专利名称：风力发电的电能转换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种风力发电的电能转换装置。
背景技术：
近代石化燃料的长期使用，虽然对世界经济活动产生了许多正面的影响，但同时 也对地球的环境造成了不可弥补的污染与损害，加之石油的存量一直是人类能否继续依赖 石化产业生活的一大问题，因此兴起了能源替代的议题，各式各样的新能源形态也不断被 开发出来。其中，以风能转换为电能的产业，即风力发电产业，可以说是目前少数几个发展 最成熟的能源替代产业之一。在风能与电能的转化过程中，除了少部分的机械能损失外，其 它由风能转化成机械能再转化成电能的效率相对于太阳能转化成电能的效率高出很多，而 且其相对成本也很低，因此风力发电在季风地带的国家，如台湾，有着一定的发展空间。然而，风力发电设备的设置却存在一些无法克服的缺陷。如图1所示的风力发电 转换系统，包括一台风力机1，该发电机1连接有一台发电机2，所述发电机2后端连接一个 二极管整流器3，该二极管整流器3整流出的电流进入一个充电器4中，所述充电器4除了 与一个变流器5连接外，还将电流导入一个蓄电池组6予以储存，且在该充电器4的后端另 接有一个可进行最大功率追踪的最大功率追踪器7，所述最大功率追踪器7分别追踪来自 于二极管整流器3以及风力机1的讯号Pd。w、W ，判断并传递讯号至充电器4，微调整体系统 输出电力品质，整个系统的最末端再与市电系统并联。在上述系统中，发电机2产生的频率与振幅与市电不相符的三相交流电经由二极 管整流器3转换为直流电，且利用最大功率追踪器7使发电机2运转在最大功率点，充电器 4则调整充电电流，并将能量储存在蓄电池组6中作为备用电能。所述直流电还经由变流器 5转换成频率、振幅与市电相符的交流电，再与市电并联或送至负载。而前述传统二极管整流器的自然换流及滤波电容的特性极易造成风力机电流的 畸变，进而会使低频电流的谐波含量增加，功率因子值约在0. 5 0. 7之间，并且存在输出 电压不稳的问题。因此，电流失真、谐波污染、功率因子不佳都是传统二极管整流器本身无 法克服的问题。此外，发电机为一般的永磁式风力发电机，风力机驱动永磁式发电机发电 时，由于转子为永久磁铁无法自行调整旋转磁场的强度，当其负载为电感性负载或非线性 负载时，将会造成功率因子低落及谐波严重畸变，使谐波中含有负序成分，易产生转矩脉 动，造成风力发电机寿命降低。基于以上所述，常用的二极管整流器易造成风力发电机的输 出功率脉动与噪音，不但使发电效率下降，还会产生令人无法忍受的转矩脉动的噪音。整体 风力机发电机组除了叶片与风切的噪音外，还要加上前述发电的噪音，这也是传统风力发 电机组存在的问题。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种风力发电的电能转换装置，解决熟知的 二极管整流器存在的问题，有效抑制电流谐波量，降低噪音。[0007]为解决上述技术问题，本实用新型所提供的风力发电的电能转换装置包括一个交 流侧滤波电容、一个交流侧滤波电感、一个脉波宽度调变式整流器、一个直流侧稳压电容、 多个感测电路、一个控制器和一个光耦合间极驱动模块；所述风力机与发电机连接，所述 发电机与由交流侧滤波电容、交流侧滤波电感形成的滤波器相连接，所述交流侧滤波电感 与所述脉波宽度调变式整流器相连接，该脉波宽度调变式整流器与所述直流侧稳压电容连 接；所述交流侧滤波电容和交流侧滤波电感过滤发电机产生的三相交流电；所述多个感测 电路感测控制器所需电流与电压值；所述脉波宽度调变式整流器以磁滞电流控制型脉波宽 度调变出开关讯号用以控制控制器的功率开关，再通过光耦合间极驱动模块驱动脉波宽度 调变式整流器，经直流侧稳压电容稳压后输出稳定的直流电。本实用新型的电能转换装置与外部系统配合作业进而实现完整的风力发电并为 市电系统供电。所述外部系统包括风力机、发电机、蓄电池组、变流器和最大功率追踪器。风 力机通过风能带动发电机，输出频率、振幅与市电不相符的三相电压，通过本实用新型的电 能转换装置转换成直流电输出，再连接至蓄电池组储能，同时利用最大功率追踪器进行最 大功率追踪使发电机运行在最佳运转点，获取最大风能，所述直流电还经变流器转换成频 率、振幅与市电相符的交流电，进而并联于市电系统或提供给负载使用。本实用新型中的脉波宽度调变式整流器可以校正整体功率因子，使风力发电机产 出的电力除负载及线路所需的无效电力之外可能造成的损耗降至最低，保证发电机输出的 功率保持有效电力输出的状态，提高整体发电以及转换电能的效率，并有效地抑制电流谐 波的产生，减少发电转换过程中的噪音量。
