專利名稱：風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電領(lǐng)域，且尤其涉及一種風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風速度(微風的程度)， 便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。風力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；我國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風力發(fā)電機多數(shù)米用三相永磁電機，發(fā)電機輸出電壓較低，多數(shù)為24-48V無法直接實現(xiàn)逆變并網(wǎng)。國內(nèi)現(xiàn)有并網(wǎng)型風力發(fā)電逆變器基本的實現(xiàn)方式有兩類，一類是采用先整流，再逆變到與電網(wǎng)同相位的50Hz交流電，然后通過工頻變壓器升壓到交流220V并入電網(wǎng)。這種方式結(jié)構(gòu)較為簡單，也具有較好的可靠性，缺點是工頻變壓器體積和重量較大，功率損耗也比較大。另一類是采用先升壓，再逆變的方式。先進行整流得到較低的直流電壓，采用Boost升壓電路或高頻升壓變壓器，把電壓升到350V直流電壓，再通過高頻逆變電路逆變得到220V交流電，并入電網(wǎng)。這種方式缺點是需要經(jīng)過兩級高頻變換，增加了能量損失。電網(wǎng)側(cè)需要一個電感量較大的輸出電抗器，體積和重量較大，功率損耗也較大，并網(wǎng)電流中開關(guān)頻率的高次諧波含量較重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的風力發(fā)電體積和重量較大、功率損耗較大的問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，至少包括輸入整流濾波回路，和所述風力發(fā)電機相連；高頻變流回路，和所述輸入整流濾波回路相連，所述高頻變流回路包括至少一組逆變電路，每組所述逆變電路包括兩個互補輸出的MOSFET和一個與所述一兩個MOSFET相連的高頻變壓器；工頻變流回路，和所述高頻變流回路相連，所述工頻變流回路包括組成H橋的四只單向可控硅、與所述四只單向可控硅相連的光耦可控硅驅(qū)動電路以及給所述光耦可控硅驅(qū)動電路的發(fā)出控制信號的DSP?？蛇x的，所述兩個MOSFET的輸出波形的相位相差180°?？蛇x的，所述風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置還包括一停機保護回路，所述停機保護回路連接于所述風力發(fā)電機和所述輸入整流濾波回路之間。可選的，所述輸入整流濾波回路包括三對肖特基二極管以及與每對所述肖特基二極管均并聯(lián)的電解電容?？蛇x的，所述電解電容的容量不小于1000 μ F?？蛇x的，所述高頻變流回路包括兩組逆變電路、三組逆變電路或四組逆變電路?？蛇x的，每組所述逆變電路還包括一高頻濾波電容，所述高頻濾波電容并聯(lián)于所述高頻變壓器的兩端。
可選的，所述風カ發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置還包括一輸出濾波回路，所述輸出濾波回路和所述エ頻變流回路相連。本發(fā)明風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置的有益技術(shù)效果為本發(fā)明風カ發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置實現(xiàn)了ー種小型風カ發(fā)電并網(wǎng)逆變裝置，具有體積小、重量輕、效率高、電能質(zhì)量好、抗電網(wǎng)干擾性能強等優(yōu)點。通過本裝置可以實現(xiàn)多臺風機的并聯(lián)輸出，同時具備最大功率跟蹤和大風過功率停機保護等基本的控制功能。


