专利名称：风力发电机并网逆变控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电领域，且尤其涉及一种风力发电机并网逆变控制装置。
背景技术：
风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度)， 便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电机多数米用三相永磁电机，发电机输出电压较低，多数为24-48V无法直接实现逆变并网。国内现有并网型风力发电逆变器基本的实现方式有两类，一类是采用先整流，再逆变到与电网同相位的50Hz交流电，然后通过工频变压器升压到交流220V并入电网。这种方式结构较为简单，也具有较好的可靠性，缺点是工频变压器体积和重量较大，功率损耗也比较大。另一类是采用先升压，再逆变的方式。先进行整流得到较低的直流电压，采用Boost升压电路或高频升压变压器，把电压升到350V直流电压，再通过高频逆变电路逆变得到220V交流电，并入电网。这种方式缺点是需要经过两级高频变换，增加了能量损失。电网侧需要一个电感量较大的输出电抗器，体积和重量较大，功率损耗也较大，并网电流中开关频率的高次谐波含量较重。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的风力发电体积和重量较大、功率损耗较大的问题。为了实现上述目的，本发明提出一种风力发电机并网逆变控制装置，至少包括输入整流滤波回路，和所述风力发电机相连；高频变流回路，和所述输入整流滤波回路相连，所述高频变流回路包括至少一组逆变电路，每组所述逆变电路包括两个互补输出的MOSFET和一个与所述一两个MOSFET相连的高频变压器；工频变流回路，和所述高频变流回路相连，所述工频变流回路包括组成H桥的四只单向可控硅、与所述四只单向可控硅相连的光耦可控硅驱动电路以及给所述光耦可控硅驱动电路的发出控制信号的DSP。可选的，所述两个MOSFET的输出波形的相位相差180°。可选的，所述风力发电机并网逆变控制装置还包括一停机保护回路，所述停机保护回路连接于所述风力发电机和所述输入整流滤波回路之间。可选的，所述输入整流滤波回路包括三对肖特基二极管以及与每对所述肖特基二极管均并联的电解电容。可选的，所述电解电容的容量不小于1000 μ F。可选的，所述高频变流回路包括两组逆变电路、三组逆变电路或四组逆变电路。可选的，每组所述逆变电路还包括一高频滤波电容，所述高频滤波电容并联于所述高频变压器的两端。
可选的，所述风カ发电机并网逆变控制装置还包括一输出滤波回路，所述输出滤波回路和所述エ频变流回路相连。本发明风力发电机并网逆变控制装置的有益技术效果为本发明风カ发电机并网逆变控制装置实现了ー种小型风カ发电并网逆变装置，具有体积小、重量轻、效率高、电能质量好、抗电网干扰性能强等优点。通过本装置可以实现多台风机的并联输出，同时具备最大功率跟踪和大风过功率停机保护等基本的控制功能。
图I为本发明实施例的输入整流滤波回路的示意图。图2为本发明实施例的闻频逆变回路的不意图。图3为本发明实施例的高频逆变单元输出电流的波形图。图4为本发明实施例的第二级直流母线电压波形图。图5为本发明实施例的エ频逆变回路的示意图。图6为本发明实施例的控制功能框图。图7为本发明另ー实施例的结构示意图。
