一種提高風力發電能量利用率的送變電裝置的製作方法
2023-10-05 22:37:34
專利名稱：一種提高風力發電能量利用率的送變電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及風能發電用電領域，特別是風力發電送變電裝置。
風能源利用的課題是如何較合理地解決風能密度低，隨機性、間隙性……等問題，以及如何採用蓄能方式去配合，使用戶得到穩定高質量的電能。已有風力發電送變電裝置通常是利用蓄電池貯存一定電能，無風時用蓄電池供電。為了最大限度地利用風能，現有技術必須在風力發電裝置中設置調速系統，升速傳動裝置。這樣的構成有以下缺陷1．機構複雜程度高，製造費用高，可靠性下降；2．能量沒有最大限度的利用，低速和高速風能利用得不好，能量利用率低。3．輸出到用戶的電能質量不好，其電壓和頻率的穩定性差。
本實用新型的目的是提供一種使風力發電裝置機械結構簡單、製造成本低、運行可靠、風能利用率高、供電穩定的風力發電送變電裝置。
為實現上述目的，本實用新型的技術方案之一是一種提高風力發電能量利用率的裝置，該裝置由整流濾波器、寬範圍泵升穩壓電路、蓄電池、SPWM單相逆變橋和輸出濾波器組成；整流濾波器的輸入端1、2接單相永磁發電機的兩輸出端，其輸出端3、4接寬範圍泵升穩壓電路的輸入端，寬範圍泵升穩壓電路的輸出端5、4分別接蓄電池B1的正極和負極，SPWM單相逆變橋的兩輸入端接端5、端4，輸出端6、7分別接輸出濾波器的輸入端，輸出濾波器的輸出端8、9接單相負載。
整流濾波器由二極體D1、D2、D3、D4和電容器C1組成；D1和D2、D3和D4接成單相整流橋與C1並聯，形成輸出端3、4，該整流橋的另外兩個聯接點形成輸入端1、2。
寬範圍泵升穩壓電路由電抗器L1、開關管T1、二極體D5、電容C2、C3、電阻R1、R2、驅動單元Q1和控制單元DY1組成；L1接端3，另一端接D5正極和T1,T1的控制端接Q1，另一端接公共端4,R1和R2串聯後與C1、C3並聯，R1端與D5負極聯接形成輸出端5,R2端與公共端4相聯接，R1和R2的連接點接DY1的端1,Q1的另一端接DY1的端2。
SPWM單相逆變橋由開關管T11、T12、T21、T22，續流管D11、D12、D21、D22，驅動單元Q11、Q12、Q21、Q22和單相SPWM發生器DY2，電壓負反饋單元DY3，過流檢測單元DY4組成；T11和T12、T21和T22、D11和D12、D21和D22分別串聯後跨接在端5、端4上，T11和T12、D11和D12的串聯中點聯接後成端7接電感L2,T21和T22、D21和D22的串聯中點聯接後成端6接電感L2的另端，Q11、Q12、Q21、Q22的各自兩端分別接在T11、T12、T21、T22的控制極和DY2的輸出端上，DY2的各輸入端接DY3、DY4的輸出端，DY3的兩輸入端分別接端6、7,DY4的兩輸入端分別接電流互感器S41、S42。
輸出濾波器由電感L2和電容器C41、C42、C43組成；L2由兩組線圈構成，其中一組接在端6、8上，另一組接在端7、9上，C41和C42串聯後與C43一起並聯在端8、9上，C41和C42串聯的中間聯接點接端4。
本實用新型的技術方案之二是一種提高風力發電能量利用率的送變電裝置，該裝置由PFC型三相整流濾波電路、蓄電池、SPWM控制三相逆變橋，三組LC濾波器和公共端PE組成；PFC型三相整流濾波電路的輸入端1、端2、端3分別接三相永磁發電機的三個輸出端，其公共端PE接三相永磁發電機的中性點，PFC型三相整流濾波電路的兩個輸出端8、端9分別接串聯蓄電池B11、B12的兩端，其另一輸出端7接蓄電池B11、B12的中間聯接點後再接PE端；SPWM控制三相逆變橋的正負電源端接端8、端9，其三相輸出端接三組LC濾波器的端10、端11、端12，三組LC濾波器的接地點接PE，其三個輸出端13、端14、端15接三相負載的U、V、W端，PE極接負載的中性點。
