CN109936193A - 一种风力发电卸荷电路及卸荷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电卸荷控制方法，该方法包括：判断是否满足卸荷条件，当满足卸荷条件时，控制卸荷开关管间断性导通；主控模块实时获取风力发电机的输出电流，当风力发电机输出电流超过设定的阈值时，主控模块控制卸荷开关管在第一预设时间内持续导通。本发明还提供一种风力发电卸荷控制电路。本发明的优点在于：卸荷的同时为蓄电池充电，提升了风能利用率，减少卸荷开关管通断的频率，降低开关损耗，有效保护风力发电机及其它电气设备；本发明提供的卸荷控制方法还可以扩展至风光互补发电系统，实现光伏对蓄电池的浮充控制。

Description

一种风力发电卸荷电路及卸荷控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体涉及一种风力发电卸荷电路及卸荷控制方法。

背景技术

风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种清洁无公害的的可再生能源能源。利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。

风力发电系统在运行过程中将电能储存在蓄电池中，当蓄电池接近饱和状态时，需要将多余的电能通过卸荷电路转换为热量释放出去。针对未采用卸荷电阻进行限流，或者卸荷电阻阻值较小的卸荷电路，现有技术中常使用以下两种方式进行卸荷。

方式一：当蓄电池的电量接近饱和时，采用PWM调制信号控制开关管的通断，将多余的电能转换为热量释放，既能够实现功率的连续调节，又能够为蓄电池充电，提高了风能利用率。但该方法存在如下问题：

卸荷开关管导通时，风力发电机输出电流较大。随着卸荷开关管占空比D的增大，风力发电机输出电流将持续增加。由于风力发电系统未对风力发电机输出电流进行检测，当风力发电机输出电流持续过流时，风力发电机可能会烧毁，卸荷开关也可能因持续过流或瞬时过流而损坏。

方式二：当蓄电池的电量接近饱和时，卸荷开关管持续导通，风力发电机完全卸荷。但该方法在卸荷时无法为蓄电池充电，降低了风能利用率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何同时提高风能利用率及有效保护风力发电机。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种风力发电卸荷控制方法，适用于无卸荷电阻或卸荷电阻的阻值较小的风力发电卸荷电路中，所述风力发电卸荷电路包括至少一个用于在卸荷时将风力发电机三相电枢绕组输出端电连接的卸荷开关管，，包括下述步骤：

步骤1)：判断是否满足卸荷条件，当满足卸荷条件时，控制所述卸荷开关管间断性导通；

步骤2)：实时获取风力发电机的输出电流I_W，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，控制所述卸荷开关管在第一预设时间内持续导通。

进一步地，所述卸荷条件为：风力发电机输出电压U_W超过设定的卸荷电压，或风力发电机的转速n超过设定的卸荷转速，或蓄电池电压U_B超过设定的蓄电池卸荷电压。

进一步地，步骤1)中，通过PWM脉冲调制信号控制所述卸荷开关管的占空比D来控制所述卸荷开关管的导通和关断。

更进一步地，所述卸荷开关管的占空比D通过以下方法计算：由风力发电机输出电压U_W与设定的卸荷电压的差值乘以设定的第一系数计算出所述卸荷开关管的占空比D，或者由风力发电机转速n与设定的卸荷转速的差值乘以设定的第二系数计算出所述卸荷开关管的占空比D，或者由蓄电池电压U_B与设定的蓄电池卸荷电压的差值乘以设定的第三系数计算出所述卸荷开关管的占空比D。

再进一步地，所述风力发电机转速n，根据公式获得，其中，f为风力发电机输出电压的频率，p为风力发电机的磁极对数。

进一步地，步骤2)中，实时获取风力发电机的输出电流I_W包括：获取所述卸荷开关管的占空比D和蓄电池充电电流I_{W_in}，根据公式计算出风力发电机输出电流I_W。

进一步地，步骤2)中，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，控制所述卸荷开关管在第一预设时间内持续导通包括：

当风力发电机输出电压U_W超过设定的卸荷电压或风力发电机转速n超过设定的卸荷转速时，控制所述卸荷开关管的占空比D周期性递增；

当所述卸荷开关管的占空比D达到100％时，保持卸荷开关管持续导通直至第一预设时间结束。

进一步地，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，控制所述卸荷开关管在第一预设时间内持续导通还包括：控制所述卸荷开关管的占空比D周期性递减，当所述卸荷开关管的占空比D为0时，停止卸荷。

进一步地，风力发电卸荷控制过程中每隔固定周期进行一次刹车条件的判断，满足刹车条件则执行刹车控制。

更进一步地，所述刹车条件为：风力发电机输出电流I_W超过设定的风力发电机刹车电流，或风力发电机输出电压U_W超过设定的风力发电机刹车电压，或风力发电机转速n超过设定的刹车转速，或蓄电池电压U_B超过蓄电池最大充电电压。

