CN101702532A - 一种风力发电机充电控制器及其控制方法 - Google Patents

一种风力发电机充电控制器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机的充电控制器及其控制方法，包括与风力发电机输出相连接的整流电路，其特征在于，所述的整流电路的输出端通过开关K1、卸荷回路、BOOST升压电路与蓄电池组相连接，所述的卸荷回路和BOOST升压电路还与控制电路相连接。通过检测风力发电机输出电压的频率来测定风机的转速，从而可以快速有效地对风力发电机进行保护。充电控制器设有新型控制模式的BOOST升压电路，由检测的风力发电机转速值的大小进行控制BOOST升压电路的启动与停止，实现低风速条件下的有效充电，并防止风力发电机的拖停。通过BOOST升压电路与卸荷回路相互配合，实现风速的最大范围利用。通过单片机的智能控制，实现蓄电池的限压限流充电，延长了蓄电池使用寿命。

Description

一种风力发电机充电控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及永磁风力发电机，具体地说涉及一种风力发电机的充电控制器和及其控制方法。
背景技术
传统的风力发电机失速保护方法有两种：1、充电控制器靠风力发电机输出后的整流电压高低来判断风力发电机是否过速从而进行保护，这种方法动作时间滞后，且在不同的充电状态会引起误动作。2、利用风力发电机本身所带的偏航保护系统，即当风速超过某一定值时，改变风力发电机的迎风角度，对风机进行保护。此种方法属于机械保护，动作慢，不能快速有效的保护风力发电机。所以，此种传统的充电控制器在恶劣多变的大自然条件下会很容易引起风力发电机的失速损坏。
对于风力发电机和充电控制器配套的系统而言，若蓄电池为DC48V系统，则充放电控制器额定输出电压就是DC48V，风力发电机额定输出的整流后电压也就是DC48V。风力发电机输出电压和功率跟风速的大小成正比。在正常风速范围时，可对蓄电池进行充电。但风速低时，发电机的输出电压也低，不能给蓄电池充电，这样减少了风力发电机的风速利用范围。
风力发电机在启动时需超过某一转速(启动风速)来克服启动转矩，只有当风速大于启动风速时，风力发电机才能顺利启动。所以风力发电机在风速很低时不可对蓄电池进行充电，以免造成风力发电机的启动转矩过大而无法正常启动，更减少了风能的利用效率。
目前，我国传统的离网型风力发电的充电控制系统中，出于成本等考虑，并未采用实时的风速仪，相应的充电控制器也没有风力发电机的转速检测单元。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，克服传统风力发电机充电控制方法的缺陷，提供一种风力发电机的充电控制器及其控制方法，以达到对风力发电机进行迅速、可靠的保护，有效的提高了风力发电机的可利用风速范围，实现对蓄电池限压限流充电。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种风力发电机的充电控制器，包括与风力发电机输出相连接的整流电路，其特征在于，所述的整流电路的输出端通过开关K1、卸荷回路、BOOST升压电路与蓄电池组相连接，所述的卸荷回路和BOOST升压电路还与控制电路相连接；
所述的卸荷回路，用于发电机输出整流电压超过蓄电池充电电压或蓄电池充电电流大于最大限制电流时，通过控制电路启用卸荷回路，以维持蓄电池的恒压充电；
所述的BOOST升压电路，用于通过控制电路判断所测得的风力发电机转速信号作为BOOST升压电路的启动和停止信号。
一种风力发电机的充电控制器，所述的控制电路包括单片机、卸荷回路驱动电路、BOOST升压控制电路、捕获单元、电流检测电路所组成，所述的单片机输入口分别与捕获单元和电流检测电路相连接，单片机的输出口分别通过卸荷回路驱动电路、BOOST升压控制电路与BOOST升压电路和卸荷回路相连接。
