一种小型风力发电变换装置.pdf

本发明公开一种小型风力发电变换装置。本发明风力发电机、制动控制单元、整流模块、输入电压传感器、一体化直流变换器、全数字控制器、输出电流传感器、输出电压传感器、蓄电池、直流负载组成。本发明以实现升降压变换功能，达到最佳风能捕获效果，并且可以实现最大功率点追踪控制，提高系统效率。升降压DC/DC变换与泄荷控制集成在一起，成本低，在风较大的情况下，为了保证系统的安全，可以进行泄荷，限制风机转速，在此期间不影响系统供电，极端条件下可以对风机进行电磁制动。

1.  一种小型风力发电变换装置，其特征在于，它由风力发电机(101)、制动控制单元(102)、整流模块(103)、输入电压传感器(104)、一体化直流变换器(105)、全数字控制器(106)、输出电流传感器(107)、输出电压传感器(108)、蓄电池(109)、直流负载(110)组成。风力发电机(101)输出与整流模块(103)的输入相连接，在风力发电机(101)与整流模块(103)之间并联一个制动控制单元(102)，整流模块(103)的输出端并联输入电压传感器(104)并与一体化直流变换器(105)的输入端相连，一体化直流变换器(105)的输出直流母线上连接有输出电流传感器(107)、输出电压传感器(108)、蓄电池(109)和直流负载(110)。全数字控制器(106)检测输入电压传感器(104)、输出电流传感器(107)和输出电压传感器(108)的信号，并且向制动控制单元(102)和一体化直流变换器(105)提供控制信号。

2.  如权利要求1所述的一种小型风力发电变换装置，其特征在于，整流模块(103)由二极管(201)、(202)、(203)、(204)、(205)、(206)三相全桥整流单元、直流滤波电容(207)组成，用于交流-直流变换。

3.  如权利要求1所述的一种小型风力发电变换装置，其特征在于，制动控制单元(102)由三相接触器(或者固态接触器)和短路条组成，用于风机的短路制动控制。

4.  如权利要求1所述的一种小型风力发电变换装置，其特征在于，所述一体化直流变换器(105)由降压控制开关(301)、续流二极管(302)、储能电感(303)、泄荷电阻(304)、升压控制开关(305)、防反二极管(306)、输出滤波电容(307)组成。一体化直流变换器(105)正输入端接降压控制开关(301)，再与储能电感(303)和防反二极管(306)串联，防反二极管(306)与正输出端相连接，续流二极管(302)并联在储能电感(303)输入端和负极之间，泄荷电阻(304)与升压控制开关(305)串联后并联在储能电感(303)输出端和负极之间，输出滤波电容(307)并联在一体化直流变换器(105)的输出端。

