CN101741102A - 一种带蓄电池的小型风力发电并网*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带蓄电池的小型风力发电并网***，包括风力机、风力发电机、整流电路、逆变电路、蓄电池组、充电电路、放电电路、充电控制器以及放电控制器，所述蓄电池组分别通过充电电路和放电电路与直流母线连接，所述充电控制器与充电电路连接，所述放电控制器与放电电路连接。该***在原有的小型风力发电并网***中加入能量储备环节-蓄电池组，并且加入充电控制器、放电控制器等对蓄电池组进行合理控制和设置，使小型风力发电并网***所发电能能够在电能紧缺的时候供给电网或根据负载情况对电能进行存储，从而提高小型风力发电***的电能利用率，拓宽其应用面，为用户带来更大的经济效益。

Description

一种带蓄电池的小型风力发电并网***

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别是一种带蓄电池的小型风力发电并网***。

背景技术

近年来我国的户用小型风力发电机组(50W～1000W)的生产与推广有了很大发展。截止1997年在全国推广应用的户用小型风力发电机组保有量已经突破13.6万台，总装机容量16.5MW，解决了约13多万户照明、看电视、听广播的用电问题。目前，国内的小型风力发电机按照风力机的形式划分，可以分为水平轴和垂直轴。无论是哪种形式，主要均是通过逆变控制直接向电网传输电能，中间环节没有能量存储设备。这类***只能根据外部条件进行风能与电能的转换，并没有对风力机所发电能进行合理的规划和协调，从而提高电能的利用率。所以，目前国内的小型风力发电***基本上没有能量储备环节，即无蓄电池设备。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种带有能量储备环节能够带来良好经济效益的小型风力发电并网***。

本发明为解决其问题所采用的技术方案是：

一种带蓄电池的小型风力发电并网***，包括：

风力机以及在风力机带动下工作的风力发电机；

整流电路，其输入端与风力发电机的输出端连接；

逆变电路，其输入端通过直流母线与整流电路的输出端连接，输出端与电网和/或负载相连；

还包括：

蓄电池组、充电电路、放电电路、充电控制器以及放电控制器，所述蓄电池组分别通过充电电路和放电电路与直流母线连接，所述充电控制器与充电电路连接，所述放电控制器与放电电路连接。

优选的是，所述充电控制器为模糊滑模充电控制器，所述模糊滑模充电器的输入端接收充电电压检测值与充电电压参考值之间的比较信号以及蓄电池组的充电电流检测值与充电电流参考值之间的比较信号，输出端与充电电路连接。

优选的是，所述放电控制器为模糊滑模放电控制器，所述模糊滑模放电控制器的输入端接收直流母线的母线电压检测值与母线电压参考值之间的比较信号，输出端与放电电路连接。

本发明的有益效果是：该***在原有的小型风力发电并网***中加入能量储备环节-蓄电池组，并且加入充电控制器、放电控制器等对蓄电池组进行合理控制和设置，使小型风力发电并网***所发电能能够在电能紧缺的时候供给电网或根据负载情况对电能进行存储，从而提高小型风力发电***的电能利用率，拓宽其应用面，为用户带来更大的经济效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的电路原理框图。

具体实施方式

参照图1，本发明的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，包括：

风力机以及在风力机带动下工作的风力发电机，风力机可以采用水平轴或垂直轴风力机，用于捕获风能，并将其转化成机械能，风力发电机可以采用永磁同步发电机，用于将机械能转化为频率随风速改变的交流电能；

整流电路，其输入端与风力发电机的输出端连接，整流电路可以采用三相不可控整流电路，为了能够提供更加稳定的高效直流电，三相不可控整流电路后端还可以接有DC/DC变换电路，如BOOST电路等，三相不可控整流电路将频率不稳定的交流电转化为直流电，并输送到BOOST电路的低压端，BOOST电路将低压且不稳定的直流电能转化为稳定的高压电能，并输送到直流母线上；

逆变电路，其输入端通过直流母线与整流电路的输出端连接，输出端与电网和/或负载相连，逆变电路将直流母线上的直流电压重新转换为适合负载和电网使用的稳定交流电；

蓄电池组、充电电路、放电电路、充电控制器以及放电控制器，所述蓄电池组分别通过充电电路和放电电路与直流母线连接，所述充电控制器与充电电路连接，所述放电控制器与放电电路连接。

直流母线上的直流能量在向蓄电池组、电网和/或负载供应时，一般按以下的优先顺序执行：当风力发电机发电量大于负载所需电量，直流母线稳定在所需电压条件时，直流母线通过充电电路对蓄电池组进行充电；当风力发电机发电量小于负载所需电量，蓄电池组有电量储备时，蓄电池组通过放电电路向直流母线提供能量，蓄电池组储存的电能传输给负载和电网。

