風力發電的電能轉換裝置的製作方法

2023-07-30 04:30:36

專利名稱：風力發電的電能轉換裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風力發電的電能轉換裝置。
背景技術：
近代石化燃料的長期使用，雖然對世界經濟活動產生了許多正面的影響，但同時 也對地球的環境造成了不可彌補的汙染與損害，加之石油的存量一直是人類能否繼續依賴 石化產業生活的一大問題，因此興起了能源替代的議題，各式各樣的新能源形態也不斷被 開發出來。其中，以風能轉換為電能的產業，即風力發電產業，可以說是目前少數幾個發展 最成熟的能源替代產業之一。在風能與電能的轉化過程中，除了少部分的機械能損失外，其 它由風能轉化成機械能再轉化成電能的效率相對於太陽能轉化成電能的效率高出很多，而 且其相對成本也很低，因此風力發電在季風地帶的國家，如臺灣，有著一定的發展空間。然而，風力發電設備的設置卻存在一些無法克服的缺陷。如圖1所示的風力發電 轉換系統，包括一颱風力機1，該發電機1連接有一臺發電機2，所述發電機2後端連接一個 二極體整流器3，該二極體整流器3整流出的電流進入一個充電器4中，所述充電器4除了 與一個變流器5連接外，還將電流導入一個蓄電池組6予以儲存，且在該充電器4的後端另 接有一個可進行最大功率追蹤的最大功率追蹤器7，所述最大功率追蹤器7分別追蹤來自 於二極體整流器3以及風力機1的訊號Pd。w、W ，判斷並傳遞訊號至充電器4，微調整體系統 輸出電力品質，整個系統的最末端再與市電系統並聯。在上述系統中，發電機2產生的頻率與振幅與市電不相符的三相交流電經由二極 管整流器3轉換為直流電，且利用最大功率追蹤器7使發電機2運轉在最大功率點，充電器 4則調整充電電流，並將能量儲存在蓄電池組6中作為備用電能。所述直流電還經由變流器 5轉換成頻率、振幅與市電相符的交流電，再與市電並聯或送至負載。而前述傳統二極體整流器的自然換流及濾波電容的特性極易造成風力機電流的 畸變，進而會使低頻電流的諧波含量增加，功率因子值約在0. 5 0. 7之間，並且存在輸出 電壓不穩的問題。因此，電流失真、諧波汙染、功率因子不佳都是傳統二極體整流器本身無 法克服的問題。此外，發電機為一般的永磁式風力發電機，風力機驅動永磁式發電機發電 時，由於轉子為永久磁鐵無法自行調整旋轉磁場的強度，當其負載為電感性負載或非線性 負載時，將會造成功率因子低落及諧波嚴重畸變，使諧波中含有負序成分，易產生轉矩脈 動，造成風力發電機壽命降低。基於以上所述，常用的二極體整流器易造成風力發電機的輸 出功率脈動與噪音，不但使發電效率下降，還會產生令人無法忍受的轉矩脈動的噪音。整體 風力機發電機組除了葉片與風切的噪音外，還要加上前述發電的噪音，這也是傳統風力發 電機組存在的問題。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種風力發電的電能轉換裝置，解決熟知的 二極體整流器存在的問題，有效抑制電流諧波量，降低噪音。[0007]為解決上述技術問題，本實用新型所提供的風力發電的電能轉換裝置包括一個交 流側濾波電容、一個交流側濾波電感、一個脈波寬度調變式整流器、一個直流側穩壓電容、 多個感測電路、一個控制器和一個光耦合間極驅動模塊；所述風力機與發電機連接，所述 發電機與由交流側濾波電容、交流側濾波電感形成的濾波器相連接，所述交流側濾波電感 與所述脈波寬度調變式整流器相連接，該脈波寬度調變式整流器與所述直流側穩壓電容連 接；所述交流側濾波電容和交流側濾波電感過濾發電機產生的三相交流電；所述多個感測 電路感測控制器所需電流與電壓值；所述脈波寬度調變式整流器以磁滯電流控制型脈波寬 度調變出開關訊號用以控制控制器的功率開關，再通過光耦合間極驅動模塊驅動脈波寬度 調變式整流器，經直流側穩壓電容穩壓後輸出穩定的直流電。本實用新型的電能轉換裝置與外部系統配合作業進而實現完整的風力發電並為 市電系統供電。所述外部系統包括風力機、發電機、蓄電池組、變流器和最大功率追蹤器。風 力機通過風能帶動發電機，輸出頻率、振幅與市電不相符的三相電壓，通過本實用新型的電 能轉換裝置轉換成直流電輸出，再連接至蓄電池組儲能，同時利用最大功率追蹤器進行最 大功率追蹤使發電機運行在最佳運轉點，獲取最大風能，所述直流電還經變流器轉換成頻 率、振幅與市電相符的交流電，進而並聯於市電系統或提供給負載使用。本實用新型中的脈波寬度調變式整流器可以校正整體功率因子，使風力發電機產 出的電力除負載及線路所需的無效電力之外可能造成的損耗降至最低，保證發電機輸出的 功率保持有效電力輸出的狀態，提高整體發電以及轉換電能的效率，並有效地抑制電流諧 波的產生，減少發電轉換過程中的噪音量。

