技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器，屬于清潔能源風(fēng)力發(fā)電控制器的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是一種潛力很大的新能源，由于它的清潔性和可再生性，已經(jīng)使它受到了世界各國研究學(xué)者的關(guān)注。其蘊量巨大，全球的風(fēng)能約為 2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW。中國風(fēng)能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲量就有約 2.53 億千瓦。風(fēng)力發(fā)電必將擁有十分廣闊的發(fā)展前景。

但是現(xiàn)實應(yīng)用中，依靠自然風(fēng)推動風(fēng)輪發(fā)電非常不穩(wěn)定，輸出功率變化頻繁、無規(guī)律。通常的風(fēng)力發(fā)電機多采用永磁同步發(fā)電機，在某個風(fēng)速下，發(fā)電機輸出的功率與轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此，想要在某個風(fēng)速下得到最大的發(fā)電功率，就要通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速來控制功率。 通常的風(fēng)力發(fā)電控制器是通過控制電壓來控制功率。在空載條件下，發(fā)電機的電壓和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，因此，可以通過檢測電壓來檢測轉(zhuǎn)速，從而控制功率。但是發(fā)電機的電壓受所接負載的影響，當(dāng)負載增大時，電壓下降。單純通過檢測電壓來檢測轉(zhuǎn)速結(jié)果不準(zhǔn)確。

還有的風(fēng)力發(fā)電控制器是通過轉(zhuǎn)速傳感器來檢測轉(zhuǎn)速，這樣做雖然可以得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速，但是成本較高，而且，轉(zhuǎn)速傳感器通過電刷滑環(huán)來傳遞信號，在應(yīng)用中易受風(fēng)沙影響出現(xiàn)故障。因此，應(yīng)用轉(zhuǎn)速傳感器容易損壞，不經(jīng)濟實用。

綜上所述，在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中，既需有效準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)速，從而推算輸出功率，同時還需進一步降低成本，增強經(jīng)濟實用性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)問題，提出一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器。主要目的在于通過低成本、高可靠性的轉(zhuǎn)速檢測方法，準(zhǔn)確地測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，從而對風(fēng)力發(fā)電機進行最大功率點追蹤控制，提高風(fēng)能捕獲能力。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明由風(fēng)力發(fā)電機、制動控制模塊、整流模塊、升降壓 DC/DC 變換器、轉(zhuǎn)速檢測模塊、全數(shù)字控制器、蓄電池和直流負載組成。風(fēng)力發(fā)電機輸出端與整流模塊的輸入端相連接，在風(fēng)力發(fā)電機與整流模塊之間并聯(lián)一個制動控制模塊和一個轉(zhuǎn)速檢測模塊，制動控制模塊輸入端與風(fēng)力發(fā)電機輸出端 a、b、c 三相連接，轉(zhuǎn)速檢測模塊的輸入端與風(fēng)力發(fā)電機輸出端 a、b 相連接，整流模塊的輸出端與升降壓 DC/DC 變換器輸入端相連，升降壓 DC/DC 變換器的輸出端連接蓄電池和直流負載。全數(shù)字控制器接受轉(zhuǎn)速檢測模塊檢測的風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號，并對升降壓 DC/DC 變換器和制動控制模塊做出相應(yīng)控制。

所述的制動控制模塊由短路接觸器、驅(qū)動單元和續(xù)流二極管組成，全數(shù)字控制器通過驅(qū)動單元來控制短路接觸器，對風(fēng)力發(fā)電機進行制動和解除制動的控制。在風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速過高時，對風(fēng)力發(fā)電機進行保護； 所述的轉(zhuǎn)速檢測模塊是由光電耦合器、限流電阻、分壓電阻、濾波電容和輸出電阻組成，用來將風(fēng)力發(fā)電機輸出的線電壓經(jīng)過光電耦合器轉(zhuǎn)換成頻率相同的方波信號，該信號的頻率除以風(fēng)力發(fā)電機的極對數(shù)，就得到風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速 n，將該轉(zhuǎn)速信號傳遞給全數(shù)字處理器，用于對系統(tǒng)的控制。

