了仿真模型，并进行了验证。该方案的优点是将室外的实训装置迁移到实验台上，经济性好，未来可以考虑向智能化发展。