CN203326690U

CN203326690U - 一种基于功率扰动控制的小型风力发电系统

Info

Publication number: CN203326690U
Application number: CN2013204111165U
Authority: CN
Inventors: 韦文生; 陈治国; 李明刚
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2023-07-09

Abstract

本实用新型提供了一种基于功率扰动控制的小型风力发电系统，包括风机叶片、风力发电机、控制装置、蓄电池组、整流器、逆变器和负载，其特征在于，所述控制装置包括电流采样电路、电压采样电路、最大功率点跟踪控制电路、充电电路和放电电路。本实用新型所述的基于功率扰动控制的小型风力发电系统，通过采用电流采样电路、电压采样电路和最大功率点跟踪控制电路能够保证风力发电机的输出功率始终保持在最大功率点附近运行，而且不需要额外增加风力检测装置，结构简单，成本低廉；本实用新型平衡了风力发电系统的输入功率和负载功率，可有效防止风力过强时发电机过载等问题。

Description

一种基于功率扰动控制的小型风力发电系统

技术领域

本实用新型属于风力发电领域，具体涉及一种基于功率扰动控制的小型风力发电系统。

背景技术

风力发电系统一般由风机、风力发电机、控制装置、蓄电池组以及负载组成。风力发电系统包括离网小型风力发电系统和单机装机容量较大的并网运行风力发电系统两种类型。离网独立运行的小型风力发电系统一般建立在电力网络未覆盖的通信基站、气象观测站、边防海岛、边远山区等区域。蓄电池作为风力发电系统中的不可或缺的储能装置，能够在风力充足的情况下，通过风机叶片捕捉风能并带动发电机将机械能转化为化学能存储在蓄电池中，在无风或低风速时将蓄电池中的化学能转化成电能向负载供电。

在风力发电系统中，由于风能是不确定的，当风力发电系统需要发电时风力可能不足，而不需要为大功率负载供电时可能风力较大；当风力发电机运行时，若负载功率低于风机捕获的风能时，便会使风力机转速过大而导致飞车；若风机瞬时输出电流过大也会导致发电机过载，烧毁线圈。因此，风力发电系统的功率控制显得尤其重要。但是，传统的风力发电系统中主要采用风速自动跟踪控制，这需要风力发电系统中加入风力检测装置，按当前风速，根据风机最佳功率负载曲线的给出额定功率，与发电机的输出功率求差得到误差值，经过PI调节器得出发电机的可控参数值，通过调节发电机输出电流的大小，最终实现发电机输出功率的调节。这种控制方式，需要额外增加风力检测装置，结构比较复杂，成本较高。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种结构简单、成本较低的基于功率扰动控制的小型风力发电系统。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种基于功率扰动控制的小型风力发电系统，包括风机叶片、风力发电机、控制装置、蓄电池组、整流器、逆变器和负载，其特征在于，所述控制装置包括电流采样电路、电压采样电路、最大功率点跟踪控制电路、充电电路和放电电路；所述电流采样电路用于采集风力发电机输出的电流；电流采样电路的输入端与风力发电机相连，输出端与最大功率点跟踪控制电路相连；所述电压采样电路用于采集风力发电机输出的电压，电压采样电路的输入端与风力发电机相连，输出端与最大功率点跟踪控制电路相连；所述最大功率点跟踪控制电路用于采用功率扰动的方式使风力发电机以最大功率输出，最大功率点跟踪控制电路与电流采样电路、电压采样电路和风力发电机均相连；所述充电电路用于对蓄电池组进行充电控制，充电电路的输入端与风力发电机相连，输出端与蓄电池组相连；所述放电电路用于对蓄电池组进行放电控制，放电电路的输入端与蓄电池组相连，输出端与负载相连。

本实用新型所述的基于功率扰动控制的小型风力发电系统，通过采用电流采样电路、电压采样电路和最大功率点跟踪控制电路能够保证风力发电机的输出功率始终保持在最大功率点附近运行，而且不需要额外增加风力检测装置，结构简单，成本低廉；本实用新型平衡了风力发电系统的输入功率和负载功率，可有效防止风力过强时发电机过载等问题。

进一步的，其还包括DC/DC变换器，所述DC/DC变换器用于将蓄电池组输出的固定的直流电转换为电压电流大小可调的直流电，DC/DC变换器与蓄电池组相连。

如此设置，可以使该风力发电系统不仅可以对交流负载进行供电，也可以对直流负载进行供电。

进一步的，所述整流器包括一不可控整流桥电路。

如此设置，不仅可以把风力发电机输出的交流电变换为适合蓄电池充电的直流电，在风力过小而不足以驱动风力发电机的时候，还能通过二极管的单向导通特性防止蓄电池对风力发电机反向供电，起到保护风力发电系统的作用。