具体实施例方式下面，结合附图对本发明作进ー步的详细说明。图I为输入整流滤波回路的示意图，风カ发电机10输出三根电源线，直接连接到输入整流滤波回路14的六只肖特基ニ极管15组成的三相全桥整流电路，在经过并联的电解电容Cl，将风カ发电机10发出的电变为平稳直流电。所述电解电容Cl的容量不小于1000 μ F。肖特基ニ极管15具有极低的导通压降，可以有效地降低输入整流滤波回路的功率损耗。风カ发电机10采用三相永磁式发电机，输出频率、电压和功率随转速增加。对每ー个风速值，有一个与之相对应的叶轮转速可以得到最大功率，只要通过输出功率控制使风电机组整流后的直流电源稳定在一定范围内，就可以得到该风速下相应的最大输出功率。在输入整流滤波回路14和风カ发电机10之间还设置一停机保护回路11，停机保护回路11由两组并联的停机保护单元组成，每组停机保护单元由串联的保护电阻13和开关12组成。风カ发电机10遇到台风等高风速天气，风カ发电机10输出功率大幅度超过额定功率，为避免风カ发电机10的飞车损坏，或造成并网逆变器过功率损坏，对风力发电机10实行软刹车制动，保护风カ发电机10和逆变器安全。图2为高频逆变回路的示意图，高频变流回路20，和所述输入整流滤波回路14相连，所述高频变流回路20包括至少ー组逆变电路，每组所述逆变电路包括两个互补输出的MOSFET 21和ー个与所述ー两个MOSFET 21相连的高频变压器23，优选的，所述高频变流回路包括两组逆变电路、三组逆变电路或四组逆变电路；采用MOSFET 21加高频变压器23组成反激式电路，由于整个变压器流过高频电流，变压器不会因铁心饱和而导致输出电流失真，且变压器高低压侧的匝数都很少，因而整个变压器的体积很小。每个MOSFET 21加高频变压器23组成的逆变电路输出功率在200W，输出功率需扩大时，可以采用多组并联，分别通过快恢复ニ极管整流，得到脉动的直流电压。两个MOSFET 21的输出波形的相位相差180°，两只MOSFET的相位21相差180度，使使等效输出频率加倍，便于高频谐波的滤除，多只变压器并列输出时，波形为每个变压器输出的总和，波形更平滑，谐波含量更少。 图3为高频逆变单元输出电流的波形图，在高频变压器输出侧得到一组由高频脉冲群组成的直流电流，其包络线为与电网电压同相位的50Hz正弦波的正半波。图4为第二级直流母线电压波形图，经小电容滤波后，在第二级直流母线上电压峰值略高于电网工频220V峰值的半波正弦电压，相位与电网同相。多组变流器并联时，各组MOSFET交错触发导通，提高了等效开关频率，降低了谐波含量。图5为工频逆变回路的示意图，和所述高频变流回路20相连，所述工频变流回路40包括组成H桥的四只单向可控硅43、与所述四只单向可控硅43相连的光耦可控硅驱动电路42以及给所述光耦可控硅驱动电路的发出控制信号的DSP 41。采用四只单向可控硅43组成H桥，形成工频逆变回路，由DSP41发出控制信号，经光耦隔离后驱动电路42可控硅触发，每IOms进行一次反相，把脉动直流电变为正负半波相间的交流电。可控硅工作在50Hz的工频状态，开关损耗低，导通压降小。与传统的采用IGBT或MOSFET组成的并网输出级电路相比，可控硅具有更强的抗过载能力和耐冲击性，降低了电网出现瞬变时可能造成的器件损坏，提高了系统的可靠性。图6为本发明实施例的控制功能框图，包括(I)电网电压测量，通过对电网电压的测量、锁相得到与电网同相位的标准正弦波，通过比较器与30kHz开关频率比较，得到SPWM开关脉冲用于控制高频变流回路MOSFET开关。锁相得到的正弦波过零点用于控制工频变流回路可控硅触发。(2)直流电压测量，通过对第一级直流母线电压的测量，结合风机的转速和变流器输出功率，采用小扰动法实现风机的最大功率跟踪。(3)风机转速测量，通过对风机电压的监测，结合发电机极对数得到风机的叶轮转速，作为风机最大功率跟踪和大风超速停机保护的基础。(4)风速测量，只需要采用简易的热线式风速仪实现粗略风速测量，结合输出功率和风机的转速测量，用于实现风机的最大功率跟踪和大风停机保护。(5)并网电流测量，通过对逆变器并网电流的测量，结合电网电压算出风机的输出功率，结合该风机风速-功率曲线，采用比例积分算法，得到最大目标功率，用于高频变流单元的逆变器的SPWM闭环控制，实现最大功率跟踪。同时对工作异常和短路时出现的大电流实施保护。控制电路部分，采用TMS320F2801 DSP作为核心控制元件，完成测量、计算和控制。此外，该装置还包括输出滤波回路，采用L、C、L组成T型滤波网络，LC谐振频率调谐为MOSFET的开关频率。