CN205545041U - 用于小型风力发电机的转速控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于小型风力发电机的转速控制装置，包括永磁风力发电机、整流升压模块、泄荷控制模块、负载用电模块、风机控制模块，永磁风力发电机连接整流升压模块，整流升压模块连接泄荷控制模块，泄荷控制模块连接负载用电模块，整流升压模块、泄荷控制模块和负载用电模块连接风机控制模块；其中，所述的整流升压模块包括三个上桥臂的二极管、三个下桥臂的二极管和三个开关管，所述的三个下桥臂的二极管分别和所述的三个开关管并联。本实用新型可以在连续大风环境下实现长时间的转速可控安全运行，极大地减少风机超速的概率，大大地延长了风机系统的整体寿命，而且，整个系统正常运行不需要安装风速计或其他测量风速的设备。

Description

用于小型风力发电机的转速控制装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种风力机转速控制方法及应用此方法进行转速控制的装置。

背景技术

现有的风力发电机，主要结构形式有水平轴风力机及垂直轴风力机两种。因其重量轻，结构简单，成本较低获得较为广泛的使用。但目前市场上小型风力发电机发展的一个主要问题是应对大风特别是台风时叶片的强度及安全保护措施不足，安全性能差，这其中最主要的原因就是风机在大风下运行时严重超速，从而导致机组损坏、叶片断裂，严重时危害人身财产安全。

目前，出于成本及结构设计考虑，可用于小型风力发电机的超速保护措施非常有限，电磁刹车、液压刹车、风速测量保护系统等成本偏高的保护手段几乎都不会出现在小型风机上，常规的的主要依靠偏尾、被动失速控制来控制转速，但这些手段都只能在较大的范围内控制转速，控制精度非常有限，频繁超速仍不可避免；而且偏尾是机械结构，大风时的频繁动作、撞击将严重加大其疲劳强度，也必将影响风机的整体寿命。实践表明，长期大风下运行的机器偏尾机构提前失效的机器不在少数。

目前这种小型风机容易超速，大风下易损坏的现状严重的阻碍了小型风力机的推广，短生命周期也间接增加了系统成本。针对目前小型风力机的发展现状，在有限的成本上需要一种可靠性高、控制稳定精确的转速控制手段，做到风机长期在额定转速内安全运行，从而减小机械强度要求，延长风机系统寿命，从而进一步的降低系统成本。

常规的小型风力发电系统的电能利用模式如图1所示，当风力驱动风轮叶片旋转来捕获风能，旋转的叶片带动发电机输出电能，由于小型风机通常都采用永磁发电机，发的电为三相低频交流电，此后三相交流电接入控制系统，通常经由三相不控整流桥整流为直流电，通过泄荷控制模块限制最大的输出电压后输出，输出电能的利用根据不同的应用场合主要分为和并网和离网两种；在并网应用 中，并网逆变器按照设定的电压功率曲线进行功率输出，以实现风机运行的最大功率跟踪；在离网应用模式下，在大多数情况下，为直接给电池充电，工作模式为恒压工作，即整个风机运行系统的工作点由当前的电池电压决定，当电池充满时，能量由泄荷控制模块通过泄荷器直接泄放掉，此时的工作电压为蓄电池充满时的电压，当然，也有部分离网应用时是通过DC-DC变换模块变换后给电池充电，这样风机的工作点就不受电池当前电压的限制，其工作模式与并网应用一样，是按照预先设定的电压功率曲线运行。

以上所述的小型风力机在离网系统或并网系统应用控制中，风机的工作点为当前电池电压或预设的电压功率曲线点，这种工作模式在额定风速以内一般是没有问题的，此时风机的运行转速也能控制在预先设计的范围内。但当风速超过额定风速时，以上的运行模式下就会出现频繁的超速，然后依靠偏尾机构来减速，然后再超速，再减速，以此往复，此时风机承受着巨大的冲击，叶片、塔架、偏尾机构均承受了巨大的机械负荷，直接影响了寿命。

