CN201499010U - 用于风力发电机组的直流电源 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电技术领域的用于风力发电机组的直流电源，包括：功率变换器、功率控制器和控制电路，其中：功率变换器的输入端和功率控制器的输入端分别与风力发电机组的三相输出端连接，功率变换器的输出端连接蓄电池和用电设备，控制电路的输入端与功率变换器的信号端相连接，控制电路的输出端分别与功率变换器和功率控制器的控制端相连接。本实用新型通过调整风力发电机组输出功率主动控制风力发电机组转速，实现最大功率跟踪，同时实现蓄电池全面管理。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是一种风力发电技术领域的装置，具体是一种用于风力发电机组的直流电源。
背景技术
目前，小型风力发电机组应用于低电压直流供电系统日益普遍。这类供电系统引入风力发电时往往采用以下三种方式：1)风力发电机组输出电压与用电设备额定电压一致，其输出电能经过整流后直接向蓄电池充电和用电设备供电；2)风力发电机组输出电压高于用电设备额定电压，输出电能通过变压器降压后整流直接向蓄电池充电和用电设备供电；3)风力发电机组输出电压高于用电设备额定电压，输出电能直接向与风力发电机组输出电压一致的蓄电池组充电，然后通过其它设备(一般包括逆变器和开关电源)将高电压直流电能转换为低电压直流电能向用电设备供电。
风力发电技术中存在最大功率概念，即在一定风速下，风力发电机组在特定转速下可输出最大功率。要实现最大功率跟踪就必须控制风力发电机组转速。从控制角度出发，以上三种方式都不存在主动控制环节，属被动控制；风力发电机组输出电能(或以固定比例降压)整流后直接向蓄电池充电，蓄电池电压直接决定了风力机组输出功率，而此时风力发电机组输出功率往往不是最大值，而采用最大功率跟踪技术可大幅度提高风力发电机组的发电量。同时，整流直接充电方式对蓄电池充电缺乏必要的管理，影响蓄电池使用寿命。
经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号：200710147359.1，专利名称为：风力发电机充电控制器和充电控制方法，公开了一种风力发电机充电控制器和充电控制方法，将风力发电机发出的变频、变压的交流电通过整流电路整流成直流电，在整流电路后增加包括有降压斩波电路的充电控制器，通过设置斩波电压值，将斩波后的直流电向蓄电池充电。借鉴此技术，可提高风力发电机的可用风速范围。但该技术仅仅通过设置斩波电压值的方式控制蓄电池恒压充电，缺乏完善的蓄电池充放电管理。另一方面，虽然该技术拓宽了风力发电机组的可用风速范围，但没有采取必要的方法实现风力发电机组的最大功率跟踪。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于风力发电机组的直流电源，通过调整风力发电机组输出功率主动控制风力发电机组转速，实现最大功率跟踪，同时实现蓄电池全面管理。
本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括：功率变换器、功率控制器和控制电路，其中：功率变换器的输入端和功率控制器的输入端分别与风力发电机组的三相输出端连接，功率变换器的输出端连接蓄电池和用电设备，控制电路的输入端与功率变换器的信号端相连接，控制电路的输出端分别与功率变换器和功率控制器的控制端相连接。
所述的功率变换器包括：第一整流桥、输入滤波电容、全桥变换器、高频变压器、全桥整流桥和输出滤波电容，其中：第一整流桥的输入端与风力发电机组的三相输出端相连接，第一整流桥的输出端并接有输入滤波电容，全桥变换器正极输入端接输入滤波电容正极，全桥变换器负极输入端接输入滤波电容负极，全桥变换器输出端接高频变压器原边，高频变压器副边接全桥整流桥输入端，全桥整流桥输出端并接有输出滤波电容。
