涡激式微型风能采集装置的控制系统研究

赵鹏程， 刘绍娜， 江 坤， 黄勤斌， 陈 威

（1. 南京理工大学 能源与动力工程学院， 江苏 南京 210094； 2. 盐城工学院 汽车工程学院， 江苏 盐城224007； 3.国网浙江平湖供电有限公司， 浙江 嘉兴 314000）

0 引言

伴随着绿色生活观念深入人心， 各种可再生能源产业蓬勃发展。 风能是可再生能源中应用非常广泛的一种。 涡激式微型风能采集装置采用无桨叶设计，具有结构简单、微型化、适配低风速、可给户外小型设备供电等优点， 因此在微型发电系统中备受关注[1]。 涡激式微型发电的目标是利用涡激振动压电结构将风能转换为机械能并应用到负载上[2]。 能量接口电路是涡激式微型发电装置中连接机械能与电能的桥梁， 对于微型风力发电的效率有着重要的影响。

作为压电振动能量回收的关键环节， 能量接口电路种类繁多， 但在涡激式微型发电中得到实际工程应用的报道却很少。 文献[3]阐释了由全桥整流器和充电电容组成的标准能量收集电路。 文献[4]将标准能量收集电路运用到涡激式微型风能采集装置，但受制于没有良好的控制系统，输出功率有限，且电压不稳定，难以在电子设备的供能中得到应用。 文献[5]比较了并联同步电感接口电路与串联同步电感接口电路， 二者都促使电压极性快速翻转，提升了能量采集系统的输出功率，减少了能量损耗，但是，以上两种电路只能在最优负载处才能获得最大输出功率。

为了提高涡激式微型发电装置的性能， 本文基于同步电荷提取（SECE）电路[6]的原理，结合MSP430 单片机系统设计了硬件电路与控制算法。 通过实验对压电双晶片上的电压进行峰值检测， 控制SECE 电路中MOS 管的导通与关断，提高了涡激式微型发电装置的性能， 使输出功率不受负载影响。

1 同步电荷提取电路原理

SECE 拓扑如图1 所示。 图中左半部分的4个二极管对压电双晶片产生的交流电进行整流，右半部分可以等效为Buck-Boost 变换器。 当压电片振动到极值处时，其产生的电压也为峰值，此时开关S 闭合， 压电片上的电能经由整流二极管转移至电感L 上，最后作用于负载[7]。

图1 SECE 电路拓扑图Fig.1 SECE circuit topology

忽略电路中的能量损耗，SECE 电路获得的能量E 可以表示为[8]

式中：L 为电能存储转移电感；I 为压电片流出电流；C0为压电双晶片的受夹电容；Vp为压电双晶片的端电压。

当电路中的开关S 断开后，I 变为0，则：式中：VDC为压电片的端电压；RL为负载阻值。

对比式（3），（4）可知，相比于传统的经典电路，在相关参数一致的条件下，SECE 电路具有能量回收功率高、回收功率与负载无关等优点。

2 单片机控制算法设计

图2 控制电路流程图Fig.2 Flow chart of control circuit

根据SECE 电路的需求，MSP430 单片机程序设计需要具备两个条件：一是检测电压信号，判断是否为电压峰值； 二是电压峰值时产生一个脉冲信号。 针对以上两个条件，在IAR 里编写了端口初始化函数、脉冲信号输出函数。

3 涡激式微型风能采集装置的硬件实现

涡激式微型风力发电采集装置系统结构框图如图3 所示。

图3 涡激式微型发电装置系统结构框图Fig.3 Structural block diagram of vortex-excited micro power generation system

涡激振动压电结构如图4 所示。

图4 涡激振动压电结构示意图Fig.4 Schematic diagram of piezoelectric structure by vortex-induced vibration

压电双晶片为双叠片结构， 型号为QDA60-20-0.7，长度为60 mm，宽度为20 mm，厚度为0.7 mm，自由长度为50 mm。 钝体在风的作用下将带动压电双晶片周期性位移， 因此压电双晶片上的输出电压也是周期性的，存在极大值与极小值。在SECE 电路有一个开关S，当压电双晶片上的电压为峰值时， 开关S 闭合1/4 个LC0谐振周期的时长， 因此产生脉冲信号的时间点与脉冲宽度需要精准控制。

涡激式微型风能采集装置的实物如图5 所示。 图中，SECE 电路中的MOS 管选择N 沟道增强型IRF540N，其栅源极导通电压为2～4 V，漏源极导通内阻小于77 mΩ，负载为可调电阻，阻值可调节为0～300 kΩ。由于MSP430 单片机的ADC12输入电压不能超过3.3 V， 因此使用1 MΩ 与9 MΩ 的电阻串联对整流后的电压进行分压。

图5 涡激式微型风能采集装置的实物图Fig.5 Physical drawing of a micro vortex - induced wind energy harvesting device

