CN202004716U - 一种风力发电机的控制*** - Google Patents

Abstract

一种风力发电机的控制***，包括总控制器，总控制器分别连接有发电机和蓄电池，其特征在于：所述总控制器包括与发电机的输出端相连接的整流装置、与整流装置的输出端相连接的脉宽调制装置和控制装置，所述总控制器还包括连接于发电机和蓄电池之间的逆变装置。本实用新型发电机启动风速要求低，在较低风速下就可输出电能，风力利用率高；对风力发电机功率控制最优化，发电机效率高；控制器供电稳定，不会因蓄电池欠压而掉电，使得控制器工作更稳定，可靠性高；辅助启动不需要增加电动机，成本低廉，运行可靠。

Description

一种风力发电机的控制***

技术领域

本实用新型涉及一种控制***，尤其涉及一种风力发电机的控制***。

背景技术

风力发电作为一种清洁、环保的发电方式，越来越受到重视；但由于现实中，自然风非常的不稳定，而风力发电是依靠自然风推动风轮转动，带动风力发电机产生电能，因此风力发电机的工作状态也极不稳定，因而必须对风力发电机进行良好的控制，保证***的安全、高效，但不同的风力发电机功率曲线不同，且风力发电机的工作状态不稳定，输出功率变化频繁、无规律，传统的风力发电控制器采用定时采样的方式，风力发电机的主控制器通过对负载大小的调整，使得负载与发电机的功率匹配，提高发电机的效率，传统的控制器采用曲线自动跟踪法调整负载，通过对发电机功率曲线的斜率采样计算得数据，当取样点越多，调节精度越高，但现实中发电机的工作状态复杂，取样困难，且不同的风力发电机功率曲线差异很大，通用性差，目前常用的控制器取样频率在10KHz左右，调节精度不高，难以实现最优化的功率控制。

目前大多数的风力发电机完全由风轮直接驱动，但传统的风力发电机均采用三相永磁交流发电机，其静止的转矩较大，风速低时无法启动，造成发电机发电效率低下；申请号200810066917的中国专利公开了一种风力发电机，在原有发电机的基础增加了电动机单体，可在风力不足时启动电动机单体，辅助风力发电机启动，但该方案成本较高，装置复杂，控制困难，可靠性低。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术问题，提供一种功率调整效率高的风力发电机的控制***。

本实用新型的技术方案是：一种风力发电机的控制***，包括总控制器，总控制器分别连接有发电机和蓄电池，其特征在于：所述总控制器包括与发电机的输出端相连接的整流装置、与整流装置的输出端相连接的脉宽调制装置和控制装置，所述总控制器还包括连接于发电机和蓄电池之间的逆变装置，所述逆变装置设置有控制开关，该控制开关与控制装置相连，并受控制装置的控制；所述控制装置包括与整流装置的输出端相连接、检测输出端电压变化的检测装置，检测装置连接有从检测装置读取数据并进行计算的计算装置，计算装置连接有脉宽调整装置。

当风速较低，发电机因较高的静止转矩无法启动时，控制装置打开控制开关，逆变装置将蓄电池的电能反输入发电机中，使得发电机成为电动机，克服静止转矩开始转动，当发电机到达指定转速时，控制装置关闭控制开关，停止对发电机的辅助启动；检测装置对整流装置输出端的电压变化，即ΔU，进行采样，当电压趋向上升，则负载太小，脉宽调整装置经过调整，加大负载，当电压趋向下降，则负载过重，脉宽调整装置经过调整，减小负载，计算量相当小，且调整更精确，因此可以做到更高的采样频率，使得控制器的功率曲线与发电机的功率曲线更匹配，优化功率控制。

作为优选，所述控制***还包括风速仪，所述风速仪与控制装置相连，并将数据传输至控制装置。风速仪检测风速，然后将风速数据传输至控制装置，当风速到达发电需要的速度，但不足以克服静止转矩的时候，控制装置控制逆变器打开，辅助发电机启动发电。

作为优选，所述控制***还包括超速保护装置，所述超速保护装置包括可对发电机转轴进行制动的刹车装置，所述刹车装置与控制装置相连接，并受控制装置控制。当风力过大，***无法承受时，控制装置控制刹车装置作用，对发电机进行减速，保护整个***。

作为优选，所述控制装置还设置有用于连接外部电网的转换装置。发电机的控制器均采用蓄电池供电，当无风且蓄电池电压过低时，控制器会因供电不足而关闭，造成无法控制，给实际应用带来困难；本实用新型利用外部电网对蓄电池进行补电，连接与外部电网的转换装置提供略大于蓄电池欠压保护点的电压，输出供给蓄电池，平时使用中此电压低于蓄电池的工作电压，不会从外部电网提取电能，当蓄电池因消耗过度或故障时，蓄电池的电压低于转换装置提供的电压，由转换装置向蓄电池供电，支持控制器继续工作，且当蓄电池的电压接近欠压保护点时，负载已经自动脱开，不会对外部电网和转换装置造成压力。

