基本信息
- 項目名稱：
- 小型離網(wǎng)式正弦波風力發(fā)電控制裝置
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 風能是一種豐富清潔的最具開發(fā)利用前景的可再生能源。小型離網(wǎng)式正弦波風力發(fā)電控制裝置將風力發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)整流后儲存在蓄電池的直流電逆變成交流電，再經(jīng)變壓器升壓、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)變輸出單相220V正弦工頻交流電壓。其潛在市場主要在草原、沿海以及邊遠、偏辟、信息閉塞的經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)。對于改善和提高當?shù)亟?jīng)濟，促進這些地區(qū)社會、文化事業(yè)發(fā)展有著重大的意義，同時也推進了推進節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟和綠色經(jīng)濟。
- 詳細介紹：
- 小型離網(wǎng)式正弦波風力發(fā)電控制裝置將風力發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)整流后儲存在蓄電池中的直流電逆變成交流電，再經(jīng)變壓器升壓、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)變輸出單相220V正弦工頻交流電壓。其裝置的逆變部分由四個功率場效應(yīng)管MOSFET組成的全橋電路構(gòu)成。通過采樣電阻采樣負載電流，由8位單片機PIC18F2331構(gòu)成的控制回路；脈沖寬度由單片機PIC18F2331控制發(fā)出脈沖寬度調(diào)制控制信號經(jīng)過7404的放大來使得驅(qū)動電路IR2110控制四個功率場效應(yīng)管MOSFET的通斷。通過采樣反饋電壓實現(xiàn)了電壓的閉環(huán)控制，使輸出電壓穩(wěn)定，再經(jīng)濾波得到單相220V交流電壓。單片機通過A/D采樣反饋來實現(xiàn)欠壓、過壓、過載等保護，提高了裝置的可靠性。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的和基本思路：風力發(fā)電控制裝置必須將存儲在蓄電池中的直流電變?yōu)?20 v，50 Hz的交流電輸出，以滿足交流電器的需要。正弦波逆變承擔著將直流電調(diào)制成穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電直接供給負載的任務(wù)。作為系統(tǒng)的最末一級變換裝置，其品質(zhì)的好壞直接影響整個發(fā)電系統(tǒng)的投資和性能。風力發(fā)電機發(fā)出的變壓變頻的交流電經(jīng)過整流后變成直流電儲存在蓄電池中，經(jīng)過該裝置逆變、升壓、穩(wěn)壓，逆變部分采用SPWM技術(shù)，再通過濾波變?yōu)檎也ńo負載供電。 創(chuàng)新點：1小型風力發(fā)電機充電控制器，基于PIC單片機的PWM斬波控制，斬波頻率高于20kHz，無負荷噪聲，浮充電壓穩(wěn)定。2反饋采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，使輸出電壓穩(wěn)定。3采用全橋逆變電路，用兩只同樣的開關(guān)管代替了兩只電容。4逆變電路采用逆變橋拓撲結(jié)構(gòu)，在高頻、高壓的情況下仍可以穩(wěn)定的導通和關(guān)斷。 技術(shù)關(guān)鍵: 1升壓部分采用變壓器升壓，穩(wěn)壓環(huán)節(jié)主要通過電壓、電流雙閉環(huán)控制的反饋方式、全橋逆變電路等實現(xiàn)。2逆變部分采用SPWM方式，使逆變器輸出單相正弦波交流電。3驅(qū)動電路的設(shè)計。驅(qū)動電路采用逆變橋拓撲結(jié)構(gòu)，采用耐高壓、高頻的功率管，同時系統(tǒng)采用具有自舉技術(shù)的集成驅(qū)動電路IR2110，極大地減少被驅(qū)動功率器件的開關(guān)時間，降低開關(guān)損耗。4系統(tǒng)可靠性設(shè)計，包括過壓、欠壓和過載等方面的設(shè)計，提高了裝置運行的可靠性。 技術(shù)指標：（1）輸入直流84-120V（2）輸出單相交流220V（3）功率400W（4）諧波THD<4%
科學性、先進性
- 目前控制技術(shù)一種是先升壓再逆變的控制方式，效率高、體積小巧、輸入電壓范圍很寬，但是高頻電磁干擾較大，變壓器設(shè)計、控制系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計較復(fù)雜，且后級逆變電壓較高，逆變環(huán)節(jié)開關(guān)管損耗較大；另一種先逆變再采用工頻變壓器升壓的方式，逆變環(huán)節(jié)開關(guān)管的損耗較小，電路簡單、輻射干擾小，但是采用工頻升壓，逆變器體積大，效率較低。該裝置的設(shè)計在第二種方案完成的基礎(chǔ)之上再對第一種方案進行設(shè)計試驗。逆變部分是將儲存在蓄電池中的直流電逆變成交流電，再用升壓變壓器升壓得到220V正弦交流電壓；逆變部分采用SPWM的工作方式，使逆變器輸出單相SPWM交流電壓，再經(jīng)濾波環(huán)節(jié)得到單相正弦波交流電。實驗結(jié)果表明：1采用SPWM技術(shù)的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡單、控制性能優(yōu)越、使用壽命長和安全可靠的特點。2對感性、容性或精密儀器等負載擁有較強的優(yōu)勢，提高了控制裝置的應(yīng)用領(lǐng)域。3可以帶動任何種類的負載，效率高、噪音小，具有極高的市場推廣價值。4內(nèi)置有過壓、過流、欠壓和過載等方面的設(shè)計，提高了裝置運行的可靠性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無。
