微电网风力发电机的并网离网一体装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种微电网风力发电机的并网离网一体装置及方法；它包括：控制电路、三相整流电路一、三相整流电路二、DC/DC电源一、DC/DC电源二、手动开关和保护电路；本发明的有益效果：本发明的微电网风力发电机的并网离网一体装置直接从风力发电机取电后，分别进行离网和并网，减少了中间环节，节约了成本，能够更加高效的利用能源，只需一台风机、一台并网离网控制一体装置、两台逆变器就可以实现风力微电网发电系统或风光互补微电网发电的技术。
【专利说明】微电网风力发电机的并网离网一体装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电机控制系统，尤其涉及一种微电网风力发电机的并网离网一体装置及方法。
【背景技术】
[0002]现有的风力发电机控制器，只有离网风力发电机控制器或并网风力发电机控制器。离网风力发电机控制器用于离网风力发电系统，离网风力发电机控制器控制风机给蓄电池组充电，然后将蓄电池组的电能逆变成交流电，给负载供电。并网风力发电机控制器用于并网风力发电系统，并网风力发电机控制器控制风机并输出稳定的直流电压供给并网逆变器，然后并网逆变器跟踪网电，并将电能输送到电网。
[0003]我们国家正在大力推行微电网发电，在并网系统中，当网电停电或者检修的时候，风力发电机处于制动状态，能源无法到达高效的利用；在离网系统中，可能会出现用电剩余的情况，造成能源的浪费，这样就急需一台设备可以同时实现并网和离网。
[0004]有些厂家的并网逆变器宣传具有这种功能，但经过调研，这些厂家是将并网逆变器添加了一个网电充电器给蓄电池充电，风能通过风力发电机变成电能，再通过控制器输出稳定的直流供给并网逆变器，并网逆变器输电上网，再有网电给蓄电池充电，中间增加了太多的环节，每个环节都会造成能源的浪费，控制成本较高。本发明的风力发电机并网离网控制一体装置直接从风力发电机取电后，分别进行离网和并网，只需一台风机、一台并网离网控制一体装置、两台逆变器就可以实现风力微电网发电系统或风光互补微电网发电系统，减小了中间环节，极大地节约了成本，可以更高效的利用能源。
【发明内容】
[0005]为了解决以上问题，本发明提供了一种微电网风力发电机的并网离网一体装置及方法。通过风力发电机并网离网控制一体机直接从风力发电机取电后，分别进行离网和并网，减小了中间环节，提高了能源的利用率。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]一种微电网风力发电机的并网离网一体装置，包括:控制电路、三相整流电路一、三相整流电路二、DC/DC电源一、DC/DC电源二、手动开关和保护电路。
[0008]风力发电机与所述三相整流电路一和蓄电池组串联，风力发电机与所述手动开关、三相整流电路二、DC/DC电源二、并网逆变器串联，所述三相整流电路一和蓄电池组的串联支路与所述手动开关、三相整流电路二、DC/DC电源二、并网逆变器的串联支路并联连接，所述DC/DC电源一与所述控制电路和所述保护电路分别连接，所述DC/DC电源一和所述控制电路分别耦接到三相整流电路一的输出端，所述控制电路耦接到风力发电机的绕组上。
[0009]在所述三相整流电路一和蓄电池组之间，可以根据需要增加DC/DC降压模块。
[0010]所述控制电路包括:采样电路、谐波控制电路和谐波注入电路；所述采样电路耦接到所述三相整流电路一的输出端，所述采样电路将采样信号传送至谐波控制电路，所述谐波控制电路与所述谐波注入电路连接，所述谐波注入电路耦接到风力发电机绕组上。
[0011]所述谐波注入电路包括:谐波注入电路一、谐波注入电路二、谐波注入电路三；所述谐波注入电路一耦接到风力发电机三相绕组中的L1、L2绕组，所述谐波注入电路二耦接到风力发电机三相绕组中的L2、L3绕组，所述谐波注入电路三耦接到风力发电机三相绕组中的L1、L3绕组。
[0012]所述谐波注入电路由可控开关和二极管串联组成。
[0013]所述可控开关为N型MOSFET晶体管，所述N型MOSFET晶体管的门极与所述谐波控制电路连接、源极耦接到风力发电机的绕组、漏极与所述二极管的阴极连接，所述二极管的阳极耦接到风力发电机的绕组。
