寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器的製作方法

2023-06-15 01:44:31 2

專利名稱：寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器，特別涉及一種利用永磁直驅式小型風力發電機給直流負載供電的控制裝置，屬於電氣技術領域。
背景技術：
目前小型永磁直驅風力發電系統應用越來越廣泛，如何提高風力發電效率，充分利用有限風能資源是風機控制器首先要解決的問題。現有的小型風力發電控制器有多種形式，但是其整流部分大多採用三相橋式不控整流電路，其輸出直流母線電壓約等於風力發電機相電壓的▲倍，即fv. =V^/,，其中X為 A、B、C三相。風力發電機輸出相電壓 的大小是與風機轉速成線性關係的，風機轉速越高， 風機的輸出相電壓Ux越大，其整流後的直流母線電壓Udc也會越大。為了充分利用風能資源，通常希望風機的起動風速越低越好，而切出風速越高越好。以小型風機為例，起動風速一般為2-3m/s，切出風速為25-35m/s。這樣就使得風機的轉速範圍很寬，換句話說，風機輸出的相電壓Ux變化很寬。額定輸出直流母線電壓Udc為48V 的風力發電機，空載時最高輸出電壓『可以超過300V。為了向負載提供穩定的48V的直流電壓，就需要風力發電控制器把0-300V直流電壓變換到48V。小型風力發電控制器一般分成兩大類，一類風力發電控制器經過整流之後直接給負載和蓄電池供電，風力發電整流後的直流母線電壓被蓄電池鉗制住，這時儘管風速增加， 風機的轉速也不會增加很多，而是被鉗制住。當風速過高時，為了防止充電電流過大，需要通過洩放電阻將多餘的電流旁路掉。由於洩放電阻電流的加大，使得風機輸出的電流增加， 風機的轉矩加大，從而阻止風機轉速的增加。這種控制器在風速較低時，由於輸出電壓低於蓄電池電壓，因此無法向負載供電。當風速較高時，由於蓄電池的鉗製作用，使得風機無法採用做大功率點追蹤模式，吸收的風能大大降低。因此，此類風力發電控制器儘管成本很低，但是其風能利用率非常低，不太適合風力發電應用。另外一類風力發電控制器，在進行三相整流之後，增加了升/降壓控制器，以便適應風力發電輸入電壓變化較寬的特點。但是此類風力發電控制器，通常分為兩種，第一種將升壓變換和降壓變換分開，這樣成本比較高；第二種是一級的升/降壓變換，由於需要兼顧較寬的電壓範圍，變換器的參數很難折中，因此成本也比較高。綜上所述，目前現有小型風力發電控制器存在很多缺點，一類是風能利用率低，另外一類是結構複雜，成本較高。

發明內容
本發明針對現有技術所存在的問題，提出了一種寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器。主要目的就是通過倍壓整流提高輸入電壓，通過交錯並聯降壓斬波實現降壓及最大功率點追蹤控制，實現一種高性能、低成本、寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器。本發明的目的是這樣實現的
本發明由風力發電機、三相整流橋、限流電感、倍壓開關、上電容、下電容、上均壓電阻、下均壓電阻、上電壓傳感器、下電壓傳感器、上斬波開關、下斬波開關、上續流開關、下續流開關、儲能電感、輸出電壓傳感器、輸出電容、負載、控制板、倍壓驅動、上管驅動、下管驅動組成；風力發電機的三相輸出與三相整流橋的輸入相連接，上電容與下電容串聯後與三相整流橋的直流側並聯，三相整流橋的其中一相輸入端經過限流電感和倍壓開關與上電容和下電容的中點相連，上均壓電阻和下均壓電阻分別與上電容和下電容並聯，同時分別與上電壓傳感器和下電壓傳感器並聯；上電容與下電容作為帶中點的串聯電壓源與上斬波開關、下斬波開關、上續流開關、下續流開關、儲能電感一起組成交錯並聯的降壓斬波器，輸出給輸出電容和負載，負載含有蓄電池，輸出電壓傳感器與輸出電容並聯；控制板用於檢測上電容、下電容和輸出電容的電壓，並且通過倍壓驅動、上管驅動、下管驅動來控制倍壓開關、上斬波開關、下斬波開關、上續流開關、下續流開關的導通與關斷。所述倍壓開關為雙向可控矽(TRIAC)，上斬波開關、下斬波開關、上續流開關、下續流開關均為功率場效應管(MOSFET)，控制板以數位訊號處理器(DSP)為控制核心。