CN107910899A - 一种自适应风力发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自适应风力发电系统，包括风轮、发电机、整流单元、蓄电池、逆变单元和负载，还包括控制单元、第一微控开关、第二微控开关、第三微控开关、第四微控开关、第五微控开关、DC‑DC变换单元、电池控制单元、泄能负载和机械刹车装置。本发明根据风速的变化、负载的变化以及蓄电池储能容量的变化，对风力发电系统的能量传输分配过程实行自适应切换控制，以风力发电机提供电能为主，蓄电池放电为辅，保证了风力发电系统的稳定运行，保护了风力发电系统各装置的安全工作，提高了风电转换效率，实现了最大化的利用风能，为直驱风力发电系统的电能变化的研究提供了十分有益的信息，具有重要的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种自适应风力发电系统。
背景技术
伴随着经济的发展及人口的增长，人类对能源的需求增加，而以煤炭、石油为主的常规能源存在有限性，且污染和破坏自然环境。风能是一种清洁的可再生能源，并且资源丰富，有着无需开采、运输的特点。目前风力发电系统分为非直驱风力发电系统和直驱风力发电系统，前者主要采用齿轮箱对风轮机提速后，驱动常规异步发电机；后者在整个体系结构中，由于省去了增速齿轮箱，减小了风力发电机的体积和重量，省去了维护，降低了风力发电机的运行噪声。
直驱风力发电系统采用低速的永磁同步发电机取代了异步发电机，风轮将捕获的风能以机械能的形式驱动永磁发电机，永磁发电机的转速随着风速的变化而变化，发出电压和频率都变化的交流电能，需要经过电能变换才能输出恒压恒频的电能。
由于风速的时变性，使得风力发电机的输出电压及频率变化，不易于直接被负载利用，所以目前常规风力发电系统通过交流-直流-交流的转换方式进行供电。而且还要考虑风速很弱及无风的情况，因此系统中使用了蓄电池进行储能。如图1所示，先通过整流单元将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，再通过逆变单元将直流电变换成电压和频率稳定的交流电输出供给负载使用。现阶段常规风力发电系统在能量传输分配过程中要经过两次能量转换：电能-化学能-电能，能量的利用率低。且还容易出现风力发电发出的能量较小，达不到负载需求的电能的情况。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种自适应风力发电系统，根据风速的变化、负载的变化以及蓄电池储能容量的变化，以风力发电机提供电能为主，蓄电池放电为辅，保证了风力发电系统的稳定运行，提高了风电转换效率，实现了最大化的利用风能。
(二)技术方案
一种自适应风力发电系统，包括风轮、发电机、整流单元、蓄电池、逆变单元和负载，还包括控制单元、第一微控开关、第二微控开关、第三微控开关、第四微控开关、第五微控开关、DC-DC变换单元、电池控制单元、泄能负载和机械刹车装置；所述第一微控开关位于所述整流单元和所述DC-DC变换单元之间，负责所述整流单元和所述DC-DC变换单元回路的通断；所述第二微控开关位于所述整流单元和所述电池控制单元之间，负责所述整流单元和所述电池控制单元回路的通断；所述第三微控开关位于所述电池控制单元和所述DC-DC变换单元之间，负责所述电池控制单元和所述DC-DC变换单元回路的通断；所述第四微控开关位于所述风轮和所述机械刹车装置之间，负责所述风轮和所述机械刹车装置回路的通断；所述第五微控开关位于所述发电机和所述泄能负载之间，负责所述发电机和所述泄能负载回路的通断；所述控制单元采集所述风轮转速、所述蓄电池储能容量和所述负载大小并进行处理分析，控制所述第一微控开关、所述第二微控开关、所述第三微控开关、所述第四微控开关和所述第五微控开关的通断；所述DC-DC变换单元调节直流输出恒定电压以达到所述逆变单元的输入要求；所述电池控制单元控制所述蓄电池的充放电；所述泄能负载负责吸收系统多余的电能；所述机械刹车装置对所述风轮执行锁住动作。
进一步的，所述发电机为直驱式永磁同步发电机。
进一步的，所述整流单元为三相桥式不可控整流电路。
进一步的，所述DC-DC变换单元为直流Boost升压斩波电路。