[0010]
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明[0011]图1是已知的风力发电的电能转换过程示意图；[0012]图2是本实用新型的一实施例的结构示意图；[0013]图3是本实用新型的直流参考值获取流程图；[0014]图4是本实用新型的控制器方块原理图；[0015]图5是使用本实用新型的风力发电电能转换过程示意图。[0016]其中附图标记说明如下[0017]1风力机2发电机[0018]3二极管整流器4充电器[0019]5变流器6 蓄电池组[0020]7最大功率追踪器[0021]10电能转换装置11交流侧滤波电容[0022]12交流侧滤波电感13脉波宽度调变式整流器[0023]14直流侧稳压电容15交流侧电压传感器[0024]16交流侧电流传感器17直流侧电压传感器[0025]18控制器19光耦合间极驱动模块[0026]20风力机21发电机[0027]40蓄电池组50变流器[0028]60最大功率追踪器具体实施方式
如图2所示，本实用新型提供的电能转换装置10包括一个交流侧滤波电容11、一 个交流侧滤波电感12、一个脉波宽度调变式整流器13、一个直流侧稳压电容14、一个交流 侧电压传感器15、一个交流侧电流传感器16、一个直流侧电压传感器17、一个控制器18和 一个光耦合间极驱动模块19。所述风力机20与发电机21连接，该发电机21与由交流侧滤波电容11、交流侧滤 波电感12形成的滤波器连接，所述交流侧滤波电感12与所述脉波宽度调变式整流器13相 连接，该脉波宽度调变式整流器13进一步连接至直流侧稳压电容14。所述风力机20驱动发电机21，产生频率和振幅与市电不相符的三相交流电，该交 流电经交流侧滤波电容11、交流侧滤波电感12滤波，并由所述脉波宽度调变式整流器13转 换得到直流电，再经直流侧稳压电容14稳压后输出如二极管整流器输出的直流电。如图2、图3所示，本实用新型中的控制器18内具有一个直流参考值Vdc*,该参考值 是利用小功率整流器或由三相整流器的原理预先获得的，其原理如下，三相a、b、c的线电 压互相比较，若vab大于vb。与v。a，则直流参考值Vdc*与Vab的值大小相等，若vb。大于Vab与 Vca,则直流参考值Vdc*与vb。的值大小相等，若都不是以上两种状况，则V。a必大于Vab与Vb。， 则直流参考值Vdc*与V。a的值大小相等。通过以上流程使脉波宽度调变式整流器13经光耦 合闸极驱动模块19的调控具有模拟二极管整流器的特性。如图2、图4所示，所述直流参考值Vdc*与直流链电压vd。相减后得到电压误差量 Vct，利用控制器18得到电流放大参考值β。三相电压波形va、vb, ν。与电流放大参考值β 相乘，得到三相电流控制参考值^再由三相电流控制参考值Γ与实际电流i作磁滞比较， 得到三相功率开关切换讯号Apwm、Bpwm、Cpwm。若实际电流i高于控制参考值Γ，则将其三相功 率开关中的上臂功率开关开启、下臂功率开关关闭，若实际电流i低于控制参考值^则将 上臂功率开关关闭、下臂功率开关开启。开关讯号再经由光耦合闸极驱动模块19，将讯号级 与功率级进行电气隔离保护，并将电压准位提升至足够开启主功率开关的闸极，以驱动脉 波宽度调变式整流器13使其能正常动作。最后，如图2、图5所示，为利用本实用新型电能转换装置的风力发电电能的转换 过程。由风力机20带动发电机21转动，发电机21连接本实用新型的电能转换装置，本实 用新型并连接蓄电池组40，将其转换的直流电能储存在蓄电池组40中，当风力机20的风能 不足以带动发电机21时，可由蓄电池组40短暂地提供电能至后级系统。本实用新型再连 接变流器50，由该变流器50将直流电转换为交流电，调整交流电的电压、频率使之与市电 相符，并与市电系统相连；该变流器50并连接最大功率追踪器60，由该最大功率追踪器60 进行最大功率追踪，使发电机21运转在最佳操作点，并将直流电转换为交流电，调整电压、 频率至与市电相符再并联市电系统。