更进一步地，所述风力发电机输出电压U_W为风力发电机三相输出端子电压中任一相的输出电压。

更进一步地，所述刹车控制具体包括以下步骤：

S31)当满足刹车条件时，控制卸荷开关管的占空比D从0开始周期性递增，逐渐延长卸荷开关管的导通时间，以增加卸荷深度；当卸荷开关管的占空比D达到100％时，完全卸荷；

S32)保持卸荷开关管持续导通直至第二预设时间结束。

再进一步地，所述步骤32)后还包括：

S33)判断是否执行了手动刹车，手动刹车包括上位机控制的刹车，若是，进入步骤S34)；若否，进入步骤S35)；

S34)继续保持卸荷开关管导通状态；

S35)控制卸荷开关管的占空比D从100％开始周期性递减，逐渐减少卸荷开关管的导通时间，以减小卸荷量；当卸荷开关管的占空比D为0时停止卸荷，解除刹车。

本发明还提供一种风力发电卸荷电路，包括主控模块、相互电连接的整流模块、卸荷模块及蓄电池，所述卸荷模块包括至少一个用于在卸荷时将风力发电机三相输出端子电连接的卸荷开关管，所述主控模块控制所述卸荷开关管在卸荷时间断性导通，以将多余电能转化为系统热能消耗，且当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，所述主控模块控制所述卸荷开关管在预设时间内持续导通。当达到卸荷条件时，控制所述卸荷开关管在卸荷时间断性导通，消耗多余电能，同时为蓄电池充电，提高了风能利用率，若风力发电机输出电流I_W超出设定的阈值时，则在第一设定时间内保持风力发电机完全卸荷状态，有效保护风力发电机及其它电气设备，并且避免了因频繁切换卸荷开关管状态造成卸荷开关管发热严重的问题。

作为本发明的优选方式之一，所述整流模块包括三个二极管和三个场效应管，所述三个二极管组成整流上半桥，所述三个场效应管内各自寄生的二极管组成整流下半桥；所述卸荷模块由所述三个场效应管组成；所述三个二极管的正极分别连接所述风力发电机三相输出端子，所述三个二极管的正极分别连接三个场效应管的漏极，所述三个场效应管的栅极分别通过驱动电路与所述主控模块的信号输出端连接，所述蓄电池的正极连接所述三个二极管的负极，所述蓄电池的负极连接所述三个场效应管的源极并且接地。

作为本发明的优选方式之一，所述整流模块包括由六个二极管构成的三相全桥不控整流电路，所述卸荷模块为一个场效应管，所述三相全桥不控整流电路中上桥臂的三个二极管的负极均连接所述场效应管的漏极，所述三相全桥不控整流电路中下桥臂的三个二极管的正极均连接所述场效应管的源极，所述场效应管的栅极通过驱动电路连接所述主控模块的信号输出端，所述风力发电机三相输出端子分别连接到所述三相全桥不控整流电路的桥臂中点，所述蓄电池的正极连接所述场效应管的漏极，所述蓄电池的负极连接所述场效应管的源极并且接地。

作为本发明的优选方式之一，所述整流模块包括由六个二极管构成的三相全桥不控整流电路，所述卸荷模块包括三个二极管和一个场效应管，所述风力发电机三相输出端子分别连接到所述三相全桥不控整流电路的桥臂中点，所述卸荷模块的三个二极管的正极分别连接风力发电机三相输出端子，所述卸荷模块的三个二极管的负极相互连接后与所述场效应管的漏极连接，所述场效应管的源极连接蓄电池的负极以及所述三相全桥不控整流电路中下桥臂的三个二极管的正极，所述三相全桥不控整流电路中上桥臂的三个二极管的负极连接所述蓄电池的正极，所述场效应管的栅极连接所述主控模块的信号输出端。

进一步地，所述风力发电卸荷电路还包括电压检测电路，所述电压检测电路包括一个二极管、一个极性电容以及一个电阻，所述极性电容和电阻并联，并联后的一端接地，并联后的另一端分别连接所述二极管的负极以及所述主控模块，所述二极管的正极连接所述风力发电机三相输出端子中的任一相端子。

进一步地，所述风力发电卸荷电路还包括转速检测电路，所述转速检测电路为光耦合器，所述光耦合器的输入端连接所述风力发电机三相输出端子中的任一相端子，输出端连接所述主控模块。

进一步地，所述风力发电卸荷电路还包括升压模块或降压模块或升降压模块，所述升压模块或降压模块或升降压模块与所述蓄电池连接。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1)当达到卸荷条件时，通过卸荷模块消耗多余电能，同时为蓄电池充电，提高了风能利用率。