[0014]所述保护电路由继电器J1、继电器J2组成，所述继电器J1、继电器J2的供电线圈与DC/DC电源连接，所述继电器Jl、继电器J2的公共点与风力发电机三相绕组中的LI连接，所述继电器Jl的常闭触点与风力发电机三相绕组中的L2连接，继电器J2常闭触点与风力发电机三相绕组中的L3连接，L1、L2、L3无先后顺序之分。
[0015]一种微电网风力发电机的并网离网一体装置的控制方法，包括:风力发电机输出三相交流电能，通过三相整流电路一，输出直流电能到蓄电池组；通过三相整流电路二，输出直流电能到DC/DC电路二，输送稳定的直流电能给并网逆变器，并网逆变器将直流电逆变成交流电输送给电网。
[0016]DC/DC电源一给控制电路供电，采样电路将采集到的信号传送至谐波控制电路，谐波控制电路根据接收到的信号控制谐波注入电路中可控开关的导通和关断，通过向风力发电机注入谐波来调节风力发电机的磁阻，调整风力发电机的工作状态。
[0017]风力发电机因为风大引起电压过高时，风力发电机控制电路起作用，控制风力发电机的转速，保证风力发电机输入三相整流电路二电压不会超过规定值，保证DC/DC电路二输出的电压不会损坏并网逆变器；风力过小引起发电量不足时，关闭并网部分，保证离网部分正常供电。
[0018]所述谐波注入电路中可控开关的导通和关断的控制方法为:将采样信号与基准电压相比较，当采样信号大于基准电压时，控制可控开关的导通时间增加，增大谐波控制信号的脉冲宽度以增大风力发电机的制动作用；当采样信号小于基准电压时，控制可控开关的导通时间减小，减小谐波控制信号的脉冲宽度以减小风力发电机的制动作用。
[0019]为了便于理解，本发明所述的耦接到三相风力发电机的三相绕组LI，L2，L3为示例性的，并无先后顺序之分，所属领域技术人员可以根据实际情况对三相绕组LI，L2，L3任意排序。
[0020]本发明的有益效果:
[0021]本发明的微电网风力发电机的并网离网一体装置直接从风力发电机取电后，分别进行离网和并网，减少了中间环节，极大地节约了成本，能够更加高效的利用能源，只需一台风机、一台并网离网控制一体装置、两台逆变器就可以实现风力微电网发电系统或风光互补微电网发电的技术；独特的控制器设计简化了大功率风力发电机的控制方式，使控制更加精确；降低了风力发电机生产及维护成本，更加利于市场销售。
【专利附图】
【附图说明】[0022]图1为本发明微电网风力发电机的并网离网一体装置的结构示意图；
[0023]图2为本发明微电网风力发电机的并网离网一体装置的原理图。
[0024]其中，101.并网离网一体装置，102.卸荷器，103.离网逆变器，104.交流负载，105.电度表，301.风力发电机，302.三相整流电路一，303.DC/DC降压模块，304.控制电路，305.采样电路，306.谐波控制电路，307.谐波注入电路一，308.谐波注入电路二，309.谐波注入电路三，310.可控开关，311.DC/DC电源一，312.保护电路，313.蓄电池组，314.手动开关，315.三相整流电路二，316.DC/DC电源二，317.并网逆变器。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0026]如图1所示，控制并网离网一体装置101，将风力发电机301发出的三相交流电分别进行离网和并网，离网部分将电能存储至蓄电池组313，经离网逆变器103将直流电能逆变为交流电能，给交流负载104供电；并网部分经并网逆变器317将直流电能逆变为交流电，接电度表105后，并入电网。卸荷器102为可选部分，主要用于控制风力发电机的输出功率和制动。
[0027]如图2所示，微电网风力发电机的并网离网一体装置包括:风力发电机301、控制电路304、三相整流电路一 302、三相整流电路二 315、DC/DC电源一 311、DC/DC电源二 316、保护电路312、并网逆变器317和蓄电池组313。
