CN104348389B - 风力发电控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电控制器，具有连接发电机的输入端口、连接负载的直流输出端口、连接蓄电池的蓄电池连接端口，包括主电路和控制电路，主电路包括整流电路、前级升压变换电路、稳压电路、后级升压变换电路和并联在其二极管上的充电开关，稳压电路吸收蓄电池脉冲充电释放的负脉冲，并维持直流输出端口电压稳定，充电开关为正脉冲提供充电通道；控制电路包括处理器，处理器接收从主电路获取的输入信号，产生并输出控制信号至主电路，处理器通过改变前级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变其输出电流，检测发电机的输出功率变化以实现最大功率点跟踪，处理器通过改变后级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变负脉冲的电流大小。

Description

风力发电控制器

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体地说，涉及一种小型风力发电控制器。

背景技术

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracing,MPPT）技术和铅酸蓄电池脉冲充电技术是小型风力发电中的两个重要技术。MPPT技术可以使小型风力发电机在不同风速条件时始终有风能的最大捕获率，使输出的功率达到最大。铅酸蓄电池脉冲充电技术可以改善电池内部活性物质，缩短充电时间，并延长蓄电池使用期限。

为了实现控制方式简单进行爬山法最大功率点跟踪，现有离网运行的小型风力发电机控制器一般采用的电路拓扑为：发电机输出的三相交流电进入控制器，经整流成为直流电后，通过前级DC/DC变流器进入直流母线，再通过逆变器逆变成工频交流电供负载使用，而蓄电池则并联在直流母线上。在进行爬山法MPPT时，将由蓄电池对直流母线进行钳压，保持直流母线电压稳定，然后由前级DC/DC变流器改变电流输出实现。

然而，现有的铅酸蓄电池脉冲充电技术，一般需要在电压稳定的直流母线和蓄电池之间，加入DC/DC变流电路实现含有正负脉冲的脉冲充电。显然，上述的小型风力发电机控制器的电路拓扑，由于需要蓄电池直接并联在直流母线上，维持直流母线电压稳定，因此无法直接用这种方法进行铅酸蓄电池的脉冲充电，这种小型风力发电机控制器从而无法同时实现最大功率点跟踪(MPPT)和脉冲充电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同时实现最大功率点跟踪(MPPT)和脉冲充电的风力发电控制器，且能降低电能消耗，提高效率。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种风力发电控制器，具有连接发电机的输入端口、连接负载的直流输出端口、连接蓄电池的蓄电池连接端口，包括主电路和控制电路，所述主电路包括整流电路、前级升压变换电路、稳压电路、后级升压变换电路、以及并联在所述后级升压变换电路二极管上的充电开关，所述稳压电路吸收所述蓄电池脉冲充电过程中释放的负脉冲，并维持所述直流输出端口电压稳定，所述充电开关为所述蓄电池脉冲充电过程中的正脉冲提供充电通道；所述控制电路包括处理器，所述处理器接收从所述主电路获取的输入信号，产生并输出控制信号至所述主电路中，所述处理器通过改变所述前级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变所述前级升压变换电路的输出电流，检测所述发电机的输出功率变化以实现最大功率点跟踪，所述处理器通过改变所述后级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变所述负脉冲的电流大小。

进一步，所述整流电路为单相整流桥电路或三相整流桥电路。

进一步，所述处理器输出的控制信号包括充电脉冲信号、所述前级升压变换电路的脉宽调制信号、放电脉冲信号和所述后级升压变换电路的脉宽调制信号。

进一步，所述充电脉冲信号输出到所述充电开关的驱动器，控制所述充电开关的导通与关闭。

进一步，所述充电脉冲信号与所述前级升压变换电路的所述脉宽调制信号分别连接一与门电路的输入端，二者经所述与门电路耦合后输出到所述前级升压变换电路开关管的驱动器，控制所述开关管的导通与关闭。

进一步，所述放电脉冲信号与所述后级升压变换电路的所述脉宽调制信号分别连接一与门电路的输入端，二者经所述与门电路耦合后输出到所述后级升压变换电路开关管的驱动器，控制所述开关管的导通与关闭。

进一步，所述前级升压变换电路的输入端连接所述整流电路的直流端，其输出端连接所述直流输出端口；所述后级升压变换电路的输入端连接所述蓄电池，其输出端连接所述直流输出端口。