4 实验方案与结果分析

实验方案： 风速选取为14，16 m/s 和18 m/s。在风速不变的条件下， 负载选定为10 kΩ～300 kΩ，每10 kΩ 取一个阻值，共30 个负载阻值。 利用经典电路与SECE 电路分别对压电双晶片上的能量进行回收， 改变负载阻值测试涡激振动发电装置在不同负载下的回收功率。 比较经典电路与SECE 电路的涡激式微型风能采集装置的回收功率，并对比两种装置的回收效率。由于经典电路的拓扑结构是全桥整流器与电容、电阻直接相连，因此为了对比分析， 在实验中并没有对经典电路外加任何检测控制系统。

保持风速为14 m/s 不变，使用示波器观察压电片两端电压在经典电路与SECE 电路下的波形（图6）。 由图6 可知：当压电片两端电压到达极大值时，电感的导通会使压电片端电压迅速变为0，缩短了压电片负向积累电荷的时间， 提高了能量回收效率；在经典电路下，压电片两端的平均开路电压为3.09 V，在SECE 电路下，压电片两端的平均电压为3.75 V，较经典电路提高了21.4%。

图6 风速为14 m/s 时压电片两端电压Fig.6 Voltage at both ends of piezoelectric plate at wind speed of 14 m/s

当风速为14 m/s 时， 经典电路与SECE 电路下的回收功率与负载阻值的关系如图7 所示。 由图7 可知： 在经典电路下， 当负载阻值由10 kΩ增大至300 kΩ 时， 回收功率随着负载阻值的增加先增大后减小；在SECE 电路下，当负载阻值由10 kΩ 增大至140 kΩ 时， 回收功率逐渐增加，当负载阻值为140 kΩ 时， 回收功率达到41.5 μW，之后回收功率稳定在40 μW 左右。与经典电路相比，SECE 电路的回收功率提高了75.3%。

图7 风速14 m/s 下回收功率与负载阻值Fig.7 Recovered power and load resistance at wind speed of 14 m/s

在风速为16 m/s 时， 经典电路与SECE 电路下的压电片两端电压波形如图8 所示。

图8 风速为16 m/s 时压电片两端电压Fig.8 Voltage at both ends of piezoelectric plate at wind speed of 16 m/s

由图8 可知： 当压电片两端电压到达极大值时，MSP430 单片机均能检测到电压峰值并产生一个脉冲信号来导通电感；在经典电路下，压电片两端的平均开路电压为4.5 V， 在SECE 电路下，压电片两端的平均电压为5.28 V， 较经典电路提高了17.3%。

当风速为16 m/s 时， 经典电路与SECE 电路下的回收功率与负载阻值的关系如图9 所示。 由图9 可知： 在经典电路下， 当负载阻值由10 kΩ增大至50 kΩ 时， 回收功率逐渐增加至最大，而后随着负载阻值的增加逐渐减小； 在SECE 电路下，当负载阻值由10 kΩ 增大至50 kΩ 时，回收功率逐渐增加，50 kΩ 时回收功率达到76.05 μW，之后，回收功率稳定在65 μW 左右。 与经典电路相比，SECE 电路的回收功率提高了52.2%。

图9 风速16 m/s 下回收功率与负载阻值Fig.9 Recovered power and load resistance at wind speed of 16 m/s

当风速为18 m/s 时， 经典电路与SECE 电路下的压电片两端电压波形如图10 所示。

图10 风速为18 m/s 时压电片两端电压Fig.10 Voltage at both ends of piezoelectric plate at wind speed of 18 m/s

由图10 可知：压电片两端电压先逐渐增大后逐渐减小； 当压电片两端电压到达极大值时，MSP430 单片机均能检测到电压峰值并产生一个脉冲信号来导通电感；在经典电路下，压电片两端的平均开路电压为5.3 V，在SECE 电路下，压电片两端的平均电压为5.87 V， 较经典电路两端电压提高了10.8%。

当风速为18 m/s 时， 经典电路与SECE 电路下的回收功率与负载阻值的关系如图11 所示。由图11 可知：在经典电路下，当负载阻值从10 kΩ增加至50 kΩ 时，回收功率随负载阻值的增加而逐渐增加， 之后回收功率随着负载阻值的增加而逐渐减小；在SECE 电路下，当负载阻值由10 kΩ增大至60 kΩ 时，回收功率逐渐增加，60 kΩ 时回收功率达到最大值112 μW，而后回收功率在80～100 μW 内波动， 随负载阻值的增大回收功率减小不明显；与经典电路相比，SECE 电路下的回收功率提高了47.8%。

图11 风速为18 m/s 时回收功率与负载阻值Fig.11 Recovered power and load resistance at wind speed of 18 m/s

5 结论

本文基于MSP430 单片机系统研究了一种涡激式微型风能采集装置的控制系统。 以SECE 电路为基础， 使用MSP430 单片机对压电双晶片两端电压进行峰值检测， 并产生脉冲信号控制SECE 电路里的开关导通， 缩短压电片负向积累电荷的能量损耗， 提升涡激式微型发电装置的性能。 实验结果表明，在风速为14，16 m/s 和18 m/s时，与经典电路相比，基于SECE 电路的涡激式微型风能采集装置的回收功率分别提高了75.3%，52.2%和47.8%。