一种新电流补偿算法风力发电方法及其控制器与流程

本发明涉及风力发电领域，具体是一种新电流补偿算法风力发电方法及其控制器。

背景技术

风力发电机必须配备一个风力发电机控制器才能完成能量的采集和风机安全运行管理工作。为了提高风机发电效率，现在普遍都采用mppt(最大功率跟踪)技术来提升风机发电效果。在执行mppt算法时，一般都需要采集风机的输入电压、输入电流、转速等数据来完成。输入电压和转速由于变化幅度，幅值比较大，相对比较容易采集得到，采集的精度也高；对于输入电流来说就没有那么简单了，由于电流采集一般都是采用回路串联电阻来采样的(相对成本比较低，如果采用霍尔传感器等，则成本高很多)，由于电流采样是在充电回路里串联电阻，电阻的大小影响输入损耗，间接带来控制器散热问题和风机输入效率问题，还会影响电流采样精度和动态范围。

为了减少损耗，电流采样电阻一般都很小，比如1mω，当输入电流为0.1a时，输入的电压为0.1mv；如果输入0.01a时，输入的电压为0.01mv。在应用中考虑到成本要求，一般运放都采用lm324，lm358等运放来担任放大工作，即使采用双电源供电，由于受运放的输入偏置误差影响，无法准确放大低于2mv左右的输入电压。经过实践测试：电流小于0.2a时候，放大器基本放大不了。即使采用高性能的运算放大器，由于受工作时的外部噪声影响(控制器很多部件都工作在大电流开关状态)，也会影响信号的准确放大；并且成本高。有些厂家为了改善小信号输入的放大效果，会在信号输入端叠加一个小的电压信号，使放大器离开此失误放大区来检测输入小电流。此种方法可以改善小信号的准确性，但是需要使用前把叠加的信号进行减除补偿(一般都是用单片机a/d数字化进行)，由于运放对温度相对敏感，温度不同，补偿量也会有所不同，由于温度带来的信号漂移，有时候让检测得不偿失，所以在电流信号较小时，很少采用此方法。

mppt算法目的是提高风机的发电量，让风机在最大功率跟踪点下工作，所以需要采集风机的输入功率，由于功率＝电压*电流，如果电流采样不准，就会造成跟踪出来的风机总是在失速状态下运行，实际输出的功率会比最佳功率少，严重的话，风机失速运行现象会加剧，由于mppt算法在硬件上是依靠pwm模式来实现的，pwm模式就是脉宽调制模式，对风机来说，pwm调制的部件就是风机的输入负载，由于采样电流信息测量不准确，造成给定的风机负载过大或过小。实践效果就是，风机给控制器拖住了，转速上不去，发不出什么电来，或者转速上去了，但是抽取的电能很少。所以解决电流采样问题，mppt算法才能顺利完成，并达到真正辅助优化风机发电的效果。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种基于新电流补偿算法的风力发电方法及其控制器。本发明得到的电流测量范围和精度可以提高一个数量级，尤其适合对小电流的采样补偿，本发明适用性好，成本低。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基于新电流补偿算法的风力发电方法，包括以下步骤，

s1搭建boost拓扑结构和硬件电路；所述boost拓扑结构包括三相整流桥、滤波电容c、电感l、二极管d、mos管q、蓄电池gb；所述硬件电路包括boost升压电路、boost升压输出驱动器、电池电压采样电路、风机输入电压采样电路、mcu；