本装置采用LED数码管显示上述5个测量数据和输出功率等计算数据，同时根据需要将这些数据通过485、CAN、以太网等标准通信模块以有线方式，或无线HUB、GPRS等标准的无线通信方式传送到监控计算机。设置简易的按钮键盘实现风机参数等基本设置功能以适应不同类型风力发电机和电网要求。图7为本发明另一实施例的结构不意图，在本实施例中，所述闻频变流回路20包括两组逆变电路。图7为逆变器的一次结构接线图，最大功率输出为1000W时，整个低频并网逆变器的硬件设备如下采用两台450W，三相交流电压48V输出的风力发电机作为电源，整流后直流电压为Ul = 15V-48V，最大电流为20A，结合交流侧转速测量，实现最大功率控制。两台风力发电机输出在整流后直流母线并联。逆变器额定输出功率PN = 900W。
一、输入整流滤波回路14采用6只100V10A的肖特基ニ极管组成桥式整流电路，发电机输出的频率变化的三相交流电，通过ニ极管全桥后，变为极性正确的直流电。采用肖特基ニ极管降低了由输入ニ极管导通压降造成的功率损失。直流稳压电容直流滤波电容Cl为电解电容，用于稳定整流后直流电源的电压，电容參数取2200uF/100V。停机保护电路采用两组大功率NTC元件，串联20A双路继电器，接入继电器常闭触点，组成能耗型制动停机保护电路。风速正常时，由控制DSP经驱动电路控制继电器得电断开常闭触点。当测得风速超限或风机过功率飞车时，继电器闭合实现软停机。ニ、高频变流回路采用80A/160V的MOSFET功率管，DSP经光耦TLP250驱动MOSFET导通关断。高频变压器变比kl k2 = 24 500，低压侧漏抗luH，缩短暂态过程，低压侧匝数约为3匝；高压侧电感约为400uH。配合输出侧快恢复ニ极管组成不可控整流电路，整流桥所用ニ极管耐压800V，电流约为5A，流通功率大约为5W，可选用中功率快恢复ニ极管。高频滤波电容C2，电容C2不是用于エ频滤波，且并不是用于稳压，因而可取较小值，C2取O. luF，耐压值取600V。三、エ频变流回路エ频变流全桥逆变器的可控硅工作于低频开关状态(50HZ)，管耗很小，可忽略不计，因而可节省半导体开关管的散热装置，整个逆变桥占用体积很小，可控硅选用四只10A/600V的塑封可控硅。滤波装置由于低频逆变器采用可控硅逆变桥，开关频率为50Hz，导通和关断都处于系统电压波形过零时刻，不会产生谐波。输出电流的谐波主要是MOSFET的开关频率产生的30kHz高次谐波，在逆变器的输出端装设LCL低通滤波装置，L取值约为40uH/5A，C取值约为luF，L，C值都小，在逆变器中占用的体积和重量都很小。四、控制电路采用TMS2801系列DSP为主控芯片，配合标准外围电路设计组成控制电路板。由DSP片内A/D完成測量回路的信号数据采集，采用IOOMHz的CPU工作主频完成系统控制策略的计算。通过片内的PWM控制器，控制脉冲输出信号经专用光耦TLP250驱动MOSFET实现高频变流回路的控制。对电网系统电压锁相后得到电压过零点，控制专用可控硅光耦驱动器，控制エ频变流回路可控硅的切換。同时完成最大功率跟踪和风机、变流器的异常保护功能。显示键控采用DSP端ロ直接驱动LED八段数码管，直接连接按钮键盘，实现数据显示和參数设定功能。芯片内部自带的485、CAN总线通信功能，连接标准外部接ロ芯片组成通信电路。逆变器工作电源，即系统控制电源从220V电网取电，采用标准开关电源，输出+5V、+3. 3V和±12V直流控制电源。本系统采用两级直流母线，两级变流器结构。第一级直流母线为分散式结构，风机整流后直流电压分别独立控制，以实现最大功率跟踪控制。第一级各直流母线分别采 用IOOOyF以上大电容滤波方式。前级变流器为高频反激型升压电路，采用多个高频变压器并列运行。第一级直流母线中每段采用两只变压器互补输出，每个变压器由一只大功率MOSFET驱动，两只MOSFET相差180度，使使等效输出频率加倍，便于高频谐波的滤除。