所述倍壓驅動由隔離驅動晶片、輸入限流電阻、驅動電阻、充電電阻、充電電容組成；隔離驅動晶片的輸入端與控制板的倍壓控制輸出端相連，輔助電源通過輸入限流電阻給隔離驅動晶片供電，隔離驅動晶片的輸出一端接驅動電阻，一端接倍壓開關的門極，充電電阻與充電電容串聯與倍壓開關並聯，充電電阻與充電電容的中點與驅動電阻相連。所述上管驅動和下管驅動結構相同，分別由斬波光耦、斬波限流電阻、斬波驅動電阻、續流光耦、續流限流電阻、續流驅動電阻組成；輔助電源通過斬波限流電阻給斬波光耦供電，斬波光耦的輸入端接控制板的一路PWM通道，斬波光耦的輸出端通過斬波驅動電阻與上斬波開關(或下斬波開關)的門極相連；輔助電源通過續流限流電阻給續流光耦供電， 續流光耦的輸入端接控制板的另外一路PWM通道，續流光耦的輸出端通過續流驅動電阻與上續流開關(或下續流開關)的門極相連。所述斬波驅動PWM信號與續流驅動PWM信號互補導通，中間插入死區時間；上斬波驅動PWM信號與下斬波驅動PWM信號相位差180度電角度，交錯並聯。由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點和效果本發明的一個效果在於，當風速較低時，風力發電機的輸出電壓也較低，將倍壓開關接通進行倍壓整流，這時上電容與下電容的電壓均為V^Zjr，而直流母線為，達到了升壓目的。當風速較高時風力發電機的輸出電壓較高，為了使直流母線電壓不要超過功率器件的耐壓值，將倍壓開關斷開，進行普通整流，這時直流母線電壓將為V^Zi。本發明的另外一個效果在於，所有功率器件所承受的電壓均為直流母線電壓的一半，因此可以降低功率器件的成本。本發明的另外一個效果在於，通過交錯並聯降壓斬波控制可以穩定輸出電壓，並可以實現風力發電的最大功率點追蹤控制。本發明的另外一個效果在於，在風速變化範圍較寬時，均能夠實現輸出電壓的控制，並能夠提供風能利用率。


圖1是寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器原理4
圖2是倍壓驅動原理圖；圖3是上管驅動原理圖；圖4是佔空比小於50%時控制信號波形與輸出電壓波形；圖5是佔空比大於50%時控制信號波形與輸出電壓波形。
具體實施例方式實施例寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器，包括風力發電機101、三相整流橋102、限流電感103、倍壓開關104、上電容105、下電容106、上均壓電阻107、下均壓電阻108、上電壓傳感器109、下電壓傳感器110、上斬波開關 111、下斬波開關112、上續流開關113、下續流開關114、儲能電感115、輸出電壓傳感器116、 輸出電容117、負載118、控制板119、倍壓驅動120、上管驅動121、下管驅動122組成；風力發電機101的三相輸出與三相整流橋102的輸入相連接，上電容105與下電容106串聯後與三相整流橋102的直流側並聯，三相整流橋102的其中一相輸入端經過限流電感103和倍壓開關104與上電容105和下電容106的中點相連，上均壓電阻107和下均壓電阻108分別與上電容105和下電容106並聯，同時分別與上電壓傳感器109和下電壓傳感器110並聯；上電容105與下電容106作為帶中點的串聯電壓源與上斬波開關111、下斬波開關112、 上續流開關113、下續流開關114、儲能電感115 —起組成交錯並聯的降壓斬波器，輸出給輸出電容117和負載118，負載118含有蓄電池，輸出電壓傳感器116與輸出電容117並聯；控制板119用於檢測上電容105、下電容106和輸出電容117的電壓，並且通過倍壓驅動120、 上管驅動121、下管驅動122來控制倍壓開關104、上斬波開關111、下斬波開關112、上續流開關113、下續流開關114的導通與關斷。所述倍壓開關104為雙向可控矽(TRIAC)，上斬波開關111、下斬波開關112、上續流開關113、下續流開關114均為功率場效應管(MOSFET)，控制板119以數位訊號處理器 (DSP)為控制核心。所述倍壓驅動120由隔離驅動晶片201、輸入限流電阻202、驅動電阻203、充電電阻204、充電電容205組成；隔離驅動晶片201的輸入端與控制板119的倍壓控制輸出端相連，輔助電源通過輸入限流電阻202給隔離驅動晶片201供電，隔離驅動晶片201的輸出一端接驅動電阻203，一端接倍壓開關104的門極，充電電阻204與充電電容205串聯與倍壓開關104並聯，充電電阻204與充電電容205的中點與驅動電阻203相連。