專利名稱：一種風力發電機充電控制器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及永磁風力發電機，具體地說涉及一種風力發電機的充電控制器和及其
控制方法。
背景技術：
傳統的風力發電機失速保護方法有兩種1、充電控制器靠風力發電機輸出后的整 流電壓高低來判斷風力發電機是否過速從而進行保護，這種方法動作時間滯后，且在不同 的充電狀態會引起誤動作。2、利用風力發電機本身所帶的偏航保護系統，即當風速超過某 一定值時，改變風力發電機的迎風角度，對風機進行保護。此種方法屬于機械保護，動作慢， 不能快速有效的保護風力發電機。所以，此種傳統的充電控制器在惡劣多變的大自然條件 下會很容易引起風力發電機的失速損壞。 對于風力發電機和充電控制器配套的系統而言，若蓄電池為DC48V系統，則充放 電控制器額定輸出電壓就是DC48V，風力發電機額定輸出的整流后電壓也就是DC48V。風力 發電機輸出電壓和功率跟風速的大小成正比。在正常風速范圍時，可對蓄電池進行充電。但 風速低時，發電機的輸出電壓也低，不能給蓄電池充電，這樣減少了風力發電機的風速利用范圍。 風力發電機在啟動時需超過某一轉速(啟動風速)來克服啟動轉矩，只有當風速 大于啟動風速時，風力發電機才能順利啟動。所以風力發電機在風速很低時不可對蓄電池 進行充電，以免造成風力發電機的啟動轉矩過大而無法正常啟動，更減少了風能的利用效率。 目前，我國傳統的離網型風力發電的充電控制系統中，出于成本等考慮，并未采用 實時的風速儀，相應的充電控制器也沒有風力發電機的轉速檢測單元。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對上述現有技術的不足，克服傳統風力發電機 充電控制方法的缺陷，提供一種風力發電機的充電控制器及其控制方法，以達到對風力發 電機進行迅速、可靠的保護，有效的提高了風力發電機的可利用風速范圍，實現對蓄電池限 壓限流充電。 為解決上述技術問題，本發明的技術方案是一種風力發電機的充電控制器，包括 與風力發電機輸出相連接的整流電路，其特征在于，所述的整流電路的輸出端通過開關K1、 卸荷回路、B00ST升壓電路與蓄電池組相連接，所述的卸荷回路和BOOST升壓電路還與控制 電路相連接； 所述的卸荷回路，用于發電機輸出整流電壓超過蓄電池充電電壓或蓄電池充電電 流大于最大限制電流時，通過控制電路啟用卸荷回路，以維持蓄電池的恒壓充電；
所述的BOOST升壓電路，用于通過控制電路判斷所測得的風力發電機轉速信號作 為BOOST升壓電路的啟動和停止信號。
—種風力發電機的充電控制器，所述的控制電路包括單片機、卸荷回路驅動電路、 BOOST升壓控制電路、捕獲單元、電流檢測電路所組成，所述的單片機輸入口分別與捕獲單 元和電流檢測電路相連接，單片機的輸出口分別通過卸荷回路驅動電路、B00ST升壓控制電 路與BOOST升壓電路和卸荷回路相連接。 —種風力發電機的充電控制器，所述的卸荷回路由卸載功率開關管Q1和電阻R1 組成，BOOST升壓電路由升壓功率開關管Q2、電感L、二極管D8、電容C2所組成，整流電路負 極輸出端通過空氣開關Kl連接到卸載功率開關管Ql和升壓功率開關管Q2的源極，并經采 樣電阻R2連接到蓄電池組負極，卸載功率開關管Q1的漏極通過電阻R1與整流電路正極輸 出端相連接，并通過電感L、二極管D8與蓄電池組正極相連，升壓功率開關管Q2的漏極與電 感L和二極管D8串接點相連接，卸載功率開關管Ql、升壓功率開關管Q2的柵極分別與卸荷 回路驅動電路和BOOST升壓控制電路的輸出端相連接。 —種風力發電機的充電控制器，所述的捕獲單元，通過/ = ^^計算公式，將風力
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發電機輸出的交流電壓頻率信號通過捕獲單元轉換為風力發電機轉速信號輸出至單片機。 —種風力發電機的充電控制器，所述的單片機型號為PIC16F886。 —種風力發電機的充電控制器的控制方法，所述的方法包括下列步驟； a)初始化步驟，將單片機初始化到一個已知狀態，將單片機端口 、寄存器、中斷初
始化，為進入工作循環做好準備； b)檢測步驟，檢測風力發電機轉速、蓄電池電壓、充電電流；