所述的功率变换器先将风力发电机组产生的三相交流电能转化为高电压直流电能，由控制电路控制功率变换器运行，将高电压直流电能转化为符合蓄电池特性的低电压直流电能，通过改变全桥变换器的脉冲宽度调整风力发电机组输出功率进而主动控制风力发电机组转速，实现最大功率跟踪，同时实现蓄电池全面管理。设定功率曲线可在一定范围内在线调整，使功率曲线符合现场要求。
所述的整流桥为三相二极管整流桥。
所述的全桥变换器为场效应晶体管构成的全桥电路。
所述的全桥变换器为快恢复二极管构成的全桥电路。
所述的功率控制器包括：第二整流桥、功率管和功率电阻，其中：第二整流桥的输入端与风力发电机组的三相输出端相连接，第二整流桥的正极输出端接功率电阻一端，功率电阻另一端接功率管的集电极，功率管的射极接第二整流桥的负极输出。
所述的功率管为绝缘栅双极型晶体管。
所述的第二整流桥为三相二极管整流桥，该整流桥将风力发电机组产生的三相交流电转变为高电压直流电能，通过控制电路控制功率管的通断来控制功率电阻消耗功率以控制风力发电机组转矩。在蓄电池将满时，通过功率控制器实现风力发电机组运行控制。
所述的控制电路包括：微处理器、采样电路、功率控制输出电路、模拟放大电路、液晶显示屏、键盘和通信电路，其中：采样电路的输出端接模拟放大电路的输入端，模拟放大电路的输出端接微处理器的输入端，功率控制输出电路的输入端接微处理器的输出端，微处理器同时连接液晶显示屏、键盘以及通信模块。
所述的控制电路通过采样风力发电机组转速、电压、电流、蓄电池电压、温度等物理量确定功率变换器和功率控制器的脉冲宽度，通过控制功率变换器和功率控制器控制风力发电机组的正常运行和最大功率跟踪。
本实用新型采用高于用电设备电压的风力发电机组，利用高电压减少发电机损耗和传输损耗；采用功率变换器主动控制风力发电机组输出功率，实现风力发电机组最大功率跟踪，同时实现蓄电池充电管理；采用功率控制器控制风力发电机组转矩，实现风力发电机组的安全运行。本实用新型不仅拓宽了风力发电机组的可用风速范围，而且大大提高了发电系统的整体效率，大大增强了风力发电机组安全性和可靠性。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实用新型包括：功率变换器1、功率控制器2和控制电路3，其中：功率变换器1的输入端和功率控制器2输入端分别与风力发电机组的三相输出端相连接，功率变换器1的输出端分别连接至风力发电蓄电池或用电设备，控制电路3的输入端与功率变换器1的信号端相连接，控制电路3的输出端和功率控制器2的控制端相连接。
所述的功率变换器1包括：整流桥4、输入滤波电容5、全桥变换器6、高频变压器7、全桥整流桥8和输出滤波电容9，其中：风力发电机组三相输出端接整流桥4的输入端，整流桥4输出端并接有输入滤波电容5，全桥变换器6正极端接输入滤波电容5正极，全桥变换器6负极端接输入滤波电容5负极，全桥变换器6输出端接高频变压器7原边，高频变压器7副边接全桥整流桥8输入端，全桥整流桥8输出端并接有输出滤波电容9。
所述的整流桥4为三相二极管整流桥。
所述的全桥变换器6为场效应晶体管构成的全桥电路。
所述的全桥整流桥8为快恢复二极管构成的全桥电路。
所述的功率控制器2包括：整流桥4、功率电阻10和功率管11，其中：风力发电机组三相输出接整流桥4的输入端，整流桥4的正极输出接功率电阻10一端，功率电阻10另一端接功率管11的集电极，功率管11的射极接整流桥4的负极输出。
所述的功率管11为绝缘栅双极型晶体管。
所述的整流桥4为三相二极管整流桥，该整流桥4将风力发电机组产生的三相交流电转变为高电压直流电能，通过控制电路3控制功率管11的通断来动态控制功率电阻10消耗功率以控制风力发电机组转矩。在蓄电池将满时，通过功率控制器2实现风力发电机组运行控制。
所述的控制电路3包括：微处理器12、采样电路13、功率控制输出电路14、模拟放大电路15、液晶显示屏16、键盘17和通信电路18，其中：采样电路13的输出端接模拟放大电路15的输入端，模拟放大电路15的输出端接微处理器12的输入端，功率控制输出电路14的输入端接微处理器12的输出端，微处理器12同时连接液晶显示屏16、键盘17以及通信模块18。
