一种面向百瓦级垂直轴风力机的低风速自举升压宽输入充电控制方法及系统与流程

本发明涉及小型风力发电与储能控制，具体涉及一种面向百瓦级垂直轴风力机的低风速自举升压宽输入充电控制方法及系统。

背景技术：

1、现有小型垂直轴风力发电系统中，常见结构为风轮驱动永磁发电机，发电机输出经三相整流后直接接入蓄电池组或直流母线。该类系统结构简单，但在实际运行中常因风轮气动特性、发电机内阻、整流压降及蓄电池组端电压之间缺乏动态匹配，导致系统在大部分风速区间内均不能工作于较优能量传递状态。对于标称二十四伏储能系统而言，若低风速下整流侧电压仅为十三至十四伏，则传统不含升压模块或仅具备高压区工作的控制器无法进入正常充电区间，尤其在蓄电池组处于吸收或浮充维持前后的较高电压状态时，更容易出现“能发电但充不进去”的情况，造成低风速能量长期弃置。

2、现有部分小型风机控制器虽设置升压模块，但往往侧重于常规稳压输出，未能解决低压自启动、电源自举建立、中间母线预充及输入塌陷抑制之间的协同关系。特别是在小型垂直轴风力机上，风轮启动转矩有限、机械储能较小、整流侧等效源阻抗变化大，一旦控制器在低压区盲目拉载，极易造成整流电压快速下跌、风轮被拖滞、系统重新掉电，进而形成反复唤醒、掉电和再唤醒的无效循环。

3、此外，现有充电控制通常将源侧取能与电池充电阶段割裂处理。具体而言，在大电流恒流充电阶段，控制器往往过度追求电池侧充电电流的快速响应，而忽略风机输入侧不塌陷约束，在吸收和浮充阶段又可能保持前级高动态调节，造成系统不必要的功率波动和器件开关损耗。由此可见，单纯增设一级升压变换环节，无法从本质上解决小型垂直轴风力机在低风速、宽输入和二十四伏蓄电池组充电场景中的能量捕获与稳定充电问题。因此，亟需构建一套从低压唤醒到阶段充电耦合的完整控制方法。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种面向百瓦级垂直轴风力机的低风速自举升压宽输入充电控制方法及系统，实现了低压可启动、弱风可充电、宽输入可适配、阶段充电可耦合的整体性控制，尤其适用于无铁芯盘式永磁发电机及类似低压大电流小型风机系统，具有较强的工程实用性。

2、为实现上述目的，本发明采用以下方案：

3、一种面向百瓦级垂直轴风力机的低风速自举升压宽输入充电控制方法，包括如下步骤：

4、步骤1，在低压唤醒状态下，主控制单元监测整流侧电压，当所述整流侧电压满足预设唤醒条件时，控制辅助自举供电单元启动，为主控制单元、栅极驱动单元及采样电路建立初始工作电源；

5、步骤2，所述主控制单元启动后，控制中间母线预充单元以限流方式对中间母线电容进行限流充电，使中间母线电容上升至预设工作阈值后，关闭或退出预充通路；

6、步骤3，所述主控制单元通过栅极驱动单元驱动功率变换单元投入运行，开始向蓄电池组充电；

7、步骤4，当所述整流侧电压仍处于低压区时，进入低压扩窗状态，所述主控制单元以整流侧电压不塌陷为硬约束，采用限占空比、限电流和限占空比变化率的联合控制，将低压区间扩展为可持续充电区间；

8、步骤5，当整流侧供能增强且蓄电池组侧电压低于吸收阈值时，转入大电流充电状态，所述主控制单元根据整流侧供能能力与蓄电池组允许充电电流进行联合调节，执行源功率受限的动态大电流充电；

9、步骤6，当蓄电池组侧电压达到吸收阈值后，转入吸收充电状态，所述主控制单元维持蓄电池组侧电压在吸收阈值附近；当满足吸收结束条件后，转入浮充维持状态；

10、步骤7，在浮充维持状态下，所述主控制单元将蓄电池组维持在浮充电压附近；当蓄电池组侧电压回落至重回充阈值时，重新切换回大电流充电状态。

11、可选地，步骤1中，所述预设唤醒条件包括：整流侧电压高于设定唤醒阈值，且持续时间达到。

12、可选地，步骤4中，检测是否满足以下任一塌陷条件，若是则立即执行减小占空比、降低峰值电流指令或进入冻结周期的保护动作：

13、；或；或；

14、式中，

vrk是第

k个采样周期检测到的整流侧电压；

vrk-1是第

k-1个采样周期检测到的整流侧电压；

δvdrop为设定的输入电压允许下降幅值阈值，为正数；

kcollapse为输入电压下降速率阈值，为正数。

15、可选地，所述步骤4的低压扩窗状态下，以脉冲包络方式施加驱动，在工作窗口内逐步提高占空比，在间歇窗口内监测整流侧电压恢复情况。

16、可选地，步骤5中，所述大电流充电状态下，以整流侧功率或其代理量作为调节基准，以蓄电池组允许充电电流为上限进行联合调节；当采用单电流采样结构时，以蓄电池组侧功率代理量作为阶段控制中的优化参考；调节过程中，当整流侧当前可提取功率满足充电目标时，按设定的大电流充电目标充电；当整流侧供能不足时，自动降低充电电流目标，使整流侧功率不被过度抽取；所述低压扩窗阶段仍以整流侧电压不塌陷为硬约束。