[0028]风力发电机301与三相整流电路一 302和蓄电池组313串联，风力发电机301与手动开关314、三相整流电路二 315、DC/DC电源二 316和并网逆变器317串联，并网逆变器317接入电网，三相整流电路一 302和蓄电池组313组成的串联支路与手动开关314、三相整流电路二 315、DC/DC电源二 316和并网逆变器317组成的串联支路并联连接，DC/DC电源一 311与控制电路304和保护电路312分别连接，DC/DC电源一 311和控制电路304分别耦接到三相整流电路一 302的输出端，控制电路304耦接到所述风力发电机301的绕组上。
[0029]根据不同的客户需要，可选择离网控制部分带有DC/DC降压模块303。因为大部分并网发电系统，并网逆变器317要求的输入电压比较高，在并网逆变器317输入电压高于电网电压时才可以并网，所以用于并网风力发电系统的风力发电机输出电压比离网风力发电系统的风力发电机输出电压高。并网的风力发电机如果应用在离网并网风力发电系统中，离网部分需要庞大的蓄电池组313，蓄电池非常昂贵，不适用于家庭使用。增加DC/DC降压模块303，就解决了这个问题。DC/DC降压模块303可以将风力发电机发出的高电压变为低电压给蓄电池充电。这样增大了微电网风力发电机的并网离网一体装置的实用性，也更加提闻了风力发电效率。
[0030]家庭及局域用户首先要满足离网系统供电的需求，有电量剩余的时候才并入电网，在并网控制部分增加了手动开关314。当风力不足，发电量小时，用户可以手动关闭并网控制部分，使风力发电机发出的电能仅向蓄电池组313充电，保证家庭或局域用户供电。
[0031]三相风力发电机301输出L1、L2、L3三相交流电能，通过三相整流电路一 302的整流，输出直流电能到蓄电池组313。通过三相整流电路二 315的整流，输出直流电能到DC/DC电路二 316，然后输送稳定的直流电能给并网逆变器317，并网逆变器317将直流电逆变成交流电输送给电网。DC/DC电源一 311，给控制电路304提供稳定的工作电源。
[0032]控制电路304包括:采样电路305、谐波控制电路306和谐波注入电路一 307、谐波注入电路二 308、谐波注入电路三309，每一个谐波注入电路都包括可控开关310和二极管，可控开关310的漏极耦接到二极管的阴极、源极耦接到风力发电机301的绕组，门极耦接到谐波控制电路306。因为风力发电机301发出的是交流电，当在风力发电机301发出的交流电在负半轴时，反向电压场效应管不导通，二极管分担电压，防止MOSFET管因为超过耐压范围烧坏，起到保护MOSFET管的作用。
[0033]谐波控制电路306包括比较电路(图2中未示出)，比较电路将采样信号与基准电压相比较，当采样信号大于基准电压时，需要增大制动作用，增大谐波控制信号的脉冲宽度；当采样信号小于基准电压时，需要减小制动作用，减小谐波控制信号的脉冲宽度。由于MOSFET晶体管的导通和关断，电流谐波被注入到L1、L2、L3相绕组，在风力发电机转子中形成感应电势和电流，其产生的转矩方向与电机的转速方向相反，产生阻力，起到控制风力发电机301输出功率和制动作用。谐波控制信号的脉冲宽度增大时，N型MOSFET晶体管的导通时间增大，风力发电机301的磁阻增大；谐波控制信号的脉冲宽度减小时，N型MOSFET晶体管的导通时间减小，风力发电机301的磁阻减小。通过对注入风力发电机301的谐波的控制，实现了对风力发电机301转子的制动控制，进而精确控制风力发电机301的输出功率。
[0034]由于控制方式是通过调整风力发电机301转速来控制风力发电机301的输出功率及制动，所以当风力发电机301因为风大引起电压过高时，上述控制电路起作用，从而控制风力发电机301的转速，保证风力发电机301输入三相整流电路二 315电压不会过高，通过三相整流电路二 315整流后的直流电压也不会过高，保证DC/DC电路二 316输出的电压不会过高而损坏并网逆变器317。
[0035]任何元器件都有可能损坏，如果DC/DC电源一 311损坏，整个控制电路304没有了稳定的工作电源，风力发电机301将失控，为此增加了保护电路312，主要由继电器J1、继电器J2做成的风力发电机三相刹车控制电路。一旦DC/DC电源一 311损坏,继电器工作于常闭点，此时风力发电机301处于三相刹车状态。继电器的供电线圈连接DC/DC电源一 311，继电器J1、继电器J2的公共点连接风力发电机301的LI，继电器Jl的常闭点连接风力发电机301的L2，继电器J2的常闭点连接风力发电机301的L3，其中L1、L2、L3无先后顺序之分。