[0010]
以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明[0011]圖1是已知的風力發電的電能轉換過程示意圖；[0012]圖2是本實用新型的一實施例的結構示意圖；[0013]圖3是本實用新型的直流參考值獲取流程圖；[0014]圖4是本實用新型的控制器方塊原理圖；[0015]圖5是使用本實用新型的風力發電電能轉換過程示意圖。[0016]其中附圖標記說明如下[0017]1風力機2發電機[0018]3二極體整流器4充電器[0019]5變流器6 蓄電池組[0020]7最大功率追蹤器[0021]10電能轉換裝置11交流側濾波電容[0022]12交流側濾波電感13脈波寬度調變式整流器[0023]14直流側穩壓電容15交流側電壓傳感器[0024]16交流側電流傳感器17直流側電壓傳感器[0025]18控制器19光耦合間極驅動模塊[0026]20風力機21發電機[0027]40蓄電池組50變流器[0028]60最大功率追蹤器具體實施方式
如圖2所示，本實用新型提供的電能轉換裝置10包括一個交流側濾波電容11、一 個交流側濾波電感12、一個脈波寬度調變式整流器13、一個直流側穩壓電容14、一個交流 側電壓傳感器15、一個交流側電流傳感器16、一個直流側電壓傳感器17、一個控制器18和 一個光耦合間極驅動模塊19。所述風力機20與發電機21連接，該發電機21與由交流側濾波電容11、交流側濾 波電感12形成的濾波器連接，所述交流側濾波電感12與所述脈波寬度調變式整流器13相 連接，該脈波寬度調變式整流器13進一步連接至直流側穩壓電容14。所述風力機20驅動發電機21，產生頻率和振幅與市電不相符的三相交流電，該交 流電經交流側濾波電容11、交流側濾波電感12濾波，並由所述脈波寬度調變式整流器13轉 換得到直流電，再經直流側穩壓電容14穩壓後輸出如二極體整流器輸出的直流電。如圖2、圖3所示，本實用新型中的控制器18內具有一個直流參考值Vdc*,該參考值 是利用小功率整流器或由三相整流器的原理預先獲得的，其原理如下，三相a、b、c的線電 壓互相比較，若vab大於vb。與v。a，則直流參考值Vdc*與Vab的值大小相等，若vb。大於Vab與 Vca,則直流參考值Vdc*與vb。的值大小相等，若都不是以上兩種狀況，則V。a必大於Vab與Vb。， 則直流參考值Vdc*與V。a的值大小相等。通過以上流程使脈波寬度調變式整流器13經光耦 合閘極驅動模塊19的調控具有模擬二極體整流器的特性。如圖2、圖4所示，所述直流參考值Vdc*與直流鏈電壓vd。相減後得到電壓誤差量 Vct，利用控制器18得到電流放大參考值β。三相電壓波形va、vb, ν。與電流放大參考值β 相乘，得到三相電流控制參考值^再由三相電流控制參考值Γ與實際電流i作磁滯比較， 得到三相功率開關切換訊號Apwm、Bpwm、Cpwm。若實際電流i高於控制參考值Γ，則將其三相功 率開關中的上臂功率開關開啟、下臂功率開關關閉，若實際電流i低於控制參考值^則將 上臂功率開關關閉、下臂功率開關開啟。開關訊號再經由光耦合閘極驅動模塊19，將訊號級 與功率級進行電氣隔離保護，並將電壓準位提升至足夠開啟主功率開關的閘極，以驅動脈 波寬度調變式整流器13使其能正常動作。最後，如圖2、圖5所示，為利用本實用新型電能轉換裝置的風力發電電能的轉換 過程。由風力機20帶動發電機21轉動，發電機21連接本實用新型的電能轉換裝置，本實 用新型並連接蓄電池組40，將其轉換的直流電能儲存在蓄電池組40中，當風力機20的風能 不足以帶動發電機21時，可由蓄電池組40短暫地提供電能至後級系統。本實用新型再連 接變流器50，由該變流器50將直流電轉換為交流電，調整交流電的電壓、頻率使之與市電 相符，並與市電系統相連；該變流器50並連接最大功率追蹤器60，由該最大功率追蹤器60 進行最大功率追蹤，使發電機21運轉在最佳操作點，並將直流電轉換為交流電，調整電壓、 頻率至與市電相符再並聯市電系統。