一種用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法及應(yīng)用此方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要結(jié)構(gòu)形式有水平軸風(fēng)力機(jī)及垂直軸風(fēng)力機(jī)兩種。因其重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低獲得較為廣泛的使用。但目前市場(chǎng)上小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展的一個(gè)主要問題是應(yīng)對(duì)大風(fēng)特別是臺(tái)風(fēng)時(shí)葉片的強(qiáng)度及安全保護(hù)措施不足，安全性能差，這其中最主要的原因就是風(fēng)機(jī)在大風(fēng)下運(yùn)行時(shí)嚴(yán)重超速，從而導(dǎo)致機(jī)組損壞、葉片斷裂，嚴(yán)重時(shí)危害人身財(cái)產(chǎn)安全。
[0003]目前，出于成本及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮，可用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的超速保護(hù)措施非常有限，電磁剎車、液壓剎車、風(fēng)速測(cè)量保護(hù)系統(tǒng)等成本偏高的保護(hù)手段幾乎都不會(huì)出現(xiàn)在小型風(fēng)機(jī)上，常規(guī)的主要依靠偏尾、被動(dòng)失速控制來控制轉(zhuǎn)速，但這些手段都只能在較大的范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)速，控制精度非常有限，頻繁超速仍不可避免；而且偏尾是機(jī)械結(jié)構(gòu)，大風(fēng)時(shí)的頻繁動(dòng)作、撞擊將嚴(yán)重加大其疲勞強(qiáng)度，也必將影響風(fēng)機(jī)的整體壽命。實(shí)踐表明，長(zhǎng)期大風(fēng)下運(yùn)行的機(jī)器偏尾機(jī)構(gòu)提前失效的機(jī)器不在少數(shù)。
[0004]目前這種小型風(fēng)機(jī)容易超速，大風(fēng)下易損壞的現(xiàn)狀嚴(yán)重地阻礙了小型風(fēng)力機(jī)的推廣，短生命周期也間接增加了系統(tǒng)成本。針對(duì)目前小型風(fēng)力機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，在有限的成本上需要一種可靠性高、控制穩(wěn)定精確的轉(zhuǎn)速控制手段，做到風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)安全運(yùn)行，從而減小機(jī)械強(qiáng)度要求，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)壽命，從而進(jìn)一步的降低系統(tǒng)成本。
[0005]常規(guī)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能利用模式如圖1所示，當(dāng)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)來捕獲風(fēng)能，旋轉(zhuǎn)的葉片帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能，由于小型風(fēng)機(jī)通常都采用永磁發(fā)電機(jī)，發(fā)的電為三相低頻交流電，此后三相交流電接入控制系統(tǒng)，通常經(jīng)由三相不控整流橋整流為直流電，通過泄荷控制模塊限制最大的輸出電壓后輸出，輸出電能的利用根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合主要分為和并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種；在并網(wǎng)應(yīng)用中，并網(wǎng)逆變器按照設(shè)定的電壓功率曲線進(jìn)行功率輸出，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的最大功率跟蹤；在離網(wǎng)應(yīng)用模式下，在大多數(shù)情況下，為直接給電池充電，工作模式為恒壓工作，即整個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的工作點(diǎn)由當(dāng)前的電池電壓決定，當(dāng)電池充滿時(shí)，能量由泄荷控制模塊通過泄荷器直接泄放掉，此時(shí)的工作電壓為蓄電池充滿時(shí)的電壓，當(dāng)然，也有部分離網(wǎng)應(yīng)用時(shí)是通過DC-DC變換模塊變換后給電池充電，這樣風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)就不受電池當(dāng)前電壓的限制，其工作模式與并網(wǎng)應(yīng)用一樣，是按照預(yù)先設(shè)定的電壓功率曲線運(yùn)行。
[0006]以上所述的小型風(fēng)力機(jī)在離網(wǎng)系統(tǒng)或并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用控制中，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)為當(dāng)前電池電壓或預(yù)設(shè)的電壓功率曲線點(diǎn)，這種工作模式在額定風(fēng)速以內(nèi)一般是沒有問題的，此時(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速也能控制在預(yù)先設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。但當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，以上的運(yùn)行模式下就會(huì)出現(xiàn)頻繁的超速，然后依靠偏尾機(jī)構(gòu)來減速，然后再超速，再減速，以此往復(fù)，此時(shí)風(fēng)機(jī)承受著巨大的沖擊，葉片、塔架、偏尾機(jī)構(gòu)均承受了巨大的機(jī)械負(fù)荷，直接影響了壽命ο
