CN103925168A - 一种可低风辅助启动的风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种可低风辅助启动的风力发电系统，该系统可以解决低风速时的电机启动问题，也可以根据风速实时调整控制策略，以有效提电机的输出功率。

Description

一种可低风辅助启动的风力发电系统
技术领域
本发明涉及一种可低风辅助启动的风力发电系统。
背景技术
能源是人类社会存在与发展的物质基础，全球风力资源极为丰富，而且分布在全世界几乎所有国家和地区，风力发电是利用自然资源获取环保能源的有效手段之一，也是新能源中技术最成熟，最具开发条件和商业化前景的发电方式之一。风能具有一定的动能，通过时风轮转动将风能转化为机械能，然后带动发电机发电，再通过不可控三相整流器等设备从而得到稳定的直流电，一部风供给蓄电池充电，另一部分通过逆变器输出交流电，供给交流负载。
但由于现实中，自然风非常的不稳定，而风力发电是依靠自然风推动风轮转动，带动风力发电机产生电能，因此风力发电机的工作状态也极不稳定，因而必须对风力发电机进行良好的控制，保证系统的安全、高效。一般风力发电机需要在3～5米/秒的风速是可以自动启动后带动风叶转动产生电能。在更低风速的时候，风机往往难以启动，但是一旦风机启动以后，风机便能保持转动，并提供电能。风机厂商为了增加风机发电量，降低风机的启动风速，往往需要增加额外的机械部件，这不仅带来了制造成本的上升，还由于复杂结构使得风机的可靠性下降，并且在大风的时候，附加机械部件往往会降低发电量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种可低风辅助启动的风力发电系统，该系统可以解决低风速时的电机启动问题，也可以根据风速实时调整控制策略，以有效提电机的输出功率。
为了实现上述目的，本发明提供一种一种可低风辅助启动的风力发电系统，该系统包括：
风力发电机，用于将风能转换成电能，其中该风力发电机采用双馈电机；
风机电压、电流、转速采样模块，用于检测电机运行时的电压、电流和转速；
整流模块，用于将电机发出的交流电变换成直流电；
第一电压电流检测模块，用于检测整流模块的输出电压和电流；
刹车卸能模块，用于电机失速时刹车减速；
MPPT升压降压模块，用于调整模块的输出电压，并调节风机转速，追踪最大功率点；
储能逆变模块，包括蓄电池组和逆变器，用于储存MPPT升压降压模块输出的电能，并可将储存的电能转换成交流电，输送到电网；
第二电压电流检测模块，用于检测储能逆变模块的输入电压电流值；
风速采样模块，用于实时检测风速；
微处理器，用于控制整个发电系统的运行；
其特征在于：
该系统还包括变频电机驱动器，其分别和电机、微处理器和储能逆变模块连接，用于在风速达到风力发电机额定启动风速时，辅助风力发电机启动，具体辅助启动方式如下：
微处理器确定风速达到额定启动风速后，先切断负载，将电机运行模式由发电机模式转变成电动机模式，然后启动变频电机驱动器，将储能模块的电能转换成用于电机的启动交流电，当电机转速达到同步速后，微处理器发出指令将风力发电机由电动机模式转换成发电机模式。
优选的，上述负载的切断，可通过旁路接地的方式来实现。
优选的，在电机到达同步速后，通过将MPPT升压降压模块连接至上述储能逆变模块，来完成电动机模式到发电机模式的转变。
优选的，所述风力发电系统启动后，采用如下控制方式运行，以提高发电效率：
实时检测风速；
当风速处于正常发电区间时，系统按常规方式运行
当无风时或风速很小时，达不到风力发电机的启动风速，切断使风力发电机处于空载状态，这样当有较小的风力时，使得风力发电机依然可运行，当风力发电机转速上升至电机同步速后，检测整流模块的电压值，当电压值到达阈值时，接通MPPT升压电路，给储能逆变模块的蓄电池组充电。
优选的，在采用辅助启动之前，先检测储能逆变模块的蓄电池组的端电压，如果该端电压低于阈值时，微处理器中止辅助启动方式，让风力发电机进入待机状态。
优选的，在风速高于常规启动风速时，风力发电机采用常规启动方式，在风速常规启动风速与辅助启动风速之间时，采用辅助启动方式。
本发明提供的风力发电系统，解决了低风速时的启动问题，并提高了风速不稳定时，特别是长期处于低风速时的风能利用效率。
附图说明
图1示出了本发明的一种可低风辅助启动的风力发电系统；
图2示出了本发明的一种可低风辅助启动的风力发电系统的运行方法。
具体实施方式
参见图1，本发明的一种可低风辅助启动的风力发电系统包括风力发电机1，其中该风力发电机优选采用双馈电机，在发电机模式是用于将风能转换成电能，在电动机模式时，可借助变频电机驱动器10实现电动辅助启动。
微处理器采用DSP和CPLD双芯片系统，DSP负责数据采样，算法实现和显示，CPLD负责逻辑控制，并通过继电器控制动作输出等，两者相互通讯，实现协调工作，其中DSP还连接有通讯端口，用于使用者日常调试时与电脑等外设相连接，通讯端口采用以太网，以实现实时高速的传输。
风机电压、电流、转速采样模块2，包括电压传感器、电流传感器和霍尔式转速传感器，用于实时检测电机运行时的电压、电流和转速，并将电信号传输给微处理器(MCU)9。
整流模块3，可采用桥式可控硅整流器，用于将发电机输出的交流电变换成直流电。第一电压、电流采样模块4实时检测整流模块的输出电压电流值，并实时反馈给微处理器9。
刹车卸能模块5，包括可对发电机转轴进行制动的刹车装置和与发电机输出端相连接的能耗装置，刹车装置和能耗装置均与微处理器相连接，并受微处理器控制，用于电机失速时刹车减速。