PFC型三相整流濾波電路由電抗器L11、L12、L13，二極體D1、D2、D3、D4、D5、D6，電容C11、C12、C13、C21、C22、C31、C32，電阻R31、R32、R33、R11、R12、R21、R22，整流橋Z1、Z2、Z3，開關管Q1、Q2、Q3，檢測控制驅動單元DY1、DY2、DY3，檢測電路DY4組成；Z1、Z2、Z3的各交流輸入端分別跨接在端4、端5、端6及公共端PE上，其各整流輸出端分別接Q1、Q2、Q3的源極和漏極，Q1、Q2、Q3的控制極和源極27、28、29、30、31、32分別接控制單元DY1、DY2、DY3的輸出。DY1、DY2、DY3的輸入電流信號端16、19、22分別接電流互感器S11、S12、S13，其輸入電壓信號端18、21、24分別接R31、R32、R33,R31、R32、R33的另一端分別接端1、端2、端3和C11、C12、C13,C11、C12、C13的另一端接PE端；DY4的兩輸入端接端25、26，地線接PE，其三輸出端分別接DY1、DY2、DY3的端17、20、23；D1和D2、D3和D4、D5和D6接成三相整流橋後跨接在端8、端9上，其交流輸入端子分別接端4、端5、端6,C21和C22、C31和C32分別串聯後跨接在端8、端9上，其聯接點相接後成端7與PE相接；R11、R12、R22、R21串聯後跨接在端8、端9上，其中間聯接點接PE，另二個連接點25、26接DY4；L11、L12、L13分別接在端1、4，端2、5，端3、6之間。
SPWM控制三相逆變橋由開關管T11、T12、T21、T22、T31、T32，續流管D11、D12、D21、D22、D31、D32，驅動級Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32、三相SPWM發生器DY5、電壓負反饋單元DY7、過流檢測單元DY8組成；T11和T12、T21和T22、T31和T32、D11和D12、D21和D22、D31和D32分別串聯後跨接在端8、端9上，T11和T12、D11和D12的串聯中點聯接後成端10接電抗器L41,T21和T22、D21和D22的串聯中點聯接後成端11接電抗器L42,T31和T32、D31和D32的串聯中點聯接後成端12接電抗器L43,Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32的各自兩端分別接在T11、T12、T21、T22、T31、T32的控制極和DY5的輸出端上，DY5的各輸入控制端接DY6、DY7、DY8的輸出端，DY7的三輸入端分別接端10、11、12,DY8的三輸入端分別接電流互感器S51、S52、S53。
三組LC濾波器由電抗器L41、L42、L43和電容器C41、C42、C43組成；L41和C41、L42和C42、L43和C43分別串聯，其電抗器端分別接端10、11、12，電容器端接PE，串聯後的中點分別成為本裝置的三個輸出端。
由第一技術方案構成的系統適應於孤立運行的小型風力發電單相機組，對中等以上容量的三相機組，可以採用第二技術方案。同時第二技術方案還可適用於風能發電與電網並聯運行的情況。
由於本實用新型採用了寬範圍泵升穩壓電路或PFC型三相整流濾波電路，使低速風能和間斷不穩的風能得到了充分利用，由於本實用新型的實現，風能接收裝置不必做成變槳距結構，傳統的調速系統將不再需要，從而使風力機的結構簡單、造價低廉、運行成本低，供電更加穩定可靠。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。
