專利名稱：一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器，屬于清潔能源風(fēng)力發(fā)電控制器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是一種潛力很大的新能源，由于它的清潔性和可再生性，已經(jīng)使它受到了世界各國研究學(xué)者的關(guān)注。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74X109MW，其中可利用的風(fēng)能為2X107MW。中國風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就有約2.53億千瓦。風(fēng)力發(fā)電必將擁有十分廣闊的發(fā)展前景。但是現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，依靠自然風(fēng)推動(dòng)風(fēng)輪發(fā)電非常不穩(wěn)定，輸出功率變化頻繁、無規(guī)律。通常的風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用永磁同步發(fā)電機(jī)，在某個(gè)風(fēng)速下，發(fā)電機(jī)輸出的功率與轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此，想要在某個(gè)風(fēng)速下得到最大的發(fā)電功率，就要通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制功率。通常的風(fēng)力發(fā)電控制器是通過控制電壓來控制功率。在空載條件下，發(fā)電機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，因此，可以通過檢測電壓來檢測轉(zhuǎn)速，從而控制功率。但是發(fā)電機(jī)的電壓受所接負(fù)載的影響，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電壓下降。單純通過檢測電壓來檢測轉(zhuǎn)速結(jié)果不準(zhǔn)確。還有的風(fēng)力發(fā)電控制器是通過轉(zhuǎn)速傳感器來檢測轉(zhuǎn)速，這樣做雖然可以得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速，但是成本較高，而且，轉(zhuǎn)速傳感器通過電刷滑環(huán)來傳遞信號(hào)，在應(yīng)用中易受風(fēng)沙影響出現(xiàn)故障。因此，應(yīng)用轉(zhuǎn)速傳感器容易損壞，不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。綜上所述，在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中，既需有效準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)速，從而推算輸出功率，同時(shí)還需進(jìn)一步降低成 本，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)問題，提出一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器。主要目的在于通過低成本、高可靠性的轉(zhuǎn)速檢測方法，準(zhǔn)確地測量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤控制，提聞風(fēng)能捕獲能力。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、制動(dòng)控制模塊、整流模塊、升降壓DC/DC變換器、轉(zhuǎn)速檢測模塊、全數(shù)字控制器、蓄電池和直流負(fù)載組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出端與整流模塊的輸入端相連接，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)與整流模塊之間并聯(lián)一個(gè)制動(dòng)控制模塊和一個(gè)轉(zhuǎn)速檢測模塊，制動(dòng)控制模塊輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出端a、b、c三相連接,轉(zhuǎn)速檢測模塊的輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出端a、b相連接，整流模塊的輸出端與升降壓DC/DC變換器輸入端相連，升降壓DC/DC變換器的輸出端連接蓄電池和直流負(fù)載。全數(shù)字控制器接受轉(zhuǎn)速檢測模塊檢測的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并對(duì)升降壓DC/DC變換器和制動(dòng)控制模塊做出相應(yīng)控制。所述的制動(dòng)控制模塊由短路接觸器、驅(qū)動(dòng)單元和續(xù)流二極管組成，全數(shù)字控制器通過驅(qū)動(dòng)單元來控制短路接觸器，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)和解除制動(dòng)的控制。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)；所述的轉(zhuǎn)速檢測模塊是由光電耦合器、限流電阻、分壓電阻、濾波電容和輸出電阻組成，用來將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的線電壓經(jīng)過光電耦合器轉(zhuǎn)換成頻率相同的方波信號(hào)，該信號(hào)的頻率除以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，就得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，將該轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給全數(shù)字處理器，用于對(duì)系統(tǒng)的控制。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果:本發(fā)明的一個(gè)效果在于，轉(zhuǎn)速檢測模塊僅需要一個(gè)光電耦合器，通過檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的線電壓頻率實(shí)現(xiàn)測速功能，其成本低、可靠性高，不需要在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上再加額外的速度傳感器。本發(fā)明的另一個(gè)效果在于，傳統(tǒng)的方法是通過檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓來估算轉(zhuǎn)速，容易受到負(fù)載變化的影響，而加裝速度傳感器成本高、可靠性差。本發(fā)明可直接測出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，測量準(zhǔn)確，不受負(fù)載影響，因此可以精確地進(jìn)行最大功率點(diǎn)的追蹤控制。本發(fā)明的另一個(gè)效果在于，利用目標(biāo)功率曲線計(jì)算最大功率點(diǎn)，精度高、響應(yīng)快、不會(huì)產(chǎn)生震蕩，有利于提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。
