CN101447760B - 一种风力发电机组的电压控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风力发电机组的电压控制器，该电压控制器由整流电路、升压斩波电路、正激变换电路及PWM脉宽控制电路构成，整流电路的直流输出端连入升压斩波电路的输入端，升压斩波电路的输出端接正激变换电路的输入端，正激变换电路的输出端接蓄电池，PWM脉宽控制电路的脉宽控制器的反馈信号输入端与正激变换电路的输出端连接，PWM脉宽控制电路的输出端通过脉冲耦合器与升压斩波电路的换流开关管的控制极连接；该电压控制器结构简单、效率高、可靠性高且能自动调节离网式垂直轴风力发电机组的电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组的电压控制器，致力于为离网型同轴直驱式垂直轴风力发电机组提供一种结构简单可靠、运行稳定的高效率电压控制方案，属于电学技术领域。
背景技术
随着传统资源的日益枯竭，世界各能源大国都把目光投向了可再生资源。其中风能已成为目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式，也是我国未来数年内最具发展潜力的可再生清洁能源，在我国能源发展战略中占有重要的地位。风力发动机可分为水平轴风力发动机和垂直抽风力发动机两大类，而垂直轴风轮又可以分为升力型风轮和阻力型风轮。申请号为2008100495174的发明专利申请公布说明书中的垂直轴风力发动机的三戟消涡风轮(申请号为2008200699603的实用新型专利申请公布说明书中的垂直轴风力发动机的三戟消涡风轮)属于阻力型风轮，弥补了传统的萨布纽斯式风轮起动力矩大的不足，提高了风能利用的功率系数。该三戟消涡风轮和申请号为200810049516X的发明专利申请公布说明书中的失速可控式永磁风力发电机(申请号为2008200699590的实用新型专利申请公布说明书中的失速可控式永磁风力发电机)共同构成了一种同轴直驱式垂直轴风力发电机组的主体，三戟消涡风轮具有较高的功率系数，结构简单、运行可靠且安装维护方便等特点，与三戟消涡风轮同轴的直接驱动失速可控式永磁风力发电装置能在1.6m/s～30m/s较大风速范围内进行工作并具有失速自控功能，可为电力市场提供绿色环保且成本低廉的新型能源装置。
同轴直驱式垂直轴风力发电机组能在较大范围内运行工作，随着风速的变化使得发电机转子转速变化很大，导致发电机输出电压、频率等存在着大幅度波动。就需要对风力发电机组的输出电压、频率等特性实施必要的调节控制。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单、高效率、可靠性高并能够自动调节的直驱式同轴小功率风力发电系统的一种风力发电机组的电压控制器。
一种风力发电机组的电压控制器，该电压控制器由整流电路、升压斩波电路、正激变换电路及PWM脉宽调制电路构成，整流电路的直流输出端连入升压斩波电路的输入端，升压斩波电路的输出端连入正激变换电路输入端，正激变换电路输出端接蓄电池，PWM脉宽控制电路的脉宽控制器的反馈信号输入端与正激变换电路的输出端连接，PWM脉宽控制器的输出端通过脉冲耦合器与升压斩波电路的换流开关管的控制极连接。
所述的升压斩波电路由储能电感、整流二极管和换流开关管IGBT构成，储能电感的一端接整流电路输出的正极，换流开关管的漏极接整流二极管的正极，换流开关管的栅极接PWM脉宽控制电路的输出端，源极接整流电路输出的负极，一个滤波电容并联在升压斩波电路输出端。