一种风力发电机的充电控制器，所述的卸荷回路由卸载功率开关管Q1和电阻R1组成，BOOST升压电路由升压功率开关管Q2、电感L、二极管D8、电容C2所组成，整流电路负极输出端通过空气开关K1连接到卸载功率开关管Q1和升压功率开关管Q2的源极，并经采样电阻R2连接到蓄电池组负极，卸载功率开关管Q1的漏极通过电阻R1与整流电路正极输出端相连接，并通过电感L、二极管D8与蓄电池组正极相连，升压功率开关管Q2的漏极与电感L和二极管D8串接点相连接，卸载功率开关管Q1、升压功率开关管Q2的栅极分别与卸荷回路驱动电路和BOOST升压控制电路的输出端相连接。
一种风力发电机的充电控制器，所述的捕获单元，通过
Figure G200910185630XD0000031
计算公式，将风力发电机输出的交流电压频率信号通过捕获单元转换为风力发电机转速信号输出至单片机。
一种风力发电机的充电控制器，所述的单片机型号为PIC16F886。
一种风力发电机的充电控制器的控制方法，所述的方法包括下列步骤；
a)初始化步骤，将单片机初始化到一个已知状态，将单片机端口、寄存器、中断初始化，为进入工作循环做好准备；
b)检测步骤，检测风力发电机转速、蓄电池电压、充电电流；
c)判断、执行步骤；根据检测步骤结果，执行相应的步骤；
当充电电压小于蓄电池浮充电压、充电电流小于最大充电电流时，卸荷功率开关管Q1，升压功率开关管Q2均不动作，风力发电机输出电能全部给蓄电池充电；
当充电电压大于蓄电池浮充电压或是充电电流大于最大充电电流时，卸荷功率开关管Q1动作，通过单片机调节卸荷功率开关管Q1的驱动脉冲的占空比泄放多余的能量实现对蓄电池组的限压限流充电；
当风力发电机转速低于正常启动转速，BOOST升压控制电路控制升压功率开关管Q2关断，不对蓄电池进行充电；
当风力发电机转速高于正常启动转速而小于正常转速区时，充电电压不够给蓄电池充电时，BOOST升压控制电路控制升压功率开关管Q2动作，把风力发电机输出整流电压升压对蓄电池进行充电。
风力发电机的充电控制器的控制方法，所述的BOOST升压控制电路控制方法采用蓄电池电压反馈，电流模式PWM控制，最大占空比为50％。
一种风力发电机的充电控制器及其控制方法，由于采用上述结构和方法，通过检测风力发电机输出电压的频率来测定风机的转速，从而可以快速有效地对风力发电机进行保护。充电控制器设有新型控制模式的BOOST升压电路，由检测的风力发电机转速值的大小进行控制BOOST升压电路的启动与停止，实现低风速条件下的有效充电，并防止风力发电机的拖停。通过BOOST升压电路与卸荷回路相互配合，实现风速的最大范围利用。通过单片机的智能控制，实现蓄电池的限压限流充电，延长了蓄电池使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；
图1为本发明一种风力发电机的充电控制器主电路结构示意图；
图2为本发明一种风力发电机的充电控制器控制电路结构示意图；
图3为本发明一种风力发电机的充电控制器的控制方法流程图；
在图1、图2中，1、整流电路；2、卸荷回路；3、BOOST升压电路；4、蓄电池组；5、单片机；6、卸荷回路驱动电路；7、BOOST升压控制电路；8、捕获单元；9、电流检测电路。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种风力发电机的充电控制器，包括与风力发电机输出相连接的整流电路1，风力发电机输出接到U、V、W三个端子，经输出整流滤波后经空气开关K1接入充电主回路。整流电路1的输出端通过开关K1、卸荷回路2、BOOST升压电路3与蓄电池组4相连接，所述的卸荷回路2和BOOST升压电路3还与控制电路相连接。所述的控制电路包括单片机5、卸荷回路驱动电路6、BOOST升压控制电路7、捕获单元8、电流检测电路9所组成，所述的单片机5输入口分别与捕获单元8和电流检测电路9相连接，单片机5的输出口分别通过卸荷回路驱动电路6、BOOST升压控制电路7与BOOST升压电路3和卸荷回路2相连接。单片机5型号为PIC16F886。