进一步，所述稳压电路为多个并联在一起的大容量电容，所述稳压电路并联在所述直流输出端口上。

进一步，所述输入信号包括所述整流电路的输出电压和输出电流，所述直流输出端口的输出电压、所述前级升压变换电路的输出电流、所述蓄电池的电压和充放电电流。

进一步，所述充电开关为全控型器件。

与现有技术相比，本发明能同时实现最大功率点跟踪(MPPT)和脉冲充电，电路简单，工作可靠；且在脉冲充电负脉冲阶段，蓄电池释放出的电流反馈到大容量电容构成的稳压电路中，降低了电能消耗，提高了效率。

附图说明

图1为本发明的实施例一的结构框图；

图2为本发明的实施例一的主电路的结构示意图；

图3为本发明的实施例一的控制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明风力发电控制器作进一步说明。

本发明公开了一种风力发电控制器，具有连接发电机的输入端口、连接负载的直流输出端口、连接蓄电池的蓄电池连接端口，包括主电路和控制电路，所述主电路包括整流电路、前级升压变换电路、稳压电路、后级升压变换电路、以及并联在所述后级升压变换电路二极管上的充电开关，所述稳压电路吸收所述蓄电池脉冲充电过程中释放的负脉冲，并维持所述直流输出端口电压稳定，所述充电开关为所述蓄电池脉冲充电过程中的正脉冲提供充电通道；所述控制电路包括处理器，所述处理器接收从所述主电路获取的输入信号，产生并输出控制信号至所述主电路中，所述处理器通过改变所述前级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变所述前级升压变换电路的输出电流，检测所述发电机的输出功率变化，以实现最大功率点跟踪，所述处理器通过改变所述后级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变所述负脉冲的电流大小。

所述风力发电控制器的所述整流电路的交流端通过所述输入端口连接所述发电机，所述前级升压变换电路的输入端与所述整流电路的直流端相连，所述前级升压变换电路的输出端与所述直流输出端口相连。所述后级升压变换电路的输入端通过所述蓄电池连接端口与所述蓄电池相连，所述后级升压变换电路的输出端与所述直流输出端口相连。所述稳压电路为多个并联在一起的大容量电容，所述稳压电路并联在所述直流输出端口上。所述输入信号包括所述整流电路的输出电压和输出电流，所述直流输出端口的输出电压、所述前级升压变换电路的输出电流、所述蓄电池的电压和充放电电流。所述处理器输出的控制信号包括充电脉冲信号、所述前级升压变换电路的脉宽调制信号、放电脉冲信号和所述后级升压变换电路的脉宽调制信号。

所述充电脉冲信号输出到所述充电开关的驱动器，控制所述充电开关的导通与关闭。所述充电脉冲信号与所述前级升压变换电路的所述脉宽调制信号分别连接一与门电路的输入端，二者经所述与门电路耦合后输出到所述前级升压变换电路开关管的驱动器，控制所述开关管的导通与关闭。所述放电脉冲信号与所述后级升压变换电路的所述脉宽调制信号分别连接一与门电路的输入端，二者经所述与门电路耦合后输出到所述后级升压变换电路开关管的驱动器，控制所述开关管的导通与关闭。

所述整流电路为单相整流桥电路或三相整流桥电路，所述充电开关、所述前级升压变换电路和所述后级升压变换电路的开关管为MOSFET、IGBT、GTO、GTR、IGCT等全控型器件，所述稳压电路还可以是其他电路形式，满足吸收所述蓄电池脉冲充电过程中释放的负脉冲，并维持所述直流输出端口电压稳定的功能即可。

实施例一

首先，将在本实施例中出现的一些术语进行简单的说明。

升压变换电路：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫boost电路。

占空比是指升压变换电路中开关管的导通时间与开关管的工作周期的比值，例如：脉冲宽度1μs，信号周期4μs的脉冲序列占空比为0.25。

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，维持开关管的工作周期不变，改变开关管的导通时间，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度，这就是脉冲宽度调制（PWM）的基本思想。

金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

GTR(Giant Transistor),大功率晶体管,是一种耐高电压、大电流、开关特性好的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）。

IGCT集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件。

本实施例中，所述整流电路为三相整流桥电路，所述充电开关、所述前级升压变换电路和所述后级升压变换电路中的开关管均为MOSFET，所述稳压电路为三个并联在一起的大容量电容，所述处理器为单片机（Microcontroller Unit，又称单片微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示），所述蓄电池为铅酸蓄电池。

进一步地，本实施例中，所述整流电路与所述前级升压变换电路、所述后级升压变换电路与所述蓄电池之间分别连接有滤波电路，所述滤波电路用于滤去输出电压中的纹波。所述整流电路与所述前级升压变换电路之间的滤波电路为并联在所述整流电路直流端的滤波电容，所述后级升压变换电路与所述蓄电池之间的滤波电路为与所述蓄电池并联的电容。