作品所處階段
- 實驗室階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無。
作品可展示的形式
- 照片 模型 現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 用SPWM工作方式，使逆變器輸出單相SPWM交流電壓，再升壓變壓器升壓得到單相正弦波交流電。其明顯優(yōu)于目前離網(wǎng)式小型風力發(fā)電市場上占主流的方波逆變器，對感性、容性或精密儀器等負載的使用具有較強的優(yōu)勢，提高了控制裝置的應(yīng)用領(lǐng)域。而且還內(nèi)置有過壓、過流、欠壓和過載等方面的設(shè)計，提高了裝置運行的可靠性。 離網(wǎng)式小型風力發(fā)電系統(tǒng)通常采用蓄電池組進行儲能，通過該小型正弦波風力發(fā)電控制器可以實現(xiàn)交流工頻電能輸出。是邊遠缺電地區(qū)的一種重要的電力生產(chǎn)方式。在這些地區(qū)，采用小型風力發(fā)電系統(tǒng)為局部負載提供電力，不僅可以減少一次性巨額投資，還可以避免火力發(fā)電系統(tǒng)的溫室氣體排放，改善了環(huán)境，從而有益于可持續(xù)性發(fā)展。 本作品的潛在市場主要在草原、沿海以及邊遠、偏辟、信息閉塞的經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，解決這些地區(qū)的人們看電視、聽收音機、照明和用電動鼓風機做飯等生活用電問題，對于改善和提高當?shù)亟?jīng)濟，促進這些地區(qū)社會、文化事業(yè)發(fā)展有著重大的意義，同時也推進了推進節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟和綠色經(jīng)濟。
同類課題研究水平概述
- 在高速發(fā)展的今天，社會的長期存在和持續(xù)發(fā)展離不開能源的供應(yīng)，但是非可再生資源的嚴重短缺，環(huán)境破壞等問題伴隨而來。進過多年的探索和發(fā)展，可再生資源能為各國首選地資源攻略方向，其中清潔綠色能源——風能的開發(fā)和利用以受到各國的高度重視。 繼丹麥建成世界上第一座風力發(fā)電站之后,美國、荷蘭和德國等國家對風力發(fā)電的研究和應(yīng)用投入了相當大的人力和資金，成為目前世界上風力發(fā)電方面處于領(lǐng)先地位的幾個國家。風力發(fā)電在解決無電農(nóng)牧區(qū)居民的用電方面起到了重要的作用，同時也為風能的利用開辟了更為廣闊的前景。20世紀90年代初以來，世界風電機裝機容量的年平均增長率超過了30%。風力作為一個相當巨大的電力能源寶庫，總量十分可觀，全球可實際利用風能為2×107MW。我國風電起步不晚，而且步伐遲緩，至今沒有取得突破性進展，和世界風電發(fā)展的差距卻在加大。截至2004年底，總裝機容量僅為76.4×104kW，遠遠落后于世界風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。 20世紀80年代一項新能源技術(shù)——并網(wǎng)型風力發(fā)電開始興起，風力發(fā)電機組的發(fā)展極為迅速，單機容量從最初的數(shù)十千瓦級發(fā)展到最近進入市場的兆瓦級機組；制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展。與此同時，通常采用蓄電池組進行儲能離網(wǎng)式小型風力發(fā)電系統(tǒng)也在飛速發(fā)展，離網(wǎng)型風力發(fā)電機組，是把風力發(fā)電機組輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供給用戶使用。如用戶需要交流電，則須在蓄電池與用戶之間加裝逆變器。離網(wǎng)式風力發(fā)電系統(tǒng)中的逆變控制器，除可以將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的功能外，還具有保護蓄電池的過充、過放、交流泄荷、過載和短路保護等功能，以延長蓄電池的使用壽命。 目前國外離網(wǎng)式小型風力發(fā)電產(chǎn)品品種比較齊全，世界各國都在開發(fā)和利用風能。北美、西歐和東亞等地區(qū)發(fā)達的工業(yè)國家廣泛使用正弦波逆變器，從100W到10kW不等，可以帶動任何種類的負載。由于風電技術(shù)已相當成熟，近年來，發(fā)達國家風電的年裝機容量以35%以上的速度增長。目前，單機容量500 kW, 600 kW和750 kW的風電機組已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，MW級風機成為當前世界風力發(fā)電的主力機型。雖然風電機組的發(fā)展方向是超大容量、智能化、高穩(wěn)定性和可靠性，但是離網(wǎng)式小型風力發(fā)電系統(tǒng)仍有巨大發(fā)展空間。
