CN202183609U - 风力机转速跟踪控制系统及包含该系统的混合发电控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风力机转速跟踪控制系统及包含该系统的混合发电控制器，混合发电控制器包括风力机转速跟踪控制系统和太阳能发电控制系统；风力机转速跟踪控制系统包括：整流电路、风力机主充电电路、电机频率信号处理电路、充电电流信号处理电路、充电电压信号处理电路、第一单片机、充电驱动电路及刹车电路；太阳能发电控制系统包括：太阳能主充电电路、太阳能充电电流信号处理电路、第二单片机、太阳能充电驱动电路。本实用新型提供了一种具有最大功率追踪(MPPT)的小型风力、太阳能的混合发电控制器，相比其它的追踪系统在小型风力发电和小型太阳能光伏发电应用上更简单、有效、可靠。

Description

风力机转速跟踪控制系统及包含该系统的混合发电控制器

技术领域

本实用新型涉及风力发电、太阳能光伏发电领域，具体涉及风力机转速跟踪系统及风力、太阳能混合发电的控制器。 

背景技术

风力发电和太阳能光伏混合发电系统(简称风光互补发电系统)，为了最大限度地获得电能，控制器系统需要有最大功率追踪(MMPT)。但是风力发电和太阳能光伏发电的最大功率跟踪原理是不一样的，风力发电是通过控制风力机运行在最佳的叶尖速比(叶尖速度和风速的比值)而获得最大的风能，太阳能光伏发电是通过保持输出端电压和输出电流乘积为最大值而获取最大太阳能。目前一些风光互补控制器的风能最大功率、太阳能最大功率追踪方法采用同一方法，实际效果和可靠性都是不理想的。 

目前风力发电最大功率追踪(WTMMPT)方法有：叶尖速比控制法、功率信号反馈法、爬山搜索法、最大功率控制小信号扰动法、三点法等，而且不断有新的方法发明。但是，这些方法往往是针对于大型风力发电机的控制系统，对于小型特别是1万瓦以下的风力发电系统，采用了最大功率追踪的并不多，这是由于这些追踪方法应用于小型风力发电系统成本高、需要过多额外能量以及在风速变化大时不理想等原因。 

目前太阳能光伏发电最大功率追踪(PVMMPT)方法有：恒压追踪法、功率信号反馈法、爬山搜索法、扰动观察等方法，同样由于成本以及需要过多额外能量等原因，这些方法也是往往针对于较大的太阳能光伏阵列，目前这些追踪方法的效率和稳定性在1万瓦以下较小的太阳能光伏阵列应用仍然有很大的提升改进空间。 

风力机在工作时，由于风轮的旋转可能会引起共振。风力机有两个激振频率，一个是风轮旋转频率，另外一个是每个叶片每次掠过塔架产生的频率(称为穿越频率)，一般情况下穿越频率为风轮旋转频率乘以叶片数量。要完全避开共振，风力机和塔架上的各零件的自然频率必须大于穿越频率。但是小型风力 机的旋转频率和穿越频率均较高，出于成本考虑风力机和塔架上的一些零件往往被设计为自然频率在旋转频率和穿越频率之间，甚至有时自然频率少于旋转频率，当风力机运行在某个转速下时，还是会引起共振。 

风力发电的一个技术术语叫切入风速，是指风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速。切入风速越小，表示风力机越早发电。对于在风力资源丰富地区，切入风速一般较高，因为这些地区风能量主要分布在高风速范围。但是对于在风力资源一般的地区，风能量主要分布在低风速范围，此时为了获得更多能量低风速切入就很必要。 

目前小型风光互补控制器由于成本和技术原因并没采取控制器失效保护。当控制器损坏或者异常时，风力机和负载失去连接，电机就很容易发生转速超过最大规定转速的情况，可能会导致电机损坏、叶片折断、塔架倒塌、控制器损坏等意外。 

此外，现有大量的风力机和太阳能光伏阵列最大功率追踪研究，并在不断完善。但是对于小型的风力机和小型的太阳能光伏阵列，由于技术和成本的原因，目前市面上的控制器往往没有最大功率追踪(MPPT)，这样导致整个发电系统的风能利用率和太阳能利用率低。 