c)判斷、執行步驟；根據檢測步驟結果，執行相應的步驟； 當充電電壓小于蓄電池浮充電壓、充電電流小于最大充電電流時，卸荷功率開關 管Ql ，升壓功率開關管Q2均不動作，風力發電機輸出電能全部給蓄電池充電；
當充電電壓大于蓄電池浮充電壓或是充電電流大于最大充電電流時，卸荷功率開 關管Ql動作，通過單片機調節卸荷功率開關管Ql的驅動脈沖的占空比泄放多余的能量實 現對蓄電池組的限壓限流充電； 當風力發電機轉速低于正常啟動轉速，BOOST升壓控制電路控制升壓功率開關管 Q2關斷，不對蓄電池進行充電； 當風力發電機轉速高于正常啟動轉速而小于正常轉速區時，充電電壓不夠給蓄電 池充電時，BOOST升壓控制電路控制升壓功率開關管Q2動作，把風力發電機輸出整流電壓 升壓對蓄電池進行充電。 風力發電機的充電控制器的控制方法，所述的BOOST升壓控制電路控制方法采用 蓄電池電壓反饋，電流模式P麗控制，最大占空比為50 % 。 —種風力發電機的充電控制器及其控制方法，由于采用上述結構和方法，通過檢 測風力發電機輸出電壓的頻率來測定風機的轉速，從而可以快速有效地對風力發電機進行 保護。充電控制器設有新型控制模式的BOOST升壓電路，由檢測的風力發電機轉速值的大 小進行控制BOOST升壓電路的啟動與停止，實現低風速條件下的有效充電，并防止風力發 電機的拖停。通過B00ST升壓電路與卸荷回路相互配合，實現風速的最大范圍利用。通過 單片機的智能控制，實現蓄電池的限壓限流充電，延長了蓄電池使用壽命。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明； 圖1為本發明一種風力發電機的充電控制器主電路結構示意圖； 圖2為本發明一種風力發電機的充電控制器控制電路結構示意圖； 圖3為本發明一種風力發電機的充電控制器的控制方法流程圖； 在圖1、圖2中，1、整流電路；2、卸荷回路；3、B00ST升壓電路；4、蓄電池組；5、單片
機；6、卸荷回路驅動電路；7、 BOOST升壓控制電路；8、捕獲單元；9、電流檢測電路。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，一種風力發電機的充電控制器，包括與風力發電機輸出相連接 的整流電路l，風力發電機輸出接到U、 V、 W三個端子，經輸出整流濾波后經空氣開關K1接 入充電主回路。整流電路l的輸出端通過開關K1、卸荷回路2、B00ST升壓電路3與蓄電池 組4相連接，所述的卸荷回路2和BOOST升壓電路3還與控制電路相連接。所述的控制電 路包括單片機5、卸荷回路驅動電路6、 BOOST升壓控制電路7、捕獲單元8、電流檢測電路9 所組成，所述的單片機5輸入口分別與捕獲單元8和電流檢測電路9相連接，單片機5的輸 出口分別通過卸荷回路驅動電路6、B00ST升壓控制電路7與BOOST升壓電路3和卸荷回路 2相連接。單片機5型號為PIC16F886。 卸荷回路2由卸載功率開關管Ql和電阻Rl組成，BOOST升壓電路3由升壓功率 開關管Q2、電感L、二極管D8、電容C2所組成，整流電路1負極輸出端通過空氣開關Kl連 接到卸載功率開關管Q1和升壓功率開關管Q2的源極，并經采樣電阻R2連接到蓄電池組4 負極，卸載功率開關管Q1的漏極通過電阻R1與整流電路1正極輸出端相連接，并通過電感 L、二極管D8與蓄電池組4正極相連，升壓功率開關管Q2的漏極與電感L和二極管D8串 接點相連接，卸載功率開關管Ql、升壓功率開關管Q2的柵極分別與卸荷回路驅動電路6和 BOOST升壓控制電路7的輸出端相連接。BOOST升壓電路3輸出端即二極管D8的陰極與蓄 電池的正極相連。二極管D8兼作蓄電池的防反充二極管。 空氣開關K1作為整個系統的開關控制，如果蓄電池反接，則二極管D7、D8上流過 短路大電流使開關立即斷開，保護蓄電池。 當充電電壓小于蓄電池浮充電壓、充電電流小于最大充電電流時，卸載功率開關 管Ql、升壓功率開關管Q2均不動作，風力發電機輸出電能全部給蓄電池充電。當充電電壓 大于蓄電池浮充電壓或是充電電流大于最大充電電流時，卸載功率開關管Q1動作，通過調 節開關管Q1的驅動脈沖的占空比泄放多余的能量實現蓄電池的限壓限流充電。當風速降 低，充電電壓不夠給蓄電池充電時，BOOST升壓功率開關管Q2動作，把風力發電機輸出整流 電壓升壓對蓄電池進行充電。 