请参阅图1和图2，所述风力发电控制器具有连接发电机（未图示）的输入端口、连接负载的直流输出端口20、连接所述铅酸蓄电池12的蓄电池连接端口，包括主电路和控制电路。

所述主电路包括所述三相整流桥电路1，并联在所述三相整流桥电路1直流端的滤波电容2，由电感3、mosfet 4、二极管5构成的所述前级升压变换电路（前级boost电路），并联在所述直流输出端口20上的由三个并联的大容量电容6构成的所述稳压电路，由二极管7、mosfet 9、电感10构成的所述后级升压变换电路（后级boost电路），并联在所述后级升压变换电路中的所述二极管7上的充电开关mosfet 8，与所述铅酸蓄电池12并联的电容11。

请参阅图1和图2，所述风力发电控制器的所述整流电路1的交流端通过所述输入端口连接所述发电机，所述前级升压变换电路的输入端与所述三相整流桥电路1的所述直流端相连，所述前级升压变换电路的输出端与所述直流输出端口20相连，所述后级升压变换电路的输入端通过所述蓄电池连接端口与所述铅酸蓄电池12相连，所述后级升压变换电路的输出端与所述直流输出端口20相连。由所述大容量电容6构成的所述稳压电路吸收所述铅酸蓄电池12脉冲充电过程中释放的负脉冲，并维持所述直流输出端口20电压稳定，所述充电开关mosfet 8为所述铅酸蓄电池12脉冲充电过程中的正脉冲提供充电通道。

请参阅图1和图2，所述前级升压变换电路中所述mosfet 4的栅极通过下拉电阻16连接所述mosfet 4的源极。所述充电开关mosfet 8的源极与所述后级升压变换电路中的所述二极管7的正极相连，其漏极与所述二极管7的负极相连。所述充电开关mosfet 8的所述栅极通过下拉电阻17连接所述充电开关mosfet 8的所述源极。所述后级升压变换电路中所述mosfet 9的栅极通过下拉电阻18连接所述mosfet 9的源极。

请参阅图1和图3，所述控制电路包括单片机13，所述单片机13接收从所述主电路获取的输入信号，产生并输出控制信号至所述主电路中，所述单片机13通过改变所述前级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变所述前级升压变换电路的输出电流，检测所述发电机的输出功率变化以实现最大功率点跟踪，所述处理器通过改变所述后级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变所述负脉冲的电流大小。

请参阅图1和图3，所述单片机13的输入信号包括所述三相整流桥电路1的输出电压和输出电流，所述直流输出端口20的输出电压、所述前级升压变换电路的输出电流、所述铅酸蓄电池12的电压和充放电电流。所述单片机13输出的的控制信号包括充电脉冲信号、所述前级升压变换电路（前级boost电路）的脉宽调制（PWM）信号、放电脉冲信号和所述后级升压变换电路（后级boost电路）的脉宽调制（PWM）信号。所述充电脉冲信号输出到所述充电开关mosfet 8的驱动器，控制所述充电开关mosfet 8的导通与关闭。所述充电脉冲信号与所述前级升压变换电路的所述脉宽调制信号分别连接与门电路14的输入端，经所述与门电路14耦合后输出到所述前级升压变换电路中所述mosfet 4的驱动器，控制所述mosfet 4的导通与关闭。所述放电脉冲信号与所述后级升压变换电路的所述脉宽调制信号分别连接与门电路15的输入端，经所述与门电路15耦合后输出到所述后级升压变换电路中所述mosfet9的驱动器，控制所述mosfet 9的导通与关闭。

请参阅图1、图2和图3，本实施例所述风力发电控制器的原理及工作过程如下：

为叙述简便，所述前级升压变换电路的脉宽调制信号简称为所述前级boost PWM信号，所述后级升压变换电路的脉宽调制信号简称为所述后级boost PWM信号。

1．最大功率点跟踪（MPPT）和脉冲充电正脉冲阶段

所述单片机13输出的所述充电脉冲信号处于高电平时，所述后级升压变换电路的所述二极管7截止，所述充电开关mosfet 8导通为所述铅酸蓄电池12脉冲充电过程中的正脉冲提供充电通道，所述前级升压变换电路由所述前级boost PWM信号控制，处于工作状态。所述放电脉冲信号处于低电平，所述后级升压变换电路停止工作，此时所述发电机输出的三相交流电经过整流后，通过所述前级升压变换电路后直接为所述铅酸蓄电池12充电和供给负载，所述直流输出端口20由所述铅酸蓄电池12钳压。

