一种风力发电机低风速发电算法和实现方法、及其控制器与流程

本发明涉及风力发电领域，具体是一种风力发电机低风速发电算法和实现方法、及其控制器。

背景技术：

小功率风力发电机在把风能转化为电能时需要接入一个控制器实行对风机的充电管理。当风机输入电压低于蓄电池电压时，需要使用升压技术，把输入电压抬高，才能对电池充电。

一般都是使用boost拓扑结构的方式升压。很多厂家都是在不考虑风机特性时，检测输入电压，电流，计算其输入功率，然后调整boost升压占空比，让其实现输入功率最大化，即风机mppt技术。这个方案看似实现了在低风速下发电，然而单纯的此实现方法带来的后果对风机来说是致命的，不仅很难实现最优发电，而且插入mppt技术，发电量反而比直接充电效果差，造成风机长期失速运行，并且风机抖动转动，不平顺，降低风机寿命。

实际上对于风机来说，其在一个风速下，有一个对应的最佳运行转速，否则风机会失速运行。也就是说需要工作在最佳叶尖速比下才能最大效率发电。对于小功率风力发电机(600w以内)来说，在一般风资源环境下，更看重的是低风速下的能量转化。

而低风速下由于输入的能量比较少，即使采用真正的mppt技术，受成本和材料精度影响，很难有理想中的发电效果，性价比很差。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种风力发电机低风速发电算法和实现方法、及其控制器，本发明着重于处理风机在低风速下发电的效果，让风机平顺发电。即使很低的风速也能把风能转化成电能充电到电池中，并且可以近似的在低风速下实现类mppt效果，性价比也非常高。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种风力发电机低风速发电算法，首先搭建boost升压技术拓扑结构，以风力发电机处于低风速下平稳运行而接近最优的发电状态为目标，利用boost升压技术拓扑结构中的电感工作在dcm模式下推算得到实际对于风机的动态阻抗和等效输入功率，将等效输入功率输入到风速能量公式中得到pwm占空比并引入一个修正系数，最后控制pwm占空比和修正系数，来实现风机低风速下最优发电；

所述boost升压技术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；

所述算法包括以下步骤：

s1：根据三角波电流的平均公式和电感理论计算风机输入平均电流和风机输入等效负载；

s2：根据风机输入平均电流计算风机等效输入功率；

s3：将风机等效输入功率与风速能量对比，使风速输入的能量与pwm的占空比符合函数关系：

根据风速能量公式：

w＝(1/2)ρv³⑨

得知：风速产生的能量和风速的3次方成正比，其中ρ为空气密度；

由于boost升压器中可以控制的参数为输入的pwm占空比，即ton可控，对比公式⑧和公式⑨，为了把风速能量的3次方关系等效于pwm占空比的3次方关系，应该有如下的等式下才能成立：

公式⑩即是pwm占空比的计算公式，其中，k为引入的修正系数，根据输入电压的范围和pwm周期推断出k系数的范围，k系数的约束公式为：

其中，umax是最大风机输入电压，uo是蓄电池电压，t是pwm周期；

当公式⑩满足后，则风机等效输出功率为：

同时，k系数需要满足以下关系：

从公式⑨和公式可以看出，风速输入的能量正比于pwm的占空比，即在一定风速下，风机会有一个最佳的转速来指示最优的发电状态；

s4根据公式⑩，选择一个合适的k系数，让风机在低风速时的发电效果接近mppt效果。

优选的，所述boost升压技术拓扑结构中，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，所述三角波电流的平均公式：

idc＝(d*im)/2①

其中，d为pwm占空比，im为电感峰值电流；

而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是电感量，uin是风机整流后的输入电压，uo是输出的电压，对离网充电系统来说uo就是蓄电池电压；

把①②③④式合并后得到风机输入平均电流：

公式⑤的有效约束条件为：

根据输入负载等于输入电压除以等效平均电流，即：r＝uin/i，

计算得出风机等效输入负载为：

优选的，步骤s2中，由于输入功率等于输入电压乘以等效平均电流，即：w＝uin*i，

根据公式⑤计算得出等效输入功率为：

一种风力发电机低风速发电算法的实现方法，所述方法采用如权利要求1-4任一项所述的风力发电机低风速发电算法，包括以下步骤：

第一步，引入两个参数：参数一是风机最大负载比例，用于定义在一个限制的输入电压下pwm占空比允许输出的最大比例值，即公式⑩的k系数；参数二是mppt开启电压，当输入电压高于此参数值时，才引入算法pwm升压，即当达到一定风速时才开始发电，避免风机停转；