2)通过蓄电池充电电流I_{W_in}与风力发电机卸荷开关管的占空比D之间的关系得到风力发电机的输出电流I_W，若超出设定的阈值时，则在第一设定时间内保持风力发电机完全卸荷状态，有效保护风力发电机及其它电气设备，并且避免了因频繁切换卸荷开关管状态造成卸荷开关管发热严重的问题。

3)卸荷控制中，卸荷开关管的占空比D逐渐递增或递减，使风力发电机的转速n逐渐减小或增大，避免了瞬时冲击电流对设备的损害，使系统更稳定、可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的一种风力发电卸荷电路的结构图；

图2为本发明实施例1所提供的一种风力发电卸荷电路的电压检测电路结构图；

图3为本发明实施例1所提供的一种风力发电卸荷电路的转速检测电路结构图；

图4为本发明实施例1所提供的一种风力发电卸荷控制方法的主流程图；

图5为本发明实施例1所提供的一种风力发电卸荷控制方法中获取风力发电机输出电流的流程图；

图6为本发明实施例1所提供的一种风力发电卸荷控制方法中获取卸荷开关管占空比的流程图；

图7为本发明实施例1所提供的一种风力发电卸荷控制方法中刹车控制流程图；

图8为本发明实施例2所提供的具有升压模块的一种风力发电卸荷控制电路的结构图；

图9为本发明实施例3所提供的一种风力发电卸荷控制电路的结构图；

图10为本发明实施例4所提供的一种风力发电卸荷控制电路的结构图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本发明所提供的一种风力发电卸荷控制方法，适用于具有风力发电卸荷电路的发电系统，例如纯风力发电系统或风光互补发电系统。其中，风力发电卸荷电路未采用卸荷电阻进行限流，或者具有卸荷电阻但阻值较小，这里所说的卸荷电阻阻值较小是指：在卸荷时，该电阻不足以限制风力发电机的电流，仍然可能导致风力发电机或卸荷开关管损坏。

如图1所示，为实施例1中适用于本发明的风力发电卸荷电路于一具体实施例中的框图，一种风力发电卸荷电路，包括主控模块、整流模块、卸荷模块以及蓄电池，风力发电机三相输出端子连接整流模块输入端，所述蓄电池与所述整流模块输出端连接，所述主控模块通过驱动电路与所述卸荷模块连接，所述卸荷模块与所述整流模块连接，所述主控模块通过采样电路(图未示)采集所述蓄电池充电电流以及蓄电池电压U_B，所述卸荷模块与风力发电机三相输出端子连接，所述风力发电机三相输出端子中的任一相端子分别通过电压检测电路和转速检测电路与所述主控模块连接，所述卸荷模块包括至少一个用于在卸荷时将风力发电机三相输出端子电连接的卸荷开关管。

具体的，所述整流模块包括三个二极管D1、D2、D3和三个场效应管VT1、VT2、VT3，所述三个二极管D1、D2、D3组成整流上半桥，所述三个场效应管VT1、VT2、VT3内各自寄生的二极管D4、D5、D6组成整流下半桥；所述卸荷模块由所述三个场效应管VT1、VT2、VT3组成；所述三个二极管D1、D2、D3的正极分别连接所述风力发电机三相输出端子U、V、W，三个场效应管VT1、VT2、VT3的漏极分别连接所述风力发电机三相输出端子U、V、W，三个场效应管VT1、VT2、VT3的栅极分别通过驱动电路与所述主控模块的信号输出端连接，所述蓄电池的正极连接所述三个二极管D1、D2、D3的负极，所述蓄电池的负极连接所述三个场效应管VT1、VT2、VT3的源极并且接地。

作为优选的方案，整流模块输出端还连接一滤波电容C1，所述滤波电容C1的一端连接二极管D1、D2、D3的负极，另一端连接场效应管VT1、VT2、VT3的源极。

如图2所示，为风力发电机输出电压U_W的电压检测电路，所述电压检测电路包括一个二极管、一个极性电容以及一个电阻，所述极性电容和电阻并联，并联后的一端接地，并联后的另一端分别连接所述二极管的负极以及所述主控模块，所述二极管的正极连接所述风力发电机三相输出端子U、V，W中的任一相端子。

