CN201663429U - 离网式正弦波风力发电控制器 - Google Patents

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Abstract

离网式正弦波风力发电控制器。目前的风力发电控制器只采用模拟电路搭建的系统装置，常用控制方式是采用继电器或接触器将风力发电机的输出直接短路的工作方式，缺点是发电机的电流偏大，严重时会烧坏风力发电机。本实用新型的组成包括：整流电路，所述的整流电路连接蓄电池，所述的蓄电池分别连接无极卸荷电路、逆变电路、控制回路，所述的控制回路通过驱动电路连接逆变电路，所述的逆变电路连接升压变压器，所述的升压变压器连接电感电容滤波器，所述的电感电容滤波器通过霍尔电压传感器连接控制回路并输出交流电。本实用新型用于风力发电的控制器。

Description

离网式正弦波风力发电控制器
技术领域：
本实用新型涉及一种离网式正弦波风力发电控制器。
背景技术：
离网式正弦波风力发电控制器只采用模拟电路搭建的系统装置，常用控制方式是采用继电器或接触器将风力发电机的输出直接短路的工作方式，缺点是发电机的电流偏大，严重时会烧坏风力发电机。目前离网式正弦波风力发电控制器，常用的启动方式为普通软启动方式，但其峰值电流还是很大，容易把功率器件损坏，普通的控制方式是把整个卸荷电阻全部接上，此时蓄电池还没充满，但能量全部消耗在卸荷电阻上，造成能量的浪费，或者分阶段接上卸荷电阻，但一般只能做到五六级左右，效果不理想。
发明内容：
本实用新型的目的是提供一种稳定、高效、经济的离网式正弦波风力发电控制装置，其优点在于可以实现过压、欠压、过载、过流等保护，从而确保了系统的可靠性，同时能够实现最佳限度的风能利用。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
离网式正弦波风力发电控制器，其组成包括：整流电路，所述的整流电路连接蓄电池，所述的蓄电池分别连接无极卸荷电路、逆变电路、控制回路，所述的控制回路通过驱动电路连接逆变电路，所述的逆变电路连接升压变压器，所述的升压变压器连接电感电容滤波器，所述的电感电容滤波器通过霍尔电压传感器连接控制回路并输出交流电。
所述的离网式正弦波风力发电控制器，所述的控制回路包括单片机，所述的单片机连接液晶显示器，所述的单片机采用PIC18F2331，具有六路输出端口和5路10位的模数转换口。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型控制器由单片机、IR2110等构成，逆变部分采用绝缘栅型场效应管MOSFET作为主开关元件，具有完善的保护功能。长时间的运行结果表明装置设计合理可靠，与现有风力发电控制逆变器相比具有成本低、使用方便的特点。
2、本实用新型控制逆变器采用(脉冲宽度调制)PWM无级卸荷，在正常卸荷情况下，可以保证蓄电池电压在浮充电压附近，只是把多余的电能释放到卸荷电阻上，而且保证了最佳蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用，并确保了蓄电池寿命。
附图说明：
附图1是本产品的结构示意图。
附图2是附图1中控制回路的电路图。
附图3是附图1中驱动电路、主电路、升压电路、采样电路、电感电容滤波电路的电路图。
附图4是附图1中无级卸荷电路的电路图。
附图5是附图1中过流保护电路的电路图。
附图6是附图1中霍尔电压采样电路的电路图。
附图7是本实用新型的系统软件流程图。
附图8是本实用新型的定时器中断服务子程序流程图。
附图9是本实用新型的过流保护中断服务子程序流程图。
根据电子线路制图的规定，相同标号的引脚之间具有连接关系。
具体实施方式：
实施例1：
离网式正弦波风力发电控制器，其组成包括：整流电路，所述的整流电路连接蓄电池，所述的蓄电池分别连接无极卸荷、逆变电路、控制回路，所述的控制回路通过驱动电路连接逆变电路，所述的逆变电路连接升压变压器，所述的升压变压器连接电感电容滤波器，所述的电感电容滤波器通过霍尔电压传感器连接控制回路并输出交流电。如图1所示，风力发电机输出的变压变频的交流电经过整流之后变成直流电给蓄电池充电，逆变部分由四个绝缘栅型场效应管MOSFET组成的全桥电路构成。通过采样电阻采样负载电流，由8位单片机PIC18F2331构成控制回路；单片机产生的(正弦波脉宽调制)SPWM控制信号经IR2110控制绝缘栅型场效应管MOSFET的通断。通过霍尔电压传感器采样输出交流电压，并将其送给单片机实现电压闭环控制，从而使输出电压更加稳定。单片机通过模数采样实现欠压、过载等保护功能。
所述的离网式正弦波风力发电控制器，所述的控制回路包括单片机，所述的单片机连接液晶显示器，所述的单片机采用PIC18F2331，具有六路输出端口和5路10位的(模数)A/D转换口。如图2所示，由单片机PIC18F2331组成，采用单片机PIC18F2331是因为它有6路(脉冲宽度调制)PWM输出端口，可以采用软件产生(正弦波脉宽调制)SPWM控制信号，并且它还具有5路10位的(模数)A/D转换口，可以省去外部的(模数)A/D采样电路，从而简化了装置硬件的电路设计。
由于单片机PIC18F2331单片机片内无较大的空间实现在线运算，所以采用自然采样生成SPWM的方法不利于软件实现。本实用新型采用面积等效法实现(正弦波脉宽调制)SPWM控制，将正弦波的正半周进行N等分，则每一等分的宽度为π/N弧度，利用面积等效法计算出半个周期内N个不同的脉宽值，将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的程序存储器ROM中，以供程序调用。
