CN201150043Y - 开关磁阻风力发电装置 - Google Patents

Abstract

开关磁阻风力发电装置，属于发电设备领域。包括风轮机(1)、发电机、蓄电池(5)、塔架，还包括风力发电控制器(4)，二极管(6)、储能电容(7)，发电机为开关磁阻发电机(2)、塔架(3)为带滑环的塔架，开关磁阻发电机(2)和风轮机(1)直接连接，开关磁阻发电机(2)的电压输出线缆及信号输出线缆通过塔架上的滑环连接到风力发电控制器(4)，蓄电池(5)的正极连接到二极管(6)的正极。具有结构简单、成本低，使用风力发电控制器对开关磁阻发电机的输出功率进行控制，自动跟踪风速，输出最大功率等优点。

Description

开关磁阻风力发电装置

技术领域

开关磁阻风力发电装置，属于发电设备领域。

背景技术

目前在现场使用的风力发电装置中，发电机一般是采用普通异步感应发电机、同步发电机、直流发电机和双馈发电机四种。普通发电机只有工作在额定转速附近时才能高效率的发电，否则发电效率很低甚至无法发电。为了将风速提高到电机的额定转速，普通风力发电装置一般都需要安装大比例的增速齿轮箱，靠增速齿轮箱使发电机工作在额定转速附近。增速齿轮箱安装、维护比较困难，而且由此也降低了风能利用效率。普通风力发电装置在距离额定转速很高或很低时都无法发电运行，变速范围不够宽，而且偏离额定转速越多，发电效率越低，风能利用率也越低。

开关磁阻电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体，由此带来变换器及控制、驱动的简洁性。开关磁阻电机具有结构简单、成本低、控制灵活、容错能力高等优良特性。对开关磁阻电机进行电动运行的研究开展的较早，目前广泛应用于电力机车、以及需要四象限运行调速系统和在宽广的速度范围内实现高效率运行的系统中，但对其发电运行特性研究，直到20世纪80年代末才得到重视。

开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator，简称SRG)的变速运行范围宽，低速运行性能好，电机结构简单，可靠性高，电机的损耗小，运行效率高，输出为恒压直流电，易于并网，同时可将齿轮箱省掉，提高了对风能的利用效率。就目前掌握的资料来看，尚无关于开关磁阻风力发电实用化的相关文献报道。

因此设计一种能实现开关磁阻风力发电现场运行的装置对于提高风能利用效率、降低风力发电成本有着重要意义。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有的风力发电系统需要安装增速齿轮箱、风能利用效率低、变速范围不够宽等缺点，提供一种能在现场使用的开关磁阻风力发电装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该开关磁阻风力发电装置，包括风轮机、发电机、蓄电池、塔架，其特征在于：还包括风力发电控制器，二极管、储能电容，发电机为开关磁阻发电机、塔架为带滑环的塔架，开关磁阻发电机和风轮机直接连接，开关磁阻发电机的电压输出线缆及信号输出线缆通过塔架上的滑环连接到风力发电控制器，蓄电池的正极连接到二极管的正极，蓄电池的负极连接到风力发电控制器的负输出电压线缆，二极管的负极连接到风力发电控制器的正输出电压线缆，储能电容的正极连接到风力发电控制器的正输出电压线缆，储能电容负极连接到风力发电控制器的负输出电压线缆。

风力发电控制器面板上的按键和显示器通过线缆与风力发电控制器的微处理器MCU相连。

风力发电控制器包括微处理器MCU、IGBT模块、模数转换器、电压传感器、电流传感器，微处理器MCU与IGBT模块相连，IGBT模块一路接电机绕组，一路接输出，微处理器MCU通过模数转换器与电压传感器、电流传感器相连，电压传感器接输出，电流传感器接电机绕组，微处理器MCU接转子位置传感器。

控制器中的微处理器MCU通过上述三者采集母线电压和母线电流并可以计算出开关磁阻发电机的输出功率。刚开始发电工作时，由微处理器MCU随机产生一个励磁电流扰动量Δi，调整励磁电流扰动量Δi，稳定SRG的输出功率。直到Δi近似为零或者输出功率变化近似为零结束。

