专利名称：一种风力发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种风力发电装置，特别涉及一种能够实现风能最大功率跟踪的风力发电系统。
背景技术：
随着全球经济的快速发展，日益严重的能源短缺与环境污染问题已成为当今社会经济发展亟待解决的重大问题，以风能、太阳能等为代表的绿色可再生能源的开发利用越来越受到世界各国的关注和重视，其对实现经济的可持续发展具有重要的意义。风能作为可再生能源具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点，存在着广阔的应用前景，其对于缓解能源短缺和环境污染起到巨大作用。现有风力发电系统的发电机所发出的电能易受风速变化的影响，并且由风能转换为电能的效率不高，虽然根据风速大小的不同，可实现对风轮机吸收的最大风能进行跟踪， 但跟踪的风速范围有限。为了提高发电机的输出功率和电网的安全可靠运行，就有必要利用电力电子技术和控制技术对风力发电系统进行改进。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种风力发电系统，其能够在较大的风速范围内有效地跟踪系统输出的最大功率点，无论在大风速还是小风速的情况下，都能较好地利用风能，将其转化为优质电能且逆变并网，从而实现风力发电系统输出功率最大化和电网的安全运行。本实用新型的技术方案为一种风力发电系统，其包括风轮机、大发电机、小发电机、两AC/DC变换电路、DC/ DC变换电路、DC/AC变换电路和控制电路，所述大发电机与风轮机相对固定且同轴相连，其轴向后延伸，所述小发电机的轴与大发电机的轴处于同一直线上且与之相隔一距离，两者通过一继电器实现吸合或断开；所述两AC/DC变换电路的输出同时连接所述DC/DC变换电路，其中一 AC/DC变换电路的输入通过一断路器与大发电机相连接，另一 AC/DC变换电路的输入与小发电机相连接，所述DC/DC变换电路的输出连接所述DC/AC变换电路，该DC/AC变换电路的输出连接并入电网；所述控制电路同时与所述大发电机、小发电机、两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路和DC/AC变换电路相连接并且输出控制信号控制所述继电器及断路器以使大、小发电机轮流工作和控制两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路及DC/AC变换电路。本实用新型所述的风力发电系统还包括远程监控中心、两收发器和显示装置，所述两收发器之间以无线通讯方式进行信号的双向传输，其一收发器连接于所述远程监控中心，另一收发器连接于所述控制电路，所述显示装置连接于所述控制电路上；所述控制电路包括风速风向传感器、位置转速传感器、电压电流传感器、最大功率跟踪模块、逆变并网模块和数据采集模块，所述风速风向传感器连接所述数据采集模块和最大功率跟踪模块并将所采集风速风向信号输入该最大功率跟踪模块，所述位置转速传感器设于所述大、小发电机上且连接所述数据采集模块和最大功率跟踪模块，并将所采集大、小发电机的转速信号输入该最大功率跟踪模块，所述电压电流传感器设于所述大发电机、小发电机、两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路和DC/AC变换电路的输入及输出端上，其连接所述数据采集模块、 逆变并网模块和最大功率跟踪模块并将所采集电压电流信号输入该逆变并网模块及最大功率跟踪模块，所述最大功率跟踪模块连接并输出控制信号控制所述继电器、断路器、两 AC/DC变换电路及DC/DC变换电路，所述逆变并网模块连接并输出控制信号控制所述DC/AC 变换电路，该控制电路包括TMS320F2812数字控制芯片，该TMS320F2812数字控制芯片含有最大功率跟踪模块、逆变并网模块和数据采集模块；所述两AC/DC变换电路为三相全控整流电路，开关器件为IGBT功率器件，其耐压值相同，所述DC/DC变换电路为Buck-Boost直流斩波电路，所述DC/AC变换电路为由IGBT功率器件构成的逆变全桥电路；所述大发电机和小发电机为永磁直驱同步风力发电机。