多只变压器并列输出时，波形为每个变压器输出的总和，波形更平滑，谐波含量更少。每只变压器的输出侧采用ー只快恢复ニ级管整流后连接到第二级直流母线。第二级直流母线采用高压小电容滤波，直流电压波形为与电网交流电压绝对值相同且同相的IOOHz脉动直流电。后级逆变器采用四只 大功率可控硅组成桥式逆变电路，执行换向功能，每IOms进行一次反相，改变第二级直流母线的脉动直流电输出的正、负极性，按电网电压相位，把输出电流变为正、负交替的标准正弦波。这两部分设计是本专利区别于其他同类逆变器的核心部分。风力发电机开路输出电压在10-40VAC时都可以实现并网和功率输出。通过调整整流后的直流电压，达到调整发电机转速，改变风机Cp值，进一步调整风机输出功率，使风机的输出功率最优。风力发电机整流采用肖特基二极管整流，毫欧级超低导通电阻MOSFET开关管，工作频率30kHz，降低功率器件和电抗器的损耗。大风天气风机通过串联NTC元件后经继电器短路，实现柔性刹车制动保护，柔性制动减小了发电机的制动电流和对叶轮的机械冲击。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所述技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种风カ发电机并网逆变控制装置，其特征在于，至少包括 输入整流滤波回路，和所述风カ发电机相连； 高频变流回路，和所述输入整流滤波回路相连，所述高频变流回路包括至少ー组逆变电路，每组所述逆变电路包括两个互补输出的MOSFET和ー个与所述ー两个MOSFET相连的高频变压器； エ频变流回路，和所述高频变流回路相连，所述エ频变流回路包括组成H桥的四只单向可控硅、与所述四只单向可控硅相连的光耦可控硅驱动电路以及给所述光耦可控硅驱动电路的发出控制信号的DSP。
2.根据权利要求I所述的风力发电机并网逆变控制装置，其特征在于所述两个MOSFET的输出波形的相位相差180°。
3.根据权利要求I所述的风力发电机并网逆变控制装置，其特征在于所述风カ发电机并网逆变控制装置还包括一停机保护回路，所述停机保护回路连接于所述风カ发电机和所述输入整流滤波回路之间。
4.根据权利要求I所述的风力发电机并网逆变控制装置，其特征在于所述输入整流滤波回路包括三对肖特基ニ极管以及与每对所述肖特基ニ极管均并联的电解电容。
5.根据权利要求4所述的风力发电机并网逆变控制装置，其特征在于所述电解电容的容量不小于1000 μ F。
6.根据权利要求I所述的风力发电机并网逆变控制装置，其特征在于所述高频变流回路包括两组逆变电路、三组逆变电路或四组逆变电路。
7.根据权利要求I所述的风力发电机并网逆变控制装置，其特征在于每组所述逆变电路还包括一高频滤波电容，所述高频滤波电容并联于所述高频变压器的两端。
8.根据权利要求I所述的风力发电机并网逆变控制装置，其特征在于所述风カ发电机并网逆变控制装置还包括一输出滤波回路，所述输出滤波回路和所述エ频变流回路相连。
全文摘要
本发明提供一种风力发电机并网逆变控制装置，根据本发明的建议，至少包括输入整流滤波回路，和所述风力发电机相连；高频变流回路，和所述输入整流滤波回路相连，所述高频变流回路包括至少一组逆变电路，每组所述逆变电路包括两个互补输出的MOSFET和一个与所述一两个MOSFET相连的高频变压器；工频变流回路，和所述高频变流回路相连，所述工频变流回路包括组成H桥的四只单向可控硅、与所述四只单向可控硅相连的光耦可控硅驱动电路以及给所述光耦可控硅驱动电路的发出控制信号的DSP。本发明风力发电机并网逆变控制装置具有体积小、重量轻、效率高、电能质量好、抗电网干扰性能强等优点。
文档编号H02J3/38GK102624031SQ20121009999
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者张延迟 申请人:上海电机学院