基于fpga的小型永磁直驱风力发电机的mppt控制装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置，包括小型永磁直驱风力发电机、转速传感器、第一电压传感器、第一电流传感器、不可控整流器、MPPT控制器、负载、第二电压传感器、第二电流传感器、DC?DC变换器、驱动模块、第一滤波电路单元和第二滤波电路单元；第一和第二电压传感器、第一和第二电流传感器、驱动模块和转速传感器分别与MPPT控制器连接，不可控整流器、转速传感器分别与小型永磁直驱风力发电机连接，不可控整流器、第一和第二滤波电路单元、驱动模块分别与DC?DC变换器连接；MPPT控制器由单片机和FPGA模块共同构成。本实用新型硬件性能稳定，能较好实现风力发电的最大功率跟踪；无需利用风速传感器，节约了发电系统的控制成本。
【专利说明】
基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置。
【背景技术】
[0002]随着全球能源危机的不断加剧，空气质量不断下降，人类对于清洁能源的发展与应用关注度越来越高。以小型风力发电等为代表的分布式发电与节能技术因其低成本、灵活性大等优点在大电网无法提供电力支持的地方具有极大的竞争力。故对小型风力发电系统开展研究具有重要的现实意义。
[0003]风力发电机的输出功率在外界环境和负载一定的情况下存在唯一的最大功率点(Maximum Pow Point，MPP)。在额定风速下，调节风机转速使风能利用系统保持最大值，获得最大功率输出，即为风力发电机的最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT) ο
[0004]现有的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制器存在一些缺点，例如:瞬时响应特性差、规模复杂、造价昂贵等等。
【实用新型内容】
[0005]鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置，以解决上述【背景技术】中所指出的问题。
[0006]本实用新型提供的基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置，包括小型永磁直驱风力发电机、转速传感器、第一电压传感器、第一电流传感器、不可控整流器、MPPT控制器、负载、第二电压传感器、第二电流传感器、DC-DC变换器、驱动模块、第一滤波电路单元和第二滤波电路单元;其中，
[0007]不可控整流器的三相输入端与小型永磁直驱风力发电机的三相输出端连接，不可控整流器的单相输出正端与第一电压传感器的待测电压输入端连接，不可控整流器的单相输出负端接地;转速传感器的转速测量信号输出端与MPPT控制器连接;第一电压传感器的待测电压输出端接地，而测量信号输出端与MPPT控制器连接;第一滤波电路单元的输入端与不可控整流器的单相输出正端连接，所第一滤波电路单元的输出端接地;第一电流传感器的待测电流输入端与不可控整流器的单相输出正端连接，第一电流传感器的待测电流输出端与DC-DC变换器的输入端连接，第一电流传感器的测量信号输出端与MPPT控制器连接；DC-DC变换器的脉宽调制信号输入端与驱动模块的脉宽驱动信号输出端连接，驱动模块的脉宽信号输入端与MPPT控制器连接，DC-DC变换器的输出端与第二电流传感器的待测电流输入端连接;第二滤波电路单元的输入端与DC-DC变换器的输出端连接，第二滤波电路单元的输出端接地;第二电流传感器的待测电流输出端与负载的一端连接，负载的另一端接地，第二电流传感器的测量信号输出端与MPPT控制器连接;第二电压传感器的待测电压输入端与DC-DC变换器的输入端连接，第二电压传感器的待测电压输出端接地，第二电压传感器的测量信号输出端与MPPT控制器连接。
[0008]此外，优选的结构是，转速传感器为分体式编码器，安装于小型永磁直驱风力发电机的内部，与小型永磁直驱风力发电机内部的转子同轴。
[0009]另外，优选的结构是，DC-DC变换器具有BOOST升压电路。