本实用新型的有益效果在于首先，本实用新型采用大、小双发电机结构，通过控制电路控制继电器实现了大、小发电机轮流工作，即当风速较大时，单独由大发电机工作， 当风速较小时，继电器吸合连接小发电机使之工作，同时断路器断开大发电机，从而实现了风能的最大功率跟踪，有效地捕获最大风能，使所述风力发电机在很宽的风速范围内都能输出最大功率，达到了大大提高所述风力发电系统发电效率的目的。其次，本实用新型采用数字控制芯片TMS320F2812与各种传感器构成闭环控制系统，对整个风力发电系统进行了最优控制，从而使之输出稳定、谐波含量少的电流，提高了并网的电能质量，实现了电网的安全运行。此外，本实用新型的远程监控系统实现了所述风力发电系统运行实时信息的远程采集、处理、存储和查询。
图1为本实用新型的结构示意图。图2为本实用新型双机结构示意图。图3为本实用新型主电路拓扑结构图。图4为本实用新型控制电路连接示意图。图5为本实用新型另一实施例结构示意图。
具体实施方式
现结合具体实施例和附图对本实用新型作一详细说明。首先请参阅图1本实用新型的结构示意图，图示风力发电系统包括风轮机9、大发电机1、小发电机2、两AC/DC变换电路6、DC/DC变换电路7、DC/AC变换电路8和控制电路。再请参阅图2，所述大发电机1和小发电机2均为永磁直驱同步风力发电机。所述大发电机1为一大功率发电机，与其前面的风轮机9位置相对固定，并且同轴相连，该大发电机1的轴向后延伸。所述小发电机2的轴与大发电机1的轴处于同一直线上，而且与之相隔一很微小的距离，该小发电机2为一小功率发电机，其能够沿着轴线方向作小范围的水平移动，所述小发电机2的轴上设置有变速箱5和继电器4。所述小发电机2的轴与大发电机1的轴通过该继电器4的通断实现吸合成一体或者断开分离。上述双发动机结构能够使所述风力发电系统通过控制继电器4来实现大、小发电机1和2轮流工作，即当风速较大时，大、小发电机1和2的轴断开，大发电机1输出端导通，大发电机1单独工作，当风速较小时，继电器4工作，将小发电机2的轴与大发电机1的轴接上并随之转动，变速箱5起加速作用，以使速度达到小发电机2转子的转速要求，同时大发电机1输出端断开，由小发电机2单独工作。请结合参阅图2和图3，所述两AC/DC变换电路6为三相全控整流电路，开关器件为IGBT功率器件，该功率器件IGBT的耐压值相同，且功率大小与大发电机1和小发电机2 匹配。所述DC/DC变换电路7为Buck-Boost直流斩波电路，其输出电压既可高于也可低于输入电压，选择滤波电感要足够大，可保证负载电流连续且线性升降，电容要大，减少电压波动。所述DC/AC变换电路8为由IGBT功率器件构成的逆变全桥电路。所述两AC/DC变换电路6的输出同时共用同一直流母线连接所述DC/DC变换电路 7，其中一 AC/DC变换电路6的输入通过一断路器3与大发电机1相连接，另一 AC/DC变换电路6的输入直接与小发电机2相连接。通过对AC/DC变换电路6的优化控制，两个并联的AC/DC变换电路6轮换工作，可实现风能最大功率的跟踪。所述DC/DC变换电路7的输出连接所述DC/AC变换电路8。该DC/DC变换电路7 采用PWM控制，及时检测负载的运行情况调节占空比，控制开关管的导通和关断，实现升压和降压。输出电能波动时，能够实现输入DC/AC变换电路8的直流电压稳定，为实现逆变并网并输出优质电能提供保证。所述DC/AC变换电路8的输出连接并入电网，其输入为DC/DC变换电路7的输出， 主要通过控制电路产生的PWM波来控制功率开关器件的通断，实现逆变并网，将直流电转换成符合并网标准的交流电。再请参阅图1，所述控制电路同时与所述大发电机1、小发电机2、两AC/DC变换电路6、DC/DC变换电路7和DC/AC变换电路8相连接，并且输出控制信号控制所述继电器4 及断路器3以使大、小发电机轮流工作，同时该控制电路还控制两AC/DC变换电路6、DC/DC 变换电路7及DC/AC变换电路8的工作。具体请参阅图1本实用新型的结构示意图，所述控制电路包括风速风向传感器 11、位置转速传感器10、电压电流传感器12、最大功率跟踪模块13、逆变并网模块14和数据采集模块17。该控制电路采用专用数字控制芯片TMS320F2812组成控制电路，该 TMS320F2812数字控制芯片含有最大功率跟踪模块13、逆变并网模块14和数据采集模块 17。