CN102290807A - 宽电压输入范围的小型风力发电控制器 - Google Patents

宽电压输入范围的小型风力发电控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种宽电压输入范围的小型风力发电控制器。本发明由倍压整流部分、交错并联降压斩波部分和控制部分组成。本发明通过倍压整流提高输入电压，通过交错并联降压斩波实现降压及最大功率点追踪控制，是一种高性能、低成本、可升降压控制的小型风力发电控制器。所有功率器件所承受的电压均为直流母线电压的一半，在风速变化范围较宽时，均能够实现输出电压的控制，并能够提高风能利用率。

Description

宽电压输入范围的小型风力发电控制器
技术领域
本发明涉及一种宽电压输入范围的小型风力发电控制器，特别涉及一种利用永磁直驱式小型风力发电机给直流负载供电的控制装置，属于电气技术领域。
背景技术
目前小型永磁直驱风力发电系统应用越来越广泛，如何提高风力发电效率，充分利用有限风能资源是风机控制器首先要解决的问题。
现有的小型风力发电控制器有多种形式，但是其整流部分大多采用三相桥式不控整流电路，其输出直流母线电压约等于风力发电机相电压的
Figure BSA00000549138200011
倍，即
Figure BSA00000549138200012
其中X为A、B、C三相。风力发电机输出相电压UX的大小是与风机转速成线性关系的，风机转速越高，风机的输出相电压UX越大，其整流后的直流母线电压UDC也会越大。
为了充分利用风能资源，通常希望风机的起动风速越低越好，而切出风速越高越好。以小型风机为例，起动风速一般为2-3m/s，切出风速为25-35m/s。这样就使得风机的转速范围很宽，换句话说，风机输出的相电压UX变化很宽。额定输出直流母线电压UDC为48V的风力发电机，空载时最高输出电压UDC可以超过300V。为了向负载提供稳定的48V的直流电压，就需要风力发电控制器把0-300V直流电压变换到48V。
小型风力发电控制器一般分成两大类，一类风力发电控制器经过整流之后直接给负载和蓄电池供电，风力发电整流后的直流母线电压被蓄电池钳制住，这时尽管风速增加，风机的转速也不会增加很多，而是被钳制住。当风速过高时，为了防止充电电流过大，需要通过泄放电阻将多余的电流旁路掉。由于泄放电阻电流的加大，使得风机输出的电流增加，风机的转矩加大，从而阻止风机转速的增加。这种控制器在风速较低时，由于输出电压低于蓄电池电压，因此无法向负载供电。当风速较高时，由于蓄电池的钳制作用，使得风机无法采用做大功率点追踪模式，吸收的风能大大降低。因此，此类风力发电控制器尽管成本很低，但是其风能利用率非常低，不太适合风力发电应用。
另外一类风力发电控制器，在进行三相整流之后，增加了升/降压控制器，以便适应风力发电输入电压变化较宽的特点。但是此类风力发电控制器，通常分为两种，第一种将升压变换和降压变换分开，这样成本比较高；第二种是一级的升/降压变换，由于需要兼顾较宽的电压范围，变换器的参数很难折中，因此成本也比较高。
综上所述，目前现有小型风力发电控制器存在很多缺点，一类是风能利用率低，另外一类是结构复杂，成本较高。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种宽电压输入范围的小型风力发电控制器。主要目的就是通过倍压整流提高输入电压，通过交错并联降压斩波实现降压及最大功率点追踪控制，实现一种高性能、低成本、宽电压输入范围的小型风力发电控制器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明由风力发电机、三相整流桥、限流电感、倍压开关、上电容、下电容、上均压电阻、下均压电阻、上电压传感器、下电压传感器、上斩波开关、下斩波开关、上续流开关、下续流开关、储能电感、输出电压传感器、输出电容、负载、控制板、倍压驱动、上管驱动、下管驱动组成；风力发电机的三相输出与三相整流桥的输入相连接，上电容与下电容串联后与三相整流桥的直流侧并联，三相整流桥的其中一相输入端经过限流电感和倍压开关与上电容和下电容的中点相连，上均压电阻和下均压电阻分别与上电容和下电容并联，同时分别与上电压传感器和下电压传感器并联；上电容与下电容作为带中点的串联电压源与上斩波开关、下斩波开关、上续流开关、下续流开关、储能电感一起组成交错并联的降压斩波器，输出给输出电容和负载，负载含有蓄电池，输出电压传感器与输出电容并联；控制板用于检测上电容、下电容和输出电容的电压，并且通过倍压驱动、上管驱动、下管驱动来控制倍压开关、上斩波开关、下斩波开关、上续流开关、下续流开关的导通与关断。