MPPT升压降压模块6，包括斩波降压电路、BOOST升压电路和接地旁通电路，用于调整模块的输出电压，并可在低风速启动时，将系统接地，以断开负载。
储能逆变模块8，包括蓄电池组和逆变器，用于储存MPPT升压降压模块输出的电能，并可将储存的电能转换成交流电，输送到电网。蓄电池组可以为铅酸蓄电池组也可以为超级电容器组，或者二者的组合。逆变器为三相IGBT桥式逆变器。
第二电压电流采样模块7，用于检测储能逆变模块的输入电压电流值，并将检测值实时反馈给微处理器。优选的，该第二电压电流采样模块7还可以实时检测蓄电池组的端电压。在辅助启动时，如果检测到该端电压异常，则中断辅助启动过程。
风速仪12实时检测风速，风速采样模块11和风速仪12相连，将风速仪12的风速信号转换为数字信号，并实时传输给微处理器9。
变频电机驱动器10，可采用与风力发电机中的双馈电机参数匹配的市售变频电机驱动器，其分别和双馈电机、微处理器9和储能逆变模块8连接，用于在风速低于风力发电机额定启动风速时，辅助风力发电机启动，具体辅助启动方式如下：微处理器9确定风速低于额定启动风速后，先切断负载，将电机运行模式由发电机模式转变成电动机模式，然后启动变频电机驱动器，将储能逆变模块的电能转换成用于电机的启动交流电，当电机转速达到同步速后，微处理器发出指令将风力发电机由电动机模式转换成发电机模式。
参见附图2，下面将详细介绍本发明的风力发电系统的启动和运行方式。
在开机阶段S1：检测当前风速，根据风速确定风力发电机启动方式，启动方式包括：常规启动、辅助启动、不启动(待机)。
启动阶段S2：
S21：当风速大于电机常规启动区间时，如大于5米/秒，采用电机常规启动方法启动电机。
S22：当风速小于常规启动所需风速，但大于变频电机驱动器辅助启动所需最低风速时，如3米/秒-5米/秒时，采用辅助启动方式启动电机：首先微处理器发出指令，触发接地旁路电路，切断发电机负载，同时发出指令启动电机变频驱动器，将储能逆变系统的电能输入发电机，完成发电机向电动机的切换，在风力和电动力的双重驱动下，快速实现低风速下的电机启动。
S23：当风速低于变频电机驱动器辅助启动所需最低风速时，如低于3米/秒，电机进入待机状态。之所以此时不采用辅助启动方式，主要是因为成本太高。
启动阶段S3：
S31：运行时，当无风时或风速很小时，达不到风力发电机的启动风速，使风力发电机处于空载状态，这样当有较小的风力时，风力发电机便能克服自身惯性开始旋转。由于此时负载没有接入，不存在反向电动势，风力发电机转速易于上升，当风力发电机转速上升至电机同步速后，检测整流模块的电压值，当电压值到达阈值时，接通MPPT升压电路，给储能逆变模块的蓄电池充电，充电电压高低根据当前蓄电池的端电压而进行调整。
S32：当风速处于正常发电区间时，系统按常规方式运行。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可低风辅助启动的风力发电系统，该系统包括：
风力发电机，用于将风能转换成电能，其中该风力发电机采用双馈电机；
风机电压、电流、转速采样模块，用于检测电机运行时的电压、电流和转速；
整流模块，用于将电机发出的交流电变换成直流电；
第一电压电流检测模块，用于检测整流模块的输出电压和电流；
刹车卸能模块，用于电机失速时刹车减速；
MPPT升压降压模块，用于调整模块的输出电压；
储能逆变模块，包括蓄电池组和逆变器，用于储存MPPT升压降压模块输出的电能，并可将储存的电能转换成交流电，输送到电网；
第二电压电流检测模块，用于检测储能逆变模块的输入电压电流值；
风速采样模块，用于实时检测风速；
微处理器，用于控制整个发电系统的运行；
其特征在于：
该系统还包括变频电机驱动器，其分别和电机、微处理器和储能逆变模块连接，用于在风速低于风力发电机额定启动风速时，辅助风力发电机启动，具体辅助启动方式如下：
微处理器确定风速低于额定启动风速后，先切断负载，将电机运行模式由发电机模式转变成电动机模式，然后启动变频电机驱动器，将储能逆变模块的电能转换成用于电机的启动交流电，当电机转速达到同步速后，微处理器发出指令将风力发电机由电动机模式转换成发电机模式。
2.如权利要求1所述的系统，其中上述负载的切断，可通过旁路接地的方式来实现。
3.如权利要求2所述的系统，在电机到达同步速后，通过将MPPT升压降压模块连接至上述储能逆变模块，来完成电动机模式到发电机模式的转变。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述风力发电系统启动后，采用如下控制方式运行，以提高发电效率：
实时检测风速；
当风速处于正常发电区间时，系统按常规方式运行
当无风时或风速很小时，达不到风力发电机的启动风速，切断使风力发电机处于空载状态，这样当有较小的风力时，使得风力发电机依然可运行，当风力发电机转速上升至电机同步速后，检测整流模块的电压值，当电压值到达阈值时，接通MPPT升压电路，给储能逆变模块的蓄电池组充电。
5.如权利要求4所述的系统，其中，在采用辅助启动之前，先检测储能逆变模块的蓄电池组的端电压，如果该端电压低于阈值时，微处理器中止辅助启动方式，让风力发电机进入待机状态。
6.如权利要求5所述的系统，其中，在风速高于5米/秒时，风力发电机采用常规启动方式，在风速介于3-5米/秒时，采用辅助启动方式。
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