CN202228271U - 离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置 - Google Patents

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杨苹
吕学瑜
王宪彬
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Abstract

本实用新型公开了一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置，包括发电机、整流电路模块和升压电路模块，所述整流电路模块的输出端连接有输入电流采样电路模块和输入电压采样电路模块，发电机的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块，发电机转速测量模块、电压和电流采样电路模块的输出端与DSP控制模块连接，DSP控制模块根据改进型最大功率跟踪方法，通过驱动电路模块对升压电路模块进行控制。由于采用上述的工作方式，本实用新型在爬山法基础上引入比例控制，利用比例控制动态性能良好的优势，在外界风速快速变化，迅速将风力机工作点调整到最佳工作点附近，减少跟踪时间，提高跟踪性能，并提高风力机捕获风能的效率。

Description

离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置
技术领域
本实用新型属于离网型风力发电系统控制技术，具体涉及一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置。
背景技术
离网型风力发电系统是一种可以单独运行的风力发电系统，相对于并网型风力发电系统，具有配置灵活、控制简单等特点。在电网无法到达的边远地区，离网型风力发电系统得到广泛使用，可有效解决边远地区、海岛哨所、通信基站的用电问题。
离网型风力发电系统由风力机、发电机、控制器及负载组成。其中风力机的主要作用是捕获风能。风力机由风带动旋转，将风能转换成机械能并带动与之相连接的发电机旋转。发电机由风力机带动旋转，将风力机产生的机械能转换成电能。风力机与发电机的组合完成风能向电能的转换。离网型风力发电系统的控制器一般由不可控整流电路、升压电路、蓄电池充放电电路、逆变电路、电量检测电路、驱动电路及控制电路组成。控制器的作用是控制风力发电系统进行最大功率跟踪、蓄电池充放电管理、逆变控制及系统保护等等。
由于离网型风力发电系统在运行过程中存在发电效率低下的问题，因此设计性能良好的最大功率跟踪方法是成为提高离网型风力发电系统的发电效率的关键。
利用空气动力学理论分析风力机的运行过程，可以得知风力机的运行特性。其中，风力机的输出功率                                                
Figure 201120341522X100002DEST_PATH_IMAGE001
可表示为：
                            
