專利名稱：離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及發(fā)電機控制系統(tǒng)，具體說是一種離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸 風力發(fā)電機控制系統(tǒng)。
背景技術：
垂直軸風力發(fā)電機以轉速低、噪聲小、易維修、控制簡單、效率高等特點優(yōu)于水平 軸風力發(fā)電機。以往的小型風電機控制系統(tǒng)往往采用單片機+不可控整流+降壓裝置+卸 荷裝置+蓄電池，即控制系統(tǒng)將發(fā)電機產(chǎn)生的交流電，整流后，降壓處理將電壓穩(wěn)定在蓄電 池的浮充電壓上，為蓄電池充電，不考慮國家電網(wǎng)覆蓋到的地方的應用。由于垂直軸風力 發(fā)電機的轉速較低，低速下發(fā)電機的輸出電壓在一定轉速范圍內(nèi)較低，無法將能量輸送給 蓄電池，只能被浪費掉。長時間的虧電給用戶帶來生活的不便和蓄電池的損壞，在有市電的 地方，實行人工切換市電，較為麻煩且不經(jīng)濟，單片機軟硬件的開發(fā)需要較高的專業(yè)技術水 平，給設計開發(fā)帶來了一定的難度。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的正是針對上述現(xiàn)有技術所存在的問題而設計的一種克服了現(xiàn) 有技術缺陷并可自動控制轉換的離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，包括垂直軸風力發(fā)電機和 由整流器、PLC控制器、升壓裝置、卸荷裝置、蓄電池、逆變器構成的控制系統(tǒng)，發(fā)電機輸出端 接入整流器的輸入端子，經(jīng)整流器將電壓、頻率變化的三相交流電，變?yōu)殡妷鹤兓l率不變 的直流電送入直流升壓裝置，PLC通過檢測回路電壓、電流、進行運算、調(diào)整輸出PWM脈沖， 將電壓升至電池的設定充電電壓，為蓄電池充電，同時逆變器將直流逆變?yōu)榻涣?，供用戶?用，當蓄電池充滿或發(fā)電機電壓過高，系統(tǒng)啟動卸荷系統(tǒng)，將多余的能量通過電阻消耗掉。該控制系統(tǒng)中還可通過電纜將太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入到系統(tǒng)的直流母線端子上，同 時市電也可接入到系統(tǒng)的市電輸入端子上，并通過系統(tǒng)內(nèi)置的接觸器可以選擇、或自動實 現(xiàn)風、光能源和市電的轉換。所述控制器的主控CPU由蓄電池供電，各輸入、輸出開關量經(jīng)過端子對應接在CPU 的輸入、輸出點上，10. 0、10. 1、10. 2、II. 1分別連接選擇開關的市電、自動、和風能轉換信 號，10. 4連接市電檢測信號、10. 6連接制動開關信號，II. 1連接轉速檢測信號；PLC的輸 出Q0. 4、Q0. 5、Q0. 6、Q0. 7、Ql. 0、分別連接電池接通、能源切換、制動、直流負載、逆變供電、 Q0. 0、Q0. 1輸出兩路PWM脈沖，去驅動電路。所述控制器采用西門子公司的S7-200，CPU226可編程控制器同時擴展模擬量輸 入模塊(EM231) —塊，4路輸入。本系統(tǒng)采用普通的整流器+西門子PLC控制器+升壓裝置+卸荷裝置+蓄電池+ 逆變器構成控制系統(tǒng)，從而克服了上述控制系統(tǒng)的缺點，使發(fā)電機在電壓很低的情況下，就可以達到電池的充電要求，向蓄電池提供能量，極大的提高了垂直軸風力發(fā)電機的調(diào)速范 圍，且升壓電路具有輸入電流連續(xù)，拓撲結構簡單，效率高等特點。采用PLC控制，簡化 了硬件系統(tǒng)的開發(fā)，且使軟件開發(fā)也更為簡單。同時考慮由于風能的不確定性，導致發(fā)電 與用電負荷的不平衡，系統(tǒng)可以外接市電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)，太陽能和風能的在時間上的 互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，彌補了風電和光電獨立系統(tǒng)在資 源上的缺陷。市電的接入提高了系統(tǒng)供電的可靠性。控制系統(tǒng)具有選擇市電、風能、自動 切換功能，為用戶提供了更多的方便。