CN111219295B - 一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置及方法，所述装置包括可调谐振网络、风速传感器、霍尔传感器、微控制器、AC‑DC电路、开关切换电路和负载；风速传感器与微控制器相连；霍尔传感器与微控制器相连；AC‑DC电路的输入端和可调谐振网络相连或风力发电机输出相连，AC‑DC电路的输出端与负载连接；可调谐振网络的输入端与开关切换电路的亚匹配状态线路连接，输出端连接负载。本发明通过在亚匹配状态下调节谐振频率的同时控制品质因数调节，使得在风速降低的过程中，风力发电系统能在瞬时风速下实时达到最大发电功率，减小已吸收能量损失的同时提高了风能利用率，使风力发电效率较于传统风力发电机大大提高。

Description

一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置及方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置及方法。
背景技术
随着化石能源危机和环境污染问题日益突出，绿色可再生能源得到了快速发展。稳定、可靠、清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障。目前，全球能够开发利用的风能储量丰富，我国风能也具有储存量大、分布范围广的特点，风力发电技术作为一种无污染、可不断再生且灵活的发电方式，近些年来受到国内外的高度关注。但风能能量密度较低，风向和风力大小的具有不确定性，导致不同风速下，发电机效率优化困难，如何提高风力发电效率一直是风力发电技术研究的重点。同时根据风能利用系数Cp曲线，在不同风速之下对应一个最大风力发电功率的发电机转速，当风速降低时发电机转速和瞬时风速下风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速不匹配，导致风力发电机输出功率降低，因此研究风速降低时如何使风力发电机转速和瞬时风速下风能利用系数Cp曲线对应的最大发电功率的发电机转速相匹配意义重大。
在现有的提高发电机效率的技术中，存在以下问题：如公开号CN107061165A的中国专利,利用谐振槽储存风力发电机获取的风能，通过能量开关控制电容的方式，在风力变化的过程中，储存和转移输出能量，从而提高风力发电效率，但这种通过能量开关控制电容的方式，并不能在风力变化过程中实时调节任意的谐振频率，同时能量转移控制技术复杂，发电效率的提升并不明显。如公开号为CN107070330A的中国专利，利用LC谐振网络实现能量的管理分配，通过实时检测风速的变化来控制电感调节控制器调节电感增大或减小，从而使发电系统尽可能的吸收风能，减少已吸收能量的损失，提高风力发电的效率，此方法虽然电感连续可调，但调节的电感量大小不精准，不能保证LC谐振网络的品质因数稳定，不能保证风力发电的电能质量稳定。
如公开号CN108757313A的中国专利，利用FPGA最小系统，通过对多个通道的电压信号进行实时采样，对风力的大小进行实时监控，使发电机的叶片始终朝着风力最大的方向，从而提高风力发电效率，但此方法在风力降低较大幅度时，不能吸收发电机减速对外做功那部分能量，导致发电效率的提升只是在风力增大时有效，而在风力减小较大幅度时没有效率提升的效果。
如公开号CN207647683U的中国专利，通过加装三块隔断板，形成三个进风区域，能够将各个方向吹来的风聚拢收集，使得风向集中吹向风力发电机，从而提高风力发电效率；公开号为CN205936960U的专利通过改善现有叶片的结构，通过减小风阻来提升风力发电效率，但以上两方法增加了结构的复杂性和不稳定性，在强风条件下，容易受到破坏，且效率提升并不明显。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置及方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，包括：可调谐振网络、风速传感器、霍尔传感器、微控制器、AC-DC电路、开关切换电路和负载；
所述风速传感器与微控制器相连，采集风速信号并将风速信号传送给微控制器；
所述霍尔传感器与微控制器相连，采集发电机转速信号并将转速信号传送给微控制器；
所述AC-DC电路的输入端和可调谐振网络相连或风力发电机输出相连，AC-DC电路的输出端与负载连接；
所述可调谐振网络的输入端与开关切换电路的亚匹配状态线路连接，输出端连接负载。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的微控制器置于风力发电机塔架内；
所述可调谐振网络、AC-DC电路、开关切换电路安装于发电机基座内；
所述霍尔传感器安装在发电机转轴外侧；
所述风速传感器安装在风力发电机支架上。
上述的可调谐振网络包括一个连续可调的谐振电感和若干个谐振电容，谐振电感和谐振电容串并联组成谐振网络，所述谐振电感的电感量连续可调，所述谐振电容选用无极性电容。