如图3所示，为风力发电机的转速n的检测电路，所述转速检测电路为光耦合器，所述光耦合器的输入端连接所述风力发电机三相输出端子U、V，W中的任一相端子，输出端连接所述主控模块，光耦合器的输入端为风力发电机输出的交流，光耦合器的输出端为矩形脉冲，通过矩形脉冲的周期可得到输出电压的频率，再根据风力发电机的转速n与输出电压的频率的关系，计算出风力发电机的转速n。由于风力发电机的转速n与输出电压的频率满足关系：其中，f为风力发电机三相输出电压中任一相输出电压的频率，n为风力发电机的转速，p为风力发电机的磁极对数。根据风力发电机铭牌的额定转速就可以知道电机的磁极对数p，例如风力发电机额定转速是1480转/分，我国国家标准供电交流电的频率为50HZ，以交流电的频率50HZ乘以60秒，所得乘积再除以额定转速1480转/分，等于2.02，去掉小数点后面的数就是两对磁极，即求得磁极对数p为2，根据光耦合器的输出端的矩形脉冲的周期可得到输出电压的频率f，将输出电压的频率f和磁极对数p代入公式则能够计算出风力发电机的转速n。

在该实施例中，蓄电池电压为U_B，风力发电机输出电流为I_W，其中，I_W实际上为风力发电机三相输出端子U、V、W输出电流经整流后的等效直流电流，蓄电池充电电流为I_{W_in}，蓄电池充电电流I_{W_in}实际为整流模块的输出电流，风力发电机输出电压为U_W，其中，U_W实际上为风力发电机三相输出端子U、V，W电压中任一相的输出电压。

本发明还提供的一种使用上述风力发电卸荷电路的风力发电卸荷控制方法，请参阅图4，为该实施例中的卸荷控制方法的主流程图，所述卸荷控制方法包括下述步骤：

步骤S01)：主控模块判断是否满足卸荷条件，主控模块通过驱动电路控制所述卸荷模块的卸荷开关管(本实施例中也即场效应管VT1、VT2、VT3)间断性导通，以将多余电能转化为系统热能消耗，在该实施例中，通过主控模块发出PWM脉冲调制信号控制开关管的导通和关断；

步骤S02)：主控模块实时获取风力发电机的输出电流I_W，当风力发电机输出电流I_W超过主控模块中预先设定的阈值时，主控模块控制所述卸荷开关管在第一预设时间内持续导通。此处设定的阈值指的是满足卸荷条件时的阈值，即设定的卸荷电压、或设定的卸荷转速、或设定的蓄电池卸荷电压。

需要注意的是，本发明的卸荷控制方法通过PWM脉冲调制信号控制开关管的导通和关断，保证在卸荷的同时又能够为蓄电池充电，当蓄电池接近饱和状态时，对蓄电池进行浮充，提高了风能利用率。当风力发电机输出电流I_W过大时，控制卸荷开关管持续导通，也即保持完全卸荷状态，以避开一段时间内持续的狂风，减少开关管通断的频率，避免了频繁切换开关状态造成卸荷开关管发热严重，有效保护风力发电机及其它电气设备。

作为示例，在步骤S01)中，满足卸荷条件是指至少包括以下的任一条件：风力发电机输出电压U_W超过设定的卸荷电压，或风力发电机的转速n超过设定的卸荷转速，或蓄电池电压U_B超过设定的蓄电池卸荷电压。

作为示例，在步骤S02)中，通过主控模块发出PWM脉冲调制信号控制所述卸荷开关管的占空比D来控制所述卸荷开关管的导通和关断，保证在卸荷的同时又能够为蓄电池充电，当蓄电池接近饱和状态时，对蓄电池进行浮充，提高了风能利用率。

请参阅图5，为本发明在该实施例中获取风力发电机输出电流I_W的流程图，实时获取风力发电机的输出电流I_W具体包括以下步骤：

S21)获取卸荷开关管的占空比D和蓄电池充电电流I_{W_in}；

S22)根据公式计算出风力发电机输出电流I_W，其中，D为卸荷开关管的占空比，I_W为风力发电机三相输出端子U、V，W输出电流经整流后等效的直流电流，I_{W_in}为蓄电池充电电流。

如图6所示，为本发明在该实施例中获取卸荷开关管占空比D的流程图，即上述步骤21)具体包括以下步骤：S211)实时判断风力发电机输出电压U_W是否超过设定的卸荷电压，若是，进入步骤S212)，若否，进入步骤S213)；