圖I為本發(fā)明實施例的輸入整流濾波回路的示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的聞頻逆變回路的不意圖。圖3為本發(fā)明實施例的高頻逆變單元輸出電流的波形圖。圖4為本發(fā)明實施例的第二級直流母線電壓波形圖。圖5為本發(fā)明實施例的エ頻逆變回路的示意圖。圖6為本發(fā)明實施例的控制功能框圖。圖7為本發(fā)明另ー實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步的詳細說明。圖I為輸入整流濾波回路的示意圖，風カ發(fā)電機10輸出三根電源線，直接連接到輸入整流濾波回路14的六只肖特基ニ極管15組成的三相全橋整流電路，在經(jīng)過并聯(lián)的電解電容Cl，將風カ發(fā)電機10發(fā)出的電變?yōu)槠椒€(wěn)直流電。所述電解電容Cl的容量不小于1000 μ F。肖特基ニ極管15具有極低的導通壓降，可以有效地降低輸入整流濾波回路的功率損耗。風カ發(fā)電機10采用三相永磁式發(fā)電機，輸出頻率、電壓和功率隨轉(zhuǎn)速增加。對每ー個風速值，有一個與之相對應的葉輪轉(zhuǎn)速可以得到最大功率，只要通過輸出功率控制使風電機組整流后的直流電源穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，就可以得到該風速下相應的最大輸出功率。在輸入整流濾波回路14和風カ發(fā)電機10之間還設置一停機保護回路11，停機保護回路11由兩組并聯(lián)的停機保護單元組成，每組停機保護單元由串聯(lián)的保護電阻13和開關(guān)12組成。風カ發(fā)電機10遇到臺風等高風速天氣，風カ發(fā)電機10輸出功率大幅度超過額定功率，為避免風カ發(fā)電機10的飛車損壞，或造成并網(wǎng)逆變器過功率損壞，對風力發(fā)電機10實行軟剎車制動，保護風カ發(fā)電機10和逆變器安全。圖2為高頻逆變回路的示意圖，高頻變流回路20，和所述輸入整流濾波回路14相連，所述高頻變流回路20包括至少ー組逆變電路，每組所述逆變電路包括兩個互補輸出的MOSFET 21和ー個與所述ー兩個MOSFET 21相連的高頻變壓器23，優(yōu)選的，所述高頻變流回路包括兩組逆變電路、三組逆變電路或四組逆變電路；采用MOSFET 21加高頻變壓器23組成反激式電路，由于整個變壓器流過高頻電流，變壓器不會因鐵心飽和而導致輸出電流失真，且變壓器高低壓側(cè)的匝數(shù)都很少，因而整個變壓器的體積很小。每個MOSFET 21加高頻變壓器23組成的逆變電路輸出功率在200W，輸出功率需擴大時，可以采用多組并聯(lián)，分別通過快恢復ニ極管整流，得到脈動的直流電壓。兩個MOSFET 21的輸出波形的相位相差180°，兩只MOSFET的相位21相差180度，使使等效輸出頻率加倍，便于高頻諧波的濾除，多只變壓器并列輸出時，波形為每個變壓器輸出的總和，波形更平滑，諧波含量更少。 圖3為高頻逆變單元輸出電流的波形圖，在高頻變壓器輸出側(cè)得到一組由高頻脈沖群組成的直流電流，其包絡線為與電網(wǎng)電壓同相位的50Hz正弦波的正半波。圖4為第二級直流母線電壓波形圖，經(jīng)小電容濾波后，在第二級直流母線上電壓峰值略高于電網(wǎng)工頻220V峰值的半波正弦電壓，相位與電網(wǎng)同相。多組變流器并聯(lián)時，各組MOSFET交錯觸發(fā)導通，提高了等效開關(guān)頻率，降低了諧波含量。圖5為工頻逆變回路的示意圖，和所述高頻變流回路20相連，所述工頻變流回路40包括組成H橋的四只單向可控硅43、與所述四只單向可控硅43相連的光耦可控硅驅(qū)動電路42以及給所述光耦可控硅驅(qū)動電路的發(fā)出控制信號的DSP 41。采用四只單向可控硅43組成H橋，形成工頻逆變回路，由DSP41發(fā)出控制信號，經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動電路42可控硅觸發(fā)，每IOms進行一次反相，把脈動直流電變?yōu)檎摪氩ㄏ嚅g的交流電?？