进一步的，其还包括蓄电池参数采样电路，所述蓄电池参数采样电路用于实时对蓄电池组的端电压进行采样；所述蓄电池参数采样电路与充电电路和蓄电池组相连。

如此设置，可以使充电电路的充电电流随着蓄电池端电压的升高而降低，使得充电过程中的能量损失降到最低，延长蓄电池组的使用寿命。进一步的，其还包括温度检测电路，所述温度检测电路用于检测蓄电池组的实时温度，所述温度检测电路与充电电路和蓄电池组相连。

如此设置，可以使充电电路在充电过程中根据蓄电池温度的改变对充电曲线进行修正。

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述。

附图说明

图1为本实用新型所述控制装置的结构框图；

图2为系统电路原理图；

图3为充电电路的电路原理图；

图4为放电电路的电路原理图；

图5为整流器的电路原理图；

图6为逆变器的电路原理图；

图7为DC/DC变换器的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种基于功率扰动控制的小型风力发电系统，包括风机叶片、风力发电机、控制装置、蓄电池组、整流器、逆变器和负载。如图1所示，所述控制装置包括电流采样电路、电压采样电路、最大功率点跟踪控制电路、充电电路和放电电路；所述电流采样电路用于采集风力发电机输出的电流；电流采样电路的输入端与风力发电机相连，输出端与最大功率点跟踪控制电路相连；所述电压采样电路用于采集风力发电机输出的电压，电压采样电路的输入端与风力发电机相连，输出端与最大功率点跟踪控制电路相连；所述最大功率点跟踪控制电路用于采用功率扰动的方式使风力发电机以最大功率输出，最大功率点跟踪控制电路与电流采样电路、电压采样电路和风力发电机均相连；所述充电电路用于对蓄电池组进行充电控制，充电电路的输入端与风力发电机相连，输出端与蓄电池组相连；所述放电电路用于对蓄电池组进行放电控制，放电电路的输入端与蓄电池组相连，输出端与负载相连。

最大功率点跟踪控制电路的控制思想是当风力发电系统处于稳定阶段时，施加一个微小扰动给控制量，如果输出功率发生变化且变化值大于零，就以施加扰动前的系统功率值加上扰动量作为系统的最大功率值，如此反复进行扰动叠加，直到施加扰动时系统功率变化量小于零，说明加上前一个扰动量之后系统已经超过了最大功率值。正是基于这种不断趋近的方法，能够保证风力发电机的输出功率保持在最大功率点附近运行。最大功率点跟踪控制电路可以采用如系统电路原理图2中的MPPT控制电路实现。

充电电路的电路原理图如图3所示，风力发电机输出的电源经过整流降压后变换为220 V的交变电流，在系统为外接负载供电时，可直接将经过整流降压的电源直接提供给负载使用，在无外接负载时，通过充电电路中的变压器将220 V交变电流变换为18 V左右的交变电流，然后通过三级整流器逐级降压，变换为5 V的直流电压为铅酸蓄电池充电。充电电路中的二极管及电容的作用是解决充电电流上升沿上翘的问题，同时可以避免风力突然变大导致风力机瞬时输出功率过大的尖峰电流对蓄电池的冲击。

放电电路的电路原理图如图4所示，本实用新型采用放电电压控制法对铅酸蓄电池进行放电控制，其实现方法是通过控制保持直流母线电压的稳定来保证蓄电池在能够获得充足的充电电流情况下对负载输出电量。当检测到铅酸蓄电池的电压接近其设定的过放电压时，给出报警；而低于下限电压时蓄电池能够及时停止放电。蓄电池的放电控制是通过单片机实现的，单片机输出一个经过D/A转换为5V左右的直流电压作为放电大小信号，通过这个放电信号控制NE555芯片的CV管脚来调整输出频率，在其不工作时经过0.01uF的电容与地相连可防止干扰。

用NE555组建成的脉宽调制电路频率可用下式表示：

Figure 2013204111165100002DEST_PATH_IMAGE001

式中， R_A、R_B为NE555的A、B端口高电平信号，C为电容。

NE555芯片的Q管脚输出的脉冲信号占空比与5脚输入的直流电压信号成正比关系，因此可以通过调节CV管脚的输入电压很容易实现输出占空比从0%到100%的调节。图4中CD4053BE为模拟开关，其控制着NE555芯片的Q管脚与放电大功率场效应管的连接通断。

由于风力发电机输出的一般为交变电流，而铅酸蓄电池只能接受直流电流进行充电，整流器的作用就是将风力发电机输出的交流电变换为适合对蓄电池充电的直流电。常见的整流器有可控整流器与不可控整流器两种，可控整流器在较大装机容量的风力发电系统中比较常见，而小型风力发电系统一般采用不可控整流桥作为整流器。