上述的微控制器选用STC单片机，由STC单片机及其最小系统构建主控电路；
所述微控制器存储预先制定的不同型号风力发电机转速和风速匹配网络表和不同风速和转速下相对应的品质因数调节表；
不同型号风力发电机转速和风速匹配网络表中设置风速和不同型号发电机转速处于匹配、亚匹配、或是超匹配状态，匹配状态指当前风速下发电机转速稳定，亚匹配状态指风力发电机稳定运行时风速降低，超匹配状态指风力发电机稳定运行时风速升高；
不同风速和转速下相对应的品质因数调节表根据不同风力发电机风能利用系数Cp曲线制定；
所述微控制器通过风速传感器、霍尔传感器实时获取瞬时风速值和发电机瞬时转速，在风速降低的过程中，微控制器实时控制可调谐振网络谐振频率和转速相等，同时控制品质因数的调节实现对风力发电机风功率曲线的补偿控制，使得发电机转速实时和瞬时风速下的风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速相匹配，以达到最大风力发电效率。
上述的负载为用电器。
上述的风速传感器选用三杯式风速传感器，风速传感器通过串口与微控制器通信，风速传感器连接STC单片机的串口通信I/0口。
上述的霍尔传感器为开关型霍尔传感器，霍尔传感器的输出连接STC单片机的中断引脚，通过中断的方式处理霍尔传感器的信号。
上述的开关切换电路与微控制器连接，微控制器控制开关切换电路使系统切换到亚匹配状态、匹配状态和超匹配状态线路，亚匹配状态时开关切换使风力发电机输出连接可调谐振网络，匹配状态和超匹配状态开关切换使风力发电机输出连接AC-DC电路。
一种风力发电机风功率曲线补偿控制方法，包括以下步骤：
步骤一：启动风力发电机风功率曲线补偿控制装置并启动风力发电机；
步骤二：微控制器判断发电机型号，实时读取并比较风速传感器测量的风速值和霍尔传感器测量的转速值，进而判断瞬时风速和发电机转速处于匹配、亚匹配、或是超匹配状态，若是匹配状态则进入步骤三，若是亚匹配状态则进入步骤四，若是超匹配状态则进入步骤五；
步骤三：微控制器控制开关切换电路将系统切换到匹配状态线路，风力发电机的输出通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二。
步骤四：微控制器控制开关切换电路将系统切换到亚匹配状态线路，并实时控制可调谐振网络谐振频率和转速相等，然后根据制定的不同风速和转速下相对应的品质因数调节表控制可调谐振网络的参数调节对风功率进行补偿，使风力发电机的当前转速和瞬时风速下风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速相匹配，并通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二；
步骤五：微控制器控制开关切换电路将系统切换到超匹配状态线路，风力发电机的输出通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二。
本发明具有以下有益效果：
本发明在现有风力发电机的基础上设计了一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置及方法，在风速降低时，该控制装置实时调节谐振网络的谐振频率和风力发电机转速相等以减少能量损耗，同时通过实时调整谐振网络参数来调节谐振网络的品质因数对风功率进行补偿，使风力发电机转速实时和当前风速下的风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速相匹配，从而使风力发电机持续工作在最大功率点，发电效率较于传统风力发电机大大提高。
附图说明
图1为本发明装置的功能示意框图。
图2为一个实施例的装置连接方式示意图。
图3为实施例的控制电路原理图。
图4为实施例增加谐振网络后的发电机功率修正曲面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，图1为本发明装置的功能示意框图，结合图1可见，根据风速和发电机转速的关系，将某风速下发电机稳定运行时定义为匹配状态即图1中风功率曲线补偿控制II区，在发电机稳定运行时风速降低定义为亚匹配状态即图1中风功率曲线补偿控制III区，若在发电机稳定运行时风速升高定义为超匹配状态即图1中风功率曲线补偿控制I区；亚匹配状态下接入可调谐振网络；在匹配和超匹配状态时通过切换开关将发电机输出直接和变换电路相连。
亚匹配状态下调节谐振网络谐振频率和转速相等，同时控制谐振网络的品质因数调节使得发电机转速实时和瞬时风速下的风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速相匹配以实时达到最大输出功率；通过在亚匹配状态下调节谐振频率的同时控制品质因数调节，使得在风速降低的过程中，风力发电系统能在瞬时风速下实时达到最大发电功率，减小已吸收能量损失的同时提高了风能利用率，使风力发电效率较于传统风力发电机大大提高。
