CN101982716B - 风力发电压缩机制冷制热系统 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电压缩机制冷制热系统，包括风力发电机组、风力发电压缩机驱动器和包含由电动机驱动的压缩机的制冷制热装置。所述风力发电压缩机驱动器包括将风力发电机组的交流电转换为直流电的整流滤波模块，用于控制风力发电机组转速与整流滤波模块直流电压的电阻制动模块，与压缩机驱动电机和电阻制动模块相连接的变频器，以及主控单元。该主控单元被设置为控制变频器的输出频率令风力发电机组以最大输出功率运行，当风力电能不满足系统用电需求的情况下令市电或柴电补充供电，否则令系统优先消耗风力电能，并且还控制电阻制动模块可变地消耗直流电能,以限制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压，从而使系统具有较强的适应性，高效率且无需蓄电池因而节约成本。

Description

风力发电压缩机制冷制热系统
技术领域
本发明涉及风力发电制冷制热系统，特别是一种实现风力发电机与制冷制热装置的功率匹配的风电压缩机制冷制热系统。
背景技术
压缩机制冷制热技术应用广泛，如冷冻冷藏、空调、热水器等。通常，压缩机制冷制热装置依赖电能驱动，需要消耗大量的电能，在整个生产生活用电负荷中占有相当的比重。随着风力发电技术的逐渐成熟与应用经验的不断积累，风力发电的应用方式也正逐步拓展，开始由较为单一的并网或离网供电应用转向结合其它下游技术的应用方向转变。
中国发明专利，专利号“200610123895.3”公开了一种风力驱动制冷及热泵的驱动方法和装置，利用大自然风力驱动风力涡轮机，然后由风力涡轮机通过传动机构驱动压缩机制冷或制热。该发明专利采用机械传动方式，不需产生电能，能量转换直接，但是传动机构较为复杂，故障率高，压缩机制冷制热装置须就近安装在风力涡轮机旁，应用灵活性较差，并且压缩机的负载特性和风力涡轮机的驱动特性的不相匹配，适应风速范围较小，系统效率较低，性能和指标很难满足多样化的生产生活需求。
因此，确实需要一种结构简单可靠能够高效利用风能的压缩机制冷制热系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种令压缩机负载功率与风力发电机的最大输出功率实现实时匹配的风电压缩机制冷制热系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种风力发电压缩机制冷制热系统，包括风力发电机组、风力发电压缩机驱动器、以及包含由电动机驱动的压缩机的制冷制热装置。该风力发电压缩机驱动器包括整流滤波模块、电阻制动模块、变频器以及主控模块。整流滤波模块将风力发电机组的交流电转换为直流电并传输至变频器。电阻制动模块包括串联的功率电阻和功率管，该功率管的驱动极由所述主控模块控制工作于脉冲宽度调制方式，从而令电阻制动模块可变地消耗直流电能，以控制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压。变频器由主控模块控制令风力发电机组以最大输出功率运行的方式而输出变化的频率。主控模块被设置为根据风力发电机组的最大功率曲线来计算变频器的输出频率。其中，最大输出功率由风力发电机组的输出交流电的频率确定。
有利的是，本发明的风力发电机组为三相永磁直接驱动同步发电机，通过测量风力发电机组输出的交流电频率可计算风力发电机组的转速，因此风力发电机组最大输出功率可由交流电的频率确定。
进一步有利的是，本发明的风力发电压缩机制冷制热系统的变频器的输入还连接市电或柴油发电机，并且由主控模块控制令系统仅在风力电能不满足系统用电需求的情况下由市电或柴电补充供电，否则优先消耗风电。
通过上述技术方案使本发明取得的技术优势在于，适应性强，效率高，风力发电机组始终工作于最大输出功率状态，从而制冷制热效率最高；节约成本，无中间储能环节，即不需要配置蓄电池组。
附图说明
图1为根据本发明的风力发电压缩机制冷制热系统原理框图。
图2为风力发电机和压缩机负载的功率特性曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式。
如图1所示，根据本发明所提供的一种风力发电压缩机制冷制热系统，包括风力发电机组1、风力发电压缩机驱动器2和制冷制热装置3。其中，风力发电机组1的三相输出连接风力发电压缩机驱动器2的三相输入，风力发电压缩机驱动器2的变频驱动输出连接制冷制热装置3的供电输入，风力发电压缩机驱动器2的信号输入连接制冷制热装置3的信号输出，风力发电压缩机驱动器2的控制输出连接制冷制热装置3的控制输入。