实用新型内容

本实用新型目的是针对目前小型风力、太阳能混合发电控制器的缺点，提供一种风力机转速跟踪系统及包含该系统的混合发电控制器。 

上述目的的实现方案为： 

一种混合发电控制器，其特征在于，包括风力机转速跟踪控制系统和太阳能发电控制系统；风力机转速跟踪控制系统包括：整流电路，将电机产生的三相交流电转换为直流电；风力机主充电电路，将直流电供给蓄电池；电机频率信号处理电路，监测电机相频率，并把处理后的信号传输给第一单片机；充电电流信号处理电路，对充电电流进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；充电电压信号处理电路，对充电电压进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；第一单片机，接收电机频率信号处理电路、充电电流信号处理电路和充电电压信号处理电路的信号，分析处理后，输出控制命令给充电驱动电 路及刹车电路；充电驱动电路，根据第一单片机生成的相应控制命令控制风力机主充电电路的充电效率，以此调整电机转速；刹车电路，根据第一单片机生成的相应控制命令执行对电机的刹车操作；太阳能发电控制系统包括：太阳能主充电电路，将太阳能光伏阵列获取的直流电供给蓄电池；太阳能充电电流信号处理电路，对充电电流进行采样，并将处理后的信号传送给第二单片机；第二单片机，接收充电电流信号处理电路的信号，分析处理后，输出控制命令给太阳能充电驱动电路；及太阳能充电驱动电路。 

一种风力机转速跟踪控制系统，其特征在于，包括：整流电路，将电机产生的三相交流电转换为直流电；主充电电路，将直流电供给蓄电池；电机频率信号处理电路，监测电机相频率，并把处理后的信号传输给第一单片机；充电电流信号处理电路，对充电电流进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；充电电压信号处理电路，对充电电压进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；第一单片机，接收电机频率信号处理电路、充电电流信号处理电路和充电电压信号处理电路的信号，分析处理后，输出控制命令给充电驱动电路及刹车电路；充电驱动电路，接收第一单片机生成的相应控制命令，提供控制信号给主充电电路；刹车电路，接收第一单片机生成的相应控制命令输出刹车信号给电机。 

本实用新型提供了一种具有最大功率追踪(MPPT)的适合小型风力、太阳能混合发电的控制器，相比其它的追踪系统在小型风力发电和小型太阳能光伏发电应用上更简单、有效、可靠。 

附图说明

图1是实施例提供的风力机转速跟踪控制系统的原理图。 

图2是实施例提供的刹车电路的原理图。 

图3是实施例提供的风力机转速跟踪控制系统的最大功率追踪控制流程图。 

图4是实施例提供的风力机转速跟踪控制系统的风力机升压控制流程图。 

图5是实施例提供的太阳能发电控制系统的原理图。 

图6是实施例提供的太阳能发电控制系统的最大功率追踪控制流程图。 

具体实施方式

本实施例提供的混合发电控制器包括两个部分，分别为风力机转速跟踪控制系统和太阳能发电控制系统。 

如图1所示，风力机转速跟踪控制系统包括：整流电路、主充电电路、蓄电池、电机频率信号处理电路、充电电压信号处理电路、充电电流信号处理电路、第一单片机、充电驱动电路及刹车电路。整流电路将电机产生的三相交流电转换为直流电，直流电经主充电电路供给蓄电池(或同时供给直流负载)；电机频率信号处理电路监测电机相频率，并把处理后的信号传输给第一单片机；充电电流信号处理电路和充电电压信号处理电路分别对充电电流和充电电压进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；第一单片机接收电机频率信号处理电路、充电电流信号处理电路和充电电压信号处理电路的信号，分析处理后，输出控制命令给充电驱动电路及刹车电路；充电驱动电路根据第一单片机生成的相应控制命令控制主充电电路的充电效率，以此来调整电机转速；刹车电路根据第一单片机生成的相应控制命令执行对电机的刹车操作。 

由图1可知，主充电电路由电容1、电容2、开关管1、开关管2、二极管1、二极管2及电感1构成。上面所说的充电驱动电路控制主充电电路的充电效率，是通过控制开关管1和开关管2的占空比来实现的。 

如图2所示，刹车电路包括继电器驱动电路、继电器、卸荷电阻1、卸荷电阻2及卸荷电阻3，继电器驱动电路接供电电路及第一单片机的相应输出信号，继电器用于将电机的三相线路接入整流电路或者分别接入卸荷电阻1、卸荷电阻2及卸荷电阻3。由上可知，当风力机转速跟踪控制系统在正常工况时，第一单片机有相应信号和供电到继电器驱动电路，继电器驱动电路再供电到继电器，电机的三相线路接入整流电路，刹车电路此时只起导线作用。当风力机转速跟踪控制系统不能正常工况时，入器件或链接线路损坏、异常时，只要第一单片机没信号到继电器驱动电路或者没有电供应到继电器驱动电路，继电器失去供电，使电机的三相线路接入分别接入卸荷电阻1、卸荷电阻2及卸荷电阻3，此时电路的总负载远大于额定负载，使电机在锁定状态，电机很难超速，达到制动目的，从而实现失效保护电机的功能。 

