双向叶轮直驱式潮流发电机及其最大功率控制系统研究
北京信息科技大学的研究人员孟庆桐、张利等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，海洋能源是新能源中不可或缺的一种。由于海水的能量密度远远高于风能和太阳能，因此潮流发电在新能源领域一直是研究的新方向。潮流发电如何将产生的电能进行最大能量捕获，以及保持发电机处于最佳运行状态上，都是目前研究的重点。
本文在潮流发电方向中，自主研制了一套潮流发电机组，为实验室模拟潮流以及实际海域发电提供良好的发电单元，并进一步设计出与之相配套的最大功率控制系统。该系统采用可应用于潮流发电的改进型最大功率跟踪（MPPT）控制算法；以及多电池均衡充电策略，即阶梯择优电池切换控制策略，保证潮流系统持续运行在最大功率。该控制系统在实际海域已进行实验和控制算法验证，为进一步探索潮流发电有深远的影响。
海洋能是一种大规模仍未被完全开发的可再生能源，其中发电形式大致可分为潮流发电、波浪发电、温差发电、盐差发电[1]。本文所研究的发电形式主要针对潮流能发电，潮流发电在能量上具有周期性，并且发电密度远高于其他新能源[2]。
针对潮流发电，本文先对所设计的潮流发电机做简要介绍，其次主要阐述潮流发电系统核心电路设计，以及整个系统工作在最佳状态时的算法研究。
1 双向叶轮直驱式潮流发电机
双向叶轮直驱式潮流发电机结构如图1所示。图1所展示的为外壳透明的小型发电机组，每个发电机额定功率为20W。发电机组两边是永磁发电机，中间是双向叶轮，两台发电机和双向叶轮同轴联接，发电机轴伸部分安装在叶轮的轴孔中间。发电机设计采用集中绕组设计，发电机组以叶轮为中心，两边是对称的。
发电机另一端是“子弹头”形的分流罩，可以有效减小水流直接冲击到发电机端面的水流阻力。发电机通过支板安装在圆形导流筒内，导流筒两端分别有两个汇流罩，起汇流作用，增大导流筒中水的流速，起到汇集能量的作用[3]。双向叶轮直驱式潮流发电机组装置结构紧凑，成本低，系统效率高。
此发电机的设计主要为初步研究潮流发电最大功率跟踪控制算法提供良好的发电单元，并方便在实验室进行潮流模拟发电实验。
图1 20W双向叶轮直驱式潮流发电机
2 潮流控制系统主要电路设计
潮流发电系统的控制电路部分在整个发电系统中起关键作用。其主要功能是将潮流发电机所发出的电能合理地分配给相应的储能电池组中。电路部分包括：①控制部分，包括主线路对电流控制，以及对电池组中每块电池自由的切入切出的控制；②采集部分，包括对主线路上电压、电流的采集、以及每块电池开路电压、温度的采集。系统结构框图如图2所示。
图2 系统结构框图
2.1 采集电路设计
采集电路分为两部分，其中对主线路采用霍尔采集电压电流，采集位置在Buck斩波电路之后。对于电池组部分，系统要求对每块电池进行电压及温度采集，将采集的信号通过SPI总线传给MCU，反馈信号的精确性是潮流发电机可以运行在最佳状态的有力保证。
其中电池电压采集，本文选用高精度的ADS1256芯片采集电池上的开路电压，精度可以达到0.001，可实现8路信号电压采集。由于电池串行连接，在电池两端直接测量电压会产生较大的共模电压，因此本系统选用TI公司共模抑制比高达86dB的INA148芯片测量，再将采集到的电压值经过电阻分压网络给到AD芯片。同时本系统还在每块电池贴上DS18B20温度传感器，对系统计算SOC作温度补偿[4]。电池采集电路框图如图3所示。
图3 电池采集电路框图
2.2 控制电路设计
在整个系统中，分为电流控制电路及电池控制单元。电流控制电路控制主线路上的电流，这里选用Buck电路。对线路上电流控制就是保证储能设备上流过的电流不宜过大，以减少大电流对电池的冲击。
电池控制单元可以实现对4块电池进行不停机串联切入切出，控制框图如图4所示。控制单元选用的开关元件为继电器，每两个继电器分别控制电池的正负极，选用继电器主要是考虑继电器处于闭合状态时不产生压降，减少电能损失。本系统选用12V/7Ah铅酸蓄电池，每4块串联占用一个电池控制单元，其中电池控制单元可以根据发电电压的大小，实现级联操作。
图4 电池控制单元框图
3 改进型MPPT算法（略）
多用于太阳能光伏系统中的MPPT算法，可以很方便地追踪最大功率，满足蓄电池充电要求。在潮流发电系统中，潮流也存在周期性变化，但相对于太阳能来说，周期变化速度快，往复性强。目前，MPPT常用的算法为扰动观察法及电导增量法，扰动观察法容易实现，但是对于潮流变化比较快的环境下，这种方法会出现比较大跟踪误差，在发电功率上有很大的损失，在程序运行上也会出现计算跑偏。电导增量法在计算最大功率时，波动较小，精准性高，但要求单片机不断对要测量的量进行A/D转换。
