CN2461194Y - 一种提高风力发电能量利用率的送变电装置 - Google Patents

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Abstract

一种提高风力发电装置利用率的送变电装置,该装置由整流滤波器、宽范围泵升稳压电路、蓄电池、SPWM单相逆变桥和输出滤波器依次组成。由于采用了宽范围泵升稳压电路,本装置能够将风力发电过程中低速风能和不稳定风能产生的电能提升为稳定的可以利用的电能。使用本装置可以不在风力发电设备中设置调速系统和升速传动装置,风轮叶片也可以做成固定桨距。

Description

一种提高风力发电能量利用率的送变电装置
本实用新型涉及风能发电用电领域，特别是风力发电送变电装置。
风能源利用的课题是如何较合理地解决风能密度低，随机性、间隙性……等问题，以及如何采用蓄能方式去配合，使用户得到稳定高质量的电能。已有风力发电送变电装置通常是利用蓄电池贮存一定电能，无风时用蓄电池供电。为了最大限度地利用风能，现有技术必须在风力发电装置中设置调速系统，升速传动装置。这样的构成有以下缺陷：1．机构复杂程度高，制造费用高，可靠性下降；2．能量没有最大限度的利用，低速和高速风能利用得不好，能量利用率低。3．输出到用户的电能质量不好，其电压和频率的稳定性差。
本实用新型的目的是提供一种使风力发电装置机械结构简单、制造成本低、运行可靠、风能利用率高、供电稳定的风力发电送变电装置。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案之一是：一种提高风力发电能量利用率的装置，该装置由整流滤波器、宽范围泵升稳压电路、蓄电池、SPWM单相逆变桥和输出滤波器组成；整流滤波器的输入端1、2接单相永磁发电机的两输出端，其输出端3、4接宽范围泵升稳压电路的输入端，宽范围泵升稳压电路的输出端5、4分别接蓄电池B1的正极和负极，SPWM单相逆变桥的两输入端接端5、端4，输出端6、7分别接输出滤波器的输入端，输出滤波器的输出端8、9接单相负载。
整流滤波器由二极管D1、D2、D3、D4和电容器C1组成；D1和D2、D3和D4接成单相整流桥与C1并联，形成输出端3、4，该整流桥的另外两个联接点形成输入端1、2。
宽范围泵升稳压电路由电抗器L1、开关管T1、二极管D5、电容C2、C3、电阻R1、R2、驱动单元Q1和控制单元DY1组成；L1接端3，另一端接D5正极和T1,T1的控制端接Q1，另一端接公共端4,R1和R2串联后与C1、C3并联，R1端与D5负极联接形成输出端5,R2端与公共端4相联接，R1和R2的连接点接DY1的端1,Q1的另一端接DY1的端2。
SPWM单相逆变桥由开关管T11、T12、T21、T22，续流管D11、D12、D21、D22，驱动单元Q11、Q12、Q21、Q22和单相SPWM发生器DY2，电压负反馈单元DY3，过流检测单元DY4组成；T11和T12、T21和T22、D11和D12、D21和D22分别串联后跨接在端5、端4上，T11和T12、D11和D12的串联中点联接后成端7接电感L2,T21和T22、D21和D22的串联中点联接后成端6接电感L2的另端，Q11、Q12、Q21、Q22的各自两端分别接在T11、T12、T21、T22的控制极和DY2的输出端上，DY2的各输入端接DY3、DY4的输出端，DY3的两输入端分别接端6、7,DY4的两输入端分别接电流互感器S41、S42。
输出滤波器由电感L2和电容器C41、C42、C43组成；L2由两组线圈构成，其中一组接在端6、8上，另一组接在端7、9上，C41和C42串联后与C43一起并联在端8、9上，C41和C42串联的中间联接点接端4。
本实用新型的技术方案之二是：一种提高风力发电能量利用率的送变电装置，该装置由PFC型三相整流滤波电路、蓄电池、SPWM控制三相逆变桥，三组LC滤波器和公共端PE组成；PFC型三相整流滤波电路的输入端1、端2、端3分别接三相永磁发电机的三个输出端，其公共端PE接三相永磁发电机的中性点，PFC型三相整流滤波电路的两个输出端8、端9分别接串联蓄电池B11、B12的两端，其另一输出端7接蓄电池B11、B12的中间联接点后再接PE端；SPWM控制三相逆变桥的正负电源端接端8、端9，其三相输出端接三组LC滤波器的端10、端11、端12，三组LC滤波器的接地点接PE，其三个输出端13、端14、端15接三相负载的U、V、W端，PE极接负载的中性点。