根据本发明的较佳实施例的风力发电机组1为三相永磁直接驱动风力发电机组，整机采用防腐蚀处理，能够适应恶劣环境条件。三相永磁直接驱动风力发电机组的容量选择灵活，发电效率高，可靠性好，维护量低。
根据本发明较佳实施例的风力发电压缩机驱动器2包括整流滤波模块21、电阻制动模块22、变频器23以及主控模块24。整流滤波模块21包含整流桥211和滤波电容212，用于将风力发电机组1的交流电转换为直流电并传输至变频器23。电阻制动模块22包含串联的功率电阻221和功率管222，用于消耗直流电能，其功率管222由主控模块24控制令电阻制动模块22可变地消耗直流电能，从而控制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压。
风力发电机组1的三相输出接整流滤波模块21的三相输入，整流滤波模块21的直流输出接变频器23的直流输入；市电或柴油发电的三相输入接变频器23的三相输入。同时，变频器23的三相输出接压缩机制冷制热装置3的电动机31的三相输入。主控模块24的驱动输出连接电阻制动模块22的功率管222的驱动极；主控模块24的模拟信号输出连接变频器23的频率设定输入；主控模块24的启停控制输出连接变频器23的启停控制输入；主控模块24的换向阀控制输出连接压缩机制冷制热装置3的电磁换向阀控制输入。整流滤波模块21的正极输出连接于功率电阻221的一端以及变频器23的直流输入正极，功率电阻221的另一端连接功率管222的集电极；整流滤波模块21的负极输出连接功率管222的发射极和变频器23的直流输入负极。变频器23为一般市售的通用变频器，可通过模拟信号来设定输出频率。
根据本发明的压缩机制冷制热装置具体实施例包括：电动机31、压缩机32、冷凝器33、电磁换向阀34、节流元件35和蒸发器36。其中，蒸发器36与电磁换向阀34、电磁换向阀34与压缩机32、压缩机32与冷凝器33、冷凝器33与节流元件35、节流元件35与蒸发器36之间通过金属管路构成一个密闭的冷媒循环空间，压缩机32由电动机31直接驱动，电磁换向阀34的控制输入接风力发电压缩机驱动器2的换向阀控制输出。
制冷循环的工作过程为：低温低压的液态冷媒首先在蒸发器36里从低温热源吸热并汽化为低压蒸汽，经电磁换向阀34在压缩机32内压缩为高温高压的蒸汽，该高温高压蒸汽在冷凝器33内被高温热源冷却凝结为高压液体，再经节流元件35节流为低温低压液态冷媒，就此完成一个制冷循环。
制热循环的工作过程为：由压缩机32排出的高压冷媒蒸汽经电磁换向阀34流入蒸发器36，冷凝时放出热量，冷凝后的液态冷媒反向流过节流元件35进入冷凝器33，吸收热量后蒸发，冷媒蒸汽经电磁换向阀34被压缩机32吸入，就此完成一个制热循环。风力发电压缩机驱动器2通过主控模块24控制电磁换向阀34的状态控制冷媒在密闭循环空间的流向，从而控制制冷和制热工况的转换。
电阻制动模块22在主控模块24的控制下工作于脉冲宽度调制模式，通过主控模块24输出的模拟信号动态调制功率管222的占空比即脉冲宽度，从而令电阻制动模块22可变地消耗直流电能，以控制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压，继而实时控制风力发电机组1转矩与转速的线性调节。风力发电压缩机驱动器2能够快速响应风力发电机组1的运行控制需求，即使压缩机制冷制热装置3突然退出运行，风力发电压缩机驱动器2也能够独立控制风力发电机组1减速直至停机，保证风力发电机组1的安全运行。
主控模块24还包含一信号输入端口，通过该端口输入检测到的整流滤波模块21的电流输入和输出。主控模块24根据风力发电机组1输出的交流电频率可计算出风力发电机组1的转速，因此风力发电机组1的最大输出功率可以由交流电的频率来确定。主控模块24被设置为根据风力发电机组1的最大输出功率曲线来计算变频器23的输出频率，而变频器23则在主控模块24的控制下令风力发电机组1以最大输出功率运行的方式而输出变化的频率。
根据图2所示的风力发电机组1和压缩机32的功率特性曲线，实线表示不同风速条件下风机的转速-功率特性即其驱动特性，点划线表示不同风速条件下风机的最大输出功率曲线，虚线则表示用风力涡轮机直接驱动压缩机的情况下，得到的转速-功率特性即负载特性曲线。从图中可以看出，若采用风力涡轮机直接驱动压缩机，工作风速范围较窄，而且很难达到较高的效率。本发明由于采用了电气传动方式，相当于在风力涡轮机与压缩机之间设置了一个电子式无级变速装置，通过无级调整变速比，实现了风力发电机组1的平方转矩驱动特性与压缩机32恒转矩负载特性之间的转矩匹配和风力发电的最大功率跟踪，即通过调整负载特性曲线，由图中虚线表示的负载特性调整为点划线表示的负载特性，使风轮的驱动特性和压缩机32的负载特性很好地匹配，使系统的工作范围风速拓宽，转换效率大幅提高。在实现过程中，风力发电压缩机驱动器2根据风轮转速确定风力发电机组的最大输出功率，由压缩机32的负载特性确定压缩机的运行转速，控制压缩机32变转速运行。