考虑到本系统的STM32速率可以达到72MHz，完全满足工作要求。因此这里选用可变步长的电导增量法去寻找最大功率点。
4 阶梯式择优串联电池切换策略
由于本系统在主线路上采用Buck斩波电路，因此在进行如上算法前，首先要根据此时的发电电压选择投入串联电池数量。本文采用阶梯式择优串联接入的方法实现。此类方法要求系统不断地测量每一个电池的开路电压，其中本系统采用的是阀控式铅酸蓄电池，开路电压又与SOC近似成线性关系，如图7所示。电池SOC的计算本文采用电流积分的方法即可方便实现。
图7 电池SOC-OCV曲线
择优串联接入的方法就是保证串入电池的总电压要小于此时主线路电压的70%即可。其中串联电池接入的数量根据电池开路电压的大小计算得知。系统每5min计算一次铅酸蓄电池的剩余容量，判断在该时刻是否存在SOC小于25%的电池，若存在电池，则进一步对SOC小于25%的电池细分，以单位SOC为5%的一小组分类，共5个阶梯组，系统建立5个二维数组分别存储5个阶梯组的电池标号及SOC值，并分别对这5组电池在系统中进行SOC由小到大排序，以优先选择最小SOC的蓄电池所在组别充电原则充电，投入该小组最小电量的蓄电池充电，阶梯择优串联电池切换算法流程图如图8所示。
在充电过程中，系统加快SOC计算间隔时间，以每1min计算该充电电池所在小组的所有电池SOC值，当最小电量的电池充电达到小组中最为接近的电池SOC值时，进一步判断与其相接近SOC电池在电气连接上是否为充电电池左右串联。
若两者中间无电池串联，则系统改变继电器开关动作，同时为两块电池共同串联充电，在继续充电过程中，两个串联电池达到小组中排序最为接近电池电量值时，若该电池为两电池串联相相邻电池，则串入共同充电，依次类推；当充电电池的SOC值达到其他电池值时，若系统判断充电电池与接近电池不相邻，则不改变继电器动作，继续为投入的电池充电，直到该电池SOC超过该小组SOC判断阈值。
当最小阶梯小组中所有电池按如上方法充电到第二阶梯小组时，按照上述方法继续充电，以此最终达到SOC为25%的充电要求，再对下一个阶梯大组充电。
若系统在一开始判断电池电量没有小于25%的电池，则直接进入下一个阶梯大组判断电池剩余电量，直到找到最小未充满电电池的阶梯大组，再进入阶梯小组充电，直到所有电池充满电为止。
图8 阶梯择优串联电池切换算法流程图
系统在每一阶梯小组充电过程中，当出现超过2节的串联电池充电时，可以改变电池串联组合，分开充电，以满足调整负载进一步达到最大功率充电的要求。例如，在某一小组中存在有3个串联电池共同充电，若标号为3、4、5，则可改变的充电组合可以是3、4、5、34、45、345。
在系统串入刚好需要充电的电池之后，系统会快速调节步长 ，以使系统达到最大能量跟踪，发电机处于最佳工作运行状态。系统的整体运行框图如图9所示。
图9 系统控制流程图
5 实际海域试验验证
目前，本套潮流实验系统已在北戴河以及青岛做过试验，潮流发电海试照片如图10所示。实际海域中，潮流流速在一天中变化不定，每一时刻潮流发电机所产生的最大功率都会不同。
图10 潮流发电海试照片
通过测量实际海域的潮流流速，得到30s内的潮流流速曲线，如图11所示。
图11 实际海域潮流流速曲线
在该时间段潮流流速保持在1.6m/s的流动速度，将潮流发电机运行在该流速变化范围内，选择1节蓄电池投入系统充电，每2s记录1次发电功率数值，30s内的发电功率曲线如图12所示。
实验中PI调节最大功率的速度在200s以内，因此对于水流流速变化速度不快的情况下，系统都可实现最大功率跟踪。当水流流速达到1.6m/s时，
图12 发电功率变化曲线
系统追踪14W的最大功率，并且在PI调节过程中没有出现系统超调。可见，针对潮流发电所设计的改进型MPPT法可以达到快速的跟踪效果。
本文结合实际潮流发电，设计出一套潮流发电最大功率跟踪控制系统。该系统可以将潮流发电装置所产生的能量最大化的传输给蓄电池组均衡充电，整体系统包括硬件设计、软件算法设计部分。硬件设计主要包括主回路电压电流采集，计算不同时刻的发电功率，为改进型MPPT算法追踪最大功率提供实时比较数据；采集电池组上电压、温度，计算所有蓄电池剩余容量，为系统蓄电池均衡充电提供依据。
同时，为验证潮流发电系统中采用可变步长的电导增量法跟踪算法，以及阶梯择优串联电池切换策略的准确性，已经对该控制系统进行实际海域试验。实验结果表明，该系统可以快速准确的跟踪潮流发电最大功率，并维持系统运行在最佳状态，为进一步研究更大容量的潮流发电系统提供了宝贵的经验。