这时，可采取爬山算法，通过改变前级boost PWM信号的占空比来改变所述前级升压变换电路的输出电流，检测所述发电机的输出功率变化，从而实现最大功率点跟踪（MPPT）。

爬山法的基本原理是利用风力发电机功率-转速曲线的单峰值特征，通过使转速沿一个方向发生一个小的扰动ωstep，然后计算所述发电机的输出功率的变化ΔP，如果ΔP为正，则继续沿同一方向对转速添加扰动ωstep，反之沿相反方向加入扰动，直到所述发电机的输出功率达到峰值，完成最大功率点的跟踪。其基本算法公式为

ω_ref(n)=ω_ref(n-1)+sign(ΔP)sign(Δω)ω_step

在所述风力发电控制器最大功率点跟踪（MPPT）和脉冲充电正脉冲阶段，所述直流输出端口20由所述铅酸蓄电池12钳压，当所述前级boost PWM信号的占空比增大时，所述前级升压变换电路的输出电流增大，反之所述前级升压变换电路的输出电流减小。由此改变所述发电机的输出功率，原来所述发电机的输入功率和输出功率之间的平衡被打破，风力发电机转速就发生改变，直到所述发电机的输入功率和输出功率达到新的平衡。改变所述前级boost PWM信号的占空比后，就相当于使所述发电机转速发生扰动，然后测量所述前级升压变换电路的输出电流和电压，计算所述发电机的输出功率的变化ΔP，按上述爬山算法不断改变所述前级boost PWM信号的占空比，直到所述发电机的输出功率达到峰值，完成最大功率点跟踪。

期间，所述后级升压变换电路中的所述电感10与所述铅酸蓄电池12前端的所述电容11构成LC滤波器。

2．脉冲充电间歇阶段

在正脉冲和负脉冲之间的间歇期，所述充电脉冲信号和所述放电脉冲信号均处于低电平，所述前级升压变换电路和所述后级升压变换电路都停止工作，所述直流输出端口20由三个并联的所述大容量电容6构成的所述稳压电路维持电压。

3．脉冲充电负脉冲阶段

所述单片机13输出的所述充电脉冲信号处于低电平时，所述充电开关mosfet 8关断，所述前级升压变换电路停止工作。所述放电脉冲信号处于高电平，所述后级升压变换电路由所述后级boost PWM信号控制，处于工作状态。所述铅酸蓄电池12通过所述后级升压变换电路升压，向所述直流输出端口20释放一个短促的电流较大的负脉冲。由三个并联的所述大容量电容6构成的所述稳压电路用于吸收所述负脉冲，维持所述直流输出端口20电压稳定。

这时，改变所述后级boost PWM信号的占空比，可以改变负脉冲的脉冲深度（即放电电流大小）。

在所述风力发电控制器脉冲充电负脉冲阶段，所述前级升压变换电路停止工作，其中的所述二极管5防止电流从所述直流输出端口20向所述前级升压变换电路反向流动。所述充电开关mosfet 8关断，所述后级升压变换电路的升压作用使电流由所述铅酸蓄电池12向所述直流输出端口20流动。

由于所述直流输出端口20上并联的所述大容量电容6的电容值大，而且所述负脉冲的时间短促，可以认为所述直流输出端口20具有很小的阻抗，并且保持不变。根据boost升压电路的原理，当增加所述后级boost PWM信号的占空比时，所述铅酸蓄电池12经过所述后级升压变换电路后的输出电压增加。输出电压增加而阻抗不变，则所述铅酸蓄电池12输出到所述直流输出端口20的电流增加，即放电电流增加，所述负脉冲的脉冲深度加大，反之亦然。

4．脉冲充电间歇阶段

在负脉冲和下一个正脉冲之间的间歇期，所述充电脉冲信号和所述放电脉冲信号均处于低电平，所述前级升压变换电路和所述后级升压变换电路都停止工作，所述直流输出端口20由由三个并联的所述大容量电容6构成的所述稳压电路维持电压。

本发明所述风力发电控制器在上述四个阶段交替循环进行，完成所述铅酸蓄电池12的脉冲充电。同时由于间歇阶段和负脉冲阶段的时间要比正脉冲的时间短很多，所以仍能在脉冲充电过程中，通过改变所述前级boost PWM信号占空比来进行最大功率点跟踪，实现了最大功率点跟踪和脉冲充电的糅合。