进一步的，所述逆变单元为输出端带LC滤波器的单相全桥逆变电路。
进一步的，所述控制单元为单片机。
(三)有益效果
本发明提供了一种自适应风力发电系统，根据风速的变化、负载的变化以及蓄电池储能容量的变化，对风力发电系统的能量传输分配过程实行自适应切换控制，以风力发电机提供电能为主，蓄电池放电为辅，保证了风力发电系统的稳定运行，保护了风力发电系统各装置的安全工作，提高了风电转换效率，实现了最大化的利用风能，为直驱风力发电系统的电能变化的研究提供了十分有益的信息，具有重要的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为现阶段常规风力发电系统的结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种自适应风力发电系统的结构示意图。
图3为本发明所涉及的一种自适应风力发电系统的第一种能量传输过程示意图。
图4为本发明所涉及的一种自适应风力发电系统的第二种能量传输过程示意图。
图5为本发明所涉及的一种自适应风力发电系统的第三种能量传输过程示意图。
图6为本发明所涉及的一种自适应风力发电系统的第四种能量传输过程示意图。
图7为本发明所涉及的一种自适应风力发电系统的第五种能量传输过程示意图。
图8为本发明所涉及的一种自适应风力发电系统的第六种能量传输过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图2所示，一种自适应风力发电系统，包括风轮、发电机、整流单元、蓄电池、逆变单元和负载，还包括控制单元、第一微控开关、第二微控开关、第三微控开关、第四微控开关、第五微控开关、DC-DC变换单元、电池控制单元、泄能负载和机械刹车装置；第一微控开关K1位于整流单元和DC-DC变换单元之间，负责整流单元和DC-DC变换单元回路的通断；第二微控开关K2位于整流单元和电池控制单元之间，负责整流单元和电池控制单元回路的通断；第三微控开关K3位于电池控制单元和DC-DC变换单元之间，负责电池控制单元和DC-DC变换单元回路的通断；第四微控开关K4位于风轮和机械刹车装置之间，负责风轮和机械刹车装置回路的通断；第五微控开关K5位于发电机和泄能负载之间，负责发电机和泄能负载回路的通断；控制单元采集风轮转速、蓄电池储能容量和负载大小并进行处理分析，控制第一微控开关K1、第二微控开关K2、第三微控开关K3、第四微控开关K4和第五微控开关K5的通断；DC-DC变换单元调节直流输出恒定电压以达到逆变单元的输入要求；电池控制单元控制蓄电池的充放电；泄能负载负责吸收系统多余的电能；机械刹车装置对风轮执行锁住动作。
风力发电系统工作于切入风速和切出风速之间，切入风速是风力发电机可以发电的最低风速，切出风速是风力发电机可以发电的最大风速。切入风速达到后，风轮开始运行，如图3所示，控制单元控制第一微控开关K1闭合，此时整流单元和DC-DC变换单元之间的回路导通，风轮捕获风能，发电机将风轮的机械能转换为低交流电能，整流单元将低交流电能变成高直流电能，DC-DC变换单元调节高直流电能使之恒定，以达到后级逆变单元的输入要求，同时抑制高次谐波以提高逆变单元的功率因数，完成功率因数的校正，逆变单元将恒定的直流电能变成大功率高质量的正弦波形交流电能，以供负载使用。
当风速较大时，如图4所示，控制单元控制第一微控开关K1和第二微控开关K2闭合，此时整流单元和DC-DC变换单元及整流单元和电池控制单元之间的回路导通，发电机发出的电能经整流单元、DC-DC变换单元和逆变单元后，得到负载所需要的交流电，同时多余的电能经电池控制单元对蓄电池进行充电。
当发电机发出的电能远大于负载所需的电能，并且蓄电池电量已被充满的情况下，如图5所示，控制单元控制第一微控开关K1、第二微控开关K2和第五微控开关K5闭合，此时整流单元和DC-DC变换单元、整流单元和电池控制单元及发电机和泄能负载之间的回路导通，发电机发出的电能经整流单元、DC-DC变换单元和逆变单元后，得到负载所需要的交流电，同时多余的电能经电池控制单元对蓄电池进行充电，当蓄电池电量已被充满，通过泄能负载对发电机发出的多余电能进行放电。