小型风力机在大风下超速的根本原因在于，控制系统没有一种有效的功率调节手段将转速维持在某个合理的范围内；图2为永磁发电机典型的电压功率曲线(横坐标为整流后的直流电压，纵坐标为电机的输出功率，每一条曲线代表一个转速)，从图中可以看到，如果将控制器的输出电压限制在某个值，此时对应的转速不是唯一的，只要风能持续增加，转速将会持续上升以致超速。所以常规的这种电压控制模式(恒压工作或电压功率曲线)必将在大风下出现超速，一旦超速，失速控制也就失效了。根据图2可知，若想实现恒速运行，则必须实现电压功率的非单调运行，即如图中的PS1曲线(并网模式的电压功率曲线)、PS2(电池恒压工作曲线)；当风机运行达到设定的控制目标转速时，即需要实现恒转速运行控制，即当风能功率上升时，发电机输出的电压要出现下降，只有这样，发电机的输入输出工作点才有可能在当前转速下达到均衡，稳定在某设定转速上。很显然，前述常规的小型风力发电系统的控制无法实现这一要求：电池电压无法任意改变，更不可能在功率增加时迅速降低电压以配合风机工作；电压功率曲线控制模式也是预先设定好的，有其正常的工作电压区间，太低的直流电压下其无法正常工作，也就无法达到转速的恒定控制的目的了。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于小型风力发电机的转速控制装置，以在有限的成本下解决风机工作电压点的匹配问题，实现风机在大风下的稳定转速控制。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种用于小型风力发电机的转速控制装置，包括永磁风力发电机、整流升压模块、泄荷控制模块、负载用电模块、风机控制模块，永磁风力发电机连接整流升压模块，整流升压模块连接泄荷控制模块，泄荷控制模块连接负载用电模块，整流升压模块、泄荷控制模块和负载用电模块连接风机控制模块；其中，所述的整流升压模块包括三个上桥臂的二极管、三个下桥臂的二极管和三个开关管，所述的三个下桥臂的二极管分别和所述的三个开关管并联。

优选地，所述的泄荷控制模块包括一个母线电容、第一电阻、第二电阻、一个二极管和一个开关管；所述的负载用电模块包括一个二极管、第三电阻以及电池或并网逆变器，负载用电模块的二极管的负极与电池或并网逆变器连接，第三电阻的一端与电池或并网逆变器连接，第三电阻的另一端接地，泄荷控制模块的二极管和第一电阻并联，泄荷控制模块的母线电容的一端和整流升压模块的三个上桥臂的二极管的负极、泄荷控制模块的二极管的负极以及负载用电模块的二极管的正极连接，泄荷控制模块的母线电容的另一端接地；泄荷控制模块的二极管的正极连接泄荷控制模块的开关管的集电极，泄荷控制模块的开关管的发射极连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端接地，泄荷控制模块的开关管的基极连接风机控制模块；永磁风力发电机的三个绕组等效电感分别连接整流升压模块的三个上桥臂的二极管的正极、整流升压模块的三个下桥臂的二极管的负极和三个开关管的集电极，三个开关管的基极连接风机控制模块，三个开关管的发射极和三个下桥臂的二极管的正极接地。

优选地，所述的整流升压模块的三个开关管、永磁风力发电机的三个绕组等效电感、整流升压模块的三个上桥臂的二极管以及母线电容构成三个并联的Boost升压回路。

本实用新型中下桥臂并联的三个开关管(Z1、Z2、Z3)除具前述有升压功能外，还具有至少以下两个方面的应用：

第一，过压保护功能。通常情况下，风机系统的过压保护即限压功能由泄 荷控制模块来实现，即当负载无法用电时(电池充满、负载设备故障、并网停电等)或大风时风机输入能量大于负载可消耗能量时，此时由泄荷控制部分控制泄荷器将此多余的能量泄放掉，同时限制着系统的最高输出电压。这种控制系统的设计缺陷主要在于泄荷控制模块的可靠性，一旦泄荷控制模块出现失效，将不能泄放多余的能量，此时系统超速、输出过压将不可避免，轻者后接负责设备损坏，重者整个风机系统及负载全部损坏；而前述的泄荷控制模块失效的可能性是存在的，而且在实践中还比较常见，主要原因是用于泄放能量的泄荷器(一种主要由功率电阻组成的设备，靠发热来消耗能量)长时间高温运行，容易老化，由此容易造成电阻丝断裂、短路等故障；由于散热的需要，一般情况下，泄荷器均放置于室外，恶劣的环境以及较长的连接线缆也是其失效的主要原因。在本实用新型中，若出现泄荷控制模块失效，风机控制模块即会检测到直流母线电压Vdc超过设定的过压保护值时，此时执行过压保护逻辑，将升压整流升压模块的占空比m(G1、G2、G3的驱动信号占空比)设置为100％，直接将永磁发电机的输入三相进行短路；此时发电机输出电能将不能向后端继续传输，即使泄荷模块完全失效，无法释放任何能量，直流母线电压Vdc也将不会再上升，同时保护了负载设备及控制系统本身的安全；而用于小型风机的永磁发电机设计时是考虑了并允许三相短路运行一段时间而不损坏的，这为系统的进行报警和等待故障修复提供了时间。