圖1是本發(fā)明中一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是制動(dòng)控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖3是轉(zhuǎn)速檢測模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖4是功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線圖；圖5是正弦-方波曲線 圖6是控制系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例:一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器,包括:風(fēng)力發(fā)電機(jī)101、整流模塊102、制動(dòng)控制模塊103、轉(zhuǎn)速檢測模塊104、全數(shù)字控制器105、升降壓DC/DC變換器106、蓄電池107、直流負(fù)載108。風(fēng)力發(fā)電機(jī)101輸出與整流模塊102的輸入相連接，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)101與整流模塊102之間并聯(lián)一個(gè)制動(dòng)控制模塊103和一個(gè)轉(zhuǎn)速檢測模塊104,制動(dòng)控制模塊103輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)101輸出端a, b, c三相連接，轉(zhuǎn)速檢測模塊104的輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)101輸出端a，b相連接，整流模塊102的輸出端與升降壓DC/DC變換器106輸入端相連，升降壓DC/DC變換器106的輸出端連接蓄電池107和直流負(fù)載108。全數(shù)字控制器105接受轉(zhuǎn)速檢測模塊104檢測的風(fēng)力發(fā)電機(jī)101轉(zhuǎn)速信號(hào)，并對(duì)制動(dòng)控制模塊103和升降壓DC/DC變換器106進(jìn)行控制。所述的制動(dòng)控制模塊103由短路接觸器201、驅(qū)動(dòng)單元202和續(xù)流二極管203組成，全數(shù)字控制器105通過驅(qū)動(dòng)單元202來控制短路接觸器201，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)101進(jìn)行制動(dòng)和解除制動(dòng)的控制。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)101轉(zhuǎn)速過高時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)101進(jìn)行保護(hù)。所述的轉(zhuǎn)速檢測模塊104是由光電耦合器304、限流電阻301、306、分壓電阻302、濾波電容303、305和輸出電阻307組成，用來將風(fēng)力發(fā)電機(jī)101輸出的線電壓經(jīng)過光電耦合器304轉(zhuǎn)換成頻率相同的方波信號(hào)，該信號(hào)的頻率除以風(fēng)力發(fā)電機(jī)101的極對(duì)數(shù)，就得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)101的轉(zhuǎn)速n，將該轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給全數(shù)字處理器105，用于對(duì)系統(tǒng)的控制。本實(shí)施例上述內(nèi)容具體解釋如下:如圖1所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)101產(chǎn)生的交流電經(jīng)a、b、c三相輸出端輸出，通過整流模塊102轉(zhuǎn)換為直流電，由于風(fēng)速的變化，使得整流模塊102的輸出直流電壓不穩(wěn)定，需要通過控制使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率最大。由于在某一風(fēng)速下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速有關(guān),而且存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，找到不同風(fēng)速下的最大功率點(diǎn)，可得到目標(biāo)功率曲線，如圖4所示。這條目標(biāo)功率曲線與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，該目標(biāo)曲線上的點(diǎn)即為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)所能輸出的最大功率。風(fēng)力發(fā)電功率控制器即是要通過檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率進(jìn)行控制，使得該轉(zhuǎn)速下的輸出功率達(dá)到目標(biāo)功率曲線所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，即為最大功率點(diǎn)追蹤控制。目前檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法是通過轉(zhuǎn)速傳感器來檢測轉(zhuǎn)速，這樣做雖然可以得到準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)速，但是成本較高，而且，轉(zhuǎn)速傳感器通過電刷滑環(huán)來傳遞信號(hào)，在應(yīng)用中易受風(fēng)沙影響出現(xiàn)故障。還有的風(fēng)力發(fā)電控制器通過控制電壓來控制功率。但是發(fā)電機(jī)的電壓受所接負(fù)載的影響，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電壓下降。單純通過檢測電壓來檢測轉(zhuǎn)速結(jié)果不準(zhǔn)確。為了降低成本，提高可靠性和測量精度，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)101輸出的交流電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)速檢測模塊104中的光電耦合器304轉(zhuǎn)換成與交流電壓頻率相同的方波信號(hào)，如圖5所示。該信號(hào)傳遞給DSP對(duì)其進(jìn)行采樣，得到該信號(hào)的頻率，用該信號(hào)的頻率除以風(fēng)力發(fā)電機(jī)101的極對(duì)數(shù)，就可以得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)101的轉(zhuǎn)速n。全數(shù)字控制器105根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)101的轉(zhuǎn)速n和目標(biāo)功率曲線，通過查表的方法，計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)101在該轉(zhuǎn)速n下所對(duì)應(yīng)的最大功率值Pref，得到的Pref與反饋的功率進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出一個(gè)控制升降壓DC/DC變換器的占空比D，使升降壓DC/DC變換器輸出功率始終跟隨最大功率點(diǎn)，即進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)控制，如圖6所示。如圖3所示，當(dāng)a, b兩端線電壓為正半周時(shí),光電稱合器304的二極管導(dǎo)通,轉(zhuǎn)速檢測模塊104輸出低電平；當(dāng)a，b兩端線電壓為負(fù)半周時(shí)，光電耦合器304的二極管截止，轉(zhuǎn)速檢測模塊104輸出高電平。