PFC型三相整流滤波电路由电抗器L11、L12、L13，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电容C11、C12、C13、C21、C22、C31、C32，电阻R31、R32、R33、R11、R12、R21、R22，整流桥Z1、Z2、Z3，开关管Q1、Q2、Q3，检测控制驱动单元DY1、DY2、DY3，检测电路DY4组成；Z1、Z2、Z3的各交流输入端分别跨接在端4、端5、端6及公共端PE上，其各整流输出端分别接Q1、Q2、Q3的源极和漏极，Q1、Q2、Q3的控制极和源极27、28、29、30、31、32分别接控制单元DY1、DY2、DY3的输出。DY1、DY2、DY3的输入电流信号端16、19、22分别接电流互感器S11、S12、S13，其输入电压信号端18、21、24分别接R31、R32、R33,R31、R32、R33的另一端分别接端1、端2、端3和C11、C12、C13,C11、C12、C13的另一端接PE端；DY4的两输入端接端25、26，地线接PE，其三输出端分别接DY1、DY2、DY3的端17、20、23；D1和D2、D3和D4、D5和D6接成三相整流桥后跨接在端8、端9上，其交流输入端子分别接端4、端5、端6,C21和C22、C31和C32分别串联后跨接在端8、端9上，其联接点相接后成端7与PE相接；R11、R12、R22、R21串联后跨接在端8、端9上，其中间联接点接PE，另二个连接点25、26接DY4；L11、L12、L13分别接在端1、4，端2、5，端3、6之间。
SPWM控制三相逆变桥由开关管T11、T12、T21、T22、T31、T32，续流管D11、D12、D21、D22、D31、D32，驱动级Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32、三相SPWM发生器DY5、电压负反馈单元DY7、过流检测单元DY8组成；T11和T12、T21和T22、T31和T32、D11和D12、D21和D22、D31和D32分别串联后跨接在端8、端9上，T11和T12、D11和D12的串联中点联接后成端10接电抗器L41,T21和T22、D21和D22的串联中点联接后成端11接电抗器L42,T31和T32、D31和D32的串联中点联接后成端12接电抗器L43,Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32的各自两端分别接在T11、T12、T21、T22、T31、T32的控制极和DY5的输出端上，DY5的各输入控制端接DY6、DY7、DY8的输出端，DY7的三输入端分别接端10、11、12,DY8的三输入端分别接电流互感器S51、S52、S53。
三组LC滤波器由电抗器L41、L42、L43和电容器C41、C42、C43组成；L41和C41、L42和C42、L43和C43分别串联，其电抗器端分别接端10、11、12，电容器端接PE，串联后的中点分别成为本装置的三个输出端。
由第一技术方案构成的系统适应于孤立运行的小型风力发电单相机组，对中等以上容量的三相机组，可以采用第二技术方案。同时第二技术方案还可适用于风能发电与电网并联运行的情况。
由于本实用新型采用了宽范围泵升稳压电路或PFC型三相整流滤波电路，使低速风能和间断不稳的风能得到了充分利用，由于本实用新型的实现，风能接收装置不必做成变桨距结构，传统的调速系统将不再需要，从而使风力机的结构简单、造价低廉、运行成本低，供电更加稳定可靠。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
图1为典型风一电能量转换装置示意图。
图2为单相风力发电送变电装置电路方框图。
图3为三相风力发电送变电装置电路方框图。
图4为单相风力发电送变电装置较详细主回路和控制方框图。
图5为三相风力发电送变电装置较详细主回路和控制方框图。
图2、图4所示的一种单相风力发电送变电装置，该装置由整流滤波器、宽范围泵升稳压电路、蓄电池、SPWM单相逆变桥和输出滤波器组成；整流滤波器的输入端1、2接单相永磁发电机的两输出端，其输出端3、4接宽范围泵升稳压电路的输入端，宽范围泵升稳压电路的输出端5、4分别接蓄电池B1的正极和负极，SPWM单相逆变桥的两输入端接端5、端4，输出端6、7分别接输出滤波器的输入端，输出滤波器的输出端8、9接单相负载。