作为优选，所述转换装置包括降压电路和与降压电路相连接的稳压电路。

作为优选，所述控制装置还包括连接于脉宽调制装置与蓄电池之间的充电装置。充电装置控制发电机对蓄电池进行充电，同时对蓄电池进行欠压保护、过压保护、开路保护、短路保护以及充电电流限制、充电电压限制、浮充等一系列保护动作。

综上所述，本实用新型具有以下优点：

1、发电机启动风速要求低，在较低风速下就可输出电能，风力利用率高；

2、对风力发电机功率控制最优化，发电机效率高；

3、控制器供电稳定，不会因蓄电池欠压而掉电，使得控制器工作更稳定，可靠性高；

4、辅助启动不需要增加电动机，成本低廉，运行可靠。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型控制装置功率匹配控制的算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本实用新型作进一步说明。

一种风力发电机的控制***，如图1所示，包括风轮，该风轮连接有发电机，发电机连接有蓄电池，发电机与蓄电池之间连接有总控制器；总控制器包括与发电机的输出端相连接的整流装置、与整流装置的输出端相连接的脉宽调制装置和控制装置，控制装置还包括连接于脉宽调制装置与蓄电池之间的充电装置，总控制器还包括连接于发电机和蓄电池之间的逆变装置，逆变装置设置有控制开关，该控制开关与控制装置相连，并受控制装置的控制；控制装置包括与整流装置的输出端相连接、检测输出端电压变化的检测装置，检测装置连接有从检测装置读取数据并进行计算的计算装置，计算装置连接有脉宽调整装置；风力发电机还包括风速仪，风速仪与控制装置相连，并将数据传输至控制装置；风力发电机还包括超速保护装置，超速保护装置包括可对发电机转轴进行制动的刹车装置和与发电机输出端相连接的能耗装置，刹车装置和能耗装置均与控制装置相连接，并受控制装置控制；控制装置还设置有用于连接外部电网的转换装置，转换装置包括降压电路和与降压电路相连接的稳压电路。

其中，控制装置采用单片机和CPLD双芯片***，单片机负责数据采样，算法实现和显示，CPLD负责逻辑控制，并通过继电器控制动作输出等，两者相互通讯，实现协调工作，其中单片机还连接有通讯端口，用于使用者日常调试时与电脑等外设相连接，通讯端口采用最常见的RS485和RS232，单片机和通讯端口之间还设置有光耦用于信号隔离；单片机可以使用最常见且成本较低的8051系列，为减小体积，产品采用8051中的C8051F021贴片封装，CPLD采用资源丰富，成本低廉的EPM240；单片机通过一系列由比较器LM324构成的检测电路与检测器相连接，检测器包括检测发电机转子转速的转速检测器、检测发电机输出电压的电压检测器、检测蓄电池电压的电量检测器以及检测运行电流的电流检测器，检测器与检测电路之间均设置有隔离用的光耦，检测电路还设置有由比较器LM339构成的判断电路，当出现电池电压过高、过低，运行电流过大或发电机转速过高等情况时，判断电路向单片机反馈相应信号；整流装置与发电机相连接的一端设置有π形滤波，保证发电机输出电流波形的稳定；逆变装置采用型号为20N60S5的MOS管作为开关管；控制器内还内置有由SN74LS00N构成的电机故障检测装置，通过检测安装于发电机上的行程开关和安装于发电机内的热电偶来判断***的运行情况。