當用戶選擇市電模式時，控制器將市電經(jīng)接觸器送到 控制器的對外輸出口，并停止蓄電池向逆變器供電，同時風能、太陽能繼續(xù)工作向蓄電池充 電；當用戶選擇風能模式時，控制器將斷開市電與控制器的輸出連接，同時使逆變器投入工 作，將蓄電池的電能逆變?yōu)榻涣麟娸敵龉┴撦d工作，此時風能、太陽能發(fā)出的能量一部分給 蓄電池充電、一部分供負載工作；當用戶選擇自動模式時，即當市電、風機、太陽能和蓄電池 都正常時，控制器將優(yōu)先輸出風能和太陽能，同時由于線路的結構，風能、太陽能保持向蓄 電池充電，由逆變器向負載提供能量。當蓄電池達到一定的放電深度時，系統(tǒng)自動切換到市 電供電；當蓄電池達到一定的存儲容量時，控制器將自動翻轉，切斷市電并由逆變器向負載 供電，起到了不間斷電源的作用，從而最大的利用了綠色能源，使用戶得到了最大的經(jīng)濟效
■、Λ
frff. ο 本實用新型的優(yōu)點在于系統(tǒng)設計合理、可靠性好、施工維護方便、便于操作和故 障排查。本系統(tǒng)大量采用工控器件，以其取代設計、編程、調(diào)試復雜的單片機系統(tǒng)。其次，操 作方便、控制結構簡單、易于實現(xiàn)、且電源的可靠性高。實現(xiàn)了市電、風能的自動切換。使綠 色能源和市電得到了合理的應用。

[0011]圖1為本實用新型的系統(tǒng)框圖。[0012]圖2為接入太陽能、市電的擴展系統(tǒng)框圖。[0013]圖3為主整流回路電路圖。[0014]圖4為升壓斬波器電路圖。[0015]圖5為卸荷電路圖。[0016]圖6為太陽能電池板。[0017]圖7為主控CPU電路圖[0018]圖8為儲能電池組。[0019]圖9為CPU擴展電路圖。
具體實施方式
本實用新型
以下結合附圖做進一步描述如圖1所示離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，包括垂直軸 風力發(fā)電機和由整流器、PLC控制器、升壓裝置(升壓電路)、卸荷裝置(卸載電路)、蓄電池、 逆變器構成的控制系統(tǒng)，發(fā)電機輸出端接入整流器的輸入端子，經(jīng)整流器將電壓、頻率變化 的三相交流電，變?yōu)殡妷鹤兓l率不變的直流電送入直流升壓裝置，PLC通過檢測回路電 壓、電流、進行運算、調(diào)整輸出PWM脈沖，將電壓升至電池的設定充電電壓，為蓄電池充電，
4同時逆變器將直流逆變?yōu)榻涣?，供用戶使用，當蓄電池充滿或發(fā)電機電壓過高，系統(tǒng)啟動卸 荷系統(tǒng)，將多余的能量通過電阻消耗掉。如圖2所示控制系統(tǒng)中還可通過電纜將太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入到系統(tǒng)的直流母線 端子上，同時市電也可接入到系統(tǒng)的市電輸入端子上，并通過系統(tǒng)內(nèi)置的接觸器可以選擇、 或自動實現(xiàn)風、光能源和市電的轉換。本實用新型所用各種設備型號、電路工作原理如下發(fā)電機采用三相永磁同步風力發(fā)電機(垂直軸式GWT2412D1)，三相永磁同步風力 發(fā)電機是一種新型節(jié)能產(chǎn)品。其永磁轉子采用稀土永磁材料，具有高性能磁體勵磁，徑向 磁場結構，磁路短，效率高，磁場強度大。該電機體積小、重量輕，其額定功率1KW、額定轉速 180轉/分，在風速4m/s-25/s風力作用下，靠風輪轉動將風能轉為機械能來發(fā)電。主電路整流器采用三相不可控橋式整流電路及(BOOST)升壓電路。整流器如附 圖3、附圖4所示，其主要作用是將發(fā)電機發(fā)出的，幅值變化、頻率變化的三相交流電，變成 幅值變化、頻率恒定的直流電，器件采用型號為MDS100-12 (100A—1200V)，即整流電流 IOOAJiE 1200V的三相整流橋。Boost直流升壓電路其主要作用是將整流后的直流電壓幅值恒定，為蓄電池充 電。(附圖4)中Ll(6mH)為提升電感、Cl為濾波電容(電解電容100V/3300uF)、Tl為自關 斷開關器件(Power MOSFET型號IXJQ82N28P)、D1 (IN54系列最大電流3A)為二極管可防止 電容向電源放電。線路在Tl導通時刻，Cl向負載放電同時直流電源向電感儲存能量、在Tl 截至時刻，電源和儲能電感共同向電容充電和向負載供電。在提升電感和濾波電容配好時 即有U0=Ui/l-K此時K是脈沖占空比，電路具有升壓作用。電子開關K的導通時間T e= KT，可以通過控制電路，用一控制電壓U c來任意改變它的大小。隨著開關Tl的導通時 間KT變大，直流升壓變換器的輸入阻抗Z將變小。換句話說，直流電壓變換器的輸入阻 抗Z的大小可以通過控制電壓Uc來人為改變。