S212)由风力发电机输出电压U_W与设定的卸荷电压的差值乘以设定的第一系数k1计算出卸荷开关管的占空比D；

S213)卸荷开关管的占空比D为0，进入步骤S214)；

S214)判断蓄电池电压U_B是否超过设定的蓄电池卸荷电压，若是，进入步骤S215)，若否，进入步骤S216)；

S215)由蓄电池电压U_B与设定的蓄电池卸荷电压的差值乘以设定的第二系数k2计算出所述卸荷开关管的占空比D；

S216)卸荷开关管的占空比D为0，进入步骤S217)；

S217)判断风力发电机转速n是否超过设定的卸荷转速,若是，进入步骤S218)，若否，进入步骤S219)；

S218)由风力发电机转速n与设定的卸荷转速的差值乘以设定的第三系数k3计算出卸荷开关管的占空比D；

S219)卸荷开关管的占空比D为0。

需要注意的是，所述设定的卸荷电压、设定的蓄电池卸荷电压、设定的卸荷转速、设定的第一系数k1、设定的第二系数k2以及设定的第三系数k3均是根据风力发电卸荷电路在风力发电系统中长期现场应用的情况而适应性设置的常数，根据获取的占空比D的大小来控制卸荷开关管的导通时间，从而控制卸荷的时间。

作为示例，在步骤S02)中，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，控制所述卸荷开关管在第一预设时间内持续导通，包括以下步骤：

当风力发电机输出电压U_W超过设定的卸荷电压或风力发电机转速n超过设定的卸荷转速时，控制所述卸荷开关管的占空比D周期性递增；

当所述卸荷开关管的占空比D达到100％时，保持卸荷开关管持续导通直至第一预设时间结束。

控制所述卸荷开关管的占空比D周期性递减以逐渐减少卸荷开关管的导通时间，当所述卸荷开关管的占空比D为0时，停止卸荷。

这里，当风力发电机输出电流I_W过大时表征一段时间内有持续的狂风，此时主控模块控制卸荷开关管持续导通，减少开关管通断的频率，也即保持完全卸荷状态，以避免因一段时间内持续的狂风而导致开关管通断的频率加快而频繁切换开关状态造成卸荷开关管发热严重的现象，有效保护风力发电机及其它电气设备。卸荷开关管占空比D通过逐渐递增来实现卸荷或逐渐递减停止卸荷，使风力发电机的转速n逐渐增大或减小，避免了瞬时冲击电流对设备的损害，使系统更稳定、可靠。需要注意的是，实施过程中，当所述卸荷开关管的占空比D达到100％时即在判断需要完全卸荷时，并不立即控制卸荷开关管持续导通，而是设定一延时时间，当在该延时时间内一直满足完全卸荷条件时才执行完全卸荷。

本发明的主控模块每隔固定周期还会进行一次刹车条件的判断，当风力发电机输出电流I_W超过设定的风力发电机刹车电流，或风力发电机输出电压U_W超过设定的风力发电机刹车电压，或风力发电机转速n超过设定的刹车转速，或蓄电池电压U_B超过蓄电池最大充电电压中满足任一条件时，控制所述卸荷开关管在第二预设时间内持续导通，也即执行刹车控制。其中，设定的风力发电机刹车电流为风力发电机额定电流，设定的风力发电机刹车电压为风力发电机额定电压，设定的刹车转速为风力发电机额定转速。

如图7所示，为本发明在该实施例中的刹车控制流程图，具体包括以下步骤，所述刹车控制具体包括以下步骤：

S31)当满足刹车条件时，控制卸荷开关管的占空比D从0开始周期性递增，逐渐延长卸荷开关管的导通时间，以增加卸荷深度；当卸荷开关管的占空比D达到100％时，完全卸荷；

S32)保持卸荷开关管持续导通直至第二预设时间结束；

S33)判断是否执行了手动刹车，手动刹车包括上位机控制的刹车，若是，进入步骤S34)；若否，进入步骤S35)；

S34)继续保持卸荷开关管导通状态；

S35)控制卸荷开关管的占空比D从100％开始周期性递减，逐渐减少卸荷开关管的导通时间，以减小卸荷量；当卸荷开关管的占空比D为0时停止卸荷，解除刹车。

在进行刹车控制时，还设置了如下保护逻辑：当风力发电机保持卸荷开关管导通状态直至第二预设时间结束后，若刹车条件继续满足，则自动延长下一周期卸荷开关管导通的时间，例如延长至上一周期的2倍，以避开一段时间内持续的狂风。由于卸荷条件较于刹车条件容易达成，所以，发电控制系统对卸荷条件的判断频率高于其对刹车条件的判断频率。例如刹车判断周期为毫秒级，而卸荷判断的周期为微秒级。

需要注意的是，在卸荷或刹车过程中，卸荷开关管的占空比D可以以固定步长为间隔递增或递减，也可以按照其它策略控制卸荷开关管的占空比D递增或递减。

本发明实施例1的工作原理及工作过程为：通过二极管D1、D2、D3与场效应管VT1、VT2、VT3实现三相全桥整流功能。所述二极管D1、D2、D3均可以替换为场效应管。场效应管VT1、VT2、VT3作为卸荷开关管，当需要卸荷时，主控模块通过驱动电路控制场效应管VT1、VT2、VT3间断性导通，使得风力发电机三相电枢绕组输出端电连接，将风力发电机发出的多余电能转化为系统热能消耗掉，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，主控模块控制所述卸荷开关管在预设时间内持续导通，以实现刹车控制的目的。