圖1為典型風一電能量轉換裝置示意圖。
圖2為單相風力發電送變電裝置電路方框圖。
圖3為三相風力發電送變電裝置電路方框圖。
圖4為單相風力發電送變電裝置較詳細主迴路和控制方框圖。
圖5為三相風力發電送變電裝置較詳細主迴路和控制方框圖。
圖2、圖4所示的一種單相風力發電送變電裝置，該裝置由整流濾波器、寬範圍泵升穩壓電路、蓄電池、SPWM單相逆變橋和輸出濾波器組成；整流濾波器的輸入端1、2接單相永磁發電機的兩輸出端，其輸出端3、4接寬範圍泵升穩壓電路的輸入端，寬範圍泵升穩壓電路的輸出端5、4分別接蓄電池B1的正極和負極，SPWM單相逆變橋的兩輸入端接端5、端4，輸出端6、7分別接輸出濾波器的輸入端，輸出濾波器的輸出端8、9接單相負載。
整流濾波器由二極體D1、D2、D3、D4和電容器C1組成；D1和D2、D3和D4接成單相整流橋後與C1並聯，形成輸出端3、4，該整流橋的另外兩個聯接點形成輸入端1、2。
寬範圍泵升穩壓電路由電抗器L1、開關管T1、二極體D5、電容C2、C3、電阻R1、R2、驅動單元Q1和控制單元DY1組成；L1接端3，另一端接D5正極和T1,T1的控制端接Q1，另一端接公共端4,R1和R2串聯後與C1、C3並聯，R1端與D5負極聯接形成輸出端5,R2端與公共端4相聯接，R1和R2的連接點接DY1的端1,Q1的另一端接DY1的端2。
SPWM單相逆變橋由開關管T11、T12、T21、T22，續流管D11、D12、D21、D22，驅動單元Q11、Q12、Q21、Q22和單相SPWM發生器DY2，電壓負反饋單元DY3，過流檢測單元DY4組成；T11和T12、T21和T22、D11和D12、D21和D22分別串聯後跨接在端5、端4上，T11和T12、D11和D12的串聯中點聯接後成端7接電感L2,T21和T22、D21和D22的串聯中點聯接後成端6接電感L2的另端，Q11、Q12、Q21、Q22的各自兩端分別接在T11、T12、T21、T22的控制極和DY2的輸出端上，DY2的各輸入端接DY3、DY4的輸出端，DY3的兩輸入端分別接端6、7,DY4的兩輸入端分別接電流互感器S41、S42。
輸出濾波器由電感L2和電容器C41、C42、C43組成；L2由兩組線圈構成，其中一組接在端6、8上，另一組接在端7、9上，C41和C42串聯後與C43一起並聯在端8、9上，C41和C42串聯的中間聯接點接端4。
風力機FL是一臺固定漿距，具備空氣動力學要求的高效風力機，它的輸出軸驅動一臺永磁交流發電機FD，因為使用了固定槳距風力機和永磁交流發電機，使得這兩部分的結構簡化、造價降低、維護簡單。
發電機FD輸出接到由D1、D2、D3、D4二極體組成的全波整流橋臂上，整流橋的輸出接電容濾波器C1，當發電機發電時，電容C1上充電到發電機輸出電壓的峰值。
電容C1兩端接到由電抗器L1、開關管T1、二極體D5、電容C2、C3、電阻R1、R2、驅動單元Q1、控制單元DY1所組成的寬範圍泵升穩壓電路，該電路的開關管T1、接在電抗器L1與二極體D5之間，電阻R1、R2對升高了的電壓進行分壓取樣後，將取樣電壓送到單元DY1，電容C2、C3接在二極體D5之後，在C2、C3上獲得升高了的電壓，作為單相風力發電系統，一般將電壓升到390V左右，而電容C1上的電壓可以在100-300V寬範圍變動，它來自不穩定的風力發電電壓，泵升的簡略原理是T1導通時電容C1上的電能以電流的磁能方式儲存於L1內，當T1關斷時，L1上的磁能量轉變為高電壓並通過D5對C2、C3充電，經過R1、R2分壓，取得升壓後的反饋電壓信號，再經DY1單元對T1進行調整，使T1的脈衝通斷間隔變化，從而穩定C2、C3上的電壓。
