CN103166557A - 一种小型风力发电功率控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种小型风力发电机的控制器，属于清洁能源的控制器技术领域，本发明包括风力发电机、整流模块、升降压DC/DC变换器、转速检测模块、全数字控制器、蓄电池和直流负载。本发明通过检测风力发电机的线电压频率实现测速功能，其成本低、可靠性高，不需要在风力发电机上再加额外的速度传感器，因此可以精确地进行最大功率点的追踪控制。利用目标功率曲线计算最大功率点，精度高、响应快、不会产生震荡，有利于提高系统的发电效率。

Description

一种小型风力发电功率控制器
技术领域
本发明涉及一种小型风力发电功率控制器，属于清洁能源风力发电控制器的技术领域。 
背景技术
风能是一种潜力很大的新能源，由于它的清洁性和可再生性，已经使它受到了世界各国研究学者的关注。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。风力发电必将拥有十分广阔的发展前景。 
但是现实应用中，依靠自然风推动风轮发电非常不稳定，输出功率变化频繁、无规律。通常的风力发电机多采用永磁同步发电机，在某个风速下，发电机输出的功率与转速有关。因此，想要在某个风速下得到最大的发电功率，就要通过控制发电机转速来控制功率。 
通常的风力发电控制器是通过控制电压来控制功率。在空载条件下，发电机的电压和转速成线性关系，因此，可以通过检测电压来检测转速，从而控制功率。但是发电机的电压受所接负载的影响，当负载增大时，电压下降。单纯通过检测电压来检测转速结果不准确。 
还有的风力发电控制器是通过转速传感器来检测转速，这样做虽然可以得到准确的转速，但是成本较高，而且，转速传感器通过电刷滑环来传递信号，在应用中易受风沙影响出现故障。因此，应用转速传感器容易损坏，不经济实用。 
综上所述，在小型风力发电系统的控制中，既需有效准确地测量转速，从而推算输出功率，同时还需进一步降低成本，增强经济实用性。 
发明内容
本发明为解决现有技术问题，提出一种小型风力发电功率控制器。主要目的在于通过低成本、高可靠性的转速检测方法，准确地测量发电机的转速，从而对风力发电机进行最大功率点追踪控制，提高风能捕获能力。 
本发明的目的是这样实现的： 
本发明由风力发电机、制动控制模块、整流模块、升降压DC/DC变换器、转速检测模块、全数字控制器、蓄电池和直流负载组成。风力发电机输出端与整流模块的输入端相连 接，在风力发电机与整流模块之间并联一个制动控制模块和一个转速检测模块，制动控制模块输入端与风力发电机输出端a、b、c三相连接，转速检测模块的输入端与风力发电机输出端a、b相连接，整流模块的输出端与升降压DC/DC变换器输入端相连，升降压DC/DC变换器的输出端连接蓄电池和直流负载。全数字控制器接受转速检测模块检测的风力发电机转速信号，并对升降压DC/DC变换器和制动控制模块做出相应控制。 
所述的制动控制模块由短路接触器、驱动单元和续流二极管组成，全数字控制器通过驱动单元来控制短路接触器，对风力发电机进行制动和解除制动的控制。在风力发电机转速过高时，对风力发电机进行保护； 
所述的转速检测模块是由光电耦合器、限流电阻、分压电阻、滤波电容和输出电阻组成，用来将风力发电机输出的线电压经过光电耦合器转换成频率相同的方波信号，该信号的频率除以风力发电机的极对数，就得到风力发电机的转速n，将该转速信号传递给全数字处理器，用于对系统的控制。 
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，转速检测模块仅需要一个光电耦合器，通过检测风力发电机的线电压频率实现测速功能，其成本低、可靠性高，不需要在风力发电机上再加额外的速度传感器。 
本发明的另一个效果在于，传统的方法是通过检测风力发电机输出的电压来估算转速，容易受到负载变化的影响，而加装速度传感器成本高、可靠性差。本发明可直接测出风力发电机的转速，测量准确，不受负载影响，因此可以精确地进行最大功率点的追踪控制。 
本发明的另一个效果在于，利用目标功率曲线计算最大功率点，精度高、响应快、不会产生震荡，有利于提高系统的发电效率。 
附图说明
图1是本发明中一种小型风力发电功率控制器的结构框图； 
图2是制动控制模块内部结构框图； 
图3是转速检测模块内部结构框图； 
图4是功率-转速关系曲线图； 
图5是正弦-方波曲线图； 
图6是控制系统框图。 
具体实施方式
实施例：一种小型风力发电功率控制器，包括： 
风力发电机101、整流模块102、制动控制模块103、转速检测模块104、全数字控制器105、升降压DC/DC变换器106、蓄电池107、直流负载108。风力发电机101输出与整流模 块102的输入相连接，在风力发电机101与整流模块102之间并联一个制动控制模块103和一个转速检测模块104，制动控制模块103输入端与风力发电机101输出端a，b，c三相连接，转速检测模块104的输入端与风力发电机101输出端a，b相连接，整流模块102的输出端与升降压DC/DC变换器106输入端相连，升降压DC/DC变换器106的输出端连接蓄电池107和直流负载108。全数字控制器105接受转速检测模块104检测的风力发电机101转速信号，并对制动控制模块103和升降压DC/DC变换器106进行控制。 
所述的制动控制模块103由短路接触器201、驱动单元202和续流二极管203组成，全数字控制器105通过驱动单元202来控制短路接触器201，对风力发电机101进行制动和解除制动的控制。在风力发电机101转速过高时，对风力发电机101进行保护。 
所述的转速检测模块104是由光电耦合器304、限流电阻301、306、分压电阻302、滤波电容303、305和输出电阻307组成，用来将风力发电机101输出的线电压经过光电耦合器304转换成频率相同的方波信号，该信号的频率除以风力发电机101的极对数，就得到风力发电机101的转速n，将该转速信号传递给全数字处理器105，用于对系统的控制。 
本实施例上述内容具体解释如下： 
如图1所示，风力发电机101产生的交流电经a、b、c三相输出端输出，通过整流模块102转换为直流电，由于风速的变化，使得整流模块102的输出直流电压不稳定，需要通过控制使得风力发电机输出的功率最大。 
由于在某一风速下，风力发电机的输出功率与转速有关，而且存在一个最大功率点，找到不同风速下的最大功率点，可得到目标功率曲线，如图4所示。这条目标功率曲线与风力发电机的转速有关，该目标曲线上的点即为当前转速下风力发电机所能输出的最大功率。风力发电功率控制器即是要通过检测风力发电机转速对风力发电机输出功率进行控制，使得该转速下的输出功率达到目标功率曲线所对应的点，即为最大功率点追踪控制。 
目前检测风力发电机转速的方法是通过转速传感器来检测转速，这样做虽然可以得到准确地转速，但是成本较高，而且，转速传感器通过电刷滑环来传递信号，在应用中易受风沙影响出现故障。还有的风力发电控制器通过控制电压来控制功率。但是发电机的电压受所接负载的影响，当负载增大时，电压下降。单纯通过检测电压来检测转速结果不准确。 
为了降低成本，提高可靠性和测量精度，将风力发电机101输出的交流电压经过转速检测模块104中的光电耦合器304转换成与交流电压频率相同的方波信号，如图5所示。该信号传递给DSP对其进行采样，得到该信号的频率，用该信号的频率除以风力发电机101的极对数，就可以得到风力发电机101的转速n。全数字控制器105根据风力发电机101的转速n和目标功率曲线，通过查表的方法，计算出风力发电机101在该转速n下所对应的最大功率值Pref，得到的Pref与反馈的功率进行比较，产生的误差经过PI调节器，输出一个控制升 降压DC/DC变换器的占空比D，使升降压DC/DC变换器输出功率始终跟随最大功率点，即进行最大功率点追踪(MPPT)控制，如图6所示。 
如图3所示，当a，b两端线电压为正半周时，光电耦合器304的二极管导通，转速检测模块104输出低电平；当a，b两端线电压为负半周时，光电耦合器304的二极管截止，转速检测模块104输出高电平。如图5所示，为线电压信号与方波信号的转换。所以，方波信号的频率与风力发电机101输出的交流电压频率相同，可以间接计算出风力发电机101的转速。 
当风速较大时，转速检测模块104检测风力发电机101的转速，若风力发电机的转速超过设定值时，DSP给驱动单元202一个控制信号，驱动单元202控制短路接触器201吸合，将风力发电机101三相短路，使风力发电机101产生制动，从而保护风力发电机101，如图2所示。 
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 (4)