第二步，对风机输入电压、蓄电池电压采样；

第三步，计算pwm占空比：根据第一步的参数一和第二步的采样结果，由公式⑩计算pwm占空比；

第四步，验证公式⑥是否成立：将第三步的结果带入公式⑥，若公式⑥不成立，则取使公式⑥成立的最大ton值，即最大pwm占空比；若公式⑥成立则继续第五步；

第五步，将上一步得出的pwm占空比输出到mos管。

一种控制器，所述控制器为风机控制器或风光互补控制器，该风机控制器或风光互补控制器采用如权利要求1所述的风力发电机低风速发电算法。

综上所述，本发明取得了以下有益效果：

1.实现风机在微风状态下即可以发电；

2.本发明不会造成风机机械抖动，或者卡停风机，延长风机使用寿命；

3.免除电流传感器，仅仅使用简单的boost结构即可实现近似mppt的工作效果；

4.成本低，提高产品竞争力；

附图说明

图1是本发明boost升压技术拓扑结构电路图；

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是实施例中的参数一；

图5是实施例中的参数二；

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：

一种风力发电机低风速发电算法，首先搭建boost升压技术拓扑结构，以风力发电机处于低风速下平稳运行而接近最优的发电状态为目标，利用boost升压技术拓扑结构中的电感工作在dcm模式下推算得到实际对于风机的动态阻抗和等效输入功率，将等效输入功率输入到风速能量公式中得到pwm占空比并引入一个修正系数，最后控制pwm占空比和修正系数，来实现风机低风速下最优发电；

所述boost升压技术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；

所述算法包括以下步骤：

s1：根据三角波电流的平均公式和电感理论计算风机输入平均电流和风机输入等效负载；

s2：根据风机输入平均电流计算风机等效输入功率；

s3：将风机等效输入功率与风速能量对比，使风速输入的能量与pwm的占空比符合函数关系：

根据风速能量公式：

w＝(1/2)ρv³⑨

得知：风速产生的能量和风速的3次方成正比，其中ρ为空气密度；

由于boost升压器中可以控制的参数为输入的pwm占空比，即ton可控，对比公式⑧和公式⑨，为了把风速能量的3次方关系等效于pwm占空比的3次方关系，应该有如下的等式下才能成立：

公式⑩即是pwm占空比的计算公式，其中，k为引入的修正系数，根据输入电压的范围和pwm周期推断出k系数的范围，k系数的约束公式为：

其中，umax是最大风机输入电压，uo是蓄电池电压，t是pwm周期；

当公式⑩满足后，则风机等效输出功率为：

同时，k系数需要满足以下关系：

从公式⑨和公式可以看出，风速输入的能量正比于pwm的占空比，即在一定风速下，风机会有一个最佳的转速来指示最优的发电状态；

s4根据公式⑩，选择一个合适的k系数，让风机在低风速时的发电效果接近mppt效果。

所述boost升压技术拓扑结构中，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。此电路中没有安装电流传感器，通过mcu来控制mos管来升压发电，mcu经过算法后得到输出占空比，通过输出引脚，输出到mos管的驱动电路，让mos工作在pwm状态。

如图1所示，对风机来说，负载是boost结构的pwm斩波器，pwm波通过滤波电容c、电感后滤波为直流，如图2所示。对于pwm波，从微观来说，每个斩波周期都会带来电流变化，遵循电感电流变化规律，电感的电流电压波形如图3所示，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管关闭，电感电流斜率下降，下降终点有两种情况：1、电流还未下降为0时，下一个pwm波开始，也就是电感电流连续状态，这时为ccm模式；2、电流下降到0后，下一个pwm波才开始，也就是电感电流非连续状态，这时为dcm模式。对于第一种情况，不在本文讨论范围，本文仅讨论电感工作在dcm模式时的情况。本发明就是人为的利用电感工作在dcm状态下来得到实际对于风机的动态阻抗，控制动态阻抗来实现风机低风速下平稳发电。

步骤s1中，所述三角波电流的平均公式：

idc＝(d*im)/2①

其中，d为pwm占空比，im为电感峰值电流；

而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是电感量，uin是风机整流后的输入电压，uo是输出的电压，对离网充电系统来说uo就是蓄电池电压；