此外，如圖2所示，本實用新型的交流側電壓傳感器15是通過訊號線連接於交流 側濾波電容11和該交流側濾波電感12之間的三相線中的其中兩相，即a、b兩相在線，該交 流側電壓傳感器15的另一端則連接至控制器18以感測兩相在線的電壓，即^及Vb ；交流 側電流傳感器16是將訊號線連接至交流側濾波電容11和交流側濾波電感12之間的三相線中的其中兩相，即a、b兩相在線，該交流側電流傳感器16的另一端則將連接至控制器18 以感測兩相在線的電流，即、及ib ；直流側電壓傳感器17的訊號線連接在脈波寬度調變式 整流器13末端輸出的正、負極上，以感測該兩極上的直流鏈電壓vd。，該直流側電壓傳感器 17的另一端則接至控制器18，形成對控制器18如圖4所示的控制流程，進而對光耦合閘極 驅動模塊19產生相對的訊號傳遞，以實現如圖4所示的流程至圖5後段的控制。這樣就形 成一個可切實降低轉矩脈動噪音以及穩定輸出電流的風力發電機組。所述光耦合間極驅動模塊19產生相對訊號，所述訊號分別傳遞至脈波寬度調變 式整流器13內的a、b、c三相以進行後續的控制，該訊號包括a相線的訊號Saup、S廣，b相線 的 Sbup、S，，以及 c 相線的 S。up、ScdnO雖然本實用新型利用上述較佳實施例解釋說明，但其並非用以限定本實用新型， 任何熟知以上技術者，在不脫離本實用新型的精神與範圍內，相對上述實施例進行的各種 更動與修改均在本實用新型所保護的技術範疇內。
權利要求1.一種風力發電的電能轉換裝置，其特徵在於包括一個交流側濾波電容、一個交流 側濾波電感、一個脈波寬度調變式整流器、一個直流側穩壓電容、多個感測電路、一個控制 器和一個光耦合間極驅動模塊；所述風力機與發電機連接，所述發電機與由交流側濾波電容、交流側濾波電感形成的 濾波器相連接，所述交流側濾波電感與脈波寬度調變式整流器相連接，該脈波寬度調變式 整流器與所述直流側穩壓電容連接；所述發電機產生的三相交流電經交流側濾波電容、交流側濾波電感濾波，並由脈波寬 度調變式整流器轉換為直流電，再經所述直流側穩壓電容穩壓後輸出直流電；所述多個感測電路感測所述控制器所需的電流與電壓值，所述脈波寬度調變式整流器 採用磁滯電流控制型脈波寬度，該脈波寬度調變式整流器調變出開關訊號以控制控制器， 再通過所述光耦合間極驅動模塊驅動脈波寬度調變式整流器，經所述直流側穩壓電容穩壓 後輸出直流電。
2.如權利要求1所述的風力發電的電能轉換裝置，其特徵在於所述多個感測電路分 別為一個交流側電壓傳感器、一個交流側電流傳感器和一個直流側電壓傳感器；所述交流側電壓傳感器一端以訊號線連接於交流側濾波電容與交流側濾波電感之間 的三相線中的其中兩相，該交流側電壓傳感器另一端以訊號線連接至所述控制器上以感測 兩相在線的電壓；所述交流側電流傳感器一端以訊號線連接於交流側濾波電容與交流側濾波電感之間 的三相線中的其中兩相，該交流側電流傳感器另一端以訊號線連接至所述控制器上以感測 兩相在線的電流；所述直流側電壓傳感器一端通過訊號線連接於所述脈波寬度調變式整流器末端輸出 的正、負極上以感測正負兩極上的直流鏈電壓，該直流側電壓傳感器另一端連接至所述控 制器上將訊號傳遞給控制器。
3.如權利要求1所述的風力發電的電能轉換裝置，其特徵在於所述電能轉換裝置與 一個前級系統和一個後級系統配合作業，所述前級系統包括一颱風力機和一臺發電機，所 述後級系統包括一個蓄電池組、一個變流器和一個最大功率追蹤器；所述風力機帶動發電 機轉動，所述發電機連接至交流側濾波電容，所述脈波寬度調變式整流器與蓄電池組連接， 將其轉換的直流電能儲存在蓄電池組中，所述蓄電池組連接至變流器，該變流器另連接至 所述最大功率追蹤器上，所述最大功率追蹤器使發電機運轉在最佳操作點，並將直流電轉 換調整為符合市電的交流電。
專利摘要本實用新型公開了一種風力發電的電能轉換裝置，由一個交流側濾波電容與一個交流側濾波電感將風力發電輸入的電流進行濾波以降低諧波，並在磁滯電流控制型脈波寬度調變的方式下調變出開關訊號控制功率開關，通過一個光耦合閘極驅動模塊驅動脈波寬度調變式整流器，整流後經一個直流側穩壓電容輸出直流電。本實用新型取代了傳統風力發電機組中的二極體整流器，配合後級負載或系統使用，限制和降低了風力發電機的電流諧波，並具有校正功率因子的功能，更有效地降低了風力發電機運轉時產生的噪音，使風力發電機產出的電能損耗降至最低，保證了發電機的輸出功率保持有效電力輸出。
文檔編號H02M7/217GK201869112SQ201020596240
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月8日 優先權日2010年11月8日
發明者徐聖宗, 林育煌, 陳偉倫, 高嘉宏 申請人:新高能源科技股份有限公司, 林育煌, 陳偉倫