单片机PIC18F2331具有三个占空比发生器，六个(脉冲宽度调制)PWM输出引脚。本实用新型功率控制(脉冲宽度调制)PWM模块工作在互补模式中，(脉冲宽度调制)PWM输出的占空比比较单元分配如下：PDC0寄存器控制PWM1/PWM0口输出，PDC1寄存器控制PWM3/PWM2口输出。本系统采用软件(正弦波脉宽调制)SPWM生成法，并通过软件定时器中断方式实现定时正弦阶梯波输出。在定时器中断服务子程序中设置一个计数单元，每进入一次中断服务程序计数单元加1，当计数单元为奇数时(脉冲宽度调制)PWM用于控制上桥臂功率开关管，当计数单元为偶数时控制下桥臂功率开关。(脉冲宽度调制)PWM时基设置为连续上/下计数模式来模拟三角载波，根据载波频率确定(脉冲宽度调制)PWM的周期寄存器PTPER＝FOSC/(2*4*FPWM*PTMRPS)，其中FOSC＝16MHz，FPWM＝4kHz为逆变器的开关频率。数字(比例积分)PI调节器的输出和已给出的正弦表中的标要值做乘法后写入(脉冲宽度调制)PWM占空比寄存器，从而生成调制比可变的(正弦波脉宽调制)SPWM控制信号。
在生成(正弦波脉宽调制)SPWM波的软件定时中断中，(脉冲宽度调制)PWM的开关频率为4kHz，即主电路开关频率为4kHz，也就是说在一个正弦波周期中，开关管要动作80次。由于功率器件有一定的关断时间，当T1关断时，T2不能马上开通，否则会出现直通现象，导致器件的损坏。单片机PIC18F2331具有可编程的死区单元，它能够在同一桥臂的开通与关断时插入一定的死区时间，从而有效地防止了发生直通现象，本装置的死区时间设置为2μS。
模拟(比例积分)PI控制庞大的模拟控制电路使得控制系统的可靠性下降，调试复杂，不易整定。本装置采用数字(比例积分)PI调节器，并对(比例积分)PI输出的控制量加以限幅以避免积分饱和，通过对(比例积分)PI调节器的比例系数KP和积分系数KI等参数的整定使系统稳定，输出标准的50Hz、220V的正弦波电压。
功率驱动单元采用IR公司IR2110实现，用来驱动主电路的功率开关器件绝缘栅型场效应管MOSFET。IR2110芯片内部采用自举驱动技术，大大减少了控制变压器的体积和电源数目，降低了产品成本。如图3所示，当上管关断、下管导通时，IR2110的6脚电位为+12V，E点为+12V的电源地，若忽略二极管D3的导通压降，则自举电容E11的电压为+12V；当上管导通、下管关断时E点的电压为二极管压降Vdc，IR2110的6脚电位由于自举电容E11电压不能瞬变，则IR2110的6脚电位为(Vdc+12)V，则自举二极管D3承受反压关断，从而保护+12V电源。自举电容E11采用10μF电容，在载波频率为12kHz条件下自举电容的电压波动不超过100mV，从而保证了半桥驱动时上桥功率管能够安全、可靠地运行。
(脉冲宽度调制)PWM无级卸荷电路：本系统加入了(脉冲宽度调制)PWM无级卸荷电路，如图4所示，(脉冲宽度调制)PWM无级卸荷控制是指当蓄电池电压大于设定值时，单片机产生(脉冲宽度调制)PWM信号，通过光耦驱动功率管，使功率管导通，将多余的电能加到卸荷电阻上，防止蓄电池的电压过高，从而有效地保护了蓄电池和控制装置。
过流保护电路：如图5所示，负载电流与给定值相比较，当大于给定值时，单片机RB0/INT引脚出现高电平进入中断，封锁(脉冲宽度调制)PWM的输出。
电压反馈电路：通过霍尔传感器采集交流输出侧电压，将其送入单片机(模数)A/D采样口，使模拟信号变成单片机所能识别的数字信号，通过单片机软件的处理使其作用在(正弦波脉宽调制)SPWM输出信号上，从而构成闭环的电压调节系统，使输出更加稳定。
软件的过流保护：当负载短路时，流过采样电阻的电流急剧增大，通过比较器产生一个上升沿的脉冲送给单片机的外部中断口，单片机响应中断，从而封锁SPWM信号的输出，停止逆变输出。
软件过载保护：即软件的电流控制，系统在硬件保护的同时还具有软件保护的功能。通过软件检测，当出现过载时禁止逆变器的输出。
过温保护：任何电子元件以及功率器件都有一个工作范围，温度过高会影响系统的正常运行，本系统通过温度开关控制，当温度达到温度开关的动作点时，温度开关闭合，风扇开始工作，当温度降下来时，温度开关断开，风扇停止工作。
欠压保护：本实用新型具有欠压保护的功能，欠压保护的目的是为了避免蓄电池出现过放电，否则容易损坏蓄电池。当电压过低时，电流变大，容易损坏功率器件。因此当电池欠压时系统停止工作。
系统软件流程如图7所示。

Claims (2)

1.一种离网式正弦波风力发电控制器，其组成包括：整流电路，其特征是：所述的整流电路连接蓄电池，所述的蓄电池分别连接无极卸荷电路、逆变电路、控制回路，所述的控制回路通过驱动电路连接逆变电路，所述的逆变电路连接升压变压器，所述的升压变压器连接电感电容滤波器，所述的电感电容滤波器通过霍尔电压传感器连接控制回路并输出交流电。
2.根据权利要求1所述的离网式正弦波风力发电控制器，其特征是：所述的控制回路包括单片机，所述的单片机连接液晶显示器，所述的单片机采用PIC18F2331，具有六路输出端口和5路10位的模数转换口。
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