蓄電池B1通過開關J1同C2、C3並聯，泵升電壓通過D5對C2、C3充電的同時，實際上對蓄電池B1充電，將電能儲存在蓄電池中，為了更換電池，設置了開關J1，為了安全充電，設置了電流傳感器S1，由S1取得充電電流信號，當過充電一旦發生，則S1輸出的信號通過DY1單元處理後控制T1，使得充電電流不會太大。
電池B1後面接的是逆變橋，它將直流高壓(390V)變換成交流電，該逆變橋以SPWM方式(正弦脈寬調製)工作，它由開關管T11、T12、T21、T22，續流管D11、D12、D21、D22，驅動單元Q11、Q12、Q21、Q22，單相SPWM發生器DY2單元、電壓負反饋單元DY3、過流檢測單元DY4所組成。其輸出成為正弦波脈寬調製的一系列矩形波，經過濾波器後，輸出給負載的仍然為正弦波。DY3和DY4兩個單元的作用，使逆變橋的輸出電壓因負反饋而穩定，電流因S41、S42取樣而受到監控，一旦外部負載發生過流，逆變器不會輸出過大電流而遭受損壞。
為了消除SPWM調製而產生的大量幹擾、周圍的用電器不利及電容性負載對逆變器的損害，逆變器與負載之間插入了由L2、C41、C42、C43組成的輸出濾波器，使脈衝性幹擾得以抑制。
圖3、圖5所示的一種三相風力發電送變電裝置，該裝置由PFC型三相整流濾波電路、蓄電池、SPWM控制三相逆變橋，三組LC濾波器和公共端PE組成；PFC型三相整流濾波電路的輸入端1、端2、端3分別接三相永磁發電機的三個輸出端，其公共端PE接三相永磁發電機的中性點，PFC型三相整流濾波電路的兩個輸出端8、端9分別接串聯蓄電池B11、B12的兩端，其另一輸出端7接蓄電池B11、B12的中間聯接點後再接PE端；SPWM控制三相逆變橋的正負電源端接端8、端9，其三相輸出端接三組LC濾波器的端10、端11、端12，三組LC濾波器的接地點接PE，其三個輸出端13、端14、端15接三相負載的U、V、W端，PE極接負載的中性點。
PFC型三相整流濾波電路由電抗器L11、L12、L13，二極體D1、D2、D3、D4、D5、D6，電容C11、C12、C13、C21、C22、C31、C32，電阻R31、R32、R33、R11、R12、R21、R22，整流橋Z1、Z2、Z3，開關管Q1、Q2、Q3，檢測控制驅動單元DY1、DY2、DY3，檢測電路DY4組成；Z1、Z2、Z3的各交流輸入端分別跨接在端4、端5、端6及公共端PE上，其各整流輸出端分別接Q1、Q2、Q3的源極和漏極，Q1、Q2、Q3的控制極和源極27、28、29、30、31、32分別接控制單元DY1、DY2、DY3的輸出。DY1、DY2、DY3的輸入電流信號端16、19、22分別接電流互感器S11、S12、S13，其輸入電壓信號端18、21、24分別接R31、R32、R33,R31、R32、R33的另一端分別接端1、端2、端3和C11、C12、C13,C11、C12、C13的另一端接PE端；DY4的兩輸入端接端25、26，地線接PE，其三輸出端分別接DY1、DY2、DY3的端17、20、23；D1和D2、D3和D4、D5和D6接成三相整流橋後跨接在端8、端9上，其交流輸入端子分別接端4、端5、端6,C21和C22、C31和C32分別串聯後跨接在端8、端9上，其聯接點相接後成端7與PE相接；R11、R12、R22、R21串聯後跨接在端8、端9上，其中間聯接點接PE，另二個連接點25、26接DY4；L11、L12、L13分別接在端1、4，端2、5，端3、6之間。