17、可选地，所述功率变换单元采用同步升压拓扑时，主控制量为升压占空比；所述功率变换单元采用非反向升降压拓扑时，主控制量包括模式选择与模式内占空比，且还包括拓扑兼容控制步骤：

18、根据整流侧电压与蓄电池组侧电压的比较结果，选择boost模式、buck-boost模式或buck/旁路模式；其中，当整流侧电压低于蓄电池组侧电压时，进入boost模式；当整流侧电压接近蓄电池组侧电压时，进入buck-boost模式；当整流侧电压高于蓄电池组侧电压时，进入buck模式或旁路限流模式；

19、在模式切换边界处设置滞回区间，以防止模式高频反复切换。

20、可选地，还包括保护停机步骤：当检测到过压、过流、母线异常、过热、反接、短路或风源输入持续不足的保护触发条件时，所述主控制单元关闭功率变换单元并保留监测电路；当保护条件恢复正常且满足重新唤醒条件时，重新进入低压唤醒状态。

21、一种面向百瓦级垂直轴风力机的低风速自举升压宽输入充电控制系统，包括风轮、无铁芯盘式永磁交流发电机、整流接口、中间母线预充单元、辅助自举供电单元、功率变换单元、中间母线电容、蓄电池组、栅极驱动单元、采样单元、主控制单元以及电池充电管理单元；

22、所述风轮的输出端连接所述无铁芯盘式永磁交流发电机的动力输入端；所述永磁交流发电机的三相交流输出端连接所述整流接口的交流输入端；

23、所述整流接口的直流输出端分别连接所述辅助自举供电单元的取能输入端、所述中间母线预充单元的取能输入端及所述功率变换单元的输入侧；

24、所述辅助自举供电单元的供电输出端分别连接所述主控制单元和所述栅极驱动单元的供电端；

25、所述主控制单元的控制输出端连接所述中间母线预充单元的控制输入端；

26、所述中间母线电容连接于所述功率变换单元的输出侧；所述功率变换单元的输出侧经所述中间母线电容连接所述蓄电池组的功率端口，所述功率变换单元的控制端连接所述栅极驱动单元的驱动输出端，所述栅极驱动单元的控制信号输入端连接所述主控制单元的信号输出端；

27、所述采样单元的采集输入端分别连接所述整流接口的直流输出侧、所述中间母线电容两端及所述蓄电池组的功率端口；

28、所述采样单元的信号输出端连接所述主控制单元的采样信号输入端；

29、所述蓄电池组的检测端口连接所述电池充电管理单元的采样输入端，所述电池充电管理单元与所述主控制单元双向信号连接；所述主控制单元内置分层状态机，所述分层状态机至少包括低压唤醒、预充/自举、低压扩窗、大电流充电、吸收充电、浮充维持及保护停机状态。

30、可选地，所述中间母线预充单元为受控限流预充单元，由所述整流接口的直流输出侧取能，接收所述主控制单元下发的预充控制信号；所述辅助自举供电单元可采用振荡器加脉冲变压器、充电泵、超低压升压芯片或等效离散电路实现，为主控制单元、栅极驱动单元和采样电路建立初始工作电源。

31、可选地，所述采样单元采集整流侧电压vr、整流侧电流ir、蓄电池组侧电压vb、中间母线电压vbus以及蓄电池组侧电流ib。

32、本发明具有的有益效果为：首先，本方案通过辅助自举供电单元与中间母线预充单元相配合，使主控制单元在整流侧电压低于功率变换单元正常运行所需最低工作电压的条件下仍可可靠建立工作电源，突破了传统二十四伏储能系统对输入起始电压的限制。

33、第二，本方案通过设置低压扩窗状态并结合脉冲包络升压控制，在低风速下即可将原本无法直接利用的低压整流能量安全地转移至蓄电池组侧，显著扩展了系统的可工作风速范围；通过设置输入塌陷优先保护逻辑，实时监测整流侧电压下降速率及母线维持能力，显著降低了小型垂直轴风力机在弱风区被电气负载拖停的概率。

34、第三，本方案通过源侧宽输入变换与蓄电池组阶段充电深度耦合，实现了从低压唤醒、预充/自举、低压扩窗、大电流充电、吸收充电到浮充维持的全过程连续稳定控制。

35、另外，本方案尤其适用于无铁芯盘式永磁发电机及类似低压大电流小型风机系统，具有较强的工程实用性。