所述倍压开关为双向可控硅(TRIAC)，上斩波开关、下斩波开关、上续流开关、下续流开关均为功率场效应管(MOSFET)，控制板以数字信号处理器(DSP)为控制核心。
所述倍压驱动由隔离驱动芯片、输入限流电阻、驱动电阻、充电电阻、充电电容组成；隔离驱动芯片的输入端与控制板的倍压控制输出端相连，辅助电源通过输入限流电阻给隔离驱动芯片供电，隔离驱动芯片的输出一端接驱动电阻，一端接倍压开关的门极，充电电阻与充电电容串联与倍压开关并联，充电电阻与充电电容的中点与驱动电阻相连。
所述上管驱动和下管驱动结构相同，分别由斩波光耦、斩波限流电阻、斩波驱动电阻、续流光耦、续流限流电阻、续流驱动电阻组成；辅助电源通过斩波限流电阻给斩波光耦供电，斩波光耦的输入端接控制板的一路PWM通道，斩波光耦的输出端通过斩波驱动电阻与上斩波开关(或下斩波开关)的门极相连；辅助电源通过续流限流电阻给续流光耦供电，续流光耦的输入端接控制板的另外一路PWM通道，续流光耦的输出端通过续流驱动电阻与上续流开关(或下续流开关)的门极相连。
所述斩波驱动PWM信号与续流驱动PWM信号互补导通，中间插入死区时间；上斩波驱动PWM信号与下斩波驱动PWM信号相位差180度电角度，交错并联。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，当风速较低时，风力发电机的输出电压也较低，将倍压开关接通进行倍压整流，这时上电容与下电容的电压均为
Figure BSA00000549138200041
而直流母线为
Figure BSA00000549138200042
达到了升压目的。当风速较高时风力发电机的输出电压较高，为了使直流母线电压不要超过功率器件的耐压值，将倍压开关断开，进行普通整流，这时直流母线电压将为
Figure BSA00000549138200043
本发明的另外一个效果在于，所有功率器件所承受的电压均为直流母线电压的一半，因此可以降低功率器件的成本。
本发明的另外一个效果在于，通过交错并联降压斩波控制可以稳定输出电压，并可以实现风力发电的最大功率点追踪控制。
本发明的另外一个效果在于，在风速变化范围较宽时，均能够实现输出电压的控制，并能够提供风能利用率。
附图说明
图1是宽电压输入范围的小型风力发电控制器原理图；
图2是倍压驱动原理图；
图3是上管驱动原理图；
图4是占空比小于50％时控制信号波形与输出电压波形；
图5是占空比大于50％时控制信号波形与输出电压波形。
具体实施方式
实施例：
宽电压输入范围的小型风力发电控制器，包括：
风力发电机101、三相整流桥102、限流电感103、倍压开关104、上电容105、下电容106、上均压电阻107、下均压电阻108、上电压传感器109、下电压传感器110、上斩波开关111、下斩波开关112、上续流开关113、下续流开关114、储能电感115、输出电压传感器116、输出电容117、负载118、控制板119、倍压驱动120、上管驱动121、下管驱动122组成；风力发电机101的三相输出与三相整流桥102的输入相连接，上电容105与下电容106串联后与三相整流桥102的直流侧并联，三相整流桥102的其中一相输入端经过限流电感103和倍压开关104与上电容105和下电容106的中点相连，上均压电阻107和下均压电阻108分别与上电容105和下电容106并联，同时分别与上电压传感器109和下电压传感器110并联；上电容105与下电容106作为带中点的串联电压源与上斩波开关111、下斩波开关112、上续流开关113、下续流开关114、储能电感115一起组成交错并联的降压斩波器，输出给输出电容117和负载118，负载118含有蓄电池，输出电压传感器116与输出电容117并联；控制板119用于检测上电容105、下电容106和输出电容117的电压，并且通过倍压驱动120、上管驱动121、下管驱动122来控制倍压开关104、上斩波开关111、下斩波开关112、上续流开关113、下续流开关114的导通与关断。