如圖5所示，為線電壓信號(hào)與方波信號(hào)的轉(zhuǎn)換。所以，方波信號(hào)的頻率與風(fēng)力發(fā)電機(jī)101輸出的交流電壓頻率相同，可以間接計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)101的轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，轉(zhuǎn)速檢測模塊104檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)101的轉(zhuǎn)速，若風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時(shí)，DSP給驅(qū)動(dòng)單元202 —個(gè)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單元202控制短路接觸器201吸合，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)101三相短路，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)101產(chǎn)生制動(dòng)，從而保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)101，如圖2所示。上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。故凡依本發(fā)明之精神實(shí)質(zhì)、形狀、原理所作的變化或修飾，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器，其特征在于，它由風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)、整流模塊(102)、制動(dòng)控制模塊(103)、轉(zhuǎn)速檢測模塊(104)、全數(shù)字控制器(105)、升降壓DC/DC變換器(106)、蓄電池(107)、直流負(fù)載(108)組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)輸出與整流模塊(102)的輸入相連接，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)與整流模塊(102)之間并聯(lián)一個(gè)制動(dòng)控制模塊(103)和一個(gè)轉(zhuǎn)速檢測模塊(104)，制動(dòng)控制模塊(103)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)輸出a、b、c三相連接，轉(zhuǎn)速檢測模塊(104)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)輸出a、b相連接，整流模塊(102)的輸出端與升降壓DC/DC變換器(106)輸入端相連，升降壓DC/DC變換器(106)的輸出端連接蓄電池(107)和直流負(fù)載(108);全數(shù)字控制器(105)接受轉(zhuǎn)速檢測器(104)傳遞的信號(hào)，并對(duì)升降壓DC/DC變換器(106)和制動(dòng)控制模塊(103)做出相應(yīng)控制。
2.如權(quán)利要求1所述的一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器，其特征在于，全數(shù)字處理器(105)以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為控制核心，根據(jù)轉(zhuǎn)速檢測模塊(104)測定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)轉(zhuǎn)速n和目標(biāo)功率曲線，計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)在該轉(zhuǎn)速下所對(duì)應(yīng)的最大功率值，并得到相應(yīng)的占空比，對(duì)升降壓DC/DC變換器(106)進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時(shí)，控制制動(dòng)控制模塊(103)動(dòng)作，以便對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)進(jìn)行保護(hù)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器，其特征在于，所述的制動(dòng)控制模塊(103)由短路接觸器(201)、驅(qū)動(dòng)單元(202)和續(xù)流二極管(203)組成，全數(shù)字控制器(105)通過驅(qū)動(dòng)單元(202)來控制短路接觸器(201)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)進(jìn)行制動(dòng)和解除制動(dòng)的控制；在風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)進(jìn)行保護(hù)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)速檢測模塊(104)是由光電耦合器(304)、限流電阻(301)、(306)、分壓電阻(302)、濾波電容(303)、(305)和輸出電阻(307)組成，用來將風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)輸出的線電壓經(jīng)過光電耦合器(304)轉(zhuǎn)換成頻率相同的方波信號(hào)，該信號(hào)的頻率除以風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)的極對(duì)數(shù)，就得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)(101)的轉(zhuǎn)速n，將該轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給全數(shù)字處理器(105)，用于對(duì)系統(tǒng)的控制。
全文摘要
本發(fā)明公開一種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制器，屬于清潔能源的控制器技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流模塊、升降壓DC/DC變換器、轉(zhuǎn)速檢測模塊、全數(shù)字控制器、蓄電池和直流負(fù)載。本發(fā)明通過檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的線電壓頻率實(shí)現(xiàn)測速功能，其成本低、可靠性高，不需要在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上再加額外的速度傳感器，因此可以精確地進(jìn)行最大功率點(diǎn)的追蹤控制。利用目標(biāo)功率曲線計(jì)算最大功率點(diǎn)，精度高、響應(yīng)快、不會(huì)產(chǎn)生震蕩，有利于提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。
文檔編號(hào)H02P9/44GK103166557SQ20111046308
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者冬雷, 張晗, 邵立偉, 林業(yè)海 申請(qǐng)人:中山北京理工大學(xué)研究院, 中山中炬精工機(jī)械有限公司