由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點和效果：

本發(fā)明的一個效果在于，轉(zhuǎn)速檢測模塊僅需要一個光電耦合器，通過檢測風(fēng)力發(fā)電機的線電壓頻率實現(xiàn)測速功能，其成本低、可靠性高，不需要在風(fēng)力發(fā)電機上再加額外的速度傳感器。

本發(fā)明的另一個效果在于，傳統(tǒng)的方法是通過檢測風(fēng)力發(fā)電機輸出的電壓來估算轉(zhuǎn)速，容易受到負載變化的影響，而加裝速度傳感器成本高、可靠性差。本發(fā)明可直接測出風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，測量準(zhǔn)確，不受負載影響，因此可以精確地進行最大功率點的追蹤控制。

本發(fā)明的另一個效果在于，利用目標(biāo)功率曲線計算最大功率點，精度高、響應(yīng)快、不會產(chǎn)生震蕩，有利于提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

附圖說明

圖 1 是本發(fā)明中一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖 2 是制動控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖 3 是轉(zhuǎn)速檢測模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖 4 是功率 - 轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線圖。

圖 5 是正弦 - 方波曲線圖。

圖 6 是控制系統(tǒng)框圖。

具體實施方式

實施例：一種小型風(fēng)力發(fā)電功率控制器，包括：

風(fēng)力發(fā)電機 101、整流模塊 102、制動控制模塊 103、轉(zhuǎn)速檢測模塊 104、全數(shù)字控制器 105、升降壓 DC/DC 變換器 106、蓄電池 107、直流負載 108。風(fēng)力發(fā)電機 101 輸出與整流模塊 102 的輸入相連接，在風(fēng)力發(fā)電機 101 與整流模塊 102 之間并聯(lián)一個制動控制模塊 103 和一個轉(zhuǎn)速檢測模塊 104，制動控制模塊 103 輸入端與風(fēng)力發(fā)電機 101 輸出端 a，b，c 三相連接，轉(zhuǎn)速檢測模塊 104 的輸入端與風(fēng)力發(fā)電機 101 輸出端 a，b 相連接，整流模塊 102 的輸出端與升降壓 DC/DC 變換器 106 輸入端相連，升降壓 DC/DC 變換器 106 的輸出端連接蓄電池 107 和直流負載 108。全數(shù)字控制器 105 接受轉(zhuǎn)速檢測模塊 104 檢測的風(fēng)力發(fā)電機 101 轉(zhuǎn)速信號，并對制動控制模塊 103 和升降壓 DC/DC 變換器 106 進行控制。

所述的制動控制模塊 103 由短路接觸器 201、驅(qū)動單元 202 和續(xù)流二極管 203 組成，全數(shù)字控制器 105 通過驅(qū)動單元 202 來控制短路接觸器 201，對風(fēng)力發(fā)電機 101 進行制動和解除制動的控制。在風(fēng)力發(fā)電機 101 轉(zhuǎn)速過高時，對風(fēng)力發(fā)電機 101 進行保護。

所述的轉(zhuǎn)速檢測模塊 104 是由光電耦合器 304、限流電阻 301、306、分壓電阻 302、濾波電容 303、305 和輸出電阻 307 組成，用來將風(fēng)力發(fā)電機 101 輸出的線電壓經(jīng)過光電耦

合器 304 轉(zhuǎn)換成頻率相同的方波信號，該信號的頻率除以風(fēng)力發(fā)電機 101 的極對數(shù)，就得到風(fēng)力發(fā)電機 101 的轉(zhuǎn)速 n，將該轉(zhuǎn)速信號傳遞給全數(shù)字處理器 105，用于對系統(tǒng)的控制。