[0010]此外，优选的结构是，MPPT控制器包括显示屏、处理器模块、分别与处理器模块连接的FPGA模块、RS232串口通信模块、ZigBee无线通信模块、辅助电源模块、工作状态指示模块、电压电流检测模块、LED驱动电路;其中，电压电流检测模块对小型永磁直驱风力发电机的输出电压、光伏发电机整流后的输出电流、DC-DC变换器的输出电压和输出电流进行检测；其中，输出电压的检测采用采样电阻采样电压信号，电压信号首先经过两个电阻分压，然后再经过由电阻和电容组成的一阶滤波电路滤波后输入到处理器模块的A/D 口进行模数转换;输出电流的检测通过使用霍尔电流传感器进行电流的检测，输出的电流信号经过运算放大器放大和滤波电路去除高频噪声，再输入到处理器模块的A/D 口进行模数转换；RS232串口通信模块和ZigBee无线通信模块与处理器模块连接;辅助电源模块为处理器模块、DC-DC转换器、LED驱动电路、RS232串口通信模块、ZigBee无线通信模块提供稳定的电源;工作状态指示模块显示MPPT控制器的工作状态;LED驱动电路为显示屏提供驱动电源。
[0011]再者，优选的结构是，处理器模块为K60P144M100SF2RM型号的单片机，FPGA模块为Cyclone IV EP4CE22F17型号。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0013]1、创新性地使用分体式编码器并将其安装于转子内部，既经济方便又提高了小型永磁直驱风力发电机的转速测量精度和稳定性；
[0014]2、无需使用风速传感器，可有效节约控制成本；
[0015]3、本实用新型不仅能有效完成对小型永磁直驱风力发电机的最大功率跟踪，而且将FPGA模块与控制芯片相结合，计算速度快、精度高。
【附图说明】
[0016]通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本实用新型的更全面理解，本实用新型的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中:
[0017]图1为本实用新型实施例的基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机MPPT控制装置的结构示意图；
[0018]图2为本实用新型实施例的DC-DC变换器的硬件电路图；
[0019]图3为本实用新型实施例的MPPT控制器的结构框图。
[0020]其中的附图标记包括:1-小型永磁直驱风力发电机、2-转速传感器、3-第一电压传感器、4-第二电流传感器、5-不可控整流器、6-MPPT控制器、61-处理器模块、62-FPGA模块、63-RS232串口通信模块、64-ZigBee无线通信模块、65-辅助电源模块、66-工作状态指示模块、67-电压电流检测模块、68-LED驱动电路、7-负载、8-第二电压传感器、9-第二电流传感器、10-DC-DC变换器、11-驱动模块、12-第一滤波电路单元、13-第二滤波电路单元。
【具体实施方式】
[0021]在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。以下将结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细描述。
[0022]如图1-图3所示，本实用新型提供的基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机MPPT控制装置，包括:小型永磁直驱风力发电机1、转速传感器2、第一电压传感器3、第一电流传感器4、不可控整流器5、MPPT控制器6、负载7、第二电压传感器8、第二电流传感器9、DC-DC变换器10、驱动模块11、第一滤波电路单元12(为了节省空间，在图1中略为滤波电路)和第二滤波电路单元13(为了节省空间，在图1中略为滤波电路)。其中，小型永磁直驱风力发电机I的主要参数为:风轮直径为1.2111，额定功率为300胃，额定电压为24￥，额定转速为80(^/1^11，启动风速为lm/s，额定风速10m/s，安全风速25m/s ；最大功率跟踪装置的主要参数为:MPPT控制芯片采用K60P144M100SF2RM型号的单片机，DC-DC变换器10采用BOOST电路，驱动模块11选用MCP14E3型号，转速传感器2采用分体式编码器(输出脉冲1000/r)，第一电流传感器4和第二电流传感器9均采用ACS712ELCTR-05B-T型号。
[0023]基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机MPPT控制装置的搭建方案如下:
[0024]不可控整流器5的三相输入端与小型永磁直驱风力发电机I的三相输出端连接，不可控整流器5的单相输出正端与第一电压传感器3的待测电压输入端连接，不可控整流器5的单相输出负端接地；