实施例2

与本发明实施例1不同的是：

本发明实施例2提供的一种风力发电卸荷电路还包括：用于将风力发电机输出电压U_W与蓄电池电压U_B相匹配的升压模块或降压模块或升降压模块，以增加可利用风速的范围，进一步提升风能利用率。如图8所示，为具有升压模块的一种风力发电卸荷控制电路的结构图，其中，升压模块包括电感L1和场效应管VT4，电感L1的一端连接二极管D3的负极，另一端分别连接所述滤波电容C1的一端以及场效应管VT4的漏极，所述场效应管VT4的源极连接所述滤波电容C1的另一端。

需要说明的是，当卸荷控制电路中包括升压模块或降压模块或升降压模块时，蓄电池充电电流I_{W_in}实际上为升压模块或降压模块或升降压模块输入端的电流。如图8所示，蓄电池充电电流I_{W_in}为升压模块输入端电流。

实施例3

与本发明实施例1不同的是：

本发明实施例3提供一种区别于本发明实施例1的风力发电卸荷电路，如图9所示，风力发电卸荷电路的整流模块是由六个二极管构成的三相全桥不控整流电路，所述卸荷模块为一个场效应管VT5，所述三相全桥不控整流电路中上桥臂的三个二极管的负极连接所述场效应管VT5的漏极，所述三相全桥不控整流电路中下桥臂的三个二极管的正极连接所述场效应管VT5的源极，所述场效应管VT5的栅极通过驱动电路连接所述主控模块的信号输出端，所述风力发电机三相输出端子分别连接到所述三相全桥不控整流电路的桥臂中点，所述蓄电池的正极连接所述场效应管VT5的漏极，所述蓄电池的负极连接所述场效应管VT5的源极并且接地。

作为本发明实施例3的优选方式，所述卸荷模块还包括防反二极管D7，所述防反二极管D7的正极连接所述场效应管VT5的漏极，所述防反二极管D7的负极连接所述蓄电池的正极，用于防止卸荷时蓄电池反向放电。

需要注意的是，在本发明实施例3中，场效应管VT5导通时，使得风力发电机三相电枢绕组输出端电连接，风力发电机三相电枢绕组输出端电连接是指将三相全桥不控整流电路上桥臂中的三个二极管的负极端通过卸荷开关管VT5和下桥臂中的三个二极管的正极电连接。

在本发明实施例3中，风力发电机输出电流I_W即风力发电机三相输出端子U、V，W输出电流经整流后等效的直流电流。蓄电池电压为U_B，蓄电池充电电流为I_{W_in}，获取风力发电机输出电压U_W以及转速n的方法与实施例一相同。

在实施例3中，风力发电机输出电流I_W的获取方法、卸荷开关管占空比D的获取方法，以及卸荷控制方法和刹车控制方法均与实施例1相同，在此不再赘述。

本发明实施例3的工作原理及工作过程为：通过六个二极管构成的三相全桥不控整流电路实现三相全桥整流功能。所述二极管D1、D2、D3均可以替换为场效应管。场效应管VT5作为卸荷开关管，当达到卸荷条件时，主控模块发送PWM脉冲调制信号控制卸荷开关管VT5导通，使得风力发电机三相电枢绕组输出端电连接，以将风力发电机发出的多余电能转化为系统热能消耗掉，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，主控模块控制卸荷开关管VT5在预设时间内持续导通，最终达到完全卸荷或刹车控制的目的。

实施例4

与本发明实施例3不同的是：

本发明实施例4提供一种区别于本发明实施例3的风力发电卸荷电路，如图10所示，所述整流模块包括由六个二极管构成的三相全桥不控整流电路，所述卸荷模块包括三个二极管D8、D9、D10和一个场效应管VT5，所述风力发电机三相输出端子分别连接到所述三相全桥不控整流电路的桥臂中点，所述卸荷模块的三个二极管D8、D9、D10的正极分别连接风力发电机三相输出端子U、V、W，所述卸荷模块的三个二极管D8、D9、D10的负极相互连接后与所述场效应管VT5的漏极连接，所述场效应管VT5的源极连接蓄电池的负极以及所述三相全桥不控整流电路中下桥臂的三个二极管的正极，所述三相全桥不控整流电路中上桥臂的三个二极管的负极连接所述蓄电池的正极，所述场效应管VT5的栅极连接所述主控模块的信号输出端。