所述的正激变换电路主要由带辅助绕组的变压器构成，变压器的主边绕组一端通过一个二极管接升压斩波电路输出端的正极，由变压器的辅助绕组和一个二极管串联构成的支路并联在斩波电路的输出端，变压器次边绕组的一端接整流二极管的正极，滤波电容并联在变压器次边绕组的另一端和整流二极管的负极，正激变换电路的输出接蓄电池，电流采样电阻串接在蓄电池的负极与地之间。
所述的PWM脉宽控制电路主要由SG3525PWM脉宽控制器构成，SG3525PWM脉宽控制器的反馈端接正激变换电路的电流采样的输出端，SG3525PWM脉宽控制器的输出端接脉冲耦合器输入线圈的一端，脉冲耦合器的输出线圈的一端接升压斩波电路中换流开关管的栅极。
本发明的核心技术是采用可控斩波电路来稳定风力发电机输出的波动电压，电路主要由升压斩波电路、PWM(Pulse-Width Modulation)脉宽控制器、正激变换电路组成，是一个由PWM脉宽控制器控制占空比的升降压斩波(Boost-Buck)电路。
在给蓄电池充电的回路中采用一种和升压斩波电路紧密结合的正激变换电路，同斩波电路共同使用同一个换流器件，采用此类电路的主要目的是将蓄电池充电电路同蓄电池供电电路隔离并使蓄电池充电电流恒定；在电路中采用储能元件，同时在变压器上设置辅助绕组，其目的是对变压器进行磁复位，将变压器中储存的能量回送到储能元件以提高效率。
PWM脉宽控制器提供的脉冲信号的宽度由PWM脉宽控制器内部的震荡电路、放大器比较电压共同控制，在此，应用美国硅通用半导体公司的SG3525型PWM脉宽控制器内部提供的基准电源作为参考电压，同时将蓄电池充电电流通过电流一电压变换输出的电流采样信号作为反馈，这样就构成了控制对象为蓄电池充电电流的负反馈闭环控制系统；当电流采样信号变小时，即充电电流变小，PWM脉宽控制器提供的脉冲信号的脉冲宽度变宽，从而使换流开关管的占空比变大，正激变换电路输出的蓄电池充电电流变大，从而保持充电电流的恒定，同理，当电流采样信号变大时，即充电电流变大，PWM脉宽控制器提供的脉冲信号的脉冲宽度变窄，从而使换流开关管的占空比变小，正激电路输出的蓄电池充电电流变小，从而保持充电电流的恒定。
除作为核心的蓄电池充电电路外，作为为负载直接供电的升压斩波电路也采用相同的控制原理，以便在风力允许的条件下向负载直接提供能量。
本发明恒流充电功能的实现依靠升降压斩波电路占空比调整，即适时控制PWM脉宽控制器提供的脉冲信号在一个周期的导通时间的长短，来调整斩波电路的占空比的大小，保持输出恒定的电流值；本发明结构简单，降低了系统的运行成本，提高了系统的可维护性和效率，并使风能不稳定时风力发电输出电压和频率波动达到实用要求，实现了发电机和蓄电池的双供电。
附图说明
图1为本发明的电路图。
图中：1、整流电路；2、升压斩波电路；3、正激变换电路；4、PWM脉宽控制电路。
具体实施方式
图1所示了本发明的电路图，该电压控制器包括由四个二极管D1、D2、D3、D4构成的整流电路1、升压斩波电路2、正激变换电路3及PWM脉宽控制电路4，整流电路的直流输出端连入升压斩波电路的输入端，升压斩波电路的输出端连入正激变换电路的输入端，正激变换电路的输出端接蓄电池，PWM脉宽控制电路的脉宽控制器的反馈信号输入端接电流采样电阻的输出端，PWM脉宽控制电路的输出端通过脉冲耦合器N2与升压斩波电路的换流开关管的栅极连接，换流开关管为IGBT绝缘栅双极晶体管，PWM脉宽控制电路的脉宽控制器为SG3525型PWM脉宽控制器。