第二，风机需要停机时的主动制动功能。当由于某种原因，风机需要停机，可以先通过转速控制系统将风机转速逐渐控制在较低的可制动转速下，然后将即将升压整流升压模块的占空比m(G1、G2、G3的驱动信号占空比)设置为100％；由于之前已将转速控制的较低，此时风机将被短路制动，转速下降到零转速附近实现了停机刹车的功能，而且此功能完全通过控制软件进行操作，具备远程控制。而常规的小型风机是没有机械刹车的，要想实现上述功能，只能将三相输入通过开关进行短路，此需要手动操作，无法实现远程控制；并且在手动操作前无法将风机速度控制在可以短路制动的安全转速下，实际转速多少，完全取决于当前的风速情况，在风稍微较大时(0.5倍的额定风速以上)，这种直接短路的制动方式很难成功，即并没有使风机停下来，反而由于在较高速度下短路时消耗的能量较小使得风机加速，进而超速，并且长时间不能停下，有着非常大的安全隐患，停 机功能可实现性很差。本实用新型的装置结合停机转速控制策略，很容易在各种风速下降低风机转速并进行制动停机，而且是完全自动执行的，判断精度准确度都很高，无需人工干预，可实现一键停机、远程停机、自动逻辑停机等各类停机控制；结合其他控制策略还可定时停机、定时开机等智能控制，使得小型风力发电机系统的可调度性、可控制性大大增强。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型可以在连续大风环境下实现长时间的转速可控安全运行，极大地减少风机超速的概率，大大地延长了风机系统的整体寿命，而且，整个系统正常运行不需要安装风速计或其他测量风速的设备。

附图说明

图1为常规的小型风力发电系统的电能利用模式图；

图2为永磁发电机典型的电压功率曲线图；

图3为用于小型风力发电机的转速控制装置的主回路拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例

如图3所示，本实用新型的用于小型风力发电机的转速控制装置，包括永磁风力发电机、整流升压模块、泄荷控制模块、负载用电模块、风机控制模块，永磁风力发电机连接整流升压模块，整流升压模块连接泄荷控制模块，泄荷控制模块连接负载用电模块，整流升压模块、泄荷控制模块和负载用电模块连接风机控制模块；其中，所述的整流升压模块包括三个上桥臂的二极管D2、D3、D4、三个下桥臂的二极管D6、D7、D8和三个开关管Z1、Z2、Z3，所述的三个下桥臂的二极管D6、D7、D8分别和所述的三个开关管Z1、Z2、Z3并联。

所述的泄荷控制模块包括一个母线电容C1、第一电阻R’1、第二电阻R’2、一个二极管D5和一个开关管Z4；所述的负载用电模块包括一个二极管D1、第三电阻R’3以及电池或并网逆变器，负载用电模块的二极管D1的负极与电池或 并网逆变器连接，第三电阻R’3的一端与电池或并网逆变器连接，第三电阻R’3的另一端接地，泄荷控制模块的二极管D5和第一电阻R’1并联，泄荷控制模块的母线电容C1的一端和整流升压模块的三个上桥臂的二极管D2、D3、D4的负极、泄荷控制模块的二极管D5的负极以及负载用电模块的二极管D1的正极连接，泄荷控制模块的母线电容C1的另一端接地；泄荷控制模块的二极管D5的正极连接泄荷控制模块的开关管Z4的集电极，泄荷控制模块的开关管Z4的发射极连接第二电阻R’2的一端，第二电阻R’2的另一端接地，泄荷控制模块的开关管Z4的基极连接风机控制模块；永磁风力发电机T1的三个绕组等效电感L1、L2、L3分别连接整流升压模块的三个上桥臂的二极管D2、D3、D4的正极、整流升压模块的三个下桥臂的二极管D6、D7、D8的负极和三个开关管Z1、Z2、Z3的集电极，三个开关管Z1、Z2、Z3的基极连接风机控制模块，三个开关管Z1、Z2、Z3的发射极和三个下桥臂的二极管D6、D7、D8的正极接地。所述的整流升压模块的三个开关管Z1、Z2、Z3、永磁风力发电机T1的三个绕组等效电感L1、L2、L3、整流升压模块的三个上桥臂的二极管D2、D3、D4以及母线电容C1构成三个并联的Boost升压回路。由于此升压回路的存在，便可以在需要时通过控制三个开关管Z1、Z2、Z3的驱动信号G1、G2、G3来控制升压的比例，以达到在负载特性不变的情况下(电池负载或采用电压功率曲线的并网逆变器负载)也能改变风机工作点的目的，实现风机的转速控制。