s2假设电感电流工作在dcm模式下，由三角波电流的平均公式、电感理论计算得出风机的输入平均电流i：

公式有效约束条件为：

s3控制mcu输出一个合适的pwm波，驱动mos管让电感工作在斩波状态，并减去信号延迟，记录此时的pwm占空比ton；

s4实时采集风机输入电压、蓄电池电压；

s5对电感量做适当的补偿工作；

s6把步骤s3、s4、s5的结果带入到公式⑤，由mcu计算i的值；

s7把计算得到的i值带入到mppt算法实现风力发电。

优选的，步骤s1中，所述boost拓扑结构为风机带mppt的升压型输入拓扑结构，包括三相整流桥、滤波电容c、电感l、二极管d、mos管q、蓄电池gb；所述三相整流桥的输入端和风机相连，输出端一路接地，另一路接滤波电容c的正极；所述滤波电容c的正极接电感l正极，所述电感l负极接二极管d正极，所述二极管d正极接mos管q正极，所述二极管d负极接蓄电池gb正极，所述滤波电容c负极、mos管负极、蓄电池负极均接地。

优选的，步骤s1中，所述boost升压电路包括电容c47、电容c48、电感l3、二极管d4、mos管q29，所述mos管q29的s极和电容c48的负极均接地，mos管q29的d极接二极管d4的3口，电感l3接二极管d4的1口，二极管d4的3口和1口互连，电感l3的另一端接电容c47，电容c47接地，电容c48的正极和二极管d4的2口均接24v电源；所述boost升压输出驱动器由三极管q27、三极管q28、三极管q30、三极管q20、电阻r43、电阻r76、电阻r77、电阻r80、电阻r81组成；所述三极管q20的基极连接电阻r43、电阻r76，所述电阻r76、三极管q20的发射极、三极管q30的集电极接地，所述三极管q20的集电极同时连接三极管q30的基极、三极管q27的基极、电阻r77，所述电阻r77和三极管q27的集电极均接三极管q28的集电极，三极管q27的发射极接三极管q28的基极，三极管q28的发射极和三极管q30的发射极均接电阻r80，所述电阻r80接电阻r81，所述电阻r80和电阻r81均接g极，所述电阻r81接地，所述三极管q27、三极管q28、三极管q20均采用npn型，所述三极管q30采用pnp型；所述电池电压采样电路由电阻r31，电阻r75，电容c39，二极管d21组成；所述电阻r31一端接24v电源，一端同时接电阻r75、二极管d21的负极、电容c39，所述电阻r75、二极管d21、电容c39呈并联连接后接地；所述风机输入电压采样电路由电阻r5，电阻r6，电容c4，二极管d22组成；所述电阻r6、电容c4、二极管d22并联后接地，所述二极管d22的负极接电阻r5；所述mcu的p0-2/an5引脚接风机输入电压采样电路，mcu的p0-1/an6引脚接电池电压采样电路。

优选的，步骤s2中，三角波电流的平均公式为：

idc＝(d*im)/2①，

其中，d为pwm占空比，im为电感峰值电流；

d＝(ton+toff)/t②

其中，ton为开通时间，toff为电流续流段下降为0的时间，t为pwm周期；

所述电感理论为：

ton＝(im*l)/uin③

toff＝(im*l)/(uo-uin)④

其中，l为电感量，uin为风机整流后的输入电流，uo为输出的电压，对离网充电系统来说就是蓄电池电压。

优选的，步骤s3中，mcu的pwm输出到mos管打开的延迟补偿，在mos管驱动硬件定下来时，此部分信号延迟是固定的，在计算pwm占空比ton时，需要把此部分延迟减除，否则结果会带来较大偏差。

优选的，步骤s4中，对风机输入电压采样时，使用滤波器得到平滑的直流电压。

通过采用上述技术方案，由于风机输入的电压是三相整流滤波后的带有纹波的直流电压，因此在电压采样时，需要使用滤波器得到平滑的直流电压。

优选的，步骤s5中，电感l采用铁硅铝磁芯。

通过采用上述技术方案，由于电感是一个非线性的器件，电感量受温度、直流偏置等影响，会改变电感量，在应用时，需要充分估算其能忍受的电感变化误差范围，因为此误差会影响计算结果，所以适当时候需要做补偿工作。铁硅铝磁芯型材是温度特性较好的电感磁芯材料，性价比较好。