[0025]转速传感器2的转速测量信号输出端与MPPT控制器6连接；
[0026]第一电压传感器3的待测电压输出端接地，而测量信号输出端与MPPT控制器6连接；
[0027]第一滤波电路单元12的输入端与不可控整流器5的单相输出正端连接，第一滤波电路单元12的输出端接地；
[0028]第一电流传感器4的待测电流输入端与不可控整流器5的单相输出正端连接，第一电流传感器4的待测电流输出端与DC-DC变换器1的输入端连接，第一电流传感器4的测量信号输出端与MPPT控制器6连接；
[0029]DC-DC变换器10的脉宽调制信号输入端与驱动模块11的脉宽驱动信号输出端连接，驱动模块11的脉宽信号输入端与MPPT控制器6连接，DC-DC变换器1的输出端与第二电流传感器9的待测电流输入端连接；
[0030]第二滤波电路单元13的输入端与DC-DC变换器10的输出端连接，第二滤波电路单元13的输出端接地；
[0031]第二电流传感器9的待测电流输出端与所负载7的一端连接，负载7的另一端接地，第二电流传感器9的测量信号输出端与MPPT控制器6连接；
[0032]第二电压传感器8的待测电压输入端与DC-DC变换器10的输入端连接，第二电压传感器8的待测电压输出端接地，第二电压传感器8的测量信号输出端与MPPT控制器6连接。
[0033]图2是本实用新型实施例的DC-DC变换器的硬件电路图。从图2中可以看出，DC-DC变换器采用BOOST斩波升压电路，开关管为IRFS4321。
[0034]图3是本实用新型的MPPT控制器的结构框图JPPT控制器包括处理器模块61、FPGA模块62、RS232串口通信模块63、ZigBee无线通信模块64、辅助电源模块65、工作状态指示模块66、电压电流检测模块67、LED驱动电路68和显示屏;FPGA模块62、RS232串口通信模块63、ZigBee无线通信模块64、辅助电源模块65、工作状态指示模块66、电压电流检测模块67、LED驱动电路68分别与处理器模块61连接，处理器模块61采用K60P144M100SF2RM型号的单片机，进行信号采集和分析并计算输出控制信号;FPGA模块62为Cyclone IV EP4CE22F17型号，可以选用为进行神经网络有效风速估计模型的运算，并通过端口 I至端口 11与1(60?14411003?21?1型号的单片机的输入端口1至输入端口11对应连接。电压电流检测模块67对小型永磁直驱风力发电机I整流后的输出电压、光伏发电机整流后的输出电流、DC-DC变换器10的输出电压和输出电流进行检测，其中，输出电压的检测采用采样电阻采样电压信号，电压信号首先经过两个电阻分压，然后再经过由电阻和电容组成的一阶滤波电路滤波后输入到K60P144M100SF2RM型号的单片机的A/D 口进行模数转换;输出电流的检测通过使用霍尔电流传感器进行电流的检测，输出的电流信号经过运算放大器放大和滤波电路去除高频噪声，再输入到K60P144M100SF2RM型号的单片机的A/D 口进行模数转换。RS232串口通信模块63和ZigBee无线通信模块64与K60P144M100SF2RM型号的单片机连接，可以分别通过有线传输和无线发送的方式将数据传输给上位机。辅助电源模块65与K60P144M100SF2RM型号的单片机连接，可提供稳定的12￥、5￥、3.3￥电压输出，为1(60?14411003?2咖型号的单片机、DC-DC转换器10及其外围电路、LED驱动电路68、RS232串口通信模块63、ZigBee无线通信模块64等提供稳定的电源。工作状态指示模块66显示MPPT控制器6的当前工作状态。IXD驱动模块68为显示屏提供驱动电源。
[0035]对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
【主权项】