当风速较小时，发电机发出的电能较小不能满足负载的需求，如图6所示，控制单元控制第一微控开关K1和第三微控开关K3闭合，此时整流单元和DC-DC变换单元及电池控制单元和DC-DC变换单元之间的回路导通，发电机发出的电能经整流单元、DC-DC变换单元和逆变单元后，得到负载所需要的交流电，同时电池控制单元控制蓄电池进行放电，通过DC-DC变换单元和逆变单元进行变换后供给负载。
当风速小于切入风速时，风轮不工作，发电机不发电能，如图7所示，控制单元控制第三微控开关K3闭合，此时电池控制单元和DC-DC变换单元之间的回路导通，电池控制单元控制蓄电池进行放电，通过DC-DC变换单元和逆变单元进行变换后供给负载。
当风速超出切出风速时，如图8所示，控制单元控制第四微控开关闭合，此时风轮和机械刹车装置之间的回路导通，启动机械刹车装置，对风轮执行锁住动作，使风轮不能工作，以保护风力发电系统。若达到切出风速还不切出，可能会造成风力发电系统的塔架倒塌、风轮飞车等事故的风险。
风力发电机输出的电能电压为三相交流电，且输出电压较低，需经过整流单元进行整流，系统中采用三相桥式不可控整流。DC-DC变换单元主要调节直流输出电压使之恒定以达到后级逆变单元的输入要求，同时提高逆变单元的功率因数并抑制高次谐波，完成功率因数的校正，因此DC-DC变换单元采用直流Boost升压斩波电路。逆变单元为输出端带LC滤波器的单相全桥逆变电路，其特点为带负载能力强，电路容易达到大功率，而且LC滤波器有着对输出波形中的高次谐波进行滤波处理的能力，以使逆变单元输出高质量的正弦波形交流电能。
发电机为直驱式永磁同步发电机。
控制单元为单片机。
本发明提供了一种自适应风力发电系统，根据风速的变化、负载的变化以及蓄电池储能容量的变化，对风力发电系统的能量传输分配过程实行自适应切换控制，以风力发电机提供电能为主，蓄电池放电为辅，保证了风力发电系统的稳定运行，保护了风力发电系统各装置的安全工作，提高了风电转换效率，实现了最大化的利用风能，为直驱风力发电系统的电能变化的研究提供了十分有益的信息，具有重要的社会效益和经济效益。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (6)
1.一种自适应风力发电系统，包括风轮、发电机、整流单元、蓄电池、逆变单元和负载，其特征在于：还包括控制单元、第一微控开关、第二微控开关、第三微控开关、第四微控开关、第五微控开关、DC-DC变换单元、电池控制单元、泄能负载和机械刹车装置；所述第一微控开关位于所述整流单元和所述DC-DC变换单元之间，负责所述整流单元和所述DC-DC变换单元回路的通断；所述第二微控开关位于所述整流单元和所述电池控制单元之间，负责所述整流单元和所述电池控制单元回路的通断；所述第三微控开关位于所述电池控制单元和所述DC-DC变换单元之间，负责所述电池控制单元和所述DC-DC变换单元回路的通断；所述第四微控开关位于所述风轮和所述机械刹车装置之间，负责所述风轮和所述机械刹车装置回路的通断；所述第五微控开关位于所述发电机和所述泄能负载之间，负责所述发电机和所述泄能负载回路的通断；所述控制单元采集所述风轮转速、所述蓄电池储能容量和所述负载大小并进行处理分析，控制所述第一微控开关、所述第二微控开关、所述第三微控开关、所述第四微控开关和所述第五微控开关的通断；所述DC-DC变换单元调节直流输出恒定电压以达到所述逆变单元的输入要求；所述电池控制单元控制所述蓄电池的充放电；所述泄能负载负责吸收系统多余的电能；所述机械刹车装置对所述风轮执行锁住动作。
2.根据权利要求1所述的一种自适应风力发电系统，其特征在于：所述发电机为直驱式永磁同步发电机。
3.根据权利要求1所述的一种自适应风力发电系统，其特征在于：所述整流单元为三相桥式不可控整流电路。
4.根据权利要求1所述的一种自适应风力发电系统，其特征在于：所述DC-DC变换单元为直流Boost升压斩波电路。
5.根据权利要求1所述的一种自适应风力发电系统，其特征在于：所述逆变单元为输出端带LC滤波器的单相全桥逆变电路。
6.根据权利要求1所述的一种自适应风力发电系统，其特征在于：所述控制单元为单片机。
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