本实施例中，所述风力发电控制器3个mosfet栅极上的下拉电阻可以保证所述控制电路未工作时，各个mosfet不会导通导致短路。当所述控制电路未工作时，mosfet由于静电等原因可能处于导通状态。例如，当所述后级升压变换电路中的所述mosfet 9在所述控制电路未工作而处于导通状态时，所述铅酸蓄电池12和所述后级升压变换电路中的所述电感10、所述mosfet 9就构成了直通回路而短路。当加入所述下拉电阻18后，当所述控制电路未工作时，所述mosfet 9的所述栅极的电压就会被下拉至所述源极的电压水平，所述mosfet 9被关断，从而防止短路意外的发生。

本实施例所述风力发电控制器具有以下有益效果：

1．所述风力发电控制器能同时实现最大功率点跟踪(MPPT)和脉冲充电，电路简单，工作可靠，使MPPT技术和铅酸蓄电池脉冲充电技术在小型风力发电中的优势得到同时发挥。

2．在所述脉冲充电负脉冲阶段，所述铅酸蓄电池12释放出的电流反馈到并联在所述直流输出端口20的所述大容量电容6构成的所述稳压电路中，而不是用电阻消耗掉，降低了电能消耗，提高了所述风力发电控制器的效率。

3．所述控制电路中，充电脉冲信号、放电脉冲信号和PWM信号通过外部与门电路耦合，所述单片机13可以对各路信号单独控制，MPPT控制和脉冲充电控制互不干扰，大大简化了所述单片机13的控制。

当然，本发明并不限于此，在其他实施例中，所述整流电路也可为单相整流桥电路，所述充电开关、所述前级升压变换电路和所述后级升压变换电路中的开关管也可为IGBT、GTO、GTR、IGCT等全控型器件，所述稳压电路可以是由其他数目的所述大容量电容6并联在一起，还可以是以其他电路形式，达到吸收所述蓄电池释放的负脉冲，并维持所述直流输出端口20电压稳定的功能，所述蓄电池也可采用其他类型的蓄电池。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种风力发电控制器，具有连接发电机的输入端口、连接负载的直流输出端口、连接蓄电池的蓄电池连接端口，其特征在于：包括主电路和控制电路，所述主电路包括整流电路、前级升压变换电路、稳压电路、后级升压变换电路、以及并联在所述后级升压变换电路二极管上的充电开关，所述稳压电路吸收所述蓄电池脉冲充电过程中释放的负脉冲，并维持所述直流输出端口电压稳定，所述充电开关为所述蓄电池脉冲充电过程中的正脉冲提供充电通道；所述控制电路包括处理器，所述处理器接收从所述主电路获取的输入信号，产生并输出控制信号至所述主电路中，所述处理器通过改变所述前级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变所述前级升压变换电路的输出电流，检测所述发电机的输出功率变化以实现最大功率点跟踪，所述处理器通过改变所述后级升压变换电路的脉宽调制信号的占空比来改变所述负脉冲的电流大小；所述前级升压变换电路的输入端连接所述整流电路的直流端，其输出端连接所述直流输出端口；所述后级升压变换电路的输入端连接所述蓄电池，其输出端连接所述直流输出端口，所述稳压电路为多个并联在一起的大容量电容，所述稳压电路并联在所述直流输出端口上。

2.如权利要求1所述的风力发电控制器，其特征在于：所述整流电路为单相整流桥电路或三相整流桥电路。

3.如权利要求1所述的风力发电控制器，其特征在于：所述处理器输出的控制信号包括充电脉冲信号、所述前级升压变换电路的脉宽调制信号、放电脉冲信号和所述后级升压变换电路的脉宽调制信号。

4.如权利要求3所述的风力发电控制器，其特征在于：所述充电脉冲信号输出到所述充电开关的驱动器，控制所述充电开关的导通与关闭。

5.如权利要求3所述的风力发电控制器，其特征在于：所述充电脉冲信号与所述前级升压变换电路的所述脉宽调制信号分别连接一与门电路的输入端，二者经所述与门电路耦合后输出到所述前级升压变换电路开关管的驱动器，控制所述开关管的导通与关闭。

6.如权利要求3所述的风力发电控制器，其特征在于：所述放电脉冲信号与所述后级升压变换电路的所述脉宽调制信号分别连接一与门电路的输入端，二者经所述与门电路耦合后输出到所述后级升压变换电路开关管的驱动器，控制所述开关管的导通与关闭。

7.如权利要求1所述的风力发电控制器，其特征在于：所述输入信号包括所述整流电路的输出电压和输出电流，所述直流输出端口的输出电压、所述前级升压变换电路的输出电流、所述蓄电池的电压和充放电电流。

8.如权利要求1所述的风力发电控制器，其特征在于：所述充电开关为全控型器件。