为了更好地对蓄电池组进行充电控制，充电控制器实现对蓄电池组的先恒流充电后恒压充电的两阶段充电控制。即当蓄电池组需要进行充电时，蓄电池组的充电电流保持恒定，所述蓄电池组保持恒流充电状态直到端电压升高到两阶段之间的切换电压值；当蓄电池组端电压升高到切换电压值时，蓄电池组在恒定充电电压下进行恒压充电，直到蓄电池组的充电电流减小到一定值后完成充电过程。为了能够利用上述的控制策略进行控制，本发明优选的是采用模糊滑模充电控制器，模糊滑模充电器的输入端接收充电电压检测值与充电电压参考值之间的比较信号以及蓄电池组的充电电流检测值与充电电流参考值之间的比较信号，输出端与充电电路连接。以下对模糊滑模控制的理论进行描述。

(1)滑模变结构***

滑模变结构的滑动模态具有完全自适应性，这是滑模变结构***的最突出优点，也是它得到重视主要原因。任一实际***中都有一些不确定参数，变化参数，数学描述也总具有不准确性，还受到外部环境的扰动，从而建立起一个简单的一般线性的模型，但受到一种摄动的***。对摄动来说，它可能很复杂：如包括很多项、数学表达发展、甚至不确定等等。但是，由于可以构造变结构控制，使得这样的摄动对于滑动模态完全不发生影响，即使滑动模态对于摄动具有完全自适应性。这样，我们就可以解决十分复杂的***镇定问题。

滑模控制就是通过不间断的来回切换控制量，使***总是约束在切换面上，然后***的状态自动地滑动到原点，这是一个本质问题。现在假设有一研究对象的控制***方程为：

x＝f(x，u，t)            (公式1)

x∈Rⁿ为***的状态量，u∈R^m为***的控制量，t∈R。

需要确定切换函数s(x)，s∈R^m(具有的维数一般情况等于控制量的维数)

$s\left(x1\right)=\mathrm{cx}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{x}_i$ (公式2)

并且寻求变结构控制：

(公式3)

滑模变结构体现

使得满足下面3种情况：A、滑动模态存在，即满足公式3；B、满足可达性条件，就是在切换面s(x)＝0以外的运动点都将于有限的时间内到达切面；C、保证滑模运动的稳定性***运动进入滑动模态区后，就开始沿滑模面运动。对通常的反馈控制***而言，除了滑模的存在性和可达性以外，还要求***的滑动模态是渐进稳定的且具有良好的动态品质。

(2)模糊控制

模糊理论是建立在模糊集合和模糊逻辑的基础上，通过隶属函数的概念来描述那些介于“属于”和“不属于”中间的过渡过程，使得每个元素不仅以“0”或“1”属于某个集合，而且还以一定的介于“0”和“1”之间的程度属于某个集合，每个元素或多或少属于某个集合。模糊集合是以一定程度具备某种特性因素的全体，因此模糊集合论打破了分明集中的O一1界限，为描述模糊信息、处理模糊现象提供了新的数学工具。模糊控制是以模糊集理论为基础，以模糊语言变量和逻辑推理为工具，能够利用人的经验和知识，把直觉推理纳入到决策之中的一种智能控制。模糊控制所用到的模糊数学的基本概念、运算法则如下：设U为某些对象的集合，称为论域(可以是连续或离散的)。u表示U的元素，记作U＝{u}。

论域U到[0，1]区间的任意映射u_F，即u_F：U→[0，1]，都确定U的一个模糊子集F，μ_F称为F的隶属函数(Membership Funetion)或隶属度(Grade of Membership)也就是说，μ_F表示u属于模糊子集F的程度或等级。在论域U中，可把模糊子集表示为元素u与其隶属函数μ_F(u)的序偶集合，记为：F＝{u，μ_F(u)|u∈U}。若U为连续，则模糊集F可记为：

$F={\∫}_J\frac{{\mathrm{\μ}}_F\left(u\right)}{u}\mathrm{du}$ (公式4)

若F为离散，则模糊集F可记为

$F=\frac{{\mathrm{\μ}}_F\left(u_1\right)}{u_1}+\frac{{\mathrm{\μ}}_F\left(u_2\right)}{u_2}+...+\frac{{\mathrm{\μ}}_F\left(u_n\right)}{u_n}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_F\left(u_i\right)}{u_i},i=\mathrm{1,2},...n$ (公式5)

(3)两阶段充电控制的原理

首先根据充电主电路的列出如公式1的等效状态方程，进而根据上述原理设计出切换平面并由滑动模态方程的等效控制法求得等效控制u_eq，再根据滑模到达条件设计切换控制u_s，从而完成滑模控制器的设计过程。

由滑模控制器设计原理可知，它由等效控制和切换控制构成，控制规则为：如果s是非零那么u是u_eq+u_s。因此模糊控制器设计也就有这两部分，即可设计为：u＝u_eq+u_NZ(s)u_s。

模糊控制器输入量s和输出量u，通过隶属函数。u_NZ(s)的变化实现抖振的消除。根据人工思维，专家知识推理建立知识库为：

s模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

u二模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

***状态轨迹远离切换函数s时，u_NZ应取大，加快响应速度，***状态轨迹靠近切换函数s时，u_NZ应取小，***轨迹到达切换函数s时，u_NZ＝0，于是得到推理规则为：

s	NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
								uNZ	PB	PM	PS	ZO	PS	PM	PB