在额定风速以内，由于常规的转速控制模式仍然有效(恒压控制或电压功率曲线控制)，三个开关管Z1、Z2、Z3不动作，其给定的驱动信号G1、G2、G3的占空比为0，此时整个电路的工作模式与图1所示相同，即整流升压模块工作在恒压控制模式或电压功率曲线控制模式。在额定风速附近(不同类型的风机略有差异)，风机开始达到额定转速，此时进入恒转速控制模式，风机控制模块输出硬件升压驱动信号给整流升压模块，启动整流升压模块的升压功能，即根据当前转速离目标转速(恒转速控制点)的误差值来实时调整整流升压模块的升压占空比m(即驱动信号G1、G2、G3的占空比)，通过升压占空比m的改变，同时调整了风机曲线等效工作点电压Udc(RxPx)(图2中某一转速上的点)，以及直流母线电压Vdc(见图3)，上述两个电压与占空比的关系可以由下述公式来表达：

Vdc＝Udc(RxPx)*1/(1-m) (1)

其中，Vdc为直流母线电压，单位为V；Udc(RxPx)为某个转速Rx下某个功率点Px所对应的等效直流电压，可对应到图2中的任意一点，与当前运行状态相关，单位为V；m为驱动信号G1、G2、G3的占空比，也即升压占空比，取值在[0,100％]之间，调整频率可取值为数kHz，本实施例中取为2kHz。

根据式(1)可知，当恒转速控制模式尚未启动时，m＝0，风机转速为R1，输出功率为P1；此时直流母线电压Vdc等于风机曲线等效工作点电压Udc(R1P1)，此时设定的转速目标为R0；假定R1略大于R0，即需要启动恒转速控制模式，即增加升压占空比m，此将导致输出功率上升，若输出功率上升的幅度大于风能输入增加的幅度，风机将会减速，即R1会下降，也即达到了控制转速的目的；此后始终根据实际转速与目标转速的误差来调整输出的升压占空比m，循环往复，以此便可将转速恒定在目标值附近。

采用上述的用于小型风力发电机的转速控制装置进行小型风力发电机的恒转速控制模式的具体流程为：

步骤1：测定当前直流母线电压Vdc，将转速设定值R’、目标转矩T0和风机曲线等效工作点电压Udc(RxPx)初始化，R’＝250RPM，T0＝200NM，Udc(RxPx)＝Vdc；

步骤2：设定目标转速R0＝R’；

步骤3：测量当前小型风力发电机的转速Rx，若Rx>R0，按预设的步长(本实施例中选为40V/S)减小风机曲线等效工作点电压Udc(RxPx)，否则，按预设的步长(本实施例中选为20V/S)增大风机曲线等效工作点电压Udc(RxPx)，经过时间t₀＝0.05S后，进入步骤4；

步骤4：按下式计算转速Rx下的最大功率点对应的等效直流电压UdcRxPmax：

UdcRxPmax＝k*Rx

其中：UdcRxPmax为转速Rx下的最大功率点对应的等效直流电压，单位为V，Rx为当前小型风力发电机的转速，单位为RPM；K为系数，单位为V/RPM，此值由实验测试获取，本实施例中取值为1.0V/RPM；