整流滤波器由二极管D1、D2、D3、D4和电容器C1组成；D1和D2、D3和D4接成单相整流桥后与C1并联，形成输出端3、4，该整流桥的另外两个联接点形成输入端1、2。
宽范围泵升稳压电路由电抗器L1、开关管T1、二极管D5、电容C2、C3、电阻R1、R2、驱动单元Q1和控制单元DY1组成；L1接端3，另一端接D5正极和T1,T1的控制端接Q1，另一端接公共端4,R1和R2串联后与C1、C3并联，R1端与D5负极联接形成输出端5,R2端与公共端4相联接，R1和R2的连接点接DY1的端1,Q1的另一端接DY1的端2。
SPWM单相逆变桥由开关管T11、T12、T21、T22，续流管D11、D12、D21、D22，驱动单元Q11、Q12、Q21、Q22和单相SPWM发生器DY2，电压负反馈单元DY3，过流检测单元DY4组成；T11和T12、T21和T22、D11和D12、D21和D22分别串联后跨接在端5、端4上，T11和T12、D11和D12的串联中点联接后成端7接电感L2,T21和T22、D21和D22的串联中点联接后成端6接电感L2的另端，Q11、Q12、Q21、Q22的各自两端分别接在T11、T12、T21、T22的控制极和DY2的输出端上，DY2的各输入端接DY3、DY4的输出端，DY3的两输入端分别接端6、7,DY4的两输入端分别接电流互感器S41、S42。
输出滤波器由电感L2和电容器C41、C42、C43组成；L2由两组线圈构成，其中一组接在端6、8上，另一组接在端7、9上，C41和C42串联后与C43一起并联在端8、9上，C41和C42串联的中间联接点接端4。
风力机FL是一台固定浆距，具备空气动力学要求的高效风力机，它的输出轴驱动一台永磁交流发电机FD，因为使用了固定桨距风力机和永磁交流发电机，使得这两部分的结构简化、造价降低、维护简单。
发电机FD输出接到由D1、D2、D3、D4二极管组成的全波整流桥臂上，整流桥的输出接电容滤波器C1，当发电机发电时，电容C1上充电到发电机输出电压的峰值。
电容C1两端接到由电抗器L1、开关管T1、二极管D5、电容C2、C3、电阻R1、R2、驱动单元Q1、控制单元DY1所组成的宽范围泵升稳压电路，该电路的开关管T1、接在电抗器L1与二极管D5之间，电阻R1、R2对升高了的电压进行分压取样后，将取样电压送到单元DY1，电容C2、C3接在二极管D5之后，在C2、C3上获得升高了的电压，作为单相风力发电系统，一般将电压升到390V左右，而电容C1上的电压可以在100-300V宽范围变动，它来自不稳定的风力发电电压，泵升的简略原理是T1导通时电容C1上的电能以电流的磁能方式储存于L1内，当T1关断时，L1上的磁能量转变为高电压并通过D5对C2、C3充电，经过R1、R2分压，取得升压后的反馈电压信号，再经DY1单元对T1进行调整，使T1的脉冲通断间隔变化，从而稳定C2、C3上的电压。
蓄电池B1通过开关J1同C2、C3并联，泵升电压通过D5对C2、C3充电的同时，实际上对蓄电池B1充电，将电能储存在蓄电池中，为了更换电池，设置了开关J1，为了安全充电，设置了电流传感器S1，由S1取得充电电流信号，当过充电一旦发生，则S1输出的信号通过DY1单元处理后控制T1，使得充电电流不会太大。
电池B1后面接的是逆变桥，它将直流高压(390V)变换成交流电，该逆变桥以SPWM方式(正弦脉宽调制)工作，它由开关管T11、T12、T21、T22，续流管D11、D12、D21、D22，驱动单元Q11、Q12、Q21、Q22，单相SPWM发生器DY2单元、电压负反馈单元DY3、过流检测单元DY4所组成。其输出成为正弦波脉宽调制的一系列矩形波，经过滤波器后，输出给负载的仍然为正弦波。DY3和DY4两个单元的作用，使逆变桥的输出电压因负反馈而稳定，电流因S41、S42取样而受到监控，一旦外部负载发生过流，逆变器不会输出过大电流而遭受损坏。
为了消除SPWM调制而产生的大量干扰、周围的用电器不利及电容性负载对逆变器的损害，逆变器与负载之间插入了由L2、C41、C42、C43组成的输出滤波器，使脉冲性干扰得以抑制。
图3、图5所示的一种三相风力发电送变电装置，该装置由PFC型三相整流滤波电路、蓄电池、SPWM控制三相逆变桥，三组LC滤波器和公共端PE组成；PFC型三相整流滤波电路的输入端1、端2、端3分别接三相永磁发电机的三个输出端，其公共端PE接三相永磁发电机的中性点，PFC型三相整流滤波电路的两个输出端8、端9分别接串联蓄电池B11、B12的两端，其另一输出端7接蓄电池B11、B12的中间联接点后再接PE端；SPWM控制三相逆变桥的正负电源端接端8、端9，其三相输出端接三组LC滤波器的端10、端11、端12，三组LC滤波器的接地点接PE，其三个输出端13、端14、端15接三相负载的U、V、W端，PE极接负载的中性点。