卸荷回路2由卸载功率开关管Q1和电阻R1组成，BOOST升压电路3由升压功率开关管Q2、电感L、二极管D8、电容C2所组成，整流电路1负极输出端通过空气开关K1连接到卸载功率开关管Q1和升压功率开关管Q2的源极，并经采样电阻R2连接到蓄电池组4负极，卸载功率开关管Q1的漏极通过电阻R1与整流电路1正极输出端相连接，并通过电感L、二极管D8与蓄电池组4正极相连，升压功率开关管Q2的漏极与电感L和二极管D8串接点相连接，卸载功率开关管Q1、升压功率开关管Q2的栅极分别与卸荷回路驱动电路6和BOOST升压控制电路7的输出端相连接。BOOST升压电路3输出端即二极管D8的阴极与蓄电池的正极相连。二极管D8兼作蓄电池的防反充二极管。
空气开关K1作为整个系统的开关控制，如果蓄电池反接，则二极管D7、D8上流过短路大电流使开关立即断开，保护蓄电池。
当充电电压小于蓄电池浮充电压、充电电流小于最大充电电流时，卸载功率开关管Q1、升压功率开关管Q2均不动作，风力发电机输出电能全部给蓄电池充电。当充电电压大于蓄电池浮充电压或是充电电流大于最大充电电流时，卸载功率开关管Q1动作，通过调节开关管Q1的驱动脉冲的占空比泄放多余的能量实现蓄电池的限压限流充电。当风速降低，充电电压不够给蓄电池充电时，BOOST升压功率开关管Q2动作，把风力发电机输出整流电压升压对蓄电池进行充电。
参见图2，控制电路核心器件是单片机PIC16F886和BOOST控制驱动芯片UC3845及卸荷开关驱动芯片TLP250。
其中单片机PIC16F886是一款通用的价格低廉的控制芯片，适合不做复杂控制算法的控制电路。它有11路A/D转换口，足够各种信号的采样使用，本系统中用于测量蓄电池电压和充电电流。它有两个CCP(捕捉、比较、PWM)单元，一个用作PWM单元输出PWM波经驱动芯片TLP250放大后驱动卸载开关管Q1，另一个用作捕获单元，用来测量风力发电机的转速。
BOOST控制驱动由驱动芯片UC3845来完成，它是典型的电流模式PWM控制芯片，最大占空比为50％。引入蓄电池电压反馈，峰值电流控制模式。整个BOOST电路的启动、停止均由单片机的一个I/O口控制。
检测电路：风力发电机的三相输出电压的任两相经过电阻分压后，接入比较器LM311的“+”输入端，LM311的“-”接地，构成一过零电压比较器，输出脉冲频率为风机频率的两倍。输出的变化的频率脉冲由光耦进行隔离整形送入单片机5，通过单片机5的捕获单元8测得脉冲间的间隔即为输出电压的周期的一半。其中稳压二极管V1的作用是保证比较器LM311输入端的交流电压幅值不超过比较器的电源电压。
由于风力发电机的输出电压变化范围宽，例如对48V系统而言，输出交流电压为0V～150V(空载)，这里可根据风速利用范围截取可用电压范围为：5V～120V，通过电阻分压及稳压二极管限压后接入比较器LM311“+”端。
蓄电池充电电流检测时通过在蓄电池负极串入一低阻值电阻，电阻检测的电流信号经运算放大器LM324放大后接入单片机的A/D转换口。
蓄电池直流电压检测是通过分压电阻分压后送入单片机5的A/D转换口以及作为BOOST控制驱动芯片UC3845的反馈电压。
参见图3，图3为本发明一种风力发电机的充电控制器的控制方法流程图；
步骤100为流程开始，步骤101为初始化步骤，将单片机端口、寄存器、中断初始化，为进入工作循环做好准备。执行完步骤101后，进入步骤102检测风力发电机转速、蓄电池电压、充电电流。
步骤103为判断风力发电机转速是否低于充电转速，如果是，则进入步骤104判断蓄电池电压是否大于浮充电压点，如果是，进入步骤105关闭BOOST电路，如果判断是否定的，则进入步骤108判断风力发电机转速是否低于拖停转速，如果是，进入步骤105，如果判断是否定的，则进入步骤109启动BOOST电路。执行完步骤109后进入步骤110。在步骤103，如果判断是否定的，则进入步骤106判断风力发电机转速是否高于危险转速，如果是，则进入步骤107软接通全部卸载负荷，如果否，进入步骤110判断蓄电池电压是否小于欠压点，如果是，则进入步骤111进行欠压处理并报警。如果判断是否定的，进入步骤112判断蓄电池电压是否在于过压点，如果是，则进入步骤113进行过压处理并报警。如果判断是否定的，则进入步骤114判断蓄电池充电电流是否大于最大电流，如果是，则进入步骤115增加卸载脉宽的占空比，执行完步骤115后，进入步骤117。如果否，进入步骤116判断蓄电池电压是否大于浮充电压，如果是，进入步骤115，如果否，进入步骤117减小卸载脉宽的占空比直至为零。在执行完步骤117后返回步骤102。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风力发电机的充电控制器，包括与风力发电机输出相连接的整流电路(1)，其特征在于，所述的整流电路(1)的输出端通过开关K1、卸荷回路(2)、BOOST升压电路(3)与蓄电池组(4)相连接，所述的卸荷回路(2)和BOOST升压电路(3)还与控制电路相连接；