若Udc(RxPx)小于UdcRxPmax，将Udc(RxPx)调整为与UdcRxPmax相等后 进入步骤5，否则，直接进入步骤5；

步骤5：测定当前直流母线电压Vdc；

步骤6：计算升压占空比m，m＝1-(Udc(RxPx)/Vdc)，Vdc由步骤5测定；

步骤7：若m小于0，则将m调整为0，此时，Udc(RxPx)＝Vdc，进入步骤8，否则直接进入步骤8；

步骤8：风机控制模块输出硬件升压驱动信号给整流升压模块；

步骤9：计算当前风机输出功率Po：

Po＝Vdc*Iout；其中Po为输出功率，单位为W；Vdc为直流母线电压，单位为V，由步骤5测定；Iout为输出电流，单位为A，Iout＝Vdc/RL，RL为电池或并网逆变器的等效电阻；

步骤10：计算当前风机转矩T1：

T1＝9.549*Po/Rx，其中T1为当前风机转矩，单位NM；Po为输出功率，单位为W，Rx为当前转速，单位为RPM；

步骤11：计算目标转速变化速率dR，若T1>T0，目标转速变化速率dR＝dR1，T1为当前风机转矩，T0为目标转矩，单位均为NM，dR为目标转速变化速率，单位为RPM/S，dR1为预设值，本实施例取-10RPM/S；否则，目标转速变化速率dR＝dR2，dR为目标转速变化速率，单位为RPM/S，dR2为预设值，本实施例取+1RPM/S；

步骤12：计算新的转速设定值R’＝R0+dR*t，R’为转速设定值，单位为RPM，R0为目标转速，单位也为RPM，dR为目标转速变化速率，单位为RPM/S，t为控制计算间隔，单位为S，本实施例选取0.05S，返回步骤2。

Claims (3)

1.一种用于小型风力发电机的转速控制装置，包括永磁风力发电机、整流升压模块、泄荷控制模块、负载用电模块、风机控制模块，永磁风力发电机连接整流升压模块，整流升压模块连接泄荷控制模块，泄荷控制模块连接负载用电模块，整流升压模块、泄荷控制模块和负载用电模块连接风机控制模块；其中，所述的整流升压模块包括三个上桥臂的二极管(D2、D3、D4)、三个下桥臂的二极管(D6、D7、D8)和三个开关管(Z1、Z2、Z3)，所述的三个下桥臂的二极管(D6、D7、D8)分别和所述的三个开关管(Z1、Z2、Z3)并联。

2.如权利要求1所述的用于小型风力发电机的转速控制装置，其特征在于，所述的泄荷控制模块包括一个母线电容(C1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、一个二极管(D5)和一个开关管(Z4)；所述的负载用电模块包括一个二极管(D1)、第三电阻(R3)以及电池或并网逆变器，负载用电模块的二极管(D1)的负极与电池或并网逆变器连接，第三电阻(R3)的一端与电池或并网逆变器连接，第三电阻(R3)的另一端接地，泄荷控制模块的二极管(D5)和第一电阻(R1)并联，泄荷控制模块的母线电容(C1)的一端和整流升压模块的三个上桥臂的二极管(D2、D3、D4)的负极、泄荷控制模块的二极管(D5)的负极以及负载用电模块的二极管(D1)的正极连接，泄荷控制模块的母线电容(C1)的另一端接地；泄荷控制模块的二极管(D5)的正极连接泄荷控制模块的开关管(Z4)的集电极，泄荷控制模块的开关管(Z4)的发射极连接第二电阻(R2)的一端，第二电阻(R2)的另一端接地，泄荷控制模块的开关管(Z4)的基极连接风机控制模块；永磁风力发电机(T1)的三个绕组等效电感(L1、L2、L3)分别连接整流升压模块的三个上桥臂的二极管(D2、D3、D4)的正极、整流升压模块的三个下桥臂的二极管(D6、D7、D8)的负极和三个开关管(Z1、Z2、Z3)的集电极，三个开关管(Z1、Z2、Z3)的基极连接风机控制模块，三个开关管(Z1、Z2、Z3)的发射极和三个下桥臂的二极管(D6、D7、D8)的正极接地。

3.如权利要求1所述的用于小型风力发电机的转速控制装置，其特征在于，所述的整流升压模块的三个开关管(Z1、Z2、Z3)、永磁风力发电机(T1)的三个绕组等效电感(L1、L2、L3)、整流升压模块的三个上桥臂的二极管(D2、D3、D4)以及母线电容C1构成三个并联的Boost升压回路。