所述的微处理器11为ATMEL公司的8位单片机ATMEGA32。
所述的采样电路13为由霍尔传感器构成的隔离采样电路。
所述的功率控制输出电路14为由隔离光耦和驱动芯片IXDP509构成的驱动电路。
所述的模拟放大电路15为运算放大器电路，将采样电路13获得的信号经过适当变换送入微处理器的模拟量输入端子。
所述的通信电路18为485方式，可通过485总线与上位机进行通信，满足远程监控要求。
风力发电机组产生的三相交流电能经三相整流桥整流和输入滤波电容平滑滤波后转变成纹波较小的直流高电压。输入滤波电容、全桥变换器、高频变压器、全桥整流器、输出滤波电容构成一个完整的全桥变换电路，通过控制电路控制全桥变换器的脉冲宽度将高电压直流电能转变为低纹波的低电压直流电能向蓄电池充电和用电设备供电。功率变换器根据设定功率曲线调整输出功率，以此控制风力发电机组转速来实现最大功率跟踪，而设定功率曲线可在一定范围内在线调整，使功率曲线符合现场要求。同时，根据蓄电池充电的特点实现蓄电池均充与浮充管理。功率变换器构建了风力发电机组与蓄电池及用电设备之间的一个中间环节，该环节不仅实现了风力发电机组输出电压与蓄电池电压的匹配，而且通过主动控制风力发电机组转速实现风力发电机组最大功率跟踪和蓄电池管理。该方式减小了电能传输损耗，同时扩宽了风力发电机组的可用风速范围，实现了风能的最佳捕获，大大提高了发电系统的整体效率。
Claims (9)
1.一种用于风力发电机组的直流电源，其特征在于，包括：功率变换器、功率控制器和控制电路，其中：功率变换器的输入端和功率控制器的输入端分别与风力发电机组的三相输出端连接，功率变换器的输出端连接蓄电池和用电设备，控制电路的输入端与功率变换器的信号端相连接，控制电路的输出端分别与功率变换器和功率控制器的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的直流电源，其特征是，所述的功率变换器包括：第一整流桥、输入滤波电容、全桥变换器、高频变压器、全桥整流桥和输出滤波电容，其中：第一整流桥的输入端与风力发电机组的三相输出端相连接，第一整流桥的输出端并接有输入滤波电容，全桥变换器正极输入端接输入滤波电容正极，全桥变换器负极输入端接输入滤波电容负极，全桥变换器输出端接高频变压器原边，高频变压器副边接全桥整流桥输入端，全桥整流桥输出端并接有输出滤波电容。
3.根据权利要求2所述的用于风力发电机组的直流电源，其特征是，所述的第一整流桥为三相二极管整流桥。
4.根据权利要求2所述的用于风力发电机组的直流电源，其特征是，所述的全桥变换器为场效应晶体管构成的全桥电路。
5.根据权利要求2所述的用于风力发电机组的直流电源，其特征是，所述的全桥变换器为快恢复二极管构成的全桥电路。
6.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的直流电源，其特征是，所述的功率控制器包括：第二整流桥、功率管和功率电阻，其中：第二整流桥的输入端与风力发电机组的三相输出端相连接，第二整流桥的正极输出端接功率电阻一端，功率电阻另一端接功率管的集电极，功率管的射极接第二整流桥的负极输出。
7.根据权利要求6所述的用于风力发电机组的直流电源，其特征是，所述的功率管为绝缘栅双极型晶体管。
8.根据权利要求6所述的用于风力发电机组的直流电源，其特征是，所述的第二整流桥为三相二极管整流桥。
9.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的直流电源，其特征是，所述的控制电路包括：微处理器、采样电路、功率控制输出电路、模拟放大电路、液晶显示屏、键盘和通信电路，其中：采样电路的输出端接模拟放大电路的输入端，模拟放大电路的输出端接微处理器的输入端，功率控制输出电路的输入端接微处理器的输出端，微处理器同时连接液晶显示屏、键盘以及通信模块。
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