得现有小型风电系统仍然存在不少问题。
1、效率较低，现有系统一般采用发电机输出直接对蓄电池进行充电，并没有对风电转换环节进行控制，使得风能利用系数比较低，一般在0.3左右。据贝茨理论风能利用系数的极限值为0.593，如果控制风力机总是以最佳叶尖速比运行，年发电量可以提20%～ 1 30%。
2、蓄电池的工作状态不尽合理，使得其寿命短暂，一般两三年就得更换，增加了整机维护成本，不合理使用主要是充电方式与蓄电池可接受特性相距甚远。电池使用寿命短，则会使得度电成本居高不下，从而使小型风力发电系统难于推广应用。
3、小型风力发电系统中，蓄电池的充电设备均有欠、过压保护装置，如果电压波动不稳，变化幅度较大，势必会造成这些装置频频动作，对这些保护装置的寿命造成直接的影响。
4、没有考虑风能变化、负载变化以及蓄电池状态相互之间的关系；
5、小型风力发电系统由于成本的原因，发电机和蓄电池的保护措施比较简单，这就导致系统的综合可靠性和效率较差，往往达不到设计使用寿命[4]。
1.1.3 本课题的重点
现有的小型风力发电系统存在能量转换效率低、蓄电池使用寿命短、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等问题。因此提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，正确地监控蓄电池状态，确保蓄电池的正确使用、延长蓄电池的使用寿命对小型风力发电有着重要意义。本文研究的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计简单、高效、高可靠性的风机控制器，实现风电系统可靠及优化运行。控制器是由一些电子元器件组成，起一个“开关”的作用[5]。当风力发电机输出的交流电经过整流后，如果蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路接通，风力发电机开始向蓄电池充电；当蓄电池电压上升到保护电压的时候充电控制开关电路截止，风力发电机停止向蓄电池充电，以免蓄电池过充影响寿命。
在实际运行中，控制器应具有以下主要功能： 1、保证风机安全运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行；
2、减少风速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定，减少纹波；
3、合理调度系统电能，保证向负载提供连续电能； 4、保护蓄电池，防止过充和过放，提供足够充电能量进行快速充电[6]。
综上所述，研究可靠性更高、价格更廉的小型风力发电控制器，对于增强市场竞争能力，加速小型风力发电的普及和应用，节约能源和保护环境都具有重要意义。 1．2 蓄电池的工作原理 1.2.1 铅蓄电池的电化学特性
蓄电池在风力发电系统中是作为储能器件使用的。常见的蓄电池有铅酸蓄电池和碱性蓄电池。本文采用铅蓄电池，它是用铅和二氧化铅作为负极和正极的活性物质，以27%～37%浓度的硫酸作为电解液的电池，即通常所说的铅酸蓄电池。
依据哥来德斯东和特利浦双硫酸化理论：铅酸电池释放化学能的过程是负极进行氧 2
化，正极进行还原的过程；电池补充化学能的过程则是负极进行还原，正极进行氧化的过程[7]。
铅蓄电池充电时，正极上的硫酸铅氧化成二氧化铅，负极上的硫酸铅还原成金属铅；放电后正、负两极都生成硫酸铅这种硫酸盐。
放电反应和充电反应互为可逆反应。放电反应消耗电解液中的硫酸，生成水，结果是硫酸溶液的浓度下降。充电时极板中的硫酸铅转变成铅和二氧化铅，把硫酸根放回电解液，与水形成硫酸，浓度又逐渐上升，最后达到一稳定值。因此，可以用电池中硫酸溶
液的密度来衡量电池充放电的程度。
铅蓄电池放电时，它的大部分化学能转换成电能供给外电路，一小部分化学能转换成热能散失掉。同时活性物质和电解液转变成PbSO4+2H2O+PbSO4这个物质体系。在放电过程
中，蓄电池内的电化学反应吸收热量，内阻产生的热量被电化学反应吸收，所以放电时蓄电池温升较低。 充电时，蓄电池把外界传输给它的电能转换成化学能储蓄到Pb+2H2S04+S02这个物质
体系之中。这个物质体系比PbSO4+2H20+PbSO4含有更多的化学能。因此，刚充足电的蓄电
池电压高，电解液浓，能量多。所以要特别注意和小心避免发生短路。
在充电过程中，蓄电池内的电化学反应释放热量；此外，充电电流流过蓄电池的内阻时，也产生热量，蓄电他的温度因此升高[8]。蓄电池充电电流越大，温升越高，就是这个缘故。充电时还伴随着一个很难避免的副反应，就是电解水生成氢气和氧气。特别是充电后期，电压升高了，电能主要消耗在电解水方面，而且对极板活性物质很不利。因此在充电过程中要对蓄电池进行过充电保护。 1.2.1 蓄电池充电器的发展
充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿
命，充电技术近年来发展非常迅速。充电器的发展经历了三个阶段：
1、限流限压式充电器
最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅 寿命表述就是时间，没有次数，比如10年[9]。这种充电模式的效果较差。
2、恒流/限压式充电器是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。首恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之换电压就是第二阶段的恒电压。这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能成充电效率低，大大降低了电池的寿命。
3、自适应智能充电器
随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称 代充电器。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊法不断调整充 3
电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调的输出电流，无需人工选择，避免操作失误[10]。 2 系统总体设计