此外，如图2所示，本实用新型的交流侧电压传感器15是通过讯号线连接于交流 侧滤波电容11和该交流侧滤波电感12之间的三相线中的其中两相，即a、b两相在线，该交 流侧电压传感器15的另一端则连接至控制器18以感测两相在线的电压，即^及Vb ；交流 侧电流传感器16是将讯号线连接至交流侧滤波电容11和交流侧滤波电感12之间的三相线中的其中两相，即a、b两相在线，该交流侧电流传感器16的另一端则将连接至控制器18 以感测两相在线的电流，即、及ib ；直流侧电压传感器17的讯号线连接在脉波宽度调变式 整流器13末端输出的正、负极上，以感测该两极上的直流链电压vd。，该直流侧电压传感器 17的另一端则接至控制器18，形成对控制器18如图4所示的控制流程，进而对光耦合闸极 驱动模块19产生相对的讯号传递，以实现如图4所示的流程至图5后段的控制。这样就形 成一个可切实降低转矩脉动噪音以及稳定输出电流的风力发电机组。所述光耦合间极驱动模块19产生相对讯号，所述讯号分别传递至脉波宽度调变 式整流器13内的a、b、c三相以进行后续的控制，该讯号包括a相线的讯号Saup、S广，b相线 的 Sbup、S，，以及 c 相线的 S。up、ScdnO虽然本实用新型利用上述较佳实施例解释说明，但其并非用以限定本实用新型， 任何熟知以上技术者，在不脱离本实用新型的精神与范围内，相对上述实施例进行的各种 更动与修改均在本实用新型所保护的技术范畴内。
权利要求1.一种风力发电的电能转换装置，其特征在于包括一个交流侧滤波电容、一个交流 侧滤波电感、一个脉波宽度调变式整流器、一个直流侧稳压电容、多个感测电路、一个控制 器和一个光耦合间极驱动模块；所述风力机与发电机连接，所述发电机与由交流侧滤波电容、交流侧滤波电感形成的 滤波器相连接，所述交流侧滤波电感与脉波宽度调变式整流器相连接，该脉波宽度调变式 整流器与所述直流侧稳压电容连接；所述发电机产生的三相交流电经交流侧滤波电容、交流侧滤波电感滤波，并由脉波宽 度调变式整流器转换为直流电，再经所述直流侧稳压电容稳压后输出直流电；所述多个感测电路感测所述控制器所需的电流与电压值，所述脉波宽度调变式整流器 采用磁滞电流控制型脉波宽度，该脉波宽度调变式整流器调变出开关讯号以控制控制器， 再通过所述光耦合间极驱动模块驱动脉波宽度调变式整流器，经所述直流侧稳压电容稳压 后输出直流电。
2.如权利要求1所述的风力发电的电能转换装置，其特征在于所述多个感测电路分 别为一个交流侧电压传感器、一个交流侧电流传感器和一个直流侧电压传感器；所述交流侧电压传感器一端以讯号线连接于交流侧滤波电容与交流侧滤波电感之间 的三相线中的其中两相，该交流侧电压传感器另一端以讯号线连接至所述控制器上以感测 两相在线的电压；所述交流侧电流传感器一端以讯号线连接于交流侧滤波电容与交流侧滤波电感之间 的三相线中的其中两相，该交流侧电流传感器另一端以讯号线连接至所述控制器上以感测 两相在线的电流；所述直流侧电压传感器一端通过讯号线连接于所述脉波宽度调变式整流器末端输出 的正、负极上以感测正负两极上的直流链电压，该直流侧电压传感器另一端连接至所述控 制器上将讯号传递给控制器。
3.如权利要求1所述的风力发电的电能转换装置，其特征在于所述电能转换装置与 一个前级系统和一个后级系统配合作业，所述前级系统包括一台风力机和一台发电机，所 述后级系统包括一个蓄电池组、一个变流器和一个最大功率追踪器；所述风力机带动发电 机转动，所述发电机连接至交流侧滤波电容，所述脉波宽度调变式整流器与蓄电池组连接， 将其转换的直流电能储存在蓄电池组中，所述蓄电池组连接至变流器，该变流器另连接至 所述最大功率追踪器上，所述最大功率追踪器使发电机运转在最佳操作点，并将直流电转 换调整为符合市电的交流电。
专利摘要本实用新型公开了一种风力发电的电能转换装置，由一个交流侧滤波电容与一个交流侧滤波电感将风力发电输入的电流进行滤波以降低谐波，并在磁滞电流控制型脉波宽度调变的方式下调变出开关讯号控制功率开关，通过一个光耦合闸极驱动模块驱动脉波宽度调变式整流器，整流后经一个直流侧稳压电容输出直流电。本实用新型取代了传统风力发电机组中的二极管整流器，配合后级负载或系统使用，限制和降低了风力发电机的电流谐波，并具有校正功率因子的功能，更有效地降低了风力发电机运转时产生的噪音，使风力发电机产出的电能损耗降至最低，保证了发电机的输出功率保持有效电力输出。
文档编号H02M7/217GK201869112SQ201020596240
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者徐圣宗, 林育煌, 陈伟伦, 高嘉宏 申请人:新高能源科技股份有限公司, 林育煌, 陈伟伦