所述倍压开关104为双向可控硅(TRIAC)，上斩波开关111、下斩波开关112、上续流开关113、下续流开关114均为功率场效应管(MOSFET)，控制板119以数字信号处理器(DSP)为控制核心。
所述倍压驱动120由隔离驱动芯片201、输入限流电阻202、驱动电阻203、充电电阻204、充电电容205组成；隔离驱动芯片201的输入端与控制板119的倍压控制输出端相连，辅助电源通过输入限流电阻202给隔离驱动芯片201供电，隔离驱动芯片201的输出一端接驱动电阻203，一端接倍压开关104的门极，充电电阻204与充电电容205串联与倍压开关104并联，充电电阻204与充电电容205的中点与驱动电阻203相连。
所述上管驱动121和下管驱动122结构相同，分别由斩波光耦301、斩波限流电阻302、斩波驱动电阻303、续流光耦304、续流限流电阻305、续流驱动电阻306组成；辅助电源通过斩波限流电阻302给斩波光耦301供电，斩波光耦301的输入端接控制板119的一路PWM通道，斩波光耦301的输出端通过斩波驱动电阻303与上斩波开关111(或下斩波开关112)的门极相连；辅助电源通过续流限流电阻305给续流光耦304供电，续流光耦304的输入端接控制板119的另外一路PWM通道，续流光耦304的输出端通过续流驱动电阻306与上续流开关113(或下续流开关114)的门极相连。
所述斩波驱动PWM信号与续流驱动PWM信号互补导通，中间插入死区时间；上斩波驱动PWM信号与下斩波驱动PWM信号相位差180度电角度，交错并联。
本实施例上述内容具体解释如下：
如图1所示为宽电压输入范围的小型风力发电控制器原理图，当风速较低时，风力发电机101的输出电压也较低。将倍压开关104接通进行倍压整流，这时上电容105与下电容106的电压均为
Figure BSA00000549138200071
而直流母线为
Figure BSA00000549138200072
也就是说当风力发电机101的相电压仅为设定的负载118电压的20％时，就可以向负载118供电了，从而实现了升压变换。
随着风速的提高，风力发电机101的输出电压也增加，这时的直流母线电压就会超过负载118的设定电压。为了保持负载118电压的稳定，这时控制板119通过控制输出的占空比来使得输出电压保持恒定。
控制板119所输出的斩波驱动PWM信号与续流驱动PWM信号互补导通，中间插入死区时间；上斩波驱动PWM信号与下斩波驱动PWM信号相位差180度电角度，交错并联。这样可以有效降低续流时的导通损耗，同时降低了输出电流纹波，提高了输出电压品质。
当倍压开关104接通时，强迫上电容105与下电容106的电压保持相等，即均为直流母线电压的1/2。如果直流母线电压大于负载给定电压的2倍时，控制板119输出的PWM占空比小于50％，见图4，其中的ugu为上斩波开关111的驱动信号，ugb为下斩波开关112的驱动信号，uO为输出电压，E为上电容105(或者下电容106)上的电压，uav为输出电压的平均值。如果直流母线电压小于负载给定电压的2倍，但是大于负载给定电压时，控制板119输出的PWM占空比大于50％，其输出波形见图5。
当风速较高时风力发电机101的输出电压较高，为了使直流母线电压不要超过功率器件的耐压值，控制板119通过上电压传感器109、下电压传感器110分别检测上电容105与下电容106的电压。一旦上电容105与下电容106的电压超过设定值时，控制板119通过倍压驱动120将倍压开关104断开，进行普通整流，这时直流母线电压将为
Figure BSA00000549138200081
而上电容105与下电容106的电压则由上均压电阻107和下均压电阻108来维持其均衡。限流电感103的作用是在倍压开关104开通和关断过程中限制风力发电机101给上电容105和下电容106充电的电流值，保证不会引起倍压开关104的过流损坏。