结合图2可见，本发明的一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，包括：可调谐振网络、风速传感器、霍尔传感器、微控制器、AC-DC电路、开关切换电路和负载；
所述风速传感器与微控制器相连，采集风速信号并将风速信号传送给微控制器；
所述霍尔传感器与微控制器相连，采集发电机转速信号并将转速信号传送给微控制器；
所述AC-DC电路的输入端和可调谐振网络相连或风力发电机输出相连，AC-DC电路的输出端与负载连接；
所述可调谐振网络的输入端与开关切换电路的亚匹配状态线路连接，输出端连接负载。
实施例中，所述微控制器置于风力发电机塔架内；
所述可调谐振网络、AC-DC电路、开关切换电路安装于发电机基座内；
所述霍尔传感器安装在发电机转轴外侧；
所述风速传感器安装在风力发电机支架上。
实施例中，所述可调谐振网络包括一个连续可调的谐振电感和若干个谐振电容，谐振电感和谐振电容串并联组成谐振网络，所述谐振电感的电感量连续可调，所述谐振电容选用无极性电容。
结合图3可见，实施例中，所述微控制器选用STC单片机(例如STC8A8K)，由STC单片机及其最小系统构建主控电路；
所述微控制器存储预先制定的不同型号风力发电机转速和风速匹配网络表和不同风速和转速下相对应的品质因数调节表；
不同型号风力发电机转速和风速匹配网络表中设置风速和不同型号发电机转速处于匹配、亚匹配、或是超匹配状态，匹配状态指当前风速下发电机转速稳定，亚匹配状态指风力发电机稳定运行时风速降低，超匹配状态指风力发电机稳定运行时风速升高；
不同风速和转速下相对应的品质因数调节表根据不同风力发电机风能利用系数Cp曲线制定；
所述微控制器通过风速传感器、霍尔传感器实时获取瞬时风速值和发电机瞬时转速，在风速降低的过程中，微控制器实时控制可调谐振网络谐振频率和转速相等，同时控制品质因数的调节实现对风力发电机风功率曲线的补偿控制，使得发电机转速实时和瞬时风速下的风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速相匹配，以达到最大风力发电效率。
实施例中，所述负载为用电器。
实施例中，所述风速传感器选用三杯式风速传感器，风速传感器通过串口与微控制器通信，风速传感器连接STC单片机的串口通信I/0口。
实施例中，所述霍尔传感器为开关型霍尔传感器(例如A3144)，霍尔传感器的输出连接STC单片机的中断引脚，通过中断的方式处理霍尔传感器的信号。
实施例中，所述开关切换电路与微控制器连接，微控制器控制开关切换电路使系统切换到亚匹配状态、匹配状态和超匹配状态线路，亚匹配状态时开关切换使风力发电机输出连接可调谐振网络，匹配状态和超匹配状态开关切换使风力发电机输出连接AC-DC电路。
本发明的一种风力发电机风功率曲线补偿控制方法，包括以下步骤：
步骤一：启动风力发电机风功率曲线补偿控制装置并启动风力发电机；
步骤二：微控制器判断发电机型号，实时读取并比较风速传感器测量的风速值和霍尔传感器测量的转速值，进而判断瞬时风速和发电机转速处于匹配、亚匹配、或是超匹配状态，若是匹配状态则进入步骤三，若是亚匹配状态则进入步骤四，若是超匹配状态则进入步骤五；
步骤三：微控制器控制开关切换电路将系统切换到匹配状态线路，风力发电机的输出通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二。
步骤四：微控制器控制开关切换电路将系统切换到亚匹配状态线路，并实时控制可调谐振网络谐振频率和转速相等，然后根据制定的不同风速和转速下相对应的品质因数调节表控制可调谐振网络的参数调节对风功率进行补偿，使风力发电机的当前转速和瞬时风速下风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速相匹配，并通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二；
步骤五：微控制器控制开关切换电路将系统切换到超匹配状态线路，风力发电机的输出通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二。
图4为本发明实施例增加谐振网络后的发电机功率修正曲面图，图4中给出了5个曲面，包含在不同品质因数Q下的风力发电机功率曲面，其中曲面E为未加谐振网络的普通发电机输出功率曲面，曲面A为增加谐振网络后风力发电机功率的理想补偿曲面，曲面D、C、B分别是调节谐振网络电路品质因数Q值为17、25、40后的风力发电机功率实际补偿曲面。从图4的曲面E可以看出，当风速恒定时，发电机稳定运行在曲面最高点，此时发电机损耗最小，发电机功率达到最大值；当风速突然降低时，由于惯性，一般发电机会工作在曲面最高点左边位置，此时发电机的损耗增加，发电机输出功率降低，当风力发电机增加可调谐振网络后，通过调节谐振网络电路的品质因数Q值对风功率进行补偿，可以迅速的将发电机的工作曲面由曲面E变成左边当前转速对应最大发电功率的工作曲面，使发电机重新工作在最大功率点，谐振网络的品质因数Q连续可调。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，其特征在于，包括：可调谐振网络、风速传感器、霍尔传感器、微控制器、AC-DC电路、开关切换电路和负载；