所述的升压斩波电路主要由储能电感L1，整流二极管D5和换流开关管IGBT构成，储能电感的L1的一端接整流电路输出端正极，另一端接整流二极管的负极，换流开关管的漏极接二极管的负极，栅极接PWM脉宽控制电路的输出端，源极接整流电路输出端的负极，滤波电容C1并联在升压斩波电路的输出端。
所述的正激变换电路主要由带有辅助绕组的变压器N1构成，变压器的主边绕组的输入端通过二极管D7接升压斩波电路的输出端，由变压器辅助绕组L2与二极管D6串联构成的支路并联在升压斩波电路的输出端，变压器次边绕组的输出端通过整流二极管D8接蓄电池E，电流采样电阻R2接在蓄电池负极与地之间。
所述的PWM脉宽控制电路主要由PWM脉宽控制器SG3525构成，控制器的电源输入端引脚13、引脚15接+15V供电电源的正极，引脚12接地，由R4和C3串联构成的比例积分调节支路接在反馈端1脚与PWM比较器补偿信号输入端9脚之间，软启动电容接入端8脚通过电容C4接地，电阻R5与电容C5构成了PWM脉宽控制器内部振荡器的放电回路R5并联在振荡器定时电容接入端5脚与振荡器放电端7脚之间，C5一端接5脚，另一端接地，振荡器定时电阻接入端6脚通过R6接地，基准电源输出端16脚通过滑动电阻R7接地，误差放大器同向输入端2脚接可调电阻的滑动触头，脉冲输出端11脚、14脚分别通过二极管D9、D10一起接隔直电容C6，连入脉冲耦合器N2的输入端，脉冲耦合器的输出接隔直电容C7通过电阻R8接IGBT的栅极，稳压管W1、W2串联构成嵌位电路，并联在脉冲耦合器的输出端。
当风力发电机正常工作时，风力发电机输出能量，经过整流电路变为近似直流电；升压斩波电路输出稳定直流电压，经过逆变后变为220V50Hz的市电供负载使用；当风速低于1.6m/s而风力发电机不做功时，由蓄电池提供电能，蓄电池输出电压经过逆变后变为市电，供负载使用。
Claims (2)
1.一种风力发电机组的电压控制器，其特征在于：该电压控制器由整流电路、升压斩波电路、正激变换电路及PWM脉宽控制电路构成，整流电路的直流输出端连入升压斩波电路的输入端，升压斩波电路的输出端连入正激变换电路输入端，正激变换电路输出端接蓄电池，PWM脉宽控制电路的脉宽控制器的反馈信号输入端与正激变换电路的输出端连接，且PWM脉宽控制电路的脉宽控制器的反馈信号输入端接在蓄电池负极与地之间，脉宽控制器的输出端通过脉冲耦合器与升压斩波电路的换流开关管的控制极连接；所述的正激变换电路主要由带辅助绕组的变压器构成，变压器的主边绕组一端通过一个二极管接升压斩波电路输出端的正极，由变压器的辅助绕组和一个二极管串联构成的支路并联在斩波电路的输出端，变压器次边绕组的一端接整流二极管的正极，滤波电容并联在变压器次边绕组的另一端和整流二极管的负极，正激变换电路的输出接蓄电池，电流采样电阻串接在蓄电池的负极与地之间；所述的升压斩波电路由储能电感、整流二极管和换流开关管IGBT构成，储能电感的一端接整流电路输出的正极，储能电感的另一端和换流开关管的漏极一起接整流二极管的正极，换流开关管的栅极接PWM脉宽控制电路的输出端，源极通过一保护电阻接整流电路输出的负极，一个滤波电路并联在升压斩波电路输出端。
2.根据权利要求l所述的风力发电机组的电压控制器，其特征在于：所述的PWM脉宽控制电路主要由SG3525PWM脉宽控制器构成，SG3525PWM脉宽控制器的反馈端接正激变换电路的电流采样的输出端，SG3525PWM脉宽控制器的输出接脉冲耦合器输入线圈的一端，脉冲耦合器的输出线圈的一端接升压斩波电路中换流开关管的栅极。
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