SPWM控制三相逆變橋由開關管T11、T12、T21、T22、T31、T32，續流管D11、D12、D21、D22、D31、D32，驅動級Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32、三相SPWM發生器DY5、電壓負反饋單元DY7、過流檢測單元DY8組成；T11和T12、T21和T22、T31和T32、D11和D12、D21和D22、D31和D32分別串聯後跨接在端8、端9上，T11和T12、D11和D12的串聯中點聯接後成端10接電抗器L41,T21和T22、D21和D22的串聯中點聯接後成端11接電抗器L42,T31和T32、D31和D32的串聯中點聯接後成端12接電抗器L43,Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32的各自兩端分別接在T11、T12、T21、T22、T31、T32的控制極和DY5的輸出端上，DY5的各輸入控制端接DY6、DY7、DY8的輸出端，DY7的三輸入端分別接端10、11、12,DY8的三輸入端分別接電流互感器S51、S52、S53。
三組LC濾波器由電抗器L41、L42、L43和電容器C41、C42、C43組成；L41和C41、L42和C42、L43和C43分別串聯，其電抗器端分別接端10、11、12，電容器端接PE，串聯後的中點分別成為本裝置的三個輸出端。
從圖5可以看到，它比圖4變動了以下內容使用了三相永磁發電機，將整流濾波器和寬範圍泵升穩壓電路由PFC型整流濾波電路代替；SPWM單相逆變橋改成SPWM三相逆變橋；增加了鎖相同步控制環節。
風力機FL驅動三相永磁發電機FD,FD的三相繞組輸出交流電AC200-400V，送入PFC型整流濾波電路。使用的PFC型電路接成三相形式，每相均有電抗器(L11、L12、L13)和正負值整流濾波器(D1、D2,D3、D4,D5、D6及C21、C31,C22、C32)，脈寬調製驅動電路(Z1、Z2、Z3、Q1、Q2、Q3)輸入功率因數校正脈寬調製控制電路(DY1、DY2、DY31單元)，由取樣電阻R11、R12、R21、R22提供信號的正負值整流輸出電壓檢測電路DY4等所組成。由這些構成的PFC型整流濾波電路對發電機FD提供最佳功率因數，FD發出電壓在寬範圍變化時，都能把它的電壓整成+390V和-390V。
電容器C21、C31和C22、C32用來構成PFC型電路的交流通路和後面的三相逆變橋的貯能及濾波迴路，兩組電壓相等的高電壓蓄電池B11和B12儲存±390V直流電，它把風力發電機不穩定能源通過PFC電路的電壓提升和反饋穩定後，以直流電形式儲存起來。
SPWM控制三相逆變橋由開關管T11、T12、T21、T22、T31、T32，續流管D11、D12、D21、D22、D31、D32，驅動級Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32所組成，其信號來自三相SPWM發生器DY5,SPWM發生器是一個三相正弦波脈衝寬度調製器，它產生的信號使T11-T32按要求切換，從而輸出按正弦律調製的脈衝，由於受到電壓反饋單元DY7和電流反饋單元DY8的控制，輸出的三相正弦電壓幅度得到穩定，輸出過載時逆變器功率元件受到保護。
為了消除因脈衝調製帶來的幹擾，在輸出端用L41、C41、L42、C42、L43、C43構成的濾波器，淨化輸出電壓，使用戶得到高品質正弦電壓。
S11、S12、S13和S51、S52、S53分別是輸入端和輸出端電流互感器，分別對PFC電路(DY1、DY2、DY3)和過流檢測單元(DY8)提供電流信號。
切換開關J31、J32用於風力發電裝置供電轉換到電網供電的切換，以及這兩個電系統的並聯運行切換。當風力發電裝置專門用來作為向電網提供電能的使用場合時，該裝置內的貯能蓄電池B11、B12可以省去，以節省裝置的總費用。