1.基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置，其特征在于，包括小型永磁直驱风力发电机(I)、转速传感器(2)、第一电压传感器(3)、第一电流传感器(4)、不可控整流器(5)、MPPT控制器(6)、负载(7)、第二电压传感器(8)、第二电流传感器(9)、DC-DC变换器(10)、驱动模块(11)、第一滤波电路单元(12)和第二滤波电路单元(13);其中， 所述不可控整流器(5)的三相输入端与所述小型永磁直驱风力发电机(I)的三相输出端连接，所述不可控整流器(5)的单相输出正端与所述第一电压传感器(3)的待测电压输入端连接，所述不可控整流器(5)的单相输出负端接地； 所述转速传感器(2)的转速测量信号输出端与所述MPPT控制器(6)连接； 所述第一电压传感器(3)的待测电压输出端接地，而测量信号输出端与所述MPPT控制器(6)连接； 所述第一滤波电路单元(12)的输入端与所述不可控整流器(5)的单相输出正端连接，所述第一滤波电路单元(12)的输出端接地； 所述第一电流传感器(4)的待测电流输入端与所述不可控整流器(5)的单相输出正端连接，所述第一电流传感器(4)的待测电流输出端与DC-DC变换器(10)的输入端连接，所述第一电流传感器(4)的测量信号输出端与所述MPPT控制器(6)连接； 所述DC-DC变换器(10)的脉宽调制信号输入端与所述驱动模块(11)的脉宽驱动信号输出端连接，所述驱动模块(I I)的脉宽信号输入端与所述MPPT控制器(6)连接，所述DC-DC变换器(10)的输出端与所述第二电流传感器(9)的待测电流输入端连接； 所述第二滤波电路单元(13)的输入端与所述DC-DC变换器(10)的输出端连接，所述第二滤波电路单元(13)的输出端接地； 所述第二电流传感器(9)的待测电流输出端与所述负载(7)的一端连接，所述负载(7)的另一端接地，所述第二电流传感器(9)的测量信号输出端与所述MPPT控制器(6)连接；所述第二电压传感器(8)的待测电压输入端与所述DC-DC变换器(10)的输入端连接，所述第二电压传感器(8)的待测电压输出端接地，所述第二电压传感器(8)的测量信号输出端与所述MPPT控制器(6)连接。2.如权利要求1所述的基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置，其特征在于，所述转速传感器(2)为分体式编码器，安装于所述小型永磁直驱风力发电机(I)内部，与所述小型永磁直驱风力发电机(I)内部的转子同轴。3.如权利要求1所述的基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置，其特征在于，所述DC-DC变换器(10)具有BOOST升压电路。4.如权利要求1所述的基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置，其特征在于，所述MPPT控制器(6)包括显示屏、处理器模块(61)、分别与所述处理器模块(61)连接的FPGA模块(62)、RS232串口通信模块(63)、ZigBee无线通信模块(64)、辅助电源模块(65)、工作状态指示模块(66)、电压电流检测模块(67)、LED驱动电路(68);其中， 所述电压电流检测模块(67)对所述小型永磁直驱风力发电机(I)的输出电压、光伏发电机整流后的输出电流、所述DC-DC变换器(1)的输出电压和输出电流进行检测；其中，输出电压的检测采用采样电阻采样电压信号，所述电压信号首先经过两个电阻分压，然后再经过由电阻和电容组成的一阶滤波电路滤波后输入到所述处理器模块(61)的A/D 口进行模数转换;输出电流的检测通过使用霍尔电流传感器进行电流的检测，输出的电流信号经过运算放大器放大和滤波电路去除高频噪声，再输入到所述处理器模块(61)的A/D口进行模数转换； 所述RS232串口通信模块(63)和所述ZigBee无线通信模块(64)与所述处理器模块(61)连接； 所述辅助电源模块(65)为所述处理器模块(61)、所述DC-DC转换器(10)、所述LED驱动电路(68)、所述RS232串口通信模块(63)、所述ZigBee无线通信模块(64)提供稳定的电源；工作状态指示模块(66)显示所述MPPT控制器(6)的工作状态； 所述LED驱动电路(68)为所述显示屏提供驱动电源。5.如权利要求4所述的基于FPGA的小型永磁直驱风力发电机的MPPT控制装置，其特征在于，所述处理器模块(61)为K60P144M100SF2RM型号的单片机，所述FPGA模块(62)为Cyclone IV EP4CE22F17型号。
【文档编号】H02P101/15GK205490276SQ201620260433
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】李春来, 刘卫亮, 杨立滨, 王印松
【申请人】国网青海省电力公司, 华北电力大学（保定）, 国网青海省电力公司电力科学研究院