所述上管驅動121和下管驅動122結構相同，分別由斬波光耦301、斬波限流電阻 302、斬波驅動電阻303、續流光耦304、續流限流電阻305、續流驅動電阻306組成；輔助電源通過斬波限流電阻302給斬波光耦301供電，斬波光耦301的輸入端接控制板119的一路PWM通道，斬波光耦301的輸出端通過斬波驅動電阻303與上斬波開關111(或下斬波開關11 的門極相連；輔助電源通過續流限流電阻305給續流光耦304供電，續流光耦304 的輸入端接控制板119的另外一路PWM通道，續流光耦304的輸出端通過續流驅動電阻306 與上續流開關113(或下續流開關114)的門極相連。所述斬波驅動PWM信號與續流驅動PWM信號互補導通，中間插入死區時間；上斬波驅動PWM信號與下斬波驅動PWM信號相位差180度電角度，交錯並聯。
本實施例上述內容具體解釋如下如圖1所示為寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器原理圖，當風速較低時，風力發電機101的輸出電壓也較低。將倍壓開關104接通進行倍壓整流，這時上電容105與下電容106的電壓均為，而直流母線為。也就是說當風力發電機101的相電壓僅為設定的負載118電壓的20%時，就可以向負載118供電了，從而實現了升壓變換。隨著風速的提高，風力發電機101的輸出電壓也增加，這時的直流母線電壓就會超過負載118的設定電壓。為了保持負載118電壓的穩定，這時控制板119通過控制輸出的佔空比來使得輸出電壓保持恆定。控制板119所輸出的斬波驅動PWM信號與續流驅動PWM信號互補導通，中間插入死區時間；上斬波驅動PWM信號與下斬波驅動PWM信號相位差180度電角度，交錯並聯。這樣可以有效降低續流時的導通損耗，同時降低了輸出電流紋波，提高了輸出電壓品質。當倍壓開關104接通時，強迫上電容105與下電容106的電壓保持相等，即均為直流母線電壓的1/2。如果直流母線電壓大於負載給定電壓的2倍時，控制板119輸出的PWM 佔空比小於50%，見圖4，其中的Ugu為上斬波開關111的驅動信號，Ugb為下斬波開關112的驅動信號，uQ為輸出電壓，E為上電容105 (或者下電容106)上的電壓，Uav為輸出電壓的平均值。如果直流母線電壓小於負載給定電壓的2倍，但是大於負載給定電壓時，控制板119 輸出的PWM佔空比大於50%，其輸出波形見圖5。當風速較高時風力發電機101的輸出電壓較高，為了使直流母線電壓不要超過功率器件的耐壓值，控制板119通過上電壓傳感器109、下電壓傳感器110分別檢測上電容 105與下電容106的電壓。一旦上電容105與下電容106的電壓超過設定值時，控制板119 通過倍壓驅動120將倍壓開關104斷開，進行普通整流，這時直流母線電壓將為，而上電容105與下電容106的電壓則由上均壓電阻107和下均壓電阻108來維持其均衡。限流電感103的作用是在倍壓開關104開通和關斷過程中限制風力發電機101給上電容105和下電容106充電的電流值，保證不會引起倍壓開關104的過流損壞。用於驅動倍壓開關104的倍壓驅動120不需要單獨的驅動電源，僅需要一個給控制板119供電的VCC即可，見圖2。上斬波開關111、下斬波開關112、上續流開關113、下續流開關114的驅動電路，即上管驅動121和下管驅動122中共需要4個隔離的輔助電源，見圖3。上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。故凡依本發明之精神實質、形狀、原理所作的變化或修飾，均應涵蓋在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器，其特徵在於，它由風力發電機(101)、 三相整流橋(102)、限流電感(103)、倍壓開關(104)、上電容(105)、下電容(106)、上均壓電阻(107)、下均壓電阻(108)、上電壓傳感器(109)、下電壓傳感器(110)、上斬波開關(111)、 下斬波開關(112)、上續流開關(113)、下續流開關(114)、儲能電感(115)、輸出電壓傳感器 (116)、輸出電容(117)、負載(118)、控制板(119)、倍壓驅動(120)、上管驅動(121)、下管驅動(12 