所述的卸荷回路(2)，用于发电机输出整流电压超过蓄电池充电电压或蓄电池充电电流大于最大限制电流时，通过控制电路启用卸荷回路，以维持蓄电池的恒压充电；
所述的BOOST升压电路(3)，用于通过控制电路判断所测得的风力发电机转速信号作为BOOST升压电路的启动和停止信号。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机的充电控制器，其特征在于，所述的控制电路包括单片机(5)、卸荷回路驱动电路(6)、BOOST升压控制电路(7)、捕获单元(8)、电流检测电路(9)所组成，所述的单片机(5)输入口分别与捕获单元(8)和电流检测电路(9)相连接，单片机(5)的输出口分别通过卸荷回路驱动电路(6)、BOOST升压控制电路(7)与BOOST升压电路(3)和卸荷回路(2)相连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种风力发电机的充电控制器，其特征在于，所述的卸荷回路(2)由卸载功率开关管Q1和电阻R1组成，BOOST升压电路(3)由升压功率开关管Q2、电感L、二极管D8、电容C2所组成，整流电路(1)负极输出端通过空气开关K1连接到卸载功率开关管Q1和升压功率开关管Q2的源极，并经采样电阻R2连接到蓄电池组(4)负极，卸载功率开关管Q1的漏极通过电阻R1与整流电路(1)正极输出端相连接，并通过电感L、二极管D8与蓄电池组(4)正极相连，升压功率开关管Q2的漏极与电感L和二极管D8串接点相连接，卸载功率开关管Q1、升压功率开关管Q2的栅极分别与卸荷回路驱动电路(6)和BOOST升压控制电路(7)的输出端相连接。
4.根据权利要求2所述的一种风力发电机的充电控制器，其特征在于，所述的捕获单元(8)，通过
Figure F200910185630XC0000021
计算公式，将风力发电机输出的交流电压频率信号通过捕获单元(8)转换为风力发电机转速信号输出至单片机(5)。
5.根据权利要求2所述的一种风力发电机的充电控制器，其特征在于，所述的单片机(5)型号为PIC16F886。
6.一种根据权利要求1～5所述的风力发电机的充电控制器的控制方法，所述的方法包括下列步骤；
a)初始化步骤，将单片机初始化到一个已知状态，将单片机端口、寄存器、中断初始化，为进入工作循环做好准备；
b)检测步骤，检测风力发电机转速、蓄电池电压、充电电流；
c)判断、执行步骤；根据检测步骤结果，执行相应的步骤；
当充电电压小于蓄电池浮充电压、充电电流小于最大充电电流时，卸载功率开关管Q1，升压功率开关管Q2均不动作，风力发电机输出电能全部给蓄电池充电；
当充电电压大于蓄电池浮充电压或是充电电流大于最大充电电流时，卸功率开关管Q1动作，单片机的控制信号经卸荷回路驱动电路(6)放大后调节卸载功率开关管Q1的驱动脉冲的占空比泄放多余的能量实现对蓄电池组的限压限流充电；
当风力发电机转速低于正常启动转速，BOOST升压控制电路(7)控制升压功率开关管Q2关断，不对蓄电池进行充电；
当风力发电机转速高于正常启动转速而小于正常转速区时，充电电压不够给蓄电池充电时，BOOST升压控制电路(7)控制升压功率开关管Q2动作，把风力发电机输出整流电压升压对蓄电池进行充电。
7.根据权利要求6所述的风力发电机的充电控制器的控制方法，其特征在于，所述的BOOST升压控制电路控制方法采用蓄电池电压反馈，电流模式PWM控制，最大占空比为50％。
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