一种控制器，所述控制器为风机控制器或风光互补控制器，所述风机控制器或风光互补控制器采用基于新电流补偿算法的风力发电方法。

综上所述，本发明取得了以下技术效果：

1、电流测量范围和精度可以提高一个数量级，尤其适合对小电流的采样补偿；

2、降低了成本，增大了产品竞争力；

3、适用性好，只要使用电感型pwm技术的线路结构均可以使用本发明的算法。

附图说明

图1是本发明boost拓扑结构电路图；

图2是pwm波滤波电路示意图；

图3是本发明电感的电流电压波形图；

图4是本发明硬件结构电路图；

图中，1、风机，2、三相整流桥。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例：

一种新电流补偿算法风力发电方法，包括以下步骤，

s1搭建boost拓扑结构和硬件电路；所述boost拓扑结构包括三相整流桥、滤波电容c、电感l、二极管d、mos管q、蓄电池gb；所述硬件电路包括boost升压电路、boost升压输出驱动器、电池电压采样电路、风机输入电压采样电路、mcu；

s2假设电感电流工作在dcm模式下，由三角波电流的平均公式、电感理论计算得出风机的输入平均电流i：

公式有效约束条件为：

s3控制mcu输出一个合适的pwm波，驱动mos管让电感工作在斩波状态，并减去信号延迟，记录此时的pwm占空比ton；

s4实时采集风机输入电压、蓄电池电压；

s5对电感量做适当的补偿工作；

s6把步骤s3、s4、s5的结果带入到公式⑤，由mcu计算i的值；

s7把计算得到的i值带入到mppt算法实现风力发电。

步骤s1中，所述boost拓扑结构为风机带mppt的升压型输入拓扑结构，包括三相整流桥2、滤波电容c、电感l、二极管d、mos管q、蓄电池gb；所述三相整流桥2的输入端和风机1相连，输出端一路接地，另一路接滤波电容c的正极；所述滤波电容c的正极接电感l正极，所述电感l负极接二极管d正极，所述二极管d正极接mos管q正极，所述二极管d负极接蓄电池gb正极，所述滤波电容c负极、mos管负极、蓄电池负极均接地。

如图4所示，步骤s1中，所述boost升压电路包括电容c47、电容c48、电感l3、二极管d4、mos管q29，所述mos管q29的s极和电容c48的负极均接地，mos管q29的d极接二极管d4的3口，电感l3接二极管d4的1口，二极管d4的3口和1口互连，电感l3的另一端接电容c47，电容c47接地，电容c48的正极和二极管d4的2口均接24v电源；所述boost升压输出驱动器由三极管q27、三极管q28、三极管q30、三极管q20、电阻r43、电阻r76、电阻r77、电阻r80、电阻r81组成；所述三极管q20的基极连接电阻r43、电阻r76，所述电阻r76、三极管q20的发射极、三极管q30的集电极接地，所述三极管q20的集电极同时连接三极管q30的基极、三极管q27的基极、电阻r77，所述电阻r77和三极管q27的集电极均接三极管q28的集电极，三极管q27的发射极接三极管q28的基极，三极管q28的发射极和三极管q30的发射极均接电阻r80，所述电阻r80接电阻r81，所述电阻r80和电阻r81均接g极，所述电阻r81接地，所述三极管q27、三极管q28、三极管q20均采用npn型，所述三极管q30采用pnp型；所述电池电压采样电路由电阻r31，电阻r75，电容c39，二极管d21组成；所述电阻r31一端接24v电源，一端同时接电阻r75、二极管d21的负极、电容c39，所述电阻r75、二极管d21、电容c39呈并联连接后接地；所述风机输入电压采样电路由电阻r5，电阻r6，电容c4，二极管d22组成；所述电阻r6、电容c4、二极管d22并联后接地，所述二极管d22的负极接电阻r5；所述mcu的p0-2/an5引脚接风机输入电压采样电路，mcu的p0-1/an6引脚接电池电压采样电路。