這種控制性能正好被用在小型風力發(fā)電系 統(tǒng)中，使發(fā)電機的輸出功率達到最大值。PWM脈沖由主控PLC可編程控制器計算產(chǎn)生并提 供。功率場效應管是用柵極電壓來控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此，它的第 一個顯著特點是驅動電路簡單，需要的驅動功率?。坏诙€顯著特點是開關速度快，工作頻 率高。另外，Power MOSFET的熱穩(wěn)定性優(yōu)于電力晶體管。但是Power MOSFET電流容量小， 耐壓低，一般只適用于功率不超過IOkW的場合。實現(xiàn)制動和卸荷功能(附圖5)。由于小型風力發(fā)電機都沒有機械制動器，只能采用 電氣剎車，當系統(tǒng)檢測到電壓升至60V時，系統(tǒng)開始卸壓制動，小于54V時該功能關閉。系 統(tǒng)通過檢測電路檢測蓄電池兩端電壓，當蓄電池電壓大于浮充電壓點后控制器處于邊充電 邊卸載狀態(tài)，即一部分電能用于對蓄電池進行充電，另一部分多余的電能通過卸載電阻消 耗。當蓄電池充滿時，檢測蓄電池兩端電壓的檢測電路檢測到這一信號，并將過壓信號傳遞 給PLC，通過PLC控制開關管的導通來實現(xiàn)卸載，將多余的能量消耗掉，此時大功率風機的 轉速將會變慢，小功率風機可以停止工作，此時通過控制柜面板上的制動旋鈕，實現(xiàn)制動功 能。附圖4中T2 為開關管、R為卸荷電阻1.85 Ω/2KW?？刂破骺赏饨?00瓦太陽能電池板(附圖6)。用于風能不好時對系統(tǒng)電能的補充。 能量入口串接防反充二極管(MDA110/12E)，防止太陽能電池在電壓下降或者不發(fā)電時，太 陽能電池板成為蓄電池的負載，同時也是對太陽能電池板的保護。低功率的電力應用系統(tǒng)
5大多采用多晶硅太陽電池，價格較低。多晶硅的轉換效率在13%—16%，單晶硅轉換效率一般 在14%—17%。由于蓄電池的電壓為48VDC，所以，我們選擇DX-50型單晶硅太陽能電池板， 單塊電池板電壓為17. 6V，輸出峰值電流2. 9 A，4塊串接在控制器的光電池輸入口，單塊太 陽能電池板的尺寸為767*446。太陽能電池方陣的發(fā)電量與其接收的太陽輻射能成正比， 所以太陽能電池板的安裝方位和太陽電池陣列的傾角非常重要。一般情況下，太陽能電池 板朝向正南(即太陽能電池板垂直面與正南的夾角為0° )時，太陽能電池發(fā)電量是最大的。 安裝為傾斜角30度。主控PLC (附圖7、附圖9)采用西門子公司的S7-200，CPU226可編程控制器同時 擴展模擬量輸入模塊(EM231)—塊，4路輸入，其主要作用是對系統(tǒng)進行采樣，邏輯控制和 利用CPU本身所具有的PWM功能向系統(tǒng)提供可變占空比的脈沖輸出，以控制開關管的導通 于關閉，CPU通過Q0. 0、Q01輸出兩路PWM脈沖，開關頻率最大20KHz。PWM脈沖經(jīng)過驅動電 路(TC4427A)與開關管連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的升壓與卸荷控制。通過采樣電路將整流后的直流 電壓、電流，及蓄電池的充電電壓、電流值送入PLC的模擬量輸入點，經(jīng)PLC內(nèi)部運算處理， 自動調(diào)整輸出脈沖的占空比來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，使其滿足蓄電池的充電要求。通過邏輯運 算，實現(xiàn)太陽能的充電時間控制及負荷的切除。通過市電檢測，PLC自動切換能源，并可通 過選擇開關選擇所需要使用的能源。根據(jù)用戶的需要，可方便的接入TD200文本顯示器，來 顯示系統(tǒng)的信息。儲能裝置(附圖8)，蓄電池采用(6-GFM-120) 12V120AH 4節(jié)串聯(lián)組成電池組。電 池組電壓48V，電池采用超細玻璃纖維吸附性隔膜，結合閥控密封技術，使電池在使用中產(chǎn) 生的氣體內(nèi)部復合，無酸霧溢出，因而電池在整個使用中不需加水和檢查電液比重，對環(huán)境 無污染腐蝕，可立式或臥式放置使用，環(huán)境溫度攝氏25°C時，浮充使用壽命不低于15年。電 池浮充(電池常與充電機并聯(lián)，接于直流母線上，充電器除負擔經(jīng)常的直接負荷外，還給電 池一適當?shù)某潆婋娏?，以補充電池的自放電，這種運行方式叫浮充電)對酸、鉛電池為2. 1— 2. 2，對堿性電池為1.35—1.45，低于此電壓為欠充，高于此電壓為過充。蓄電池主要承擔 電能的存儲，在風能、太陽能發(fā)出的電能大于負載能量時將多余的能量存入電池，在負載所需能量大于發(fā)電能量時將電池中存儲的能量釋放出來，供給 負載。以滿足生產(chǎn)或生活的需要。逆變器采用國產(chǎn)0048￥變々022(^的純正弦波逆變器，型號1110-48 1KVA，輸出頻 率50士0.05%、波形失真< 5%，該逆變器操作方便。具有交流自動穩(wěn)壓輸出、過壓、欠壓、 過載、過熱、短路、反接保護等完善的保護功能。電源整機效率高，空載損耗低。系統(tǒng)運行安 全、穩(wěn)定、可靠，使用壽命長。