根据本发明所提供的这种风力发电压缩机制冷制热系统的变频器23的输出频率的计算步骤如下：
a)根据风力发电机组特性获得转速-功率特性曲线即其驱动特性曲线，并通过测量风力发电机组的输出交流电频率来计算风力发电机组转速，进一步计算风力发电机组的最大输出功率曲线；
b)根据压缩机的转速-功率特性曲线计算变频器的输出频率；
c)比较风力发电机组转速(N)与风力发电机组最大允许转速(Nmax)，若N＞Nmax，以转速为反馈控制电阻制动模块运行以限制风力发电机组转速；
d)比较整流滤波模块直流电压(U)与变频器允许输入的最大直流电压(Umax)，若U＞Umax，以直流电压为反馈控制电阻制动模块的运行以限制整流滤波模块输出的直流电压。
本发明的优势在于，通过计算风力发电机组的最大机械功率，进而确定变频器的最佳输出频率，使得风力发电机组始终工作于最大输出功率状态。利用电阻制动模块，可以消耗过剩的电能，以控制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压，继而实时控制风力发电机组转矩与转速的线性调节，从而确保系统正常运行。根据本发明的风力发电制冷制热系统的结构简单可靠，无中间储能环节，不需要配置蓄电池组，因而还达到节约成本的效果。
尽管上面通过举例说明，已经描述了本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，而是由所附的权利要求给出的所有技术特征及其等同技术特征来定义。本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓前提下，任何修改和变化可能仍落在本发明权利要求的保护范围之内。
一种风力发电压缩机制冷制热系统，包括风力发电机组、风力发电压缩机驱动器和包含由电动机驱动的压缩机的制冷制热装置。所述风力发电压缩机驱动器包括将风力发电机组的交流电转换为直流电的整流滤波模块，用于控制风力发电机组转速与整流滤波模块直流电压的电阻制动模块，与压缩机驱动电机和电阻制动模块相连接的变频器，以及主控单元。该主控单元被设置为控制变频器的输出频率令风力发电机组以最大输出功率运行，当风力电能不满足系统用电需求的情况下令市电或柴电补充供电，否则令系统优先消耗风力电能，并且还控制电阻制动模块可变地消耗直流电能，以限制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压，从而使系统具有较强的适应性，高效率且无需蓄电池因而节约成本。

Claims (6)

1.一种风力发电压缩机制冷制热系统，包括一风力发电机组(1)、以及一包含由电动机(31)驱动的压缩机(32)的制冷制热装置(3)，其特征在于还包括一风力发电压缩机驱动器(2)，所述风力发电压缩机驱动器(2)包括一整流滤波模块(21)、一电阻制动模块(22)、一变频器(23)以及一主控模块(24)，其中
所述整流滤波模块(21)将风力发电机组(1)的交流电转换为直流电并传输至变频器(23)；所述电阻制动模块(22)由主控模块(24)控制而可变地消耗直流电能，从而控制风力发电机组转速和整流滤波模块的直流电压；
所述变频器(23)由主控模块(24)控制令风力发电机组(1)以最大输出功率运行的方式而输出变化的频率；并且
所述主控模块(24)被设置为根据风力发电机组(1)的最大功率曲线来计算变频器(23)的输出频率。
2.根据权利要求1所述的风力发电压缩机制冷制热系统，其特征在于所述最大输出功率由风力发电机组输出的交流电频率确定。
3.根据权利要求1所述的风力发电压缩机制冷制热系统，其特征在于所述变频器(23)的输入还连接市电或柴油发电机(4)，并且由所述主控模块(24)控制令系统仅在风力电能不满足系统用电需求的情况下由市电或柴电补充供电，否则令系统优先消耗风力电能。
4.根据权利要求1所述的风力发电压缩机制冷制热系统，其特征在于所述整流滤波模块(21)包括一三相整流桥(211)和一滤波电容(212)。
5.根据权利要求1所述的风力发电压缩机制冷制热系统，其特征在于所述电阻制动模块(22)包括串联的功率电阻(221)和功率管(222)，该功率管(222)的驱动极由所述主控模块(24)控制工作于脉冲宽度调制方式，从而令电阻制动模块(22)可变地消耗直流电能以控制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压。
6.根据权利要求1所述的风力发电压缩机制冷制热系统，其特征在于所述风力发电机组(1)为三相永磁直接驱动风力发电机组。
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