请结合参阅图4控制电路连接示意图。所述风速风向传感器11连接所述数据采集模块17和最大功率跟踪模块13，该风速风向传感器11将所采集的风速风向信号输入该最大功率跟踪模块13。所述位置转速传感器10设于所述大、小发电机1和2上，并且连接所述数据采集模块17和最大功率跟踪模块13，该位置转速传感器10将所采集大、小发电机1和2的转速信号输入该最大功率跟踪模块13。所述电压电流传感器12设于所述大发电机1、小发电机2、两AC/DC变换电路6、DC/DC变换电路7和DC/AC变换电路8的输入及输出端上，该电压电流传感器12连接所述数据采集模块17、逆变并网模块14和最大功率跟踪模块13，并且将所采集的各输入及输出端上的电压电流信号输入该逆变并网模块14及最大功率跟踪模块13。所述最大功率跟踪模块13连接所述继电器4、断路器3、两AC/DC变换电路6及DC/DC变换电路7，并且输出控制信号控制该继电器4、断路器3、两AC/DC变换电路6及DC/DC变换电路7的工作。所述逆变并网模块14连接并输出控制信号控制所述 DC/AC变换电路。所述控制电路通过风速风向传感器11、位置转速传感器10、电压电流传感器12和数据采集模块17采集风速和风向、大发电机1和小发电机2转速及其输出交流电压和交流电流、DC/DC变换电路7的输入输出电压和电流、电网侧的电压和电流等信号，并对采集的信号进行逻辑分析计算，产生控制信号控制大发电机1和小发电机2轮换工作，并输出PWM 波控制两AC/DC变换电路6的通断，使风力发电机运行于风速所对应的最大功率点，实现最大功率跟踪，此过程的算法采用神经网络的最大功率跟踪法。所述DC/DC变换电路7通过采集负载的运行情况，经过模数转换和逻辑分析计算产生PWM波，控制开关管的通断，实现稳压。所述DC/AC变换电路8通过采集输出的电压和电流信号、电网侧的电压和电流信号， 经A/D转换，然后送给并网控制模块14进行分析处理，产生相应的PWM脉冲波，控制所述 AC/DC变换电路6的导通与关断，实现输出的电流与电网侧的电压同频率同相位，以及减小谐波。图5所示为为本实用新型另一实施例的结构示意图，该另一实施例与图1所示实施例在主要结构上相同，所不同的是，其在图1实施例结构的基础上增加了远程监控系统， 即风力发电系统还包括远程监控中心15、两收发器16和显示装置18。所述一收发器16连接于所述远程监控中心15，另一收发器16连接于所述控制电路，所述显示装置18连接于所述控制电路上；所述两收发器16之间以无线通讯方式进行信号的双向传输，即把采集的所述风力发电系统各种具体运行状态信息发送给远程监控中心15加以处理和显示，而监控中心15发出指令及时调整整个风力发电机系统的运行状态，以使之以最佳状态运行。上述远程监控系统主要用于数据采集、自动处理、及时存储和查询。采集所述风力发电系统的发电机1、2的运行参数、输出电参数，AC/DC变换电路6、DC/DC变换电路7以及 DC/AC变换电路8的输入输出电参数，馈入电网的累计电能、风速风向等信号，把采集的数据经处理后输出最佳可行的信号，使风力发电系统运行在最佳状态，并将运行状态数据加入数据库中，以备程监控中心15查询。查询时可通过显示装置18实时显现现场的各个运行参数，进入各个监控界面，点击设备拓扑图可显示设备的运行状态及重要参数指标，同时可实现重要参数的设定。实现全面、实时、动态、双向、精确的监控，确保风力发电系统的安全运行。本实用新型涉及许多关键技术，比如AC/DC变换电路拓扑结构的选择、DC/DC变换电路拓扑结构的选择、DC/AC变换电路拓扑结构的选择、控制器及控制方式的选择等。
权利要求1.一种风力发电系统，其特征在于，该风力发电系统包括风轮机、大发电机、小发电机、 两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路、DC/AC变换电路和控制电路，所述大发电机与风轮机相对固定且同轴相连，其轴向后延伸，所述小发电机的轴与大发电机的轴处于同一直线上且与之相隔一距离，两者通过一继电器实现吸合或断开；所述两AC/DC变换电路的输出同时连接所述DC/DC变换电路，其中一 AC/DC变换电路的输入通过一断路器与大发电机相连接， 另一 AC/DC变换电路的输入与小发电机相连接，所述DC/DC变换电路的输出连接所述DC/AC 变换电路，该DC/AC变换电路的输出连接并入电网；所述控制电路同时与所述大发电机、小发电机、两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路和DC/AC变换电路相连接并且输出控制信号控制所述继电器及断路器以使大、小发电机轮流工作和控制两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路及DC/AC变换电路。