參見圖2，控制電路核心器件是單片機PIC16F886和BOOST控制驅動芯片UC3845 及卸荷開關驅動芯片TLP250。 其中單片機PIC16F886是一款通用的價格低廉的控制芯片，適合不做復雜控制算 法的控制電路。它有11路A/D轉換口，足夠各種信號的采樣使用，本系統中用于測量蓄電 池電壓和充電電流。它有兩個CCP(捕捉、比較、P麗)單元，一個用作PWM單元輸出P麗波 經驅動芯片TLP250放大后驅動卸載開關管Q1，另一個用作捕獲單元，用來測量風力發電機的轉速。 BOOST控制驅動由驅動芯片UC3845來完成，它是典型的電流模式P麗控制芯片，最 大占空比為50%。引入蓄電池電壓反饋，峰值電流控制模式。整個BOOST電路的啟動、停止 均由單片機的一個1/0 口控制。 檢測電路風力發電機的三相輸出電壓的任兩相經過電阻分壓后，接入比較器 LM311的"+ "輸入端，LM311的"-"接地，構成一過零電壓比較器，輸出脈沖頻率為風機頻率 的兩倍。輸出的變化的頻率脈沖由光耦進行隔離整形送入單片機5，通過單片機5的捕獲單 元8測得脈沖間的間隔即為輸出電壓的周期的一半。其中穩壓二極管V1的作用是保證比 較器LM311輸入端的交流電壓幅值不超過比較器的電源電壓。 由于風力發電機的輸出電壓變化范圍寬，例如對48V系統而言，輸出交流電壓為 0V 150V (空載)，這里可根據風速利用范圍截取可用電壓范圍為5V 120V，通過電阻分 壓及穩壓二極管限壓后接入比較器LM311 " + "端。 蓄電池充電電流檢測時通過在蓄電池負極串入一低阻值電阻，電阻檢測的電流信 號經運算放大器LM324放大后接入單片機的A/D轉換口 。 蓄電池直流電壓檢測是通過分壓電阻分壓后送入單片機5的A/D轉換口以及作為 BOOST控制驅動芯片UC3845的反饋電壓。 參見圖3，圖3為本發明一種風力發電機的充電控制器的控制方法流程圖；
步驟100為流程開始，步驟101為初始化步驟，將單片機端口、寄存器、中斷初始 化，為進入工作循環做好準備。執行完步驟101后，進入步驟102檢測風力發電機轉速、蓄 電池電壓、充電電流。 步驟103為判斷風力發電機轉速是否低于充電轉速，如果是，則進入步驟104判斷 蓄電池電壓是否大于浮充電壓點，如果是，進入步驟105關閉BOOST電路，如果判斷是否定 的，則進入步驟108判斷風力發電機轉速是否低于拖停轉速，如果是，進入步驟105，如果判 斷是否定的，則進入步驟109啟動BOOST電路。執行完步驟109后進入步驟110。在步驟 103，如果判斷是否定的，則進入步驟106判斷風力發電機轉速是否高于危險轉速，如果是， 則進入步驟107軟接通全部卸載負荷，如果否，進入步驟110判斷蓄電池電壓是否小于欠壓 點，如果是，則進入步驟111進行欠壓處理并報警。如果判斷是否定的，進入步驟112判斷 蓄電池電壓是否在于過壓點，如果是，則進入步驟113進行過壓處理并報警。如果判斷是否 定的，則進入步驟114判斷蓄電池充電電流是否大于最大電流，如果是，則進入步驟115增 加卸載脈寬的占空比，執行完步驟115后，進入步驟117。如果否，進入步驟116判斷蓄電池 電壓是否大于浮充電壓，如果是，進入步驟115，如果否，進入步驟117減小卸載脈寬的占空 比直至為零。在執行完步驟117后返回步驟102。 上面結合附圖對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現并不受上述方式 的限制，只要采用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經改進直接應用 于其它場合的，均在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種風力發電機的充電控制器，包括與風力發電機輸出相連接的整流電路(1)，其特征在于，所述的整流電路(1)的輸出端通過開關K1、卸荷回路(2)、BOOST升壓電路(3)與蓄電池組(4)相連接，所述的卸荷回路(2)和BOOST升壓電路(3)還與控制電路相連接；所述的卸荷回路(2)，用于發電機輸出整流電壓超過蓄電池充電電壓或蓄電池充電電流大于最大限制電流時，通過控制電路啟用卸荷回路，以維持蓄電池的恒壓充電；所述的BOOST升壓電路(3)，用于通過控制電路判斷所測得的風力發電機轉速信號作為BOOST升壓電路的啟動和停止信號。
