CN104712499A - 一种可即时启动的风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种可即时启动的风力发电机，涉及风力发电机。设有电动机、电动机控制模块、发电机、负载输出控制模块、风力机、传感器模块；电动机控制模块与电动机连接；发电机通过传动机构与电动机连接；负载输出控制模块的输入端与发电机连接，负载输出控制模块的输出端接负载；风力机通过传动机构与发电机连接；传感器模块通过CAN总线分别与电动机控制模块和负载输出控制模块连接，传感器模块另与发电机连接。具有快速启动风力发电机的特性，减少启动时间，对电动机实施了软启动，延长电动机寿命；对发电机进行功率监测，能有效自动跟踪最大效率点，可延长发电机寿命；使用CAN总线通讯，有效延长各个模块之间的通讯距离，有效拓宽了应用领域。

Description

一种可即时启动的风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机，尤其是涉及一种可即时启动的风力发电机。

背景技术

由于风力发电技术发展迅猛，风力发电系统的应用范围与领域也在不断扩大，其发电效率、成本以及低风速运行一直是制约其发展的关键问题。目前，公知的风力发电机，其结构大多是由发电机和风力机组成。这种结构的风力发电机存在以下缺陷：1、启动风速大，由于最大静摩擦力大于滑动摩擦力，因此在停机状态到启动，需要的转矩会大于保持转动的转矩。2、在一定风速下，风力机从停止到发电需要较漫长的时间，而且在此时间内，风力发电机对于风能的利用率是很低的；一般发电机只能安装在风速比较稳定的区域里。3、不能跟踪风能最大功率点，风能利用率不高。

目前，风力发电机的改进大多数都是通过机械设计减小启动风速，在一定程度上，提高了对风能的利用效率；或者在控制器端使用算法实现对风能利用效率的跟踪。但是，这种改进的风力发电机在风速变化比较频繁的状态下，风力发电机长期处于利用效能低点，利用风能的实际效果不高。

文献[1]“风力发电机组组合式叶片结构设计研究”(陈广华，华北电力大学博士论文，2013年)，基于动量叶素理论，建立了叶片的数学模型，利用改进的自适应遗传算法优化设计了5MW风力发电机组叶片，计算了叶片展向各截面的弦长和扭角数据，并分析了叶片的气动性能等，但是其并不能有效解决对于风力发电机在低转速下利用风能的效率与功率偏小的问题以及转速变化时对于最大功率点的跟踪。

文献[2]“风力发电机的最大功率跟踪控制方法研究”(王栋，内蒙古大学硕士论文，2009年)，针对大型风力发电机的时变性、非线性、大滞后的特点，在转速环控制中引入了模糊自适应PI控制器，其在一定程度上有利于提高风力发电机的风能利用效率，但是其忽略了风力机在一定风速下，不能有效缩短系统处于停机状态到最大功率点的时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有风力发电机存在的缺陷，提供对风力发电机电能输出做出较大改进，具有快速启动风力发电机的特性，大大减少启动时间，有效利用风能的一种可即时启动的风力发电机。

本发明设有电动机、电动机控制模块、发电机、负载输出控制模块、风力机、传感器模块；

所述电动机用于主动输出转矩并带动风力机运行；

所述电动机控制模块用于控制电动机运行，并保证在驱动过程中，电动机的定子电流控制在一定范围内，以免电动机损坏，电动机控制模块与电动机连接；

所述发电机用于将电动机的主动输出转矩转化成电能，发电机通过传动机构与电动机连接；

所述负载输出控制模块用于控制发电机的输出功率，使风力机处于较佳的工作效率，负载输出控制模块的输入端与发电机连接，负载输出控制模块的输出端接负载；

所述风力机用于吸收环境中的风能并输出转矩，风力机通过传动机构与发电机连接；

所述传感器模块用于风速、风机转速、温度、电压、电流等信息的采集，传感器模块通过CAN总线分别与电动机控制模块和负载输出控制模块连接，传感器模块另与发电机连接。

本发明的风力机与电动机分别通过传动机构与发电机相连，为其提供转矩，同样，发电机通过传动机构带动风力机旋转。发电机通过负载输出控制模块与负载相连，负载输出控制模块通过PWM信号控制发电机输出给负载的能量大小。电动机通过电动机控制模块来限制其启动电流和调节电动机输出的转矩大小。传感器模块分别通过对电动机的电流、电压；发电机的电流、电压、转速；负载的的电流、电压，环境温度、环境风速等进行采样，通过CAN总线与电动机控制模块、负载输出控制模块相连。