Figure DEST_PATH_IMAGE002
                         （1）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示空气密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示风能利用系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示叶尖速比；表示风力机风轮半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示风力机转速。其中，叶尖速比
Figure 683350DEST_PATH_IMAGE005
与风力机转速及风速相关。根据式（1）可得到在不同风速下，风力机的运行特性曲线如图2所示。从图2可以看出，风力机在每个风速下都存在一个最佳转速。在这个最佳转速之下，风力机能发出最大功率。这个工作点称为风力机的最佳工作点。
在风速固定的情况，如果风力机的工作点处于最大工作点的左端，只要增加风力机的转速，就可以使风力机的输出功率增加；如果风力机的工作点处于最大功率工作点的右端，只要降低风力机的转速，就可以使风力机的输出功率增加。因此，只要知道风力机当前工作点所处的位置，就可以对风力机转速做出相应的增减，实现最大功率跟踪。
目前常见的最大功率跟踪方法有爬山法。
爬山法的基本思想是根据风力机在运行特性曲线上的工作点位置，确定风力机转速的变化方向，逐步改变风力机转速，使风力机最终工作在最佳工作点。
爬山法与风力机的特性无关，适应性较好，控制精度较高，但是爬山法的实质是根据功率的变化及转速的变化，按照一定的步长改变风力机的转速，其跟踪时间长、动态响应差。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置，解决了一般的爬山法在面对外界风速快速变化时出现的跟踪时间长、动态响应差的缺点，从而加快最大功率跟踪的时间，改善一般爬山法的动态响应。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
 离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置，包括发电机、整流电路模块和升压电路模块，整流电路模块的输入端与发电机的三相输出端连接，整流电路模块的输出端与升压电路模块的输入端连接，升压电路模块的输出端与负载连接，所述整流电路模块的输出端连接有输入电流采样电路模块和输入电压采样电路模块，所述发电机的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块，所述发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块和输入电流采样电路模块的输出端与DSP控制电路模块连接，所述DSP控制电路模块根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路模块的占空比，并转换为升压电路模块功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块，所述驱动电路模块控制升压电路模块的功率开关器件的通断。
所述DSP控制电路模块采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。
所述发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块和输入电流采样电路模块分别将发电机的转速、升压电路模块的输入电压和输入电流转换为弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块。
所述驱动电路模块，用以接收来自DSP控制电路模块的控制信号，控制信号经放大之后去控制升压电路模块的功率开关器件的通断。
本实用新型的有益效果：由于采用上述的工作方式，本实用新型在爬山法基础上引入比例控制，利用比例控制动态性能良好的优势，在外界风速快速变化，迅速将风力机工作点调整到最佳工作点附近，减少跟踪时间，提高跟踪性能，并提高风力机捕获风能的效率。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
图1为本实用新型的控制装置的结构框图。
图中：1、发电机转速测量电路模块；2、输入电压采样电路模块；3、输入电流采样电路模块；4、DSP控制电路模块；5、驱动电路模块；6、整流电路模块；7、升压电路模块；8、负载；9、发电机；10、DSP控制电路模块；11、驱动电路模块A；12、驱动电路模块B。
具体实施方式      
 如图1所示，离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置，包括发电机9、不可控的整流电路模块6和升压电路模块7，整流电路模块6的输入端与发电机9的三相输出端连接，整流电路模块6的输出端与升压电路模块7的输入端连接，升压电路模块7的输出端与负载8连接，所述整流电路模块6的输出端连接有输入电流采样电路模块3和输入电压采样电路模块2，所述发电机9的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块1，所述发电机转速测量电路模块1、输入电压采样电路模块2和输入电流采样电路模块3分别将发电机9的转速、升压电路模块7的输入电压和输入电流转换为弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块4，所述DSP控制电路模块4根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路模块7的占空比，并转换为升压电路模块功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块5，所述驱动电路模块5接收来自DSP控制电路模块4的控制信号，控制信号经放大之后去控制升压电路模块7的功率开关器件的通断。
所述DSP控制电路模块4采用DSP-TMS320LF2407A型控制器，其中，TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3．3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了32K字的闪存(可加密)、2．5K的RAM、500ns转换时间的A／D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I／O功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。 DSP控制电路模块4主要完成改进型最大功率跟踪方法和PWM控制信号输出。首先对发电机转速测量电路模块1、输入电压采样电路模块2、输入电流采样电路模块3变换得到的信号进行采样，然后根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路的占空比，再转换为升压电路模块7功率开关器件的导通时间，最后通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块5。
本实用新型的改进型的最大功率跟踪方法，包括如下步骤：
（1）利用本实用新型检测风力发电机的转速及输出功率；
（2）利用本实用新型中的DSP控制电路模块，依据步骤（1）中的转速及输出功率参数，通过爬山法及比例控制法分别计算本采样周期的占空比；
（3）DSP控制电路模块将步骤（2）中的两个占空比叠加作为升压电路占空比，然后乘以开关周期得到升压电路功率开关的导通时间；
（4）步骤（3）中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，实现离网型风力发电系统的最大功率跟踪。

Claims (4)

1.一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置，包括发电机、整流电路模块和升压电路模块，整流电路模块的输入端与发电机的三相输出端连接，整流电路模块的输出端与升压电路模块的输入端连接，升压电路模块的输出端与负载连接，其特征在于：所述整流电路模块的输出端连接有输入电流采样电路模块和输入电压采样电路模块，所述发电机的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块，所述发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块和输入电流采样电路模块的输出端与DSP控制电路模块连接，所述DSP控制电路模块根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路模块的占空比，并转换为升压电路模块功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块，所述驱动电路模块控制升压电路模块的功率开关器件的通断。
2.根据权利要求1所述的离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置，其特征在于：所述DSP控制电路模块采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。
3.根据权利要求1所述的离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置，其特征在于：所述发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块和输入电流采样电路模块分别将发电机的转速、升压电路模块的输入电压和输入电流转换为弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块。
4.根据权利要求1所述的离网型风力发电系统的最大功率跟踪装置，其特征在于：所述驱动电路模块，用以接收来自DSP控制电路模块的控制信号，控制信号经放大之后去控制升压电路模块的功率开关器件的通断。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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