PFC型三相整流滤波电路由电抗器L11、L12、L13，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电容C11、C12、C13、C21、C22、C31、C32，电阻R31、R32、R33、R11、R12、R21、R22，整流桥Z1、Z2、Z3，开关管Q1、Q2、Q3，检测控制驱动单元DY1、DY2、DY3，检测电路DY4组成；Z1、Z2、Z3的各交流输入端分别跨接在端4、端5、端6及公共端PE上，其各整流输出端分别接Q1、Q2、Q3的源极和漏极，Q1、Q2、Q3的控制极和源极27、28、29、30、31、32分别接控制单元DY1、DY2、DY3的输出。DY1、DY2、DY3的输入电流信号端16、19、22分别接电流互感器S11、S12、S13，其输入电压信号端18、21、24分别接R31、R32、R33,R31、R32、R33的另一端分别接端1、端2、端3和C11、C12、C13,C11、C12、C13的另一端接PE端；DY4的两输入端接端25、26，地线接PE，其三输出端分别接DY1、DY2、DY3的端17、20、23；D1和D2、D3和D4、D5和D6接成三相整流桥后跨接在端8、端9上，其交流输入端子分别接端4、端5、端6,C21和C22、C31和C32分别串联后跨接在端8、端9上，其联接点相接后成端7与PE相接；R11、R12、R22、R21串联后跨接在端8、端9上，其中间联接点接PE，另二个连接点25、26接DY4；L11、L12、L13分别接在端1、4，端2、5，端3、6之间。
SPWM控制三相逆变桥由开关管T11、T12、T21、T22、T31、T32，续流管D11、D12、D21、D22、D31、D32，驱动级Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32、三相SPWM发生器DY5、电压负反馈单元DY7、过流检测单元DY8组成；T11和T12、T21和T22、T31和T32、D11和D12、D21和D22、D31和D32分别串联后跨接在端8、端9上，T11和T12、D11和D12的串联中点联接后成端10接电抗器L41,T21和T22、D21和D22的串联中点联接后成端11接电抗器L42,T31和T32、D31和D32的串联中点联接后成端12接电抗器L43,Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32的各自两端分别接在T11、T12、T21、T22、T31、T32的控制极和DY5的输出端上，DY5的各输入控制端接DY6、DY7、DY8的输出端，DY7的三输入端分别接端10、11、12,DY8的三输入端分别接电流互感器S51、S52、S53。
三组LC滤波器由电抗器L41、L42、L43和电容器C41、C42、C43组成；L41和C41、L42和C42、L43和C43分别串联，其电抗器端分别接端10、11、12，电容器端接PE，串联后的中点分别成为本装置的三个输出端。
从图5可以看到，它比图4变动了以下内容：使用了三相永磁发电机，将整流滤波器和宽范围泵升稳压电路由PFC型整流滤波电路代替；SPWM单相逆变桥改成SPWM三相逆变桥；增加了锁相同步控制环节。
风力机FL驱动三相永磁发电机FD,FD的三相绕组输出交流电AC200-400V，送入PFC型整流滤波电路。使用的PFC型电路接成三相形式，每相均有电抗器(L11、L12、L13)和正负值整流滤波器(D1、D2,D3、D4,D5、D6及C21、C31,C22、C32)，脉宽调制驱动电路(Z1、Z2、Z3、Q1、Q2、Q3)输入功率因数校正脉宽调制控制电路(DY1、DY2、DY31单元)，由取样电阻R11、R12、R21、R22提供信号的正负值整流输出电压检测电路DY4等所组成。由这些构成的PFC型整流滤波电路对发电机FD提供最佳功率因数，FD发出电压在宽范围变化时，都能把它的电压整成+390V和-390V。
电容器C21、C31和C22、C32用来构成PFC型电路的交流通路和后面的三相逆变桥的贮能及滤波回路，两组电压相等的高电压蓄电池B11和B12储存±390V直流电，它把风力发电机不稳定能源通过PFC电路的电压提升和反馈稳定后，以直流电形式储存起来。