1.一种小型风力发电功率控制器，其特征在于，它由风力发电机(101)、整流模块(102)、制动控制模块(103)、转速检测模块(104)、全数字控制器(105)、升降压DC/DC变换器(106)、蓄电池(107)、直流负载(108)组成。风力发电机(101)输出与整流模块(102)的输入相连接，在风力发电机(101)与整流模块(102)之间并联一个制动控制模块(103)和一个转速检测模块(104)，制动控制模块(103)与风力发电机(101)输出a、b、c三相连接，转速检测模块(104)与风力发电机(101)输出a、b相连接，整流模块(102)的输出端与升降压DC/DC变换器(106)输入端相连，升降压DC/DC变换器(106)的输出端连接蓄电池(107)和直流负载(108)；全数字控制器(105)接受转速检测器(104)传递的信号，并对升降压DC/DC变换器(106)和制动控制模块(103)做出相应控制。
2.如权利要求1所述的一种小型风力发电功率控制器，其特征在于，全数字处理器(105)以数字信号处理器(DSP)为控制核心，根据转速检测模块(104)测定的风力发电机(101)转速n和目标功率曲线，计算出风力发电机(101)在该转速下所对应的最大功率值，并得到相应的占空比，对升降压DC/DC变换器(106)进行最大功率点追踪(MPPT)控制。当风力发电机(101)转速超过设定值时，控制制动控制模块(103)动作，以便对风力发电机(101)进行保护。
3.如权利要求1所述的一种小型风力发电功率控制器，其特征在于，所述的制动控制模块(103)由短路接触器(201)、驱动单元(202)和续流二极管(203)组成，全数字控制器(105)通过驱动单元(202)来控制短路接触器(201)，对风力发电机(101)进行制动和解除制动的控制；在风力发电机(101)转速过高时，对风力发电机(101)进行保护。
4.如权利要求1所述的一种小型风力发电功率控制器，其特征在于，所述的转速检测模块(104)是由光电耦合器(304)、限流电阻(301)、(306)、分压电阻(302)、滤波电容(303)、(305)和输出电阻(307)组成，用来将风力发电机(101)输出的线电压经过光电耦合器(304)转换成频率相同的方波信号，该信号的频率除以风力发电机(101)的极对数，就得到风力发电机(101)的转速n，将该转速信号传递给全数字处理器(105)，用于对系统的控制。
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