煽毓韫ぷ髟?0Hz的工頻狀態(tài)，開關(guān)損耗低，導通壓降小。與傳統(tǒng)的采用IGBT或MOSFET組成的并網(wǎng)輸出級電路相比，可控硅具有更強的抗過載能力和耐沖擊性，降低了電網(wǎng)出現(xiàn)瞬變時可能造成的器件損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。圖6為本發(fā)明實施例的控制功能框圖，包括(I)電網(wǎng)電壓測量，通過對電網(wǎng)電壓的測量、鎖相得到與電網(wǎng)同相位的標準正弦波，通過比較器與30kHz開關(guān)頻率比較，得到SPWM開關(guān)脈沖用于控制高頻變流回路MOSFET開關(guān)。鎖相得到的正弦波過零點用于控制工頻變流回路可控硅觸發(fā)。(2)直流電壓測量，通過對第一級直流母線電壓的測量，結(jié)合風機的轉(zhuǎn)速和變流器輸出功率，采用小擾動法實現(xiàn)風機的最大功率跟蹤。(3)風機轉(zhuǎn)速測量，通過對風機電壓的監(jiān)測，結(jié)合發(fā)電機極對數(shù)得到風機的葉輪轉(zhuǎn)速，作為風機最大功率跟蹤和大風超速停機保護的基礎(chǔ)。(4)風速測量，只需要采用簡易的熱線式風速儀實現(xiàn)粗略風速測量，結(jié)合輸出功率和風機的轉(zhuǎn)速測量，用于實現(xiàn)風機的最大功率跟蹤和大風停機保護。(5)并網(wǎng)電流測量，通過對逆變器并網(wǎng)電流的測量，結(jié)合電網(wǎng)電壓算出風機的輸出功率，結(jié)合該風機風速-功率曲線，采用比例積分算法，得到最大目標功率，用于高頻變流單元的逆變器的SPWM閉環(huán)控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤。同時對工作異常和短路時出現(xiàn)的大電流實施保護?？刂齐娐凡糠?，采用TMS320F2801 DSP作為核心控制元件，完成測量、計算和控制。此外，該裝置還包括輸出濾波回路，采用L、C、L組成T型濾波網(wǎng)絡，LC諧振頻率調(diào)諧為MOSFET的開關(guān)頻率。本裝置采用LED數(shù)碼管顯示上述5個測量數(shù)據(jù)和輸出功率等計算數(shù)據(jù)，同時根據(jù)需要將這些數(shù)據(jù)通過485、CAN、以太網(wǎng)等標準通信模塊以有線方式，或無線HUB、GPRS等標準的無線通信方式傳送到監(jiān)控計算機。設置簡易的按鈕鍵盤實現(xiàn)風機參數(shù)等基本設置功能以適應不同類型風力發(fā)電機和電網(wǎng)要求。圖7為本發(fā)明另一實施例的結(jié)構(gòu)不意圖，在本實施例中，所述聞頻變流回路20包括兩組逆變電路。圖7為逆變器的一次結(jié)構(gòu)接線圖，最大功率輸出為1000W時，整個低頻并網(wǎng)逆變器的硬件設備如下采用兩臺450W，三相交流電壓48V輸出的風力發(fā)電機作為電源，整流后直流電壓為Ul = 15V-48V，最大電流為20A，結(jié)合交流側(cè)轉(zhuǎn)速測量，實現(xiàn)最大功率控制。兩臺風力發(fā)電機輸出在整流后直流母線并聯(lián)。逆變器額定輸出功率PN = 900W。
一、輸入整流濾波回路14采用6只100V10A的肖特基ニ極管組成橋式整流電路，發(fā)電機輸出的頻率變化的三相交流電，通過ニ極管全橋后，變?yōu)闃O性正確的直流電。采用肖特基ニ極管降低了由輸入ニ極管導通壓降造成的功率損失。直流穩(wěn)壓電容直流濾波電容Cl為電解電容，用于穩(wěn)定整流后直流電源的電壓，電容參數(shù)取2200uF/100V。停機保護電路采用兩組大功率NTC元件，串聯(lián)20A雙路繼電器，接入繼電器常閉觸點，組成能耗型制動停機保護電路。風速正常時，由控制DSP經(jīng)驅(qū)動電路控制繼電器得電斷開常閉觸點。當測得風速超限或風機過功率飛車時，繼電器閉合實現(xiàn)軟停機。ニ、高頻變流回路采用80A/160V的MOSFET功率管，DSP經(jīng)光耦TLP250驅(qū)動MOSFET導通關(guān)斷。