SPWM控制三相逆变桥由开关管T11、T12、T21、T22、T31、T32，续流管D11、D12、D21、D22、D31、D32，驱动级Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32所组成，其信号来自三相SPWM发生器DY5,SPWM发生器是一个三相正弦波脉冲宽度调制器，它产生的信号使T11-T32按要求切换，从而输出按正弦律调制的脉冲，由于受到电压反馈单元DY7和电流反馈单元DY8的控制，输出的三相正弦电压幅度得到稳定，输出过载时逆变器功率元件受到保护。
为了消除因脉冲调制带来的干扰，在输出端用L41、C41、L42、C42、L43、C43构成的滤波器，净化输出电压，使用户得到高品质正弦电压。
S11、S12、S13和S51、S52、S53分别是输入端和输出端电流互感器，分别对PFC电路(DY1、DY2、DY3)和过流检测单元(DY8)提供电流信号。
切换开关J31、J32用于风力发电装置供电转换到电网供电的切换，以及这两个电系统的并联运行切换。当风力发电装置专门用来作为向电网提供电能的使用场合时，该装置内的贮能蓄电池B11、B12可以省去，以节省装置的总费用。
为了严格地使风力发电三相电的电压相位同电网一致，以保证两个系统的并联运行，引入了锁相同步控制单元DY6。
以上电路的每一个部分和单元而言，都是已有的通用技术，而这些电路经本实用新型的组合，使得风力发电不稳定能源能够稳定地利用，提高了风力发电能量的利用率。
对于其它不稳定能源转换为电能的装置，如潮汐发电、波浪发电装置，同样可以使用本实用新型的电路原理，把不稳定的电能转变为幅值和频率稳定的交流电能。

Claims (5)

1．一种提高风力发电能量利用率的送变电装置，其特征是：该装置由整流滤波器、宽范围泵升稳压电路、蓄电池、SPWM单相逆变桥和输出滤波器组成；整流滤波器的输入端(1)、(2)接单相永磁发电机的两输出端，其输出端(3)、(4)接宽范围泵升稳压电路的输入端，宽范围泵升稳压电路的输出端(5)、(4)分别接蓄电池B1的正极和负极，SPWM单相逆变桥的两输入端接端(5)、端(4)，输出端(6)、(7)分别接输出滤波器的输入端，输出滤波器的输出端(8)、(9)接单相负载。
2．根据权利要求1所述的提高风力发电能量利用率的送变电装置，其特征在于：所述整流滤波器由二极管D1、D2、D3、D4和电容器C1组成；D1和D2、D3和D4接成单相整流桥后与C1并联，形成输出端(3)、(4)，该整流桥的另外两个联接点形成输入端(1)、(2)。
3．根据权利要求1所述的提高风力发电能量利用率的送变电装置，其特征在于：所述宽范围泵升稳压电路由电抗器L1、开关管T1、二极管D5、电容C2、C3、电阻R1、R2、驱动单元Q1和控制单元DY1组成；L1接端(3)，另一端接D5正极和T1,T1的控制端接Q1，另一端接公共端(4),R1和R2串联后与C1、C3并联，R1端与D5负极联接形成输出端(5),R2端与公共端(4)相联接，R1和R2的连接点接DY1的端(1),Q1的另一端接DY1的端(2)。
4．根据权利要求1所述的提高风力发电能量利用率的送变电装置，其特征在于：所述SPWM单相逆变桥由开关管T11、T12、T21、T22，续流管D11、D12、D21、D22，驱动单元Q11、Q12、 Q21、Q22和单相SPWM发生器DY2，电压负反馈单元DY3，过流检测单元DY4组成；T11和T12、T21和T22、D11和D12、D21和D22分别串联后跨接在端(5)、端(4)上，T11和T12、D11和D12的串联中点联接后成端(7)接电感L2,T21和T22、D21和D22的串联中点联接后成端(6)接电感L2的另端，Q11、Q12、Q21、Q22的各自两端分别接在T11、T12、T21、T22的控制极和DY2的输出端上，DY2的各输入端接DY3、DY4的输出端，DY3的两输入端分别接端(6)、(7),DY4的两输入端分别接电流互感器S41、S42。
5．根据权利要求1所述的提高风力发电能量利用率的送变电装置，其特征在于：所述输出滤波器由电感L2和电容器C41、C42、C43组成；L2由两组线圈构成，其中一组接在端(6)、(8)上，另一组接在端(7)、(9)上，C41和C42串联后与C43一起并联在端(8)、(9)上，C41和C42串联的中间联接点接端(4)。
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