2. 根據權利要求1所述的一種風力發電機的充電控制器，其特征在于，所述的控制電 路包括單片機(5)、卸荷回路驅動電路(6)、B00ST升壓控制電路(7)、捕獲單元(8)、電流檢 測電路(9)所組成，所述的單片機(5)輸入口分別與捕獲單元(8)和電流檢測電路(9)相連 接，單片機(5)的輸出口分別通過卸荷回路驅動電路(6)、B00ST升壓控制電路(7)與B00ST 升壓電路(3)和卸荷回路(2)相連接。
3. 根據權利要求1或2所述的一種風力發電機的充電控制器，其特征在于，所述的卸荷 回路(2)由卸載功率開關管Q1和電阻R1組成，B00ST升壓電路(3)由升壓功率開關管Q2、 電感L、二極管D8、電容C2所組成，整流電路(1)負極輸出端通過空氣開關K1連接到卸載 功率開關管Q1和升壓功率開關管Q2的源極，并經采樣電阻R2連接到蓄電池組(4)負極， 卸載功率開關管Q1的漏極通過電阻R1與整流電路(1)正極輸出端相連接，并通過電感L、 二極管D8與蓄電池組(4)正極相連，升壓功率開關管Q2的漏極與電感L和二極管D8串接 點相連接，卸載功率開關管Q1、升壓功率開關管Q2的柵極分別與卸荷回路驅動電路(6)和 BOOST升壓控制電路(7)的輸出端相連接。
4. 根據權利要求2所述的一種風力發電機的充電控制器，其特征在于，所述的捕獲單元(8)，通過/ = ^計算公式，將風力發電機輸出的交流電壓頻率信號通過捕獲單元(8) 6(J轉換為風力發電機轉速信號輸出至單片機(5)。
5. 根據權利要求2所述的一種風力發電機的充電控制器，其特征在于，所述的單片機 (5)型號為PIC16F886。
6. —種根據權利要求1 5所述的風力發電機的充電控制器的控制方法，所述的方法 包括下列步驟；a) 初始化步驟，將單片機初始化到一個已知狀態，將單片機端口 、寄存器、中斷初始化， 為進入工作循環做好準備；b) 檢測步驟，檢測風力發電機轉速、蓄電池電壓、充電電流；c) 判斷、執行步驟；根據檢測步驟結果，執行相應的步驟；當充電電壓小于蓄電池浮充電壓、充電電流小于最大充電電流時，卸載功率開關管Q1， 升壓功率開關管Q2均不動作，風力發電機輸出電能全部給蓄電池充電；當充電電壓大于蓄電池浮充電壓或是充電電流大于最大充電電流時，卸功率開關管Ql 動作，單片機的控制信號經卸荷回路驅動電路(6)放大后調節卸載功率開關管Q1的驅動脈 沖的占空比泄放多余的能量實現對蓄電池組的限壓限流充電；當風力發電機轉速低于正常啟動轉速，BOOST升壓控制電路(7)控制升壓功率開關管 Q2關斷，不對蓄電池進行充電；當風力發電機轉速高于正常啟動轉速而小于正常轉速區時，充電電壓不夠給蓄電池充 電時，BOOST升壓控制電路(7)控制升壓功率開關管Q2動作，把風力發電機輸出整流電壓 升壓對蓄電池進行充電。
7.根據權利要求6所述的風力發電機的充電控制器的控制方法，其特征在于，所述 的BOOST升壓控制電路控制方法采用蓄電池電壓反饋，電流模式P麗控制，最大占空比為 50%。
全文摘要
本發明公開了一種風力發電機的充電控制器及其控制方法，包括與風力發電機輸出相連接的整流電路，其特征在于，所述的整流電路的輸出端通過開關K1、卸荷回路、BOOST升壓電路與蓄電池組相連接，所述的卸荷回路和BOOST升壓電路還與控制電路相連接。通過檢測風力發電機輸出電壓的頻率來測定風機的轉速，從而可以快速有效地對風力發電機進行保護。充電控制器設有新型控制模式的BOOST升壓電路，由檢測的風力發電機轉速值的大小進行控制BOOST升壓電路的啟動與停止，實現低風速條件下的有效充電，并防止風力發電機的拖停。通過BOOST升壓電路與卸荷回路相互配合，實現風速的最大范圍利用。通過單片機的智能控制，實現蓄電池的限壓限流充電，延長了蓄電池使用壽命。
文檔編號H02J7/14GK101702532SQ200910185630
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月26日 優先權日2009年11月26日
發明者朱永亮, 熊才偉 申請人:蕪湖國睿兆伏電子股份有限公司