權利要求1.一種離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，其特征在于包括垂直 軸風力發(fā)電機和由整流器、PLC控制器、升壓裝置、卸荷裝置、蓄電池、逆變器構成的控制系 統(tǒng)，發(fā)電機輸出端接入整流器的輸入端子，經(jīng)整流器將電壓、頻率變化的三相交流電，變?yōu)?電壓變化頻率不變的直流電送入直流升壓裝置，PLC通過檢測回路電壓、電流、進行運算、調(diào) 整輸出PWM脈沖，將電壓升至電池的設定充電電壓，為蓄電池充電，同時逆變器將直流逆變 為交流，供用戶使用，當蓄電池充滿或發(fā)電機電壓過高，系統(tǒng)啟動卸荷系統(tǒng)，將多余的能量 通過電阻消耗掉。
2.根據(jù)權利要求1所述的離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，其特 征在于該控制系統(tǒng)中還可通過電纜將太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入到系統(tǒng)的直流母線端子上，同 時市電也可接入到系統(tǒng)的市電輸入端子上，并通過系統(tǒng)內(nèi)置的接觸器可以選擇、或自動實 現(xiàn)風、光能源和市電的轉換。
3.根據(jù)權利要求1所述的離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，其 特征在于控制器的主控CPU由蓄電池供電，各輸入、輸出開關量經(jīng)過端子對應接在CPU 的輸入、輸出點上，10. 0、10. 1、10. 2、II. 1分別連接選擇開關的市電、自動、和風能轉換信 號，10. 4連接市電檢測信號、10. 6連接制動開關信號，II. 1連接轉速檢測信號；PLC的輸 出Q0. 4、Q0. 5、Q0. 6、Q0. 7、Ql. 0、分別連接電池接通、能源切換、制動、直流負載、逆變供電、 Q0. 0、Q0. 1輸出兩路PWM脈沖，去驅動電路。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)， 其特征在于控制器采用西門子公司的S7-200，CPU226可編程控制器同時擴展模擬量輸入 模塊一塊，4路輸入。
專利摘要一種離網(wǎng)型具備不間斷供電的垂直軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，其特征在于包括垂直軸風力發(fā)電機和由整流器、PLC控制器、升壓裝置、卸荷裝置、蓄電池、逆變器構成的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)中還可外接市電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)，彌補了風電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷，并通過系統(tǒng)內(nèi)置的接觸器可以選擇、或自動實現(xiàn)風、光能源和市電的轉換。本實用新型的優(yōu)點在于系統(tǒng)設計合理、可靠性好、施工維護方便、便于操作和故障排查。本系統(tǒng)大量采用工控器件，以其取代設計、編程、調(diào)試復雜的單片機系統(tǒng)。其次，操作方便、控制結構簡單、易于實現(xiàn)、且電源的可靠性高。實現(xiàn)了市電、風能的自動切換，起到了不間斷電源的作用，使綠色能源和市電得到了合理的應用。
文檔編號H02J7/32GK201786566SQ201020516049
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權日2010年9月3日
發(fā)明者呂宏斌, 時博, 王付政, 王少平, 王玉昌, 許占鰲, 黃景龍 申請人:恒天重工股份有限公司