高頻變壓器變比kl k2 = 24 500，低壓側(cè)漏抗luH，縮短暫態(tài)過程，低壓側(cè)匝數(shù)約為3匝；高壓側(cè)電感約為400uH。配合輸出側(cè)快恢復ニ極管組成不可控整流電路，整流橋所用ニ極管耐壓800V，電流約為5A，流通功率大約為5W，可選用中功率快恢復ニ極管。高頻濾波電容C2，電容C2不是用于エ頻濾波，且并不是用于穩(wěn)壓，因而可取較小值，C2取O. luF，耐壓值取600V。三、エ頻變流回路エ頻變流全橋逆變器的可控硅工作于低頻開關(guān)狀態(tài)(50HZ)，管耗很小，可忽略不計，因而可節(jié)省半導體開關(guān)管的散熱裝置，整個逆變橋占用體積很小，可控硅選用四只10A/600V的塑封可控硅。濾波裝置由于低頻逆變器采用可控硅逆變橋，開關(guān)頻率為50Hz，導通和關(guān)斷都處于系統(tǒng)電壓波形過零時刻，不會產(chǎn)生諧波。輸出電流的諧波主要是MOSFET的開關(guān)頻率產(chǎn)生的30kHz高次諧波，在逆變器的輸出端裝設LCL低通濾波裝置，L取值約為40uH/5A，C取值約為luF，L，C值都小，在逆變器中占用的體積和重量都很小。四、控制電路采用TMS2801系列DSP為主控芯片，配合標準外圍電路設計組成控制電路板。由DSP片內(nèi)A/D完成測量回路的信號數(shù)據(jù)采集，采用IOOMHz的CPU工作主頻完成系統(tǒng)控制策略的計算。通過片內(nèi)的PWM控制器，控制脈沖輸出信號經(jīng)專用光耦TLP250驅(qū)動MOSFET實現(xiàn)高頻變流回路的控制。對電網(wǎng)系統(tǒng)電壓鎖相后得到電壓過零點，控制專用可控硅光耦驅(qū)動器，控制エ頻變流回路可控硅的切換。同時完成最大功率跟蹤和風機、變流器的異常保護功能。顯示鍵控采用DSP端ロ直接驅(qū)動LED八段數(shù)碼管，直接連接按鈕鍵盤，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設定功能。芯片內(nèi)部自帶的485、CAN總線通信功能，連接標準外部接ロ芯片組成通信電路。逆變器工作電源，即系統(tǒng)控制電源從220V電網(wǎng)取電，采用標準開關(guān)電源，輸出+5V、+3. 3V和±12V直流控制電源。本系統(tǒng)采用兩級直流母線，兩級變流器結(jié)構(gòu)。第一級直流母線為分散式結(jié)構(gòu)，風機整流后直流電壓分別獨立控制，以實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。第一級各直流母線分別采 用IOOOyF以上大電容濾波方式。前級變流器為高頻反激型升壓電路，采用多個高頻變壓器并列運行。第一級直流母線中每段采用兩只變壓器互補輸出，每個變壓器由一只大功率MOSFET驅(qū)動，兩只MOSFET相差180度，使使等效輸出頻率加倍，便于高頻諧波的濾除。多只變壓器并列輸出時，波形為每個變壓器輸出的總和，波形更平滑，諧波含量更少。每只變壓器的輸出側(cè)采用ー只快恢復ニ級管整流后連接到第二級直流母線。第二級直流母線采用高壓小電容濾波，直流電壓波形為與電網(wǎng)交流電壓絕對值相同且同相的IOOHz脈動直流電。后級逆變器采用四只 大功率可控硅組成橋式逆變電路，執(zhí)行換向功能，每IOms進行一次反相，改變第二級直流母線的脈動直流電輸出的正、負極性，按電網(wǎng)電壓相位，把輸出電流變?yōu)檎?、負交替的標準正弦波。這兩部分設計是本專利區(qū)別于其他同類逆變器的核心部分。風力發(fā)電機開路輸出電壓在10-40VAC時都可以實現(xiàn)并網(wǎng)和功率輸出。通過調(diào)整整流后的直流電壓，達到調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速，改變風機Cp值，進一步調(diào)整風機輸出功率，使風機的輸出功率最優(yōu)。風力發(fā)電機整流采用肖特基二極管整流，毫歐級超低導通電阻MOSFET開關(guān)管，工作頻率30kHz，降低功率器件和電抗器的損耗。