[0036]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种微电网风力发电机的并网离网一体装置，其特征是，包括:控制电路、三相整流电路一、三相整流电路二、DC/DC电源一、DC/DC电源二、手动开关和保护电路； 风力发电机与所述三相整流电路一和蓄电池组串联，风力发电机与所述手动开关、三相整流电路二、DC/DC电源二、并网逆变器串联，所述三相整流电路一和蓄电池组的串联支路与所述手动开关、三相整流电路二、DC/DC电源二、并网逆变器的串联支路并联连接，所述DC/DC电源一与所述控制电路和所述保护电路分别连接，所述DC/DC电源一和所述控制电路分别耦接到三相整流电路一的输出端，所述控制电路耦接到风力发电机的绕组上。
2.如权利要求1所述的一种微电网风力发电机的并网离网一体装置，其特征是，在所述三相整流电路一和蓄电池组之间，可以根据需要增加DC/DC降压模块。
3.如权利要求1所述的一种微电网风力发电机的并网离网一体装置，其特征是，所述控制电路包括:采样电路、谐波控制电路和谐波注入电路；所述采样电路耦接到所述三相整流电路一的输出端，所述采样电路将采样信号传送至谐波控制电路，所述谐波控制电路与所述谐波注入电路连接，所述谐波注入电路耦接到风力发电机绕组上。
4.如权利要求2所述的一种微电网风力发电机的并网离网一体装置，其特征是，所述谐波注入电路包括:谐波注入电路一、谐波注入电路二、谐波注入电路三；所述谐波注入电路一耦接到风力发电机三相绕组中的L1、L2绕组，所述谐波注入电路二耦接到风力发电机三相绕组中的L2、L3绕组，所述谐波注入电路三耦接到风力发电机三相绕组中的L1、L3绕组。
5.如权利要求2所述的一种微电网风力发电机的并网离网一体装置，其特征是，所述谐波注入电路由可控开关和二极管串联组成。
6.如权利要求4所述的一种微电网风力发电机的并网离网一体装置，其特征是，所述可控开关为N型MOSFET晶体管，所述N型MOSFET晶体管的门极与所述谐波控制电路连接、源极耦接到风力发电机的绕组、漏极与所述二极管的阴极连接，所述二极管的阳极耦接到风力发电机的绕组。
7.如权利要求1所述的一种微电网风力发电机的并网离网一体装置，其特征是，所述保护电路由继电器Jl、继电器J2组成，所述继电器Jl、继电器J2的供电线圈与DC/DC电源连接，所述继电器J1、继电器J2的公共点与风力发电机三相绕组中的LI连接，所述继电器Jl的常闭触点与风力发电机三相绕组中的L2连接，继电器J2常闭触点与风力发电机三相绕组中的L3连接，L1、L2、L3无先后顺序之分。
8.—种如权利要求1所述的微电网风力发电机的并网离网一体装置的控制方法，其特征是，风力发电机输出三相交流电能，通过三相整流电路一，输出直流电能到蓄电池组；通过三相整流电路二，输出直流电能到DC/DC电路二，输送稳定的直流电能给并网逆变器，并网逆变器将直流电逆变成交流电输送给电网； DC/DC电源一给控制电路供电，采样电路将采集到的信号传送至谐波控制电路，谐波控制电路根据接收到的信号控制谐波注入电路中可控开关的导通和关断，通过向风力发电机注入谐波来调节风力发电机的磁阻，调整风力发电机的工作状态； 风力发电机因为风大引起电压过高时，控制电路起作用，控制风力发电机的转速，保证风力发电机输入三相整流电路二电压不会超过规定值，保证DC/DC电路二输出的电压不会损坏并网逆变器；风力过小引起发电量不足时，关闭并网部分，保证离网部分正常供电。
9.如权利要求8所述的微电网风力发电机的并网离网一体装置的控制方法，其特征是，所述谐波注入电路中可控开关的导通和关断的控制方法为:将采样信号与基准电压相比较，当采样信号大于基准电压时，控制可控开关的导通时间增加，增大谐波控制信号的脉冲宽度以增大风力发电机的制动作用；当采样信号小于基准电压时，控制可控开关的导通时间减小，减小谐波控制 信号的脉冲宽度以减小风力发电机的制动作用。
【文档编号】H02J3/38GK103475026SQ201310425155
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】荆林峰, 荆聿平 申请人:济南德明电源设备有限公司