如图1和图2所示，新电流补偿算法推算如下：对风机来说，负载就是一个boost结构的pwm斩波器，pwm波通过输入电容、输入电感滤波为直流，如图3为电感的电流电压波形图。在pwm波周期开始时，即mos管导通时，风机输入电压经过电感，对电感储能充电，电感电流斜坡上升，形成周期的三角电流波il,当电流上升到im时候mos关关闭，电感电流斜率下降，下降终点有两种情况：一是电流下降到还没有为0时，下一个pwm波开始，即电感电流连续状态，此时为ccm模式；二是电流下降到0后，下一个pwm波才开始,即电感电流非连续状态，此时为dcm模式。对于第一种情况，不在本文讨论范围，本发明研究的是电感工作在dcm模式下时实现风机输入电流检测。

步骤s2中，由于电感电流工作在dcm模式，其电流就是周期性三角波，三角波电流的平均公式为：

idc＝(d*im)/2①，

其中，d为pwm占空比，im为电感峰值电流；

d＝(ton+toff)/t②

其中，ton为开通时间，toff为电流续流段下降为0的时间，t为pwm周期；

所述电感理论为：

t。n＝(im*l)/uin③

toff＝(im*l)/(uo-uin)④

其中，l为电感量，uin为风机整流后的输入电流，uo为输出的电压，对离网充电系统来说就是蓄电池电压；

将公式①②③④合并后计算得出风机的输入平均电流i，即公式⑤。

由公式⑤继续推算出以下公式：

根据风机的输入平均电流i可以人为的测算风机所带的等效负载r、功率w，或者是最优工作点的pwm工作波形。本发明不依赖电流传感器，由于所安装的电感的电感量是已知的，因此只要测量输入电压、蓄电池电压，和pwm波占空比就可以准确得到输入的电流，利用演算变形公式就更容易实现mppt算法。

由以上推算的风机的输入平均电流i来实现带mppt的风力发电。

步骤s3中，mcu的pwm输出到mos管打开的延迟补偿，在mos管驱动硬件定下来时，此部分信号延迟是固定的，在计算pwm占空比ton时，需要把此部分延迟减除，否则结果会带来较大偏差。

步骤s4中，对风机输入电压采样时，使用滤波器得到平滑的直流电压。由于风机输入的电压是三相整流滤波后的带有纹波的直流电压，因此在电压采样时，需要使用滤波器得到平滑的直流电压。

步骤s5中，电感l采用铁硅铝磁芯。由于电感是一个非线性的器件，电感量受温度、直流偏置等影响，会改变电感量，在应用时，需要充分估算其能忍受的电感变化误差范围，因为此误差会影响计算结果，所以适当时候需要做补偿工作。铁硅铝磁芯型材是温度特性较好的电感磁芯材料，性价比较好。

当风机输入电压、蓄电池电压采集完毕时，根据当前电感的pwm占空比值，并且加入条件限制保护，由mcu来执行无电流传感器算法计算公式⑤，此算法由硬件电路实现。风机输入的电压、蓄电池电压，可以使用简单的电阻分压，送入mcu的a/d口转换得到；pwm波一般都是由mcu产生，所以其占空比可以自由设定和控制，是个已知数。

步骤s6中，mcu计算风机输入电流时采用核心计算算法如下：

上述代码由c语言实现，本实施例中以24v电压为例，

代码描述如下：

1)if(v_24_value_std>v_wind_value_std&&wind_pvm_value>0)

当电池电压高于风机输入平均电压，并且pwm占空比不为0时才执行电流计算。

2)n＝v_24_value_std：n-＝v_wind_value_std：n/＝10：//1个小数点

计算公式⑤中的u0-uin结果，并且保留一个小数点。

3)j＝v1_wind_value_std：j*＝j：j/＝n：j+＝v1_wind_value_std：//1个小数点

计算公式⑤中的结果

4)

j*＝i：

if(j>7780000){j/＝100；j*＝i：}else{j*＝i：j/＝100：}//(2^32/5

计算公式⑤中的的结果，由于属于定点32位运算，多次乘法可能会计算溢出，所以这里把ton的平方，分开来计算，先乘一个ton，然后判断再乘一个ton是否溢出，如果没有，则再乘一个ton，并且规格化。有的话先把数据缩小100倍再乘ton。