如图3所示，基于上述风力机转速跟踪控制系统的控制方法包括以下步骤： (1)采集发电机相频率，采集充电电流和充电电压信号；(2)计算电机转速和风力机功率，电机转速＝相频率×120÷电机极数，风力机功率＝电流×电压；(3)判断发电机转速是否大于设定的阀(称为追踪阀)值，是则进入步骤(4)，否则返回步骤(1)；(4)判断当前转速是否落于预先设定的会引起零件共振的转速区域内，是则调高主充电电路的充电效率，加速电机，避开此转速区域，否则执行步骤(5)；(5)判断当前转速是否超过额定转速，是则调低主充电电路的充电效率，减速电机，否则调整主充电电路的充电效率，使功率和转速的三次方比值为预设值；(6)判断当前转速是否超过警戒转速，是则启动刹车电路一段时间，否则调整主充电电路的充电效率，使功率和转速的三次方比值为预设值。 

上述步骤中所述的预先设定的会引起零件共振的转速区域是指：电机转速在某个范围内时，会引起其它零件的共振，程序可以通过预先设定相应数值范围，以避开此段转速。上述警戒转速是指，即使在步骤(5)中调低主充电电路的充电效率，以减速电机，但是由于外界风速过高，速继提升转速，所以有必要进一步设置一个警戒转速值，当超过该值时启动刹车电路使风机刹车。上述步骤中所述的使功率和转速的三次方比值为预设值是指：对于每一个不同风速时，风力机输出功率和转速的三次方在某个固定比值时，输出功率最大，这个最佳的功率和转速的比值可以通过气动设计、风轮模拟分析、风洞实验和对比实验等方法获得，把这个比值预设于第一单片机，使第一单片机维持风力机输出功率和转速的三次方在这个值，从而获得最大功率。 

继续参见图1，本实施例提供的风力机转速跟踪控制系统还包括电机电压信号处理电路，其由整流电路输出端采集电机电压信号，处理后提供给第一单片机，第一单片机根据采集到的电压信号幅度，进而控制主充电电路的充电效率，从而实现低风速切入发电的功能。如图4所示，当电机电压信号处理电路监测到电机的电压大于设定的阀值而小于蓄电池的电压时，第一单片机控制充电驱动电路的开关管1和开关管2的占空比，对电机电压进行升压，升压后的电压大于蓄电池的电压，实现低风起动。 

如图5所示，本实施例提供的太阳能发电控制系统包括：主充电电路、蓄电池、充电电流信号处理电路、第二单片机及充电驱动电路。主充电电路将太阳能光伏阵列获取的直流电供给蓄电池(或同时供给直流负载)；充电电流信号处理电路对充电电流进行采样，并将处理后的信号传送给第二单片机；第二单片机接收充电电流信号处理电路的信号，分析处理后，输出控制命令给充电驱动电路；充电驱动电路根据第二单片机生成的相应控制命令控制主充电电路的充电效率。 

由图1可知，主充电电路由电容3、电容4、开关管3、开关管4、二极管3、二极管4及电感2构成。上面所说的充电驱动电路控制主充电电路的充电效率，是通过控制开关管3和开关管4的占空比来实现的，以此来获得最大的太阳能充电电流，对于此电路图蓄电池和直流负载充入电流最大，可认为太阳能光伏阵列输出最大。 

如图6所示，基于上述太阳能发电控制系统的控制方法包括以下步骤：(1)采集太阳能充电电流信号；(2)判断判断是否有电流信号，是则进入步骤(3)，否则返回步骤(1)；(3)调用充电转换效率初始值，也即调用开关管3和开关管4的占空比初始值；(4)扰动占空比，如果电流增大则继续正向扰动占空比，如果电流减小则反向扰动占空比，使电流保持最大；(5)当没有太阳能电流时，保存此时的充电转换效率、也即调用开关管3和开关管4的占空比为初始值。本实施例以没有太阳能电流时(一般是在黄昏)时的充电转换效率作为初始值；当下次有太阳能电流时(一般是在黎明)，能够减少追踪的时间。 