本實施例上述內(nèi)容具體解釋如下：

如圖 1 所示，風(fēng)力發(fā)電機 101 產(chǎn)生的交流電經(jīng) a、b、c 三相輸出端輸出，通過整流模塊 102 轉(zhuǎn)換為直流電，由于風(fēng)速的變化，使得整流模塊 102 的輸出直流電壓不穩(wěn)定，需要通過控制使得風(fēng)力發(fā)電機輸出的功率最大。

由于在某一風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且存在一個最大功率點，找到不同風(fēng)速下的最大功率點，可得到目標(biāo)功率曲線，如圖 4 所示。這條目標(biāo)功率曲線與風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，該目標(biāo)曲線上的點即為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下風(fēng)力發(fā)電機所能輸出的最大功率。風(fēng)力發(fā)電功率控制器即是要通過檢測風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速對風(fēng)力發(fā)電機輸出功率進行控制，使得該轉(zhuǎn)速下的輸出功率達到目標(biāo)功率曲線所對應(yīng)的點，即為最大功率點追蹤控制。

目前檢測風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速的方法是通過轉(zhuǎn)速傳感器來檢測轉(zhuǎn)速，這樣做雖然可以得到準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)速，但是成本較高，而且，轉(zhuǎn)速傳感器通過電刷滑環(huán)來傳遞信號，在應(yīng)用中易受風(fēng)沙影響出現(xiàn)故障。還有的風(fēng)力發(fā)電控制器通過控制電壓來控制功率。但是發(fā)電機的電壓受所接負載的影響，當(dāng)負載增大時，電壓下降。單純通過檢測電壓來檢測轉(zhuǎn)速結(jié)果不準(zhǔn)確。

為了降低成本，提高可靠性和測量精度，將風(fēng)力發(fā)電機 101 輸出的交流電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)速檢測模塊 104 中的光電耦合器 304 轉(zhuǎn)換成與交流電壓頻率相同的方波信號，如圖 5 所示。該信號傳遞給 DSP 對其進行采樣，得到該信號的頻率，用該信號的頻率除以風(fēng)力發(fā)電機 101 的極對數(shù)，就可以得到風(fēng)力發(fā)電機 101 的轉(zhuǎn)速 n。全數(shù)字控制器 105 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機 101 的轉(zhuǎn)速 n 和目標(biāo)功率曲線，通過查表的方法，計算出風(fēng)力發(fā)電機 101 在該轉(zhuǎn)速 n 下所對應(yīng)的最大功率 值 Pref，得到的 Pref 與反饋的功率進行比較，產(chǎn)生的誤差經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器，輸出一個控制升降壓 DC/DC 變換器的占空比 D，使升降壓 DC/DC 變換器輸出功率始終跟隨最大功率點，即進行最大功率點追蹤 (MPPT) 控制，如圖 6 所示。

如圖 3 所示，當(dāng) a，b 兩端線電壓為正半周時，光電耦合器 304 的二極管導(dǎo)通，轉(zhuǎn)速檢測模塊 104 輸出低電平；當(dāng) a，b 兩端線電壓為負半周時，光電耦合器 304 的二極管截止，轉(zhuǎn)速檢測模塊 104 輸出高電平。如圖 5 所示，為線電壓信號與方波信號的轉(zhuǎn)換。所以，方波信號的頻率與風(fēng)力發(fā)電機 101 輸出的交流電壓頻率相同，可以間接計算出風(fēng)力發(fā)電機 101 的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)風(fēng)速較大時，轉(zhuǎn)速檢測模塊 104 檢測風(fēng)力發(fā)電機 101 的轉(zhuǎn)速，若風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時，DSP 給驅(qū)動單元 202 一個控制信號，驅(qū)動單元 202 控制短路接觸器 201 吸合，將風(fēng)力發(fā)電機 101 三相短路，使風(fēng)力發(fā)電機 101 產(chǎn)生制動，從而保護風(fēng)力發(fā)電機 101，如圖 2 所示。

上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。故凡依本發(fā)明之精神實質(zhì)、形狀、原理所作的變化或修飾，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。