組成；風力發電機(101)的三相輸出與三相整流橋(10 的輸入相連接，上電容 (105)與下電容(106)串聯後與三相整流橋(10 的直流側並聯，三相整流橋(10 的其中 相輸入端經過限流電感(103)和倍壓開關(104)與上電容(105)和下電容(106)的中點相連，上均壓電阻(107)和下均壓電阻(108)分別與上電容(105)和下電容(106)並聯， 同時分別與上電壓傳感器(109)和下電壓傳感器(110)並聯；上電容(105)與下電容(106) 作為帶中點的串聯電壓源與上斬波開關(111)、下斬波開關(112)、上續流開關(113)、下續流開關(114)、儲能電感(11 一起組成交錯並聯的降壓斬波器輸出給輸出電容(117)和負載(118)，負載(118)含有蓄電池，輸出電壓傳感器(116)與輸出電容(117)並聯；控制板(119)用於檢測上電容(105)、下電容(106)和輸出電容(117)的電壓，並且通過倍壓驅動(120)、上管驅動(121)、下管驅動(122)來控制倍壓開關(104)、上斬波開關(111)、下斬波開關(112)、上續流開關(113)、下續流開關(114)的導通與關斷。
2.如權利要求1所述的寬電壓輸入範圍的小別風力發電控制器，其特徵在於，倍壓開關(104)為雙向可控矽(TRIAC)，上斬波開關(111)、下斬波開關(112)、上續流開關(113)、 下續流開關(114)均為功率場效應管(MOSFET)，控制板(119)以數位訊號處理器(DSP)為控制核心。
3.如權利要求1所述的寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器，其特徵在於，倍壓驅動(120)由隔離驅動晶片001)、輸入限流電阻002)、驅動電阻003)、充電電阻004)、 充電電容Q05)組成；隔離驅動晶片O01)的輸入端與控制板(119)的倍壓控制輸出端相連，輔助電源通過輸入限流電阻(202)給隔離驅動晶片(201)供電，隔離驅動晶片(201) 的輸出一端接驅動電阻003)，一端接倍壓開關(104)的門極，充電電阻O04)與充電電容 (205)串聯與倍壓開關(104)並聯，充電電阻(204)與充電電容Q05)的中點與驅動電阻 (203)相連。
4.如權利要求1所述的寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器，其特徵在於，上管驅動(121)和下管驅動(122)結構相同，分別由斬波光耦(301)、斬波限流電阻(302)、斬波驅動電阻(303)、續流光耦(304)、續流限流電阻(305)、續流驅動電阻(306)組成；輔助電源通過斬波限流電阻(30 給斬波光耦(301)供電，斬波光耦(301)的輸入端接控制板(119) 的一路PWM通道，斬波光耦(301)的輸出端通過斬波驅動電阻(303)與上斬波開關(111) 或下斬波開關(112)的門極相連；輔助電源通過續流限流電阻(305)給續流光耦(304)供電，續流光耦(304)的輸入端接控制板(119)的另外一路PWM通道，續流光耦(304)的輸出端通過續流驅動電阻(306)與上續流開關(113)或下續流開關(114)的門極相連。
5.如權利要求1所述的寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器，其特徵在於，斬波驅動PWM信號與續流驅動PWM信號互補導通，中間插入死區時間；上斬波驅動PWM信號與下斬波驅動PWM信號相位差180度電角度，交錯並聯。
全文摘要
本發明公開一種寬電壓輸入範圍的小型風力發電控制器。本發明由倍壓整流部分、交錯並聯降壓斬波部分和控制部分組成。本發明通過倍壓整流提高輸入電壓，通過交錯並聯降壓斬波實現降壓及最大功率點追蹤控制，是一種高性能、低成本、可升降壓控制的小型風力發電控制器。所有功率器件所承受的電壓均為直流母線電壓的一半，在風速變化範圍較寬時，均能夠實現輸出電壓的控制，並能夠提高風能利用率。
文檔編號H02J7/32GK102290807SQ20111021957
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月2日 優先權日2011年8月2日
發明者冬雷, 高爽, 黃曉江 申請人:冬雷