大風天氣風機通過串聯(lián)NTC元件后經(jīng)繼電器短路，實現(xiàn)柔性剎車制動保護，柔性制動減小了發(fā)電機的制動電流和對葉輪的機械沖擊。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所述技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求書所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種風カ發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，其特征在于，至少包括 輸入整流濾波回路，和所述風カ發(fā)電機相連； 高頻變流回路，和所述輸入整流濾波回路相連，所述高頻變流回路包括至少ー組逆變電路，每組所述逆變電路包括兩個互補輸出的MOSFET和ー個與所述ー兩個MOSFET相連的高頻變壓器； エ頻變流回路，和所述高頻變流回路相連，所述エ頻變流回路包括組成H橋的四只單向可控硅、與所述四只單向可控硅相連的光耦可控硅驅(qū)動電路以及給所述光耦可控硅驅(qū)動電路的發(fā)出控制信號的DSP。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，其特征在于所述兩個MOSFET的輸出波形的相位相差180°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，其特征在于所述風カ發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置還包括一停機保護回路，所述停機保護回路連接于所述風カ發(fā)電機和所述輸入整流濾波回路之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，其特征在于所述輸入整流濾波回路包括三對肖特基ニ極管以及與每對所述肖特基ニ極管均并聯(lián)的電解電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，其特征在于所述電解電容的容量不小于1000 μ F。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，其特征在于所述高頻變流回路包括兩組逆變電路、三組逆變電路或四組逆變電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，其特征在于每組所述逆變電路還包括一高頻濾波電容，所述高頻濾波電容并聯(lián)于所述高頻變壓器的兩端。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，其特征在于所述風カ發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置還包括一輸出濾波回路，所述輸出濾波回路和所述エ頻變流回路相連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置，根據(jù)本發(fā)明的建議，至少包括輸入整流濾波回路，和所述風力發(fā)電機相連；高頻變流回路，和所述輸入整流濾波回路相連，所述高頻變流回路包括至少一組逆變電路，每組所述逆變電路包括兩個互補輸出的MOSFET和一個與所述一兩個MOSFET相連的高頻變壓器；工頻變流回路，和所述高頻變流回路相連，所述工頻變流回路包括組成H橋的四只單向可控硅、與所述四只單向可控硅相連的光耦可控硅驅(qū)動電路以及給所述光耦可控硅驅(qū)動電路的發(fā)出控制信號的DSP。本發(fā)明風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變控制裝置具有體積小、重量輕、效率高、電能質(zhì)量好、抗電網(wǎng)干擾性能強等優(yōu)點。
文檔編號H02J3/38GK102624031SQ20121009999
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者張延遲 申請人:上海電機學院