有风时风轮机直接带动开关磁阻发电机旋转，风力发电控制器检测到目前状态下需要发电时，控制内部的IGBT模块对开关磁阻发电机进行分时励磁/发电控制。控制器和开关磁阻发电机间连接的信号输出线缆传递的信号可以让控制器判断出目前开关磁阻发电机是处于电感最大区还是处于电感下降区，如果开关磁阻发电机处于电感最大区，则使IGBT模块导通，通过蓄电池、二极管对发电机进行励磁。如果开关磁阻发电机处于电感下降区，则关断IGBT模块，使开关磁阻发电机对外发电，将风能转换为电能。开关磁阻发电机在发电时对储能电容充电，如果储能电容电压高于蓄电池电压，则励磁时使用储能电容。

风力发电控制器中的微处理器MCU通过传感器采集开关磁阻发电机的输出电压和输出电流，并根据预先写入的最大功率输出程序自动调整风力发电装置的输出功率，达到相应风速下的最大功率输出。具体跟踪方法是：使用微处理器MCU对开关磁阻发电机输出的电压、电流进行实时采集，完成模数转换后根据公式P＝U×I计算出发电机的输出功率，然后微处理器MCU随机设置一个励磁电流扰动量Δi，如果在Δi的作用下发现发电机的输出功率P增加，则沿着Δi的方向继续增加扰动量Δi，直到输出功率P不再增加或者减小为止。如果在第一个扰动量Δi的作用下输出功率P减少，则将扰动量设置为反方向扰动。在实际使用中，可以在起动时将扰动量Δi设置的值大一些，等输出功率逐渐稳定后，可以慢慢减小Δi的值，最后使输出功率稳定在最大值上。

与现有风力发电系统比较，本实用新型的开关磁阻风力发电装置的有益效果是：

1、由于开关磁阻发电机起动转矩小，在低风速时也可以实现高效率发电，因此可以省去增速齿轮箱，实现直接驱动，提高了系统效率，降低了成本；

2、开关磁阻发电机运行时由风力发电控制器控制运行，在低风速和高风速时都能实现高效率发电，使整个风力发电装置的变速运行范围变宽，提高了风能利用效率；

3、开关磁阻发电机起动时使用蓄电池实现低压励磁，现场实现容易；

4、使用微处理器MCU自动跟踪风速，输出最大功率，可以省去风速测量装置，避免了普通风力发电机为达到最大功率输出，需要使用包括叶片机械特性等参数在内的繁琐的计算过程。

在实际使用中本实用新型的开关磁阻风力发电装置在风速＞1m/s时即可发电，普通风力发电机起动风速至少为3m/s，本实用新型能达到低风速发电、提高风能利用效率的目的。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是控制器的电路原理框图；

图3是控制器的电路原理图。

图1-3是本实用新型的开关磁阻风力发电装置最佳实施例。其中：1、风轮机  2、开关磁阻发电机SRG  3、塔架  4、风力发电控制器  5、蓄电池  6、二极管  7、储能电容。

IC1微处理器  M1面板  M2、M3电流传感器  M4电压传感器  IC2 AD转换器IC3、 IC4 IGBTVT1驱动芯片  VT2三极管  VD1、VD2二极管  C1电容。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的工作原理和自动输出最大功率的实现原理做进一步说明：

如图1所示，本开关磁阻风力发电装置包括风轮机1、风轮机2、开关磁阻发电机SRG 3、塔架4、风力发电控制器5、蓄电池6、二极管7、储能电容，将开关磁阻发电机2和风轮机1直接相连，由风轮机1直接驱动开关磁阻发电机SRG 2，开关磁阻发电机SRG 2和风力发电控制器4间的连线通过塔架3上的滑环连接，蓄电池5的正极连接到二极管6的正极，蓄电池5的负极连接到风力发电控制器4的负输出电压线缆，二极管6的负极连接到风力发电控制器4的正输出电压线缆，储能电容7的正极连接到风力发电控制器4的正输出电压线缆，负极连接到风力发电控制器4的负输出电压线缆。

如图2所示，风力发电控制器4包括微处理器MCU、IGBT模块、模数转换器、电压传感器、电流传感器，微处理器MCU与IGBT模块相连，IGBT模块一路接电机绕组，一路接输出，微处理器MCU通过模数转换器与电压传感器、电流传感器相连，电压传感器接输出，电流传感器接电机绕组，微处理器MCU接转子位置传感器。