[0007]小型風(fēng)力機(jī)在大風(fēng)下超速的根本原因在于，控制系統(tǒng)沒有一種有效的功率調(diào)節(jié)手段將轉(zhuǎn)速維持在某個(gè)合理的范圍內(nèi)；圖2為永磁發(fā)電機(jī)典型的電壓功率曲線(橫坐標(biāo)為整流后的直流電壓，縱坐標(biāo)為電機(jī)的輸出功率，每一條曲線代表一個(gè)轉(zhuǎn)速)，從圖中可以看到，如果將控制器的輸出電壓限制在某個(gè)值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速不是唯一的，只要風(fēng)能持續(xù)增加，轉(zhuǎn)速將會(huì)持續(xù)上升以致超速。所以常規(guī)的這種電壓控制模式(恒壓工作或電壓功率曲線)必將在大風(fēng)下出現(xiàn)超速，一旦超速，失速控制也就失效了。根據(jù)圖2可知，若想實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)行，則必須實(shí)現(xiàn)電壓功率的非單調(diào)運(yùn)行，即如圖中的PS1曲線(并網(wǎng)模式的電壓功率曲線)、PS2(電池恒壓工作曲線)；當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行達(dá)到設(shè)定的控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，即需要實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行控制，即當(dāng)風(fēng)能功率上升時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電壓要出現(xiàn)下降，只有這樣，發(fā)電機(jī)的輸入輸出工作點(diǎn)才有可能在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下達(dá)到均衡，穩(wěn)定在某設(shè)定轉(zhuǎn)速上。很顯然，前述常規(guī)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制無法實(shí)現(xiàn)這一要求:電池電壓無法任意改變，更不可能在功率增加時(shí)迅速降低電壓以配合風(fēng)機(jī)工作；電壓功率曲線控制模式也是預(yù)先設(shè)定好的，有其正常的工作電壓區(qū)間，太低的直流電壓下其無法正常工作，也就無法達(dá)到轉(zhuǎn)速的恒定控制的目的了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法及裝置，以在有限的成本下解決風(fēng)機(jī)工作電壓點(diǎn)的匹配問題，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)在大風(fēng)下的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速控制。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制裝置，包括永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流升壓模塊、泄荷控制模塊、負(fù)載用電模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接整流升壓模塊，整流升壓模塊連接泄荷控制模塊，泄荷控制模塊連接負(fù)載用電模塊，整流升壓模塊、泄荷控制模塊和負(fù)載用電模塊連接風(fēng)機(jī)控制模塊；其中，所述的整流升壓模塊包括三個(gè)上橋臂的二極管、三個(gè)下橋臂的二極管和三個(gè)開關(guān)管，所述的三個(gè)下橋臂的二極管分別和所述的三個(gè)開關(guān)管并聯(lián)。
[0010]優(yōu)選地，所述的泄荷控制模塊包括一個(gè)母線電容、第一電阻、第二電阻、一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)管；所述的負(fù)載用電模塊包括一個(gè)二極管、第三電阻以及電池或并網(wǎng)逆變器，負(fù)載用電模塊的二極管的負(fù)極與電池或并網(wǎng)逆變器連接，第三電阻的一端與電池或并網(wǎng)逆變器連接，第三電阻的另一端接地，泄荷控制模塊的二極管和第一電阻并聯(lián)，泄荷控制模塊的母線電容的一端和整流升壓模塊的三個(gè)上橋臂的二極管的負(fù)極、泄荷控制模塊的二極管的負(fù)極以及負(fù)載用電模塊的二極管的正極連接，泄荷控制模塊的母線電容的另一端接地；泄荷控制模塊的二極管的正極連接泄荷控制模塊的開關(guān)管的集電極，泄荷控制模塊的開關(guān)管的發(fā)射極連接第二電阻的一端，第二電阻的另一端接地，泄荷控制模塊的開關(guān)管的基極連接風(fēng)機(jī)控制模塊；永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三個(gè)繞組等效電感分別連接整流升壓模塊的三個(gè)上橋臂的二極管的正極、整流升壓模塊的三個(gè)下橋臂的二極管的負(fù)極和三個(gè)開關(guān)管的集電極，三個(gè)開關(guān)管的基極連接風(fēng)機(jī)控制模塊，三個(gè)開關(guān)管的發(fā)射極和三個(gè)下橋臂的二極管的正極接地。
[0011]優(yōu)選地，所述的整流升壓模塊的三個(gè)開關(guān)管、永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三個(gè)繞組等效電感、整流升壓模塊的三個(gè)上橋臂的二極管以及母線電容構(gòu)成三個(gè)并聯(lián)的Boost升壓回路。
[0012]本發(fā)明還提供了一種用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于，采用上述的用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制裝置，具體步驟包括:
[0013]步驟1:測(cè)定當(dāng)前直流母線電壓Vdc，將轉(zhuǎn)速設(shè)定值R’、目標(biāo)轉(zhuǎn)矩T0和風(fēng)機(jī)曲線等效工作點(diǎn)電壓Udc (RxPx)初始化，其中，Udc (RxPx) = Vdc ；
[0014]步驟2:設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速RO = R’ ；
[0015]步驟3:測(cè)量當(dāng)前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速Rx，若Rx > R0，按預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)減小風(fēng)機(jī)曲線等效工作點(diǎn)電壓Udc (RxPx)，否則，按預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)增大風(fēng)機(jī)曲線等效工作點(diǎn)電壓Udc (RxPx)，經(jīng)過時(shí)間t。后，進(jìn)入步驟4 ；
[0016]步驟4:按下式計(jì)算轉(zhuǎn)速Rx下的最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效直流電壓UdcRxPmax:
[0017]UdcRxPmax = k*Rx ；
[0018]其中-UdcRxPmax為轉(zhuǎn)速Rx下的最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效直流電壓，單位為V，K為系數(shù)，