為了嚴格地使風力發電三相電的電壓相位同電網一致，以保證兩個系統的並聯運行，引入了鎖相同步控制單元DY6。
以上電路的每一個部分和單元而言，都是已有的通用技術，而這些電路經本實用新型的組合，使得風力發電不穩定能源能夠穩定地利用，提高了風力發電能量的利用率。
對於其它不穩定能源轉換為電能的裝置，如潮汐發電、波浪發電裝置，同樣可以使用本實用新型的電路原理，把不穩定的電能轉變為幅值和頻率穩定的交流電能。
權利要求1．一種提高風力發電能量利用率的送變電裝置，其特徵是該裝置由整流濾波器、寬範圍泵升穩壓電路、蓄電池、SPWM單相逆變橋和輸出濾波器組成；整流濾波器的輸入端(1)、(2)接單相永磁發電機的兩輸出端，其輸出端(3)、(4)接寬範圍泵升穩壓電路的輸入端，寬範圍泵升穩壓電路的輸出端(5)、(4)分別接蓄電池B1的正極和負極，SPWM單相逆變橋的兩輸入端接端(5)、端(4)，輸出端(6)、(7)分別接輸出濾波器的輸入端，輸出濾波器的輸出端(8)、(9)接單相負載。
2．根據權利要求1所述的提高風力發電能量利用率的送變電裝置，其特徵在於所述整流濾波器由二極體D1、D2、D3、D4和電容器C1組成；D1和D2、D3和D4接成單相整流橋後與C1並聯，形成輸出端(3)、(4)，該整流橋的另外兩個聯接點形成輸入端(1)、(2)。
3．根據權利要求1所述的提高風力發電能量利用率的送變電裝置，其特徵在於所述寬範圍泵升穩壓電路由電抗器L1、開關管T1、二極體D5、電容C2、C3、電阻R1、R2、驅動單元Q1和控制單元DY1組成；L1接端(3)，另一端接D5正極和T1,T1的控制端接Q1，另一端接公共端(4),R1和R2串聯後與C1、C3並聯，R1端與D5負極聯接形成輸出端(5),R2端與公共端(4)相聯接，R1和R2的連接點接DY1的端(1),Q1的另一端接DY1的端(2)。
4．根據權利要求1所述的提高風力發電能量利用率的送變電裝置，其特徵在於所述SPWM單相逆變橋由開關管T11、T12、T21、T22，續流管D11、D12、D21、D22，驅動單元Q11、Q12、 Q21、Q22和單相SPWM發生器DY2，電壓負反饋單元DY3，過流檢測單元DY4組成；T11和T12、T21和T22、D11和D12、D21和D22分別串聯後跨接在端(5)、端(4)上，T11和T12、D11和D12的串聯中點聯接後成端(7)接電感L2,T21和T22、D21和D22的串聯中點聯接後成端(6)接電感L2的另端，Q11、Q12、Q21、Q22的各自兩端分別接在T11、T12、T21、T22的控制極和DY2的輸出端上，DY2的各輸入端接DY3、DY4的輸出端，DY3的兩輸入端分別接端(6)、(7),DY4的兩輸入端分別接電流互感器S41、S42。
5．根據權利要求1所述的提高風力發電能量利用率的送變電裝置，其特徵在於所述輸出濾波器由電感L2和電容器C41、C42、C43組成；L2由兩組線圈構成，其中一組接在端(6)、(8)上，另一組接在端(7)、(9)上，C41和C42串聯後與C43一起並聯在端(8)、(9)上，C41和C42串聯的中間聯接點接端(4)。
專利摘要一種提高風力發電裝置利用率的送變電裝置,該裝置由整流濾波器、寬範圍泵升穩壓電路、蓄電池、SPWM單相逆變橋和輸出濾波器依次組成。由於採用了寬範圍泵升穩壓電路,本裝置能夠將風力發電過程中低速風能和不穩定風能產生的電能提升為穩定的可以利用的電能。使用本裝置可以不在風力發電設備中設置調速系統和升速傳動裝置,風輪葉片也可以做成固定槳距。
文檔編號H02P9/00GK2461194SQ0024490
公開日2001年11月21日 申請日期2000年11月6日 優先權日2000年11月6日
發明者劉永言 申請人:成都希望電子研究所