5)

if(boost_h_data＝＝0){j/＝680：}//5a59174

if（boost_h_data＝＝1){j/＝1830：}//12a

if(boost_h_data＝＝2){j/＝1600：}//18a

if(boost_h_data＝＝3){j/＝3200：}//25a2只18a串联

根据选择不同的电感量计算总的公式⑤。(680，1830，1600，3200是2*t*l的预先计算结果)，得到的就是有2位小数的电流值。

6)

i＝j：

j＝v1_vind_value_std：j*＝vind_pwm_value：j/＝n：j+＝vind_pwn_value：

if(i<65){if(j>480||(i>30&&f<10)){i＝f：}}//如果超过pwm

else{i＝f：}

计算公式⑦约束条件，并且判断结果取向。如果在约束条件范围内取计算的电流作为实际电流，否则取电流传感器的电流作为实际电流。

由上述代码算法计算出的结果能够得到2个小数位的电流值，提高了电流采集的精度。

在实际测算试验中，计算所得的电流可以测量不低于0.01a的电流(对于小于0.01a的感知，由于受参数采样精度、硬件一致性影响等误差会比较大，不推荐使用。对于风机控制器来说，此算法的结果已经完全满足需要了)，并且测量结果和用电流传感器测量的结果基本一致，误差范围可以控制在±5％以内。

本发明的算法是建立在电感电流工作在dcm模式的情况，所以在测算过程中，如果使用的是定周期的pwm波，就需要对pwm电感电流的工作状态做推算工作，让测算出来的电流是电感工作在dcm模式下的结果，否则数据失效。

依据以下公式来测算电流是否在dcm模式：

(ton+toff)&lt;t⑥把公式③④代入公式⑥得到

实际应用中建议采用：

如果是变周期pwm则可以人为的控制电感电流工作在dcm模式下，此种情况相对简单，但是受硬件速度影响，pwm变周期范围是有限的，需要根据实际情况使用。变周期方式下，实际测算结果一样有效。

如果系统中安装了电流传感器(如电阻串联采样)，在电流输入较少时，电流传感器测量不到，或不准，可以由此算法得到的电流来代替传感器输出的电流，当电流较大时，电流传感器工作正常段就使用传感器的数值。两者之间的数据切换和过度补偿工作，需要根据实际调整。

在实际应用中，当使用0.5m欧姆的电阻采样电流，以及低成本的lm358作为运放时，在测量40a电流时只产生约0.8w的损耗，损耗小，工作稳定。使用本发明的算法，能够提高测量量程和测量精度，例如，不使用本发明算法时测量范围是0.5a-50a，当结合此算法后，测量范围为0.01a-50a。

通过本发明的算法实现的风机发电，可以保证风机平顺高效率运行。

一种控制器，所述控制器为风机控制器或风光互补控制器，所述风机控制器或风光互补控制器采用新电流补偿算法风力发电方法。

本实施例中，电感l采用180uh的电感量，mcu采用r5f21258型号的芯片，mos管均采用ru7588r型号。

与现有技术相比，本发明的算法是在原有的硬件基础上，根据电路结构而衍生的一种开环计算、闭环辅助验证结合的一种新方法。在同样硬件结构上，能够有效的提高小信号电流测量范围1个数量级，并且测量准确度满足应用的需求，在实际应用时，如果要求不高，可以去掉电流传感器和周边辅助电路，减少系统成本，增大产品竞争力；除了boost拓扑结果外，本发明的算法也适用于buck、boost-buck的线路结构，应用面广。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。