图5所示为本实用新型采用的不可控整流桥电路原理图，其不仅可以把风力发电机输出的交流电变换为适合蓄电池充电的直流电，在风力过小而不足以驱动风力发电机的时候，还能通过二极管的单向导通特性防止蓄电池对风力发电机反向供电，起到保护风力发电系统的作用。

逆变器也是风力发电系统中必不可少的组件，其作用是将蓄电池输出的直流电源变换为交变电流提供给交流负载使用。IGBT（绝缘双极型晶体管）具备功率场效应晶体管以及大功率晶体管工作速度快、驱动功率小、大电流承受能力高、导通电压低等优点，故IGBT常被用作小型风力发电系统的逆变器。

图6所示的逆变器是小型风电系统中最常用的一种，它由四个开关管组成，在逆变器工作时，其中两个开关管同时导通和关断，另外一组也同时导通和关断，且同一桥臂上的两个开关管不能同时导通，否则会造成直流电源的短路。每个开关管上都反并联着一个续流二极管，其作用是为交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。

蓄电池输出的直流电进行交流变换后可以对交流负载进行供电，在某些情况下，也需要对直流负载进行供电，DC/DC变换器的作用就是将蓄电池输出的电压电流值固定的直流电转换为电压电流大小可调的直流电。DC/DC变换器是通过开关电源进行控制的，通过开关电源电路中开关管的开关和导通时间长短，改变占空比来控制蓄电池向负载输出的电量大小。DC/DC变换器的电路原理图如图7所示，其工作原理是：当开关管Q导通时，蓄电池输出电压经过电容C1整流后流经电感L同时二极管D截止，当开关管断开时，L产生感应电动势向负载把前一段的能量释放，二极管D导通，在这个过程中输出电压极性不变且输出特性曲线比较平稳。电容C2的作用是进一步减小输出电压的纹波。DC/DC变换器输出的电压大小主要取决于开关管Q的导通时间，其占空比越高，输出电压也就越高。

本实用新型还包括蓄电池参数采样电路，所述蓄电池参数采样电路用于实时对蓄电池组的端电压进行采样；所述蓄电池参数采样电路与充电电路和蓄电池组相连。如此设置，可以使充电电路的充电电流随着蓄电池端电压的升高而降低，使得充电过程中的能量损失降到最低，延长蓄电池组的使用寿命。本实用新型还包括温度检测电路，所述温度检测电路用于检测蓄电池组的实时温度，所述温度检测电路与充电电路和蓄电池组相连。如此设置，可以使充电电路在充电过程中根据蓄电池温度的改变对充电曲线进行修正。

本实用新型不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本实用新型，因此，凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种基于功率扰动控制的小型风力发电系统，包括风机叶片、风力发电机、控制装置、蓄电池组、整流器、逆变器和负载，其特征在于，所述控制装置包括电流采样电路、电压采样电路、最大功率点跟踪控制电路、充电电路和放电电路；所述电流采样电路用于采集风力发电机输出的电流；电流采样电路的输入端与风力发电机相连，输出端与最大功率点跟踪控制电路相连；所述电压采样电路用于采集风力发电机输出的电压，电压采样电路的输入端与风力发电机相连，输出端与最大功率点跟踪控制电路相连；所述最大功率点跟踪控制电路用于采用功率扰动的方式使风力发电机以最大功率输出，最大功率点跟踪控制电路与电流采样电路、电压采样电路和风力发电机均相连；所述充电电路用于对蓄电池组进行充电控制，充电电路的输入端与风力发电机相连，输出端与蓄电池组相连；所述放电电路用于对蓄电池组进行放电控制，放电电路的输入端与蓄电池组相连，输出端与负载相连。

2.根据权利要求1所述的基于功率扰动控制的小型风力发电系统，其特征在于，其还包括DC/DC变换器，所述DC/DC变换器用于将蓄电池组输出的固定的直流电转换为电压电流大小可调的直流电，DC/DC变换器与蓄电池组相连。

3.根据权利要求1所述的基于功率扰动控制的小型风力发电系统，其特征在于，所述整流器包括一不可控整流桥电路。

4.根据权利要求1所述的基于功率扰动控制的小型风力发电系统，其特征在于，其还包括蓄电池参数采样电路，所述蓄电池参数采样电路用于实时对蓄电池组的端电压进行采样；所述蓄电池参数采样电路与充电电路和蓄电池组相连。

5.根据权利要求1所述的基于功率扰动控制的小型风力发电系统，其特征在于，其还包括温度检测电路，所述温度检测电路用于检测蓄电池组的实时温度，所述温度检测电路与充电电路和蓄电池组相连。