把①②③④式合并后得到风机输入平均电流：

公式⑤的有效约束条件为：

根据输入负载等于输入电压除以等效平均电流，即：r＝uin/i，

计算得出风机等效输入负载为：

步骤s2中，由于输入功率等于输入电压乘以等效平均电流，即：w＝uin*i，

根据公式⑤计算得出等效输入功率为：

以上的推算，在风机输入电压和风速明确后才成立，也就是说用风机输入电压来代替风速的检测。忽略其他的因素的影响，当一个风力发电机确定后，其特性就固定下来，在一定风速下，风机会有一个最佳的转速来指示最优的发电状态。

根据当前负载引起的功率为：

上式中，kp是风能转化系数，即表示有多少风功率转化为电功率。由式中可以看出，kp并不是固定的，改变负载r也会改变kp的数值，即kp是负载r的函数。所以输入电压和风机功率输出并非线性关系。

当使用boost结构升压发电时，优选一个合理的k系数，依据风机输入电压和公式⑩计算pwm占空比，使其满足电感工作在dcm状态下，即满足公式⑥，当公式⑥不满足时，取一个最能使公式⑥成立的最大ton值；并且根据输入电压、输出电压不断调整，使得输出的功率与特定风速成正比，此时输出功率接近mppt算法所得到的功率；将计算得到的pwm占空比值输出到boost的控制mos管、pwm开关，实时得到风机的最佳工作状态。

由以上推算可以看出，优选一个合理的k系数，根据公式⑩可以计算出当前工作的占空比，并且根据输入输出电压的不断调整，输出的功率可与特定风速成正比，输出功率也接近mppt算法所得到的功率。应用时根据风机特性，选用一个合适的k系数，让风机在一个最优的的风速段发电。此方法对于非特定风速段会存在发电偏差的，由于本文讨论的是低风速发电，所以理论仅用于低风速时后的发电效果改善。本理论不依靠电流硬件采样，所以在低风速下不会受电流采样精度影响，因为此时电流采样是困难的。本发明实现简单，有类似mppt效果。

本发明采用boost升压技术拓扑结构来升压发电，通过电感工作在dcm模式下的风机的动态阻抗和等效输入功率，动态阻抗如公式⑦所示，等效输入功率如公式⑧所示，将风机等效输入功率与风速能量对比，使风速输入的能量与pwm的占空比符合函数关系后引入一个k系数，同时计算得出pwm占空比，根据输入输出电压不断调整后实时得到风机的最佳工作状态。

一种风力发电机低风速发电算法的实现方法，所述方法采用风力发电机低风速发电算法，包括以下步骤：

第一步，引入两个参数，参数一是风机最大负载比例，如图4所示，

此参数一用于定义在一个限制的输入电压下pwm占空比允许输出的最大比例值，由公式7可以看出，此参数间接用于限制风机外接的等效输入负载不大于一个数值；例如，对24v系统来说，风机最大负载比例定义的是在风机输入电压为24v时的最大pwm占空比例；实际上，风机最大负载比例代表的是风速和风机负载的等效比例k的关系，也就是公式⑩的k系数。

参数二是mppt开启电压，如图5所示，

mppt开启电压是指，当输入电压高于此参数值时，才引入算法pwm升压，即当达到一定风速时才开始发电，避免风机停转；对于24v系统来说，参数二定义了从mppt开启电压至24v之间的范围执行本核心算法。

第二步，对输入电压、蓄电池电压采样；

第三步，计算pwm占空比：根据第一步的参数一和第二步的采样结果，由公式⑩计算pwm占空比；

第四步，验证公式⑥是否成立：将第三步的结果带入公式⑥，若公式⑥不成立，则取使公式⑥成立的最大ton值，即最大pwm占空比；若公式⑥成立则继续第五步；

第五步，将上一步得出的pwm占空比输出到mos管。

本发明中电感量不宜太大，本实施例电感量采用60uh，pwm工作频率为16khz，mos管采用ru120n15型号，mcu单片机采用r5f21258型号。

由于k系数理论计算只有一个范围值，实际应用时，根据不同风机不同风速做一个风速发电测试来肯定k的数值。经过大量的50w，100w，200w，300w，400w风力发电机测试，在自然风环境下，设定负载比例在10％-15％之间是合理的。在低风速下让风机可以接近最优的状态发电；由于输入的风机电压是缓慢变化的，计算得到的ton，也不会有跳跃，所以风机在自然风下运行，非常平顺，不会带来机械抖动。

一种控制器，所述控制器为风机控制器或风光互补控制器，该风机控制器或风光互补控制器采用所述的风力发电机低风速发电算法。

本发明不需要电流传感器，只需要检测风机输入电压、蓄电池电压，即可实现接近mppt效果的低风速平稳发电。

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。