本发明具有快速启动风力发电机的特性，大大减少启动时间，在这个基础上，对电动机实施了软启动，延长了电动机的使用寿命；对发电机进行了功率监测，不仅能够有效自动跟踪最大效率点，而且可以延长发电机的使用寿命；在电路设计上面，使用CAN总线通讯，有效延长了各个模块之间的通讯距离，有效拓宽了应用领域。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成框图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有电动机1、电动机控制模块2、发电机3、负载输出控制模块4、风力机5、传感器模块6。

所述电动机1用于主动输出转矩并带动风力机5运行；

所述电动机控制模块2用于控制电动机1运行，并保证在驱动过程中，电动机1的定子电流控制在一定范围内，以免电动机1损坏，电动机控制模块2与电动机1连接；

所述发电机3用于将电动机1的主动输出转矩转化成电能，发电机3通过传动机构与电动机1连接；

所述负载输出控制模块4用于控制发电机3的输出功率，使风力机5处于较佳的工作效率，负载输出控制模块4的输入端与发电机3连接，负载输出控制模块4的输出端接负载Y；

所述风力机5用于吸收环境中的风能并输出转矩，风力机5通过传动机构与发电机3连接；

所述传感器模块6用于风速、风机转速、温度、电压、电流等信息的采集，传感器模块6通过CAN总线分别与电动机控制模块2和负载输出控制模块4连接，传感器模块6另与发电机3连接。

通过对转速与定子电流的采样，输入到控制器，与设定的转速进行双环PI控制，使电机能够快速达到设定的转速，并且电流控制在一定范围内。设定的转速通过以下公式得到：

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2{C}_p{v}^3$

$C_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})=0.5176(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\β}-5)e^{\frac{-21}{{\mathrm{\λ}}_i}}+0.0068\mathrm{\λ}$

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{\mathrm{\λ}+0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}$

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{R\ω}}{v}$

式中，P——通过风轮扫掠面积风的功率，单位为W；ρ——空气密度，单位为kg/m³；R——风轮半径，单位为m；v——实际风速，单位为m/s；C_p——风力机的功率系数。

根据风力机转速跟风速得到叶尖速比λ＝Rω/v，通过PI控制算法，改变负载输出的占空比来实现输出能量的控制，从而达到改变风力机转速，改变叶尖速比，是风力机达到较佳的效率。

系统启动时，也就是风力机从停机或者较低转速到较佳效率点时，电动机启动，带动风力机。当风力机到达最佳效率点附件，电动机切出，系统利用风能运行。系统输出电能，通过负载输出控制模块来改变电能的输出大小。

风速、转速等参数由于距离较长，其通讯方式采样CAN总线实现，与控制器的接口为spi方式。

电动机启动控制模块采用双环PID控制，在最大电流允许下，快速带动风力机达到特定转速。

发电机控制模块采用模拟开关控制负载电路的通断，改变发电机输出功率，从而达到调节发电机转速输出。

电动机启动控制模块由三相整流桥，MCU模拟可调节的脉冲发生器，DC-DC电路等构成，用以控制发电机的定子电压、转速等。

本发明可以使风力机快速启动达到最佳功率点。电动机在启动的时候给风力机提供转矩，使风力机加速启动；电动机启动控制模块使电动机转子电流能够处于最大电流以下，并且使电动机快速达到设定速度；风力机给发电机提供发电所需转矩；发电机控制模块通过控制负载来调节发电机的转速；检测模块提供各个控制模块所需的物理量。本发明的风力发电机具有超快速启动风力发电机的特性，大大减少启动时间，在这个基础上，对电动机实施了软启动，延长了电动机的使用寿命；对发电机进行了功率监测，不仅仅能够有效自动跟踪最大效率点，而且可以延长发电机的使用寿命；在电路设计上面，使用CAN总线通讯，有效延长了各个模块之间的通讯距离，有效拓宽了应用领域。

Claims (1)

1.一种可即时启动的风力发电机，其特征在于设有电动机、电动机控制模块、发电机、负载输出控制模块、风力机、传感器模块；

所述电动机用于主动输出转矩并带动风力机运行；

所述电动机控制模块用于控制电动机运行，电动机控制模块与电动机连接；

所述发电机用于将电动机的主动输出转矩转化成电能，发电机通过传动机构与电动机连接；

所述负载输出控制模块用于控制发电机的输出功率，负载输出控制模块的输入端与发电机连接，负载输出控制模块的输出端接负载；

所述风力机用于吸收环境中的风能并输出转矩，风力机通过传动机构与发电机连接；

所述传感器模块用于风速、风机转速、温度、电压、电流信息的采集，传感器模块通过CAN总线分别与电动机控制模块和负载输出控制模块连接，传感器模块另与发电机连接。