风力发电控制器的面板上设有按键和显示器，并通过线缆和控制器中的微处理器MCU相连。通过按键可以控制开关磁阻发电机的运行和停止。开关磁阻发电机2的转子位置传感器传递的信号可以让控制器判断出目前开关磁阻发电机是处于电感最大区还是处于电感下降区，需要发电时，控制器根据开关磁阻发电机电感变化区间控制内部的IGBT模块对开关磁阻发电机2进行分时励磁/发电控制。如果开关磁阻发电机2处于电感最大区，则使IGBT模块导通，通过蓄电池5、二极管6对发电机进行励磁。如果开关磁阻发电机2处于电感下降区，则关断IGBT模块，使开关磁阻发电机2对外发电，将风能转换为电能。开关磁阻发电机2在发电时对储能电容7充电，如果储能电容7电压高于蓄电池5电压，则励磁时使用储能电容7。在发电过程中，风力发电控制器4有电流传感器和电压传感器，同时检测相电流、母线电流和母线电压信号，防止出现过流过压。

如图3所示，风力发电控制器4由微控制器IC1、面板M1、电流传感器M2，M3、电压传感器M4、AD转换器IC2、驱动芯片IC3，IC4、IGBTVT1，VT2和二极管VD1，VD2组成。微处理器MCU是整个控制器的核心。微处理器MCU通过面板接受操作者的命令，并将运行状态显示在面板上；微处理器MCU通过发电机上的位置传感器发出的位置信号判断电机的位置和速度；电流传感器M2检测绕组电流，电压传感器M3检测母线电流，电压传感器M3检测母线电压，这三个信号通过AD转换器将信号传送到微处理器MCU；微处理器MCU根据用户的指令，电机当前的位置信号以及电流和电压信号经过运算发出适当的控制信号给驱动芯片IC3和IC4；驱动芯片IC3和IC4分别驱动功率开关器件VT1和VT2，控制它们的开通与关断。二极管VD1和VD2用于电机绕组的续流，电容C1用于移植母线电压的波动。

最大功率输出原理：附图2中，控制器中的微处理器MCU采集输出电压和输出电流并计算出开关磁阻发电机SRG的输出功率，刚开始发电工作时，由微处理器MCU随机产生一个较大的励磁电流扰动量Δi，在Δi的作用下，如果开关磁阻发电机SRG的输出功率变大，则说明Δi的增加方向是正确的，可以在输出功率稳定后，继续增加一个Δi，直到开关磁阻发电机SRG的输出功率不再增加或者减小为止。此时可以将Δi值变小，继续在功率稳定的基础上对SRG的输出功率进行扰动试探，直到Δi近似为零或者输出功率变化近似为零结束。使用本方法可以在风力发电系统中省去测风速装置，同时也不需考虑叶轮机的机械特性，对于各种功率大小的发电系统都是适用的。

Claims (3)

1、开关磁阻风力发电装置，包括风轮机(1)、发电机、蓄电池(5)、塔架，其特征在于：还包括风力发电控制器(4)，二极管(6)、储能电容(7)，发电机为开关磁阻发电机(2)、塔架(3)为带滑环的塔架，开关磁阻发电机(2)和风轮机(1)直接连接，开关磁阻发电机(2)的电压输出线缆及信号输出线缆通过塔架上的滑环连接到风力发电控制器(4)，蓄电池(5)的正极连接到二极管(6)的正极，蓄电池(5)的负极连接到风力发电控制器(4)的负输出电压线缆，二极管(6)的负极连接到风力发电控制器(4)的正输出电压线缆，储能电容(7)的正极连接到风力发电控制器(4)的正输出电压线缆，储能电容(7)负极连接到风力发电控制器(4)的负输出电压线缆。

2、根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电装置，其特征在于：风力发电控制器(4)面板上的按键和显示器通过线缆与风力发电控制器(4)的微处理器MCU相连。

3、根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电装置，其特征在于：风力发电控制器(4)包括微处理器MCU、IGBT模块、模数转换器、电压传感器、电流传感器，微处理器MCU与IGBT模块相连，IGBT模块一路接电机绕组，一路接输出，微处理器MCU通过模数转换器与电压传感器、电流传感器相连，电压传感器接输出，电流传感器接电机绕组，微处理器MCU接转子位置传感器。

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