在实施例4中，I_W为力发电机输出电流，也即风力发电机三相输出端子U、V，W输出电流经整流后等效的直流电流。蓄电池电压为U_B，蓄电池充电电流为I_{W_in}，风力发电机输出电压U_W以及转速n的获取方法与实施例3相同。

在实施例4中，风力发电机输出电流I_W的获取方法、卸荷开关管占空比D的获取方法，以及卸荷控制方法和刹车控制方法均与实施例3相同，在此不再赘述。

本发明实施例4的工作原理及工作过程为：当达到卸荷条件时，主控模块发送PWM脉冲调制信号控制卸荷开关管VT5导通，使得风力发电机三相电枢绕组输出端电连接，以将风力发电机发出的多余电能转化为系统热能消耗掉，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，主控模块控制卸荷开关管VT5在预设时间内持续导通，最终达到完全卸荷或刹车控制的目的。主控模块控制卸荷开关管VT5间断性导通，是直接将风力发电机输出的电能通过三个二极管D8、D9、D10和卸荷开关管VT5形成卸荷回路，无需经过整流模块，从而提高了卸荷效率。同时，在该实施例中，风力发电机卸荷时不会出现蓄电池反向放电，无需接防反二极管。

通过以上技术方案，本发明所提供的一种风力发电卸荷电路及卸荷控制方法，当达到卸荷条件时，通过卸荷控制消耗多余电能，同时为蓄电池充电，提升了风能利用率；在卸荷时判断风力发电机输出电流I_W，当风力发电机的输出电流I_W超过设定的阈值时，控制卸荷开关管在预设时间内持续导通，也即保持完全卸荷状态，以避开一段时间内持续的狂风，减少卸荷开关管通断的频率，降低开关损耗，有效保护风力发电机及其它电气设备；卸荷开关管占空比D通过逐渐递增来实现卸荷或逐渐递减停止卸荷，使风力发电机的转速n逐渐增大或减小，避免了瞬时冲击电流对设备的损害，使系统更稳定、可靠；该方法还可以扩展至风光互补发电系统，实现光伏对蓄电池的浮充控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种风力发电卸荷控制方法，适用于无卸荷电阻或卸荷电阻的阻值较小的风力发电卸荷电路中，所述风力发电卸荷电路包括至少一个用于在卸荷时将风力发电机三相输出端子电连接的卸荷开关管，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1)：判断是否满足卸荷条件，当满足卸荷条件时，控制卸荷开关管间断性导通；

步骤2)：实时获取风力发电机的输出电流I_W，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，控制卸荷开关管在第一预设时间内持续导通。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，步骤1)中所述卸荷条件为：风力发电机输出电压U_W超过设定的卸荷电压，或风力发电机的转速n超过设定的卸荷转速，或蓄电池电压U_B超过设定的蓄电池卸荷电压。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，步骤1)中，通过PWM脉冲调制信号控制所述卸荷开关管的占空比D来控制所述卸荷开关管的导通和关断。

4.根据权利要求3所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，所述卸荷开关管的占空比D通过以下方法计算：由风力发电机输出电压U_W与设定的卸荷电压的差值乘以设定的第一系数计算出所述卸荷开关管的占空比D，或者由风力发电机转速n与设定的卸荷转速的差值乘以设定的第二系数计算出所述卸荷开关管的占空比D，或者由蓄电池电压U_B与设定的蓄电池卸荷电压的差值乘以设定的第三系数计算出所述卸荷开关管的占空比D。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，所述风力发电机转速n，根据公式获得，其中，f为风力发电机输出电压的频率，p为风力发电机的磁极对数。

6.根据权利要求1所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，步骤2)中，实时获取风力发电机的输出电流I_W包括：获取所述卸荷开关管的占空比D和蓄电池充电电流I_{W_in}，根据公式计算出风力发电机输出电流。

7.根据权利要求1所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，步骤2)中，当风力发电机输出电流I_W超过设定的阈值时，控制所述卸荷开关管在第一预设时间内持续导通包括：

当风力发电机输出电压U_W超过设定的卸荷电压或风力发电机转速n超过设定的卸荷转速时，控制所述卸荷开关管的占空比D周期性递增；

当所述卸荷开关管的占空比D达到100％时，保持卸荷开关管持续导通直至第一预设时间结束。

8.根据权利要求7所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，所述保持卸荷开关管持续导通直至第一预设时间结束后还包括：控制所述卸荷开关管的占空比D周期性递减，当所述卸荷开关管的占空比D为0时，停止卸荷。

9.根据权利要求1任一项所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，风力发电卸荷控制过程中每隔固定周期进行一次刹车条件的判断，满足刹车条件则执行刹车控制。