一种小型风力发电变换装置
技术领域
本发明涉及一种小型风力发电变换装置，特别涉及一种输入电压范围较宽的一体化风力发电变换装置，属于新能源应用领域。
背景技术
目前新能源技术，特别是风力发电技术日益受到人们的关注。小型风力发电机多采用三相永磁直驱形式，因此由于风速的变化，其输出的三相交流电的电压幅值和频率都会随风机转速发生变化。为了给直流负载提供稳定的电源，通常需要蓄电池作为电能的储存和稳定装置，而蓄电池的充放电过程必须满足蓄电池的充放电特性曲线，否则会大大缩短蓄电池的使用寿命，所以在风力发电机的输出端都会设计一个变换装置为蓄电池充电并且为负载提供电力。
通常小型风力发电机为了降低成本，仅对永磁发电机输出的三相交流电整流后直接给蓄电池充电，当风速较大且负载较小时，需要通过泄荷模块将部分风力发电机发出的电流通过泄放电阻释放掉。这样做虽然可以满足供电要求，但是风力发电机的输出电压也就被钳制在了蓄电池电压上了，所以这种控制方法对风能的利用率比较低，当风速较低时，发电机输出电压低于蓄电池电压，风能无法转换成电能给蓄电池充电并给负载供电；当风速较高时由于电压被钳制，所以风机转速也基本上无法随风速改变，因此不能最大限度地利用风能，更无法进行最大功率点追踪控制。
近来，有研究在风力发电整流模块和泄荷单元之后加入了DC/DC变换器通过升降压控制，很好地解决了风能利用率不高的问题。但是这种方案中，DC/DC变换器的结构比较复杂，成本也比较高，造成系统的投资较大，成本回收困难，不利于小型风力发电机系统的推广和使用。
综上所述，在小型风力发电系统应用中，需要充分利用风能资源，提高风力发电的风能捕获效率，能够对蓄电池的充放电过程进行控制，从而延长蓄电池的使用寿命，同时还需要进一步降低成本。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种小型风力发电变换装置。主要目的就是在小型风力发电系统的应用中提高风能利用率，实现升降压控制功能，并且降低系统成本。
本发明的目的是这样实现的：
本发明由风力发电机、制动控制单元、整流模块、输入电压传感器、一体化直流变换器、全数字控制器、输出电流传感器、输出电压传感器、蓄电池、直流负载组成。风力发电机输出与整流模块的输入相连接，在风力发电机与整流模块之间并联一个制动控制单元，整流模块的输出端上并联输入电压传感器并与一体化直流变换器的输入端相连，一体化直流变换器的输出直流母线上连接有输出电流传感器、输出电压传感器、蓄电池和直流负载。全数字控制器检测输入电压传感器、输出电流传感器和输出电压传感器的信号，并且向制动控制单元和一体化直流变换器提供控制信号。
所述整流模块由二极管三相全桥整流单元、直流滤波电容组成，用于交流-直流变换；
所述制动控制单元由三相接触器(或者固态接触器)和短路条组成，用于风机的短路制动控制；
所述一体化直流变换器由降压控制开关、续流二极管、储能电感、泄荷电阻、升压控制开关、防反二极管、输出滤波电容组成。一体化直流变换器正输入端接降压控制开关，再与储能电感和防反二极管串联，防反二极管与正输出端相连接，续流二极管并联在储能电感输入端和负极之间，泄荷电阻与升压控制开关串联后并联在储能电感输出端和负极之间，输出滤波电容并联在一体化直流变换器的输出端。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，可以实现升降压变换功能，达到最佳风能捕获效果。在风速较低时，启动升压功能，反之在风速较高时，启动降压功能。
本发明的另外一个效果在于，可以实现最大功率点追踪控制，提高系统效率，并且可以对蓄电池的充放电曲线进行有效控制。
本发明的另外一个效果在于，升降压DC/DC变换与泄荷控制集成在一起，成本低，在风较大的情况下，为了保证系统的安全，可以进行泄荷，限制风机转速，在此期间不影响系统供电，极端条件下可以对风机进行电磁制动。
附图说明
图1是本发明中一种小型风力发电变换装置框图；
图2是整流模块内部结构框图；
图3是一体化直流变换器内部结构框图。
具体实施方式
实施例：一种小型风力发电变换装置，包括：
风力发电机101、制动控制单元102、整流模块103、输入电压传感器104、一体化直流变换器105、全数字控制器106、输出电流传感器107、输出电压传感器108、蓄电池109、直流负载110。风力发电机101输出与整流模块103的输入相连接，在风力发电机101与整流模块103之间并联一个制动控制单元102，整流模块103的输出端并联输入电压传感器104并与一体化直流变换器105的输入端相连，一体化直流变换器105的输出直流母线上连接有输出电流传感器107、输出电压传感器108、蓄电池109和直流负载110。全数字控制器106检测输入电压传感器104、输出电流传感器107和输出电压传感器108的信号，并且向制动控制单元102和一体化直流变换器105提供控制信号。
所述整流模块103由二极管201、202、203、204、205、206三相全桥整流单元、直流滤波电容207组成，用于交流-直流变换；
所述制动控制单元102由三相接触器(或者固态接触器)和短路条组成，用于风机的短路制动控制；
所述一体化直流变换器105由降压控制开关301、续流二极管302、储能电感303、泄荷电阻304、升压控制开关305、防反二极管306、输出滤波电容307组成。一体化直流变换器105正输入端接降压控制开关301，再与储能电感303和防反二极管306串联，防反二极管306与正输出端相连接，续流二极管302并联在储能电感303输入端和负极之间，泄荷电阻304与升压控制开关305串联后并联在储能电感303输出端和负极之间，输出滤波电容307并联在一体化直流变换器105的输出端。
本实施例上述内容具体解释如下：
如图1所示，风力发电机101发出的交流电经过整流模块103转换为直流电，由于风速的变化，使得整流模块103的输出直流电压非常不稳定。整流模块103输出的直流电传递给一体化直流变换器105，一体化直流变换器105能够对输入直流电压进行升降压变换，所以可以将不稳定的输入直流电转换为恒定的直流电输出给蓄电池109和直流负载110供电，或者按照蓄电池的充电特性对直流母线电压和电流进行控制。所有控制策略均由全数字控制器106实现，首先全数字控制器106通过输入电压传感器104和输出电压传感器108检测到输入直流母线电压和输出直流母线电压，然后根据输入输出电压的差判断出升压工作模式还是降压工作模式，然后根据输出电流传感器107检测得到的输出电流来控制一体化直流变换器105的占空比。
当风速较高时输入电压传感器104检测得到的输入电压升高到一定值，为了防止电压过高，全数字控制器106控制一体化直流变换器105进入泄荷模式，同时通过降压控制继续向蓄电池109、直流负载110供电。
如果遇到极端气象条件下为了防止风机转速过高损坏风力发电系统，首先全数字控制器106控制一体化直流变换器105进入泄荷模式，并将泄荷电流设到最大值，然后控制制动控制单元102短接制动。
当本发明一种小型风力发电变换装置工作在升压/降压模式时，通过全数字控制器106可以实现最大功率点追踪控制，使得风力发电机捕获的风能达到最大值。
一体化直流变换器105通过全数字控制器106的控制可以工作在升压、降压和泄荷三种模式，见图3。当一体化直流变换器105工作在降压模式时，通过全数字控制器106控制升压控制开关305断开，再调节降压控制开关301的占空比来控制输出电压和电流的大小。当一体化直流变换器105工作在升压模式时，通过全数字控制器106控制降压控制开关301导通，再调节升压控制开关305的占空比来控制输出电压和电流的大小。当一体化直流变换器105工作在泄荷模式时，通过全数字控制器106控制升压控制开关305导通，再调节降压控制开关301的占空比来控制泄荷电流的大小，同时保证输出电压和电流达到设定值。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。故凡依本发明之精神实质、形状、原理所作的变化或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围内。