上述的风力机转速跟踪控制系统和太阳能发电控制系统可以同时应用于小型风力、太阳能混合发电设备上，实现对风能、太阳能转换为电能的的控制。本实用新型的有益效果在于： 

1)控制器通过监测风力机的三相永磁交流电机的频率，获得风力机的转速，并通过扰动控制器内部风力充电电路的开关管驱动信号，来改变风力机转速，目的是为了避开共振转速、防止风力机超速以及对风力机进行最大功率追踪。控制器在监测发电机转速的同时，监测风力充电电流和充电电压来计算风力机的发电功率，通过更改控制器内部风力机主充电电路的开关管的驱动信号，使 功率和风力机转速的三次方的比为固定值，使风力机运行在最佳的转速-功率曲线，实现WTMPPT。 

2)所述控制器具有太阳能板最大功率追踪(PVMPPT)功能的实施——控制器监测太阳能板充电电流，并扰动太阳能主充电电路的开光管驱动信号，直至充入蓄电池和负载的电流达到最大。 

3)所述控制器具有低风速切入发电功能的实施——当外部风速低时，风力机电机电压也较低，控制器能够在电机电压高于阀值低于蓄电池电压时，进行升压充电，从而实现较低风速时切入发电功能。 

4)具有失效保护电机功能——当控制器损坏、异常或者控制器和蓄电池连接导线断裂时，控制器任然能够通过保护电路锁定电机，避免电机失去控制而产生意外。 

Claims (6)

1.一种混合发电控制器，其特征在于，包括风力机转速跟踪控制系统和太阳能发电控制系统；风力机转速跟踪控制系统包括：整流电路，将电机产生的三相交流电转换为直流电；风力机主充电电路，将直流电供给蓄电池；电机频率信号处理电路，监测电机相频率，并把处理后的信号传输给第一单片机；充电电流信号处理电路，对充电电流进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；充电电压信号处理电路，对充电电压进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；第一单片机，接收电机频率信号处理电路、充电电流信号处理电路和充电电压信号处理电路的信号，分析处理后，输出控制命令给充电驱动电路及刹车电路；充电驱动电路，根据第一单片机生成的相应控制命令控制风力机主充电电路的充电效率，以此调整电机转速；刹车电路，根据第一单片机生成的相应控制命令执行对电机的刹车操作；太阳能发电控制系统包括：太阳能主充电电路，将太阳能光伏阵列获取的直流电供给蓄电池；太阳能充电电流信号处理电路，对充电电流进行采样，并将处理后的信号传送给第二单片机；第二单片机，接收充电电流信号处理电路的信号，分析处理后，输出控制命令给太阳能充电驱动电路；及太阳能充电驱动电路。

2.如权利要求1所述的混合发电控制器，其特征在于，所述刹车电路包括继电器驱动电路、继电器、第一卸荷电阻、第二卸荷电阻及第三卸荷电阻，继电器驱动电路接供电电路及第一单片机的相应输出信号，继电器用于将电机的三相线路接入整流电路或者分别接入第一卸荷电阻、第二卸荷电阻及第三卸荷电阻。

3.如权利要求1或2所述的混合发电控制器，其特征在于，所述风力机转速跟踪控制系统还包括电机电压信号处理电路，其由整流电路输出端采集电机电压信号，处理后提供给第一单片机，第一单片机输出控制信号给主充电电路。

4.一种风力机转速跟踪控制系统，其特征在于，包括：整流电路，将电机产生的三相交流电转换为直流电；主充电电路，将直流电供给蓄电池；电机频率信号处理电路，监测电机相频率，并把处理后的信号传输给第一单片机；充电电流信号处理电路，对充电电流进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；充电电压信号处理电路，对充电电压进行采样，并将处理后的信号传送给第一单片机；第一单片机，接收电机频率信号处理电路、充电电流信号处理电路和充电电压信号处理电路的信号，分析处理后，输出控制命令给充电驱动电路及刹车电路；充电驱动电路，接收第一单片机生成的相应控制命令，提供控制信号给主充电电路；刹车电路，接收第一单片机生成的相应控制命令输出刹车信号给电机。

5.如权利要求4所述的风力机转速跟踪控制系统，其特征在于，所述刹车电路包括继电器驱动电路、继电器、第一卸荷电阻、第二卸荷电阻及第三卸荷电阻，继电器驱动电路接供电电路及第一单片机的相应输出信号，继电器用于将电机的三相线路接入整流电路或者分别接入第一卸荷电阻、第二卸荷电阻及第三卸荷电阻。

6.如权利要求4或5所述的风力机转速跟踪控制系统，其特征在于，还包括电机电压信号处理电路，其由整流电路输出端采集电机电压信号，处理后提供给第一单片机，第一单片机输出控制信号给主充电电路。 

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