用于驱动倍压开关104的倍压驱动120不需要单独的驱动电源，仅需要一个给控制板119供电的VCC即可，见图2。上斩波开关111、下斩波开关112、上续流开关113、下续流开关114的驱动电路，即上管驱动121和下管驱动122中共需要4个隔离的辅助电源，见图3。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。故凡依本发明之精神实质、形状、原理所作的变化或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种宽电压输入范围的小型风力发电控制器，其特征在于，它由风力发电机(101)、三相整流桥(102)、限流电感(103)、倍压开关(104)、上电容(105)、下电容(106)、上均压电阻(107)、下均压电阻(108)、上电压传感器(109)、下电压传感器(110)、上斩波开关(111)、下斩波开关(112)、上续流开关(113)、下续流开关(114)、储能电感(115)、输出电压传感器(116)、输出电容(117)、负载(118)、控制板(119)、倍压驱动(120)、上管驱动(121)、下管驱动(122)组成；风力发电机(101)的三相输出与三相整流桥(102)的输入相连接，上电容(105)与下电容(106)串联后与三相整流桥(102)的直流侧并联，三相整流桥(102)的其中～相输入端经过限流电感(103)和倍压开关(104)与上电容(105)和下电容(106)的中点相连，上均压电阻(107)和下均压电阻(108)分别与上电容(105)和下电容(106)并联，同时分别与上电压传感器(109)和下电压传感器(110)并联；上电容(105)与下电容(106)作为带中点的串联电压源与上斩波开关(111)、下斩波开关(112)、上续流开关(113)、下续流开关(114)、储能电感(115)一起组成交错并联的降压斩波器输出给输出电容(117)和负载(118)，负载(118)含有蓄电池，输出电压传感器(116)与输出电容(117)并联；控制板(119)用于检测上电容(105)、下电容(106)和输出电容(117)的电压，并且通过倍压驱动(120)、上管驱动(121)、下管驱动(122)来控制倍压开关(104)、上斩波开关(111)、下斩波开关(112)、上续流开关(113)、下续流开关(114)的导通与关断。
2.如权利要求1所述的宽电压输入范围的小别风力发电控制器，其特征在于，倍压开关(104)为双向可控硅(TRIAC)，上斩波开关(111)、下斩波开关(112)、上续流开关(113)、下续流开关(114)均为功率场效应管(MOSFET)，控制板(119)以数字信号处理器(DSP)为控制核心。
3.如权利要求1所述的宽电压输入范围的小型风力发电控制器，其特征在于，倍压驱动(120)由隔离驱动芯片(201)、输入限流电阻(202)、驱动电阻(203)、充电电阻(204)、充电电容(205)组成；隔离驱动芯片(201)的输入端与控制板(119)的倍压控制输出端相连，辅助电源通过输入限流电阻(202)给隔离驱动芯片(201)供电，隔离驱动芯片(201)的输出一端接驱动电阻(203)，一端接倍压开关(104)的门极，充电电阻(204)与充电电容(205)串联与倍压开关(104)并联，充电电阻(204)与充电电容(205)的中点与驱动电阻(203)相连。
4.如权利要求1所述的宽电压输入范围的小型风力发电控制器，其特征在于，上管驱动(121)和下管驱动(122)结构相同，分别由斩波光耦(301)、斩波限流电阻(302)、斩波驱动电阻(303)、续流光耦(304)、续流限流电阻(305)、续流驱动电阻(306)组成；辅助电源通过斩波限流电阻(302)给斩波光耦(301)供电，斩波光耦(301)的输入端接控制板(119)的一路PWM通道，斩波光耦(301)的输出端通过斩波驱动电阻(303)与上斩波开关(111)或下斩波开关(112)的门极相连；辅助电源通过续流限流电阻(305)给续流光耦(304)供电，续流光耦(304)的输入端接控制板(119)的另外一路PWM通道，续流光耦(304)的输出端通过续流驱动电阻(306)与上续流开关(113)或下续流开关(114)的门极相连。
5.如权利要求1所述的宽电压输入范围的小型风力发电控制器，其特征在于，斩波驱动PWM信号与续流驱动PWM信号互补导通，中间插入死区时间；上斩波驱动PWM信号与下斩波驱动PWM信号相位差180度电角度，交错并联。
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