所述风速传感器与微控制器相连，采集风速信号并将风速信号传送给微控制器；
所述霍尔传感器与微控制器相连，采集发电机转速信号并将转速信号传送给微控制器；
所述AC-DC电路的输入端和可调谐振网络相连或风力发电机输出相连，AC-DC电路的输出端与负载连接；
所述可调谐振网络的输入端与开关切换电路的亚匹配状态线路连接，输出端连接负载；
所述微控制器选用STC单片机，由STC单片机及其最小系统构建主控电路；
所述微控制器存储预先制定的不同型号风力发电机转速和风速匹配网络表和不同风速和转速下相对应的品质因数调节表；
不同型号风力发电机转速和风速匹配网络表中设置风速和不同型号发电机转速处于匹配、亚匹配、或是超匹配状态，匹配状态指当前风速下发电机转速稳定，亚匹配状态指风力发电机稳定运行时风速降低，超匹配状态指风力发电机稳定运行时风速升高；
不同风速和转速下相对应的品质因数调节表根据不同风力发电机风能利用系数Cp曲线制定；
所述微控制器通过风速传感器、霍尔传感器实时获取瞬时风速值和发电机瞬时转速，在风速降低的过程中，微控制器实时控制可调谐振网络谐振频率和转速相等，同时控制品质因数的调节实现对风力发电机风功率曲线的补偿控制，使得发电机转速实时和瞬时风速下的风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速相匹配，以达到最大风力发电效率。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，其特征在于，所述微控制器置于风力发电机塔架内；
所述可调谐振网络、AC-DC电路、开关切换电路安装于发电机基座内；
所述霍尔传感器安装在发电机转轴外侧；
所述风速传感器安装在风力发电机支架上。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，其特征在于，所述可调谐振网络包括一个连续可调的谐振电感和若干个谐振电容，谐振电感和谐振电容串并联组成谐振网络，所述谐振电感的电感量连续可调，所述谐振电容选用无极性电容。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，其特征在于，所述负载为用电器。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，其特征在于，所述风速传感器选用三杯式风速传感器，风速传感器通过串口与微控制器通信，风速传感器连接STC单片机的串口通信I/0口。
6.根据权利要求4所述的一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，其特征在于，所述霍尔传感器为开关型霍尔传感器，霍尔传感器的输出连接STC单片机的中断引脚，通过中断的方式处理霍尔传感器的信号。
7.根据权利要求1所述的一种风力发电机风功率曲线补偿控制装置，其特征在于，所述开关切换电路与微控制器连接，微控制器控制开关切换电路使系统切换到亚匹配状态、匹配状态和超匹配状态线路，亚匹配状态时开关切换使风力发电机输出连接可调谐振网络，匹配状态和超匹配状态开关切换使风力发电机输出连接AC-DC电路。
8.一种风力发电机风功率曲线补偿控制方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的风力发电机风功率曲线补偿控制装置，所述方法包括以下步骤：
步骤一：启动风力发电机风功率曲线补偿控制装置并启动风力发电机；
步骤二：微控制器判断发电机型号，实时读取并比较风速传感器测量的风速值和霍尔传感器测量的转速值，进而判断瞬时风速和发电机转速处于匹配、亚匹配、或是超匹配状态，若是匹配状态则进入步骤三，若是亚匹配状态则进入步骤四，若是超匹配状态则进入步骤五；
步骤三：微控制器控制开关切换电路将系统切换到匹配状态线路，风力发电机的输出通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二；
步骤四：微控制器控制开关切换电路将系统切换到亚匹配状态线路，并实时控制可调谐振网络谐振频率和转速相等，然后根据制定的不同风速和转速下相对应的品质因数调节表控制可调谐振网络的参数调节对风功率进行补偿，使风力发电机的当前转速和瞬时风速下风能利用系数Cp曲线的最大发电功率对应转速相匹配，并通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二；
步骤五：微控制器控制开关切换电路将系统切换到超匹配状态线路，风力发电机的输出通过AC-DC电路将能量供给负载，返回步骤二。
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