10.根据权利要求9所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，所述刹车条件为：风力发电机输出电流I_W超过设定的风力发电机刹车电流，或风力发电机输出电压U_W超过设定的风力发电机刹车电压，或风力发电机转速n超过设定的刹车转速，或蓄电池电压U_B超过蓄电池最大充电电压。

11.根据权利要求9所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，所述刹车控制具体包括以下步骤：

S31)当满足刹车条件时，控制卸荷开关管的占空比D从0开始周期性递增，逐渐延长卸荷开关管的导通时间，以增加卸荷深度；当卸荷开关管的占空比D达到100％时，完全卸荷；

S32)保持卸荷开关管持续导通直至第二预设时间结束。

12.根据权利要求11所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，所述步骤32)后还包括：

S33)判断是否执行了手动刹车，若是，进入步骤S34)；若否，进入步骤S35)；

S34)继续保持卸荷开关管导通状态；

S35)控制卸荷开关管的占空比D从100％开始周期性递减，逐渐减少卸荷开关管的导通时间，以减小卸荷量；当卸荷开关管的占空比D为0时停止卸荷，解除刹车。

13.根据权利要求2、4、5、7、8、或10所述的一种风力发电卸荷控制方法，其特征在于，所述风力发电机输出电压U_W为风力发电机三相输出端子电压中任一相的输出电压。

14.一种风力发电卸荷电路，其特征在于，包括主控模块、相互电连接的整流模块、卸荷模块及蓄电池，所述卸荷模块包括至少一个用于在卸荷时将风力发电机三相输出端子电连接的卸荷开关管，所述主控模块控制所述卸荷开关管在卸荷时间断性导通，以将多余电能转化为系统热能消耗，且当风力发电机输出电流超过设定的阈值时，所述主控模块控制所述卸荷开关管在预设时间内持续导通。

15.根据权利要求14所述的一种风力发电卸荷电路，其特征在于，所述整流模块包括三个二极管和三个场效应管，所述三个二极管组成整流上半桥，所述三个场效应管内各自寄生的二极管组成整流下半桥；所述卸荷模块由所述三个场效应管组成；所述三个二极管的正极分别连接所述风力发电机三相输出端子，所述三个二极管的正极分别连接三个场效应管的漏极，所述三个场效应管的栅极分别通过驱动电路与所述主控模块的信号输出端连接，所述蓄电池的正极连接所述三个二极管的负极，所述蓄电池的负极连接所述三个场效应管的源极并且接地。

16.根据权利要求14所述的一种风力发电卸荷电路，其特征在于，所述整流模块包括由六个二极管构成的三相全桥不控整流电路，所述卸荷模块为一个场效应管，所述三相全桥不控整流电路中上桥臂的三个二极管的负极均连接所述场效应管的漏极，所述三相全桥不控整流电路中下桥臂的三个二极管的正极均连接所述场效应管的源极，所述场效应管的栅极通过驱动电路连接所述主控模块的信号输出端，所述风力发电机三相输出端子分别连接到所述三相全桥不控整流电路的桥臂中点，所述蓄电池的正极连接所述场效应管的漏极，所述蓄电池的负极连接所述场效应管的源极并且接地。

17.根据权利要求14所述的一种风力发电卸荷电路，其特征在于，所述整流模块包括由六个二极管构成的三相全桥不控整流电路，所述卸荷模块包括三个二极管和一个场效应管，所述风力发电机三相输出端子分别连接到所述三相全桥不控整流电路的桥臂中点，所述卸荷模块的三个二极管的正极分别连接风力发电机三相输出端子，所述卸荷模块的三个二极管的负极相互连接后与所述场效应管的漏极连接，所述场效应管的源极连接蓄电池的负极以及所述三相全桥不控整流电路中下桥臂的三个二极管的正极，所述三相全桥不控整流电路中上桥臂的三个二极管的负极连接所述蓄电池的正极，所述场效应管的栅极连接所述主控模块的信号输出端。

18.根据权利要求14所述的一种风力发电卸荷电路，其特征在于，所述风力发电卸荷电路还包括升压模块或降压模块或升降压模块，所述升压模块或降压模块或升降压模块与所述蓄电池连接。

19.根据权利要求14所述的一种风力发电卸荷电路，其特征在于，还包括电压检测电路，所述电压检测电路包括一个二极管、一个极性电容以及一个电阻，所述极性电容和电阻并联，并联后的一端接地，并联后的另一端分别连接所述二极管的负极以及所述主控模块，所述二极管的正极连接所述风力发电机三相输出端子中的任一相端子。

20.根据权利要求14所述的一种风力发电卸荷电路，其特征在于，还包括转速检测电路，所述转速检测电路为光耦合器，所述光耦合器的输入端连接所述风力发电机三相输出端子中的任一相端子，输出端连接所述主控模块。