工作时，一路检测装置与风速仪相连接，风速仪采用脉冲信号表示发电机的转速，当发电机转速越高时，风速仪发出的脉冲信号频率越高，该脉冲信号经过滤波电路和比较器之后，生成稳定的发电机转速信号，该转速信号通过单片机的端口输入，当单片机通过计算得风速持续1分钟大于5.12米/秒时，单片机对CPLD发出进行辅助启动的指令，CPLD收到辅助启动的指令后通过控制启动继电器吸合，接通由20N60S5组成的逆变装置，蓄电池对发电机反向供电，使发电机转动，辅助发电机启动；当单片机通过计算得风速持续1分钟小于3米/秒时，单片机对CPLD发出停止指令，CPLD控制充电继电器断开，切断充电装置对蓄电池充电；当单片机通过计算得风速仪检测到风速大于9米/秒时，单片机发出刹车指令，CPLD控制刹车继电器吸合，接通刹车装置，对发电机的转动轴进行刹车，以保护发电机，同时断开充电继电器，防止冲击电流对控制***的其他元件产生损坏，当风速降回至5.12～9米/秒时，单片机发出重新启动指令，CPLD断开刹车继电器，松开对发电机转轴的刹车，同时吸合充电继电器，使得发电机在风力作用重新开始转动，并开始对蓄电池充电，当风速降回至3～5.12米/秒时，单片机对CPLD发出进行辅助启动的指令，CPLD收到辅助启动的指令后通过控制启动继电器吸合，接通由20N60S5组成的逆变装置，蓄电池对发电机反向供电，使发电机转动，辅助发电机启动。另一种检测装置并联于蓄电池的两个电极之间，通过比较器将蓄电池的电压信号转化为单片机可识别的数字信号，然后输入单片机的另一端口内，当单片机检测得蓄电池的电压处于44～56V时，单片机对CPLD发出充电指令，CPLD控制充电装置控制发电机对蓄电池进行全电流充电，当蓄电池的电压处于56～59V时，单片机对CPLD发出稳定电压指令，CPLD控制充电装置控制发电机对蓄电池进行微电流充电，以保护蓄电池，延长蓄电池寿命，并保持蓄电池电压。第三路检测装置串联于蓄电池的一极，通过比较器将蓄电池输出的电流大小信号转化为单片机可识别的数字信号，当蓄电池输出的电流过大时，单片机收到信号，对CPLD发出保护电流指令，CPLD对过调整脉宽调制装置，调整蓄电池的负载，同时单片机继续监控，如CPLD的调整无效，电流仍超过标准，则单片机发出切断指令，CPLD断开供电继电器，切断蓄电池的对外供电，以保护蓄电池。一旦行程开关检测到发电机的运行行程与标准不相符，或发电机内任一点的温度过高，故障检测装置立即发出电机故障信号，单片机一旦接收到电机故障信号，立即发出故障停机指令，CPLD立即吸合刹车继电器，对发电机转动轴进行刹车，同时切断发电机的输出继电器，切断发电机的输出。

如图2所示，若发电机三相整流母线电压为U，线电流为I，每隔一定时间进行采样，三相整流母线与电池电压的压差记为△U= U -Ud，将当前采样值记为U n和Ud n，前一次采样值为U n-1和Ud n-1， 将当前PWM占空比为Dn，前一次PWM占空比为D n-1， PWM启动电压差记为δ1，PWM快速调整变化电压记为δ2，功率曲线调整上限记为δ3，功率曲线调整下限记为δ4，PWM调整步进值记为△D，限电流调整系数记为K1，功率曲线上限调整系数记为K2，功率曲线下限调整系数记为K3，当控制***启动时，***首先初始化，如△U<δ1，则重新初始化，如△U≥δ1，则设置Dn=△D，检测Imax，如Imax<I，则PWM设置Dn+1=Dn-K1△D，如Imax≥I，则检测Un-Un-1，如Un-Un-1≥δ2，则PWM设置Dn+1=Dn+△D，如Un-Un-1<δ2，则继续检测Un-Un-1，当Un-Un-1 ≤-δ2时，则PWM设置Dn+1=Dn-△D，当Un-Un-1>-δ2时，检测△U，当△U≥δ3时，则PWM设置Dn+1=Dn+K2△D，如δ4≤△U≤δ3时，则PWM设置Dn+1=Dn，如△U<δ4，则PWM设置Dn+1=Dn-K3△D，通过调整PWM的占空比，调节***负载，使得控制***具有良好的功率跟踪能力。

本控制***的整流装置、脉宽调制装置、转换装置和控制装置结合后还可用于太阳能电池板的控制***。

Claims (6)

1.一种风力发电机的控制***，包括总控制器，总控制器分别连接有发电机和蓄电池，其特征在于：所述总控制器包括与发电机的输出端相连接的整流装置、与整流装置的输出端相连接的脉宽调制装置和控制装置，所述总控制器还包括连接于发电机和蓄电池之间的逆变装置，所述逆变装置设置有控制开关，该控制开关与控制装置相连，并受控制装置的控制；所述控制装置包括与整流装置的输出端相连接、检测输出端电压变化的检测装置，检测装置连接有从检测装置读取数据并进行计算的计算装置，计算装置连接有脉宽调整装置。

2.根据权利要求1所述风力发电机的控制***，其特征在于：所述控制***还包括风速仪，所述风速仪与控制装置相连，并将数据传输至控制装置。

3.根据权利要求1或2所述风力发电机的控制***，其特征在于：所述控制***还包括超速保护装置，所述超速保护装置包括可对发电机转轴进行制动的刹车装置，所述刹车装置与控制装置相连接，并受控制装置控制。

4.根据权利要求1所述风力发电机的控制***，其特征在于：所述控制装置还设置有用于连接外部电网的转换装置。

5.根据权利要求4所述风力发电机的控制***，其特征在于：所述转换装置包括降压电路和与降压电路相连接的稳压电路。

6.根据权利要求5所述风力发电机的控制***，其特征在于：所述控制装置还包括连接于脉宽调制装置与蓄电池之间的充电装置。

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