表1

基于上述建立建立得到的模糊滑模放电控制器来实现对蓄电池组的两阶段充电控制。即当蓄电池组需要进行充电时，所述模糊滑模控制器根据蓄电池组的充电电流检测值与充电电流参考值之间的比较信号控制充电电路，使蓄电池组的充电电流保持恒定，所述蓄电池组保持恒流充电状态直到端电压升高到两阶段之间的切换电压值；当蓄电池组端电压升高到切换电压值时，所述模糊滑模控制器根据蓄电池组的充电电压检测值与充电电压参考值之间的比较信号控制充电电路，使蓄电池组在恒定充电电压下进行恒压充电，直到蓄电池组的充电电流减小到一定值后完成充电过程。蓄电池组进行恒压充电时的恒定充电电压一般优选选择与两阶段之间的切换电压值相等。

本并网***中蓄电池组通过放电电路直接与直流母线相连接，因为直流母线的电压需要稳定的电压，所以在蓄电池组放电的同时也需要对直流母线进行控制。根据能量守恒的原理分析，假设负载在固定的情况(在实际应用中负载基本不变或阶段性变化，且可以保持较长时间)下只需控制直流母线电压稳定则蓄电池组的放电电流就是恒定的。因此，本***中的放电控制器优选的控制策略是保证蓄电池组在放电时直流母线保持稳定。上述控制策略也可以通过模糊滑模控制来完成，即放电控制器设计成模糊滑模放电控制器，模糊滑模放电控制器的输入端接收直流母线的母线电压检测值与母线电压参考值之间的比较信号，输出端与放电电路连接。此模糊滑模放电控制器的设计与模糊滑模充电控制器基本相同，此处不再重复。

蓄电池组进行放电时，模糊滑模放电控制器根据直流母线的母线电压检测值与母线电压参考值之间的比较信号对放电电路的开关器件的开通和关断进行控制，根据负载变化迅速进行调节，保证直流母线电压稳定在理想值的误差允许范围之内，进而使蓄电池组的放电电流保持恒定，实现蓄电池组恒流放电控制。

本发明的小型风力发电并网***所发电能能够在电能紧缺的时候供给电网或根据负载情况对电能进行存储，特别是在晚间电网用电量不大，且负载所需电量小于风力发电***所发电量的条件下通过蓄电池进行储能，而在白天用电量增加时为电网和负载供电，从而提高小型风力发电***的电能利用率，拓宽其应用面，为用户带来更大的经济效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种带蓄电池的小型风力发电并网***，包括：

风力机以及在风力机带动下工作的风力发电机；

整流电路，其输入端与风力发电机的输出端连接；

逆变电路，其输入端通过直流母线与整流电路的输出端连接，输出端与电网和/或负载相连；

其特征在于还包括：

蓄电池组、充电电路、放电电路、充电控制器以及放电控制器，所述蓄电池组分别通过充电电路和放电电路与直流母线连接，所述充电控制器与充电电路连接，所述放电控制器与放电电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，其特征在于所述充电控制器为模糊滑模充电控制器，所述模糊滑模充电器的输入端接收充电电压检测值与充电电压参考值之间的比较信号以及蓄电池组的充电电流检测值与充电电流参考值之间的比较信号，输出端与充电电路连接。

3.根据权利要求1所述的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，其特征在于所述放电控制器为模糊滑模放电控制器，所述模糊滑模放电控制器的输入端接收直流母线的母线电压检测值与母线电压参考值之间的比较信号，输出端与放电电路连接。

4.根据权利要求1所述的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，其特征在于当风力发电机发电量大于负载所需电量，直流母线稳定在所需电压条件时，直流母线通过充电电路对蓄电池组进行充电；当风力发电机发电量小于负载所需电量，蓄电池组有电量储备时，蓄电池组通过放电电路向直流母线提供能量，蓄电池组储存的电能传输给负载和电网。

5.根据权利要求1所述的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，其特征在于所述充电控制器实现对蓄电池组的先恒流充电后恒压充电的两阶段充电控制。

6.根据权利要求2所述的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，其特征在于所述模糊滑模充电控制器利用模糊滑模控制算法实现对蓄电池组的先恒流充电后恒压充电的两阶段充电控制。

7.根据权利要求6所述的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，其特征在于当蓄电池组需要进行充电时，所述模糊滑模控制器根据蓄电池组的充电电流检测值与充电电流参考值之间的比较信号控制充电电路，使蓄电池组的充电电流保持恒定，所述蓄电池组保持恒流充电状态直到端电压升高到两阶段之间的切换电压值；当蓄电池组端电压升高到切换电压值时，所述模糊滑模控制器根据蓄电池组的充电电压检测值与充电电压参考值之间的比较信号控制充电电路，使蓄电池组在恒定充电电压下进行恒压充电，直到蓄电池组的充电电流减小到一定值后完成充电过程。

8.根据权利要求7所述的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，其特征在于所述蓄电池组进行恒压充电时的恒定充电电压与两阶段之间的切换电压值相等。

9.根据权利要求1所述的一种带蓄电池的小型风力发电并网***，其特征在于所述蓄电池组处于放电状态时为恒流放电。