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述控制电路包括风速风向传感器、位置转速传感器、电压电流传感器、最大功率跟踪模块、逆变并网模块和数据采集模块，所述风速风向传感器连接所述数据采集模块和最大功率跟踪模块并将所采集风速风向信号输入该最大功率跟踪模块，所述位置转速传感器设于所述大、小发电机上且连接所述数据采集模块和最大功率跟踪模块，并将所采集大、小发电机的转速信号输入该最大功率跟踪模块，所述电压电流传感器设于所述大发电机、小发电机、两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路和DC/AC变换电路的输入及输出端上，其连接所述数据采集模块、逆变并网模块和最大功率跟踪模块并将所采集电压电流信号输入该逆变并网模块及最大功率跟踪模块，所述最大功率跟踪模块连接并输出控制信号控制所述继电器、断路器、两AC/DC变换电路及 DC/DC变换电路，所述逆变并网模块连接并输出控制信号控制所述DC/AC变换电路。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，所述两AC/DC变换电路为三相全控整流电路，开关器件为IGBT功率器件，其耐压值相同。
4.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，所述DC/DC变换电路为 Buck-Boost直流斩波电路。
5.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，所述DC/AC变换电路为由 IGBT功率器件构成的逆变全桥电路。
6.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，所述控制电路包括 TMS320F2812数字控制芯片，该TMS320F2812数字控制芯片含有最大功率跟踪模块、逆变并网模块和数据采集模块。
7.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，所述风力发电系统还包括远程监控中心、两收发器和显示装置，所述两收发器之间以无线通讯方式进行信号的双向传输，其一收发器连接于所述远程监控中心，另一收发器连接于所述控制电路，所述显示装置连接于所述控制电路上。
8.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，所述大发电机和小发电机为永磁直驱同步风力发电机。
专利摘要一种风力发电系统，包括风轮机、大发电机、小发电机、两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路、DC/AC变换电路和控制电路，大发电机与风轮机相对固定且同轴相连，大、小发电机的轴处于同一直线上且相隔一距离，两者通过一继电器实现吸合或断开；两AC/DC变换电路的输出同时连接DC/DC变换电路，其中一AC/DC变换电路的输入通过一断路器与大发电机相连接，另一AC/DC变换电路的输入与小发电机相连接，DC/DC变换电路的输出通过DC/AC变换电路连接并入电网；控制电路同时与大发电机、小发电机、两AC/DC变换电路、DC/DC变换电路和DC/AC变换电路相连接并且输出控制信号控制继电器、断路器及各变换电路。本实用新型提高了发电效率和电能质量，保障了电网的安全运行。
文档编号H02J13/00GK202084998SQ201120185880
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者万枫, 倪武宁, 许富强 申请人:上海理工大学