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一种微型 风能采集装置

阅读：754发布：2024-01-13

专利汇可以提供一种微型风能采集装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种微型风能采集装置，包括风能采集模块，风能采集模块与交流-直流整流模块相连接，交流-直流整流模块通过滤波和整形模块与直流升压斩波模块相连接，能量储存模块与直流斩波升压模块相连接，电压和电流监测模块从滤波和整形模块采集电流和电压并提供给最大功率跟踪和控制模块，风机数据预处理模块将分析处理后的风机运行数据提供给最大功率跟踪和控制模块用于生成控制电压，脉冲宽度调制生成模块根据最大功率跟踪和控制模块提供的电压生成一个用于调节直流斩波升压模块输出的方波控制信号。本案能使微型风能采集设备始终运行在最大功率点处，保证采集到更多的能量，各项设备状况易于观察并能够进行综合的数据采集和样本研究。，下面是一种微型风能采集装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种微型风能采集装置，包括风能采集模块，其特征在于：还包括交流-直流整流模块、滤波和整形模块、直流升压斩波模块、能量储存模块、电压和电流监测模块、最大功率跟踪和控制模块、脉冲宽度调制生成模块和风机数据预处理模块；
所述风能采集模块将风能转换为交流电能，并将交流电能传输给交流-直流整流模块；
所述交流-直流整流模块将交流电能转换为直流电能，并将直流电能传输给滤波和整形模块；
所述滤波和整形模块对直流电能进行滤波和整形，并将滤波和整形后的直流电能传输给直流升压斩波模块；
所述电压和电流监测模块对滤波和整形后的直流电能进行电压和电流监测，并将监测结果发送给最大功率跟踪和控制模块；
所述风机数据预处理模块对风机运行数据进行处理，得到风机运行的最优负载阻抗Ropt，并将风机运行的最优负载阻抗Ropt发送给最大功率跟踪和控制模块；
所述最大功率跟踪和控制模块根据电压和电流监测结果获得微型风能采集器负载端的等效阻抗Rfb，对等效阻抗Rfb和最优负载阻抗Ropt的差值进行比例积分控制，获得最大功率点跟踪电压Vmppt，并将最大功率点跟踪电压Vmppt发送给脉冲宽度调制生成模块；
所述脉冲宽度调制生成模块将最大功率点跟踪电压Vmppt作为输入信号，通过振荡器和电压比较器生成调节直流斩波升压模块的方波控制信号，并将方波控制信号发送给直流升压斩波模块；
所述直流升压斩波模块根据方波控制信号对滤波和整形后的直流电能进行调节并输出电能；
所述能量存储模块对经由直流升压斩波模块输出的电能进行存储。
2.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：所述滤波和整形模块采用的滤波电容的大小为200μF。
3.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：所述直流斩波升压模块采用N沟道电力MOSFET场效应晶体管来控制输出直流电压的大小，选取电感的大小为10mH。
4.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：所述能量储存模块采用的超级电容的大小为1.5F，额定电压的大小为5V。
5.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：所述电压和电流监测模块采用的功率放大器型号为OP196；
滤波和整形后的直流电流Is经110kΩ的电阻后输入电流侧功率放大器OP196的正端，同时Is经一个82kΩ的电阻接地；参考电流Iref经11kΩ的电阻后输入电流侧功率放大器OP196的负端，同时Iref经一个82kΩ的电阻接电流侧功率放大器OP196的输出端；电流侧功率放大器OP196的输出端输出电流采集信号Ifb；
滤波和整形后的直流电压Vs经180kΩ的电阻后输入电压侧功率放大器OP196的正端，同时Vs经一个82kΩ的电阻接地；参考电压Vref经180kΩ的电阻后输入电压侧功率放大器OP196的负端，同时Vref经一个82kΩ的电阻接电压侧功率放大器OP196的输出端；电压侧功率放大器OP196的输出端输出电压采集信号Vfb。
6.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：所述最大功率跟踪和控制模块采用的限流电阻的大小为120kΩ，接地电容的大小为4.7μF；
滤波和整形后的直流电流Is和滤波和整形后的直流电压Vs经电压和电流监测模块输出电流采集信号Ifb和电压采集信号Vfb，计算等效阻抗Rfb＝Vfb/Ifb；设定最优负载阻抗Ropt与等效阻抗Rfb的差值Rerr作为比例积分控制器的输入，比例积分控制器的输出经限流电阻后输出最大功率点跟踪电压Vmppt，Vmppt同时经接地电容接地。
7.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：所述脉冲宽度调制生成模块采用的振荡器型号为LTC6906C，振荡电阻的大小为1MΩ；采用的比较器型号为LMC7225，用于输出方波控制信号；
最大功率点跟踪电压Vmppt接比较器LMC7225的正极，振荡器LTC6906C输出的方波信号经一个180kΩ的电阻分为两路，一路接比较器LMC7225的负极，另一路经由一个振荡电容接地，LMC7225的输出端输电方波控制信号PWM。
8.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：通过不断调节脉冲宽度调制生成模块所输出的方波控制信号，控制直流斩波升压模块的输出，使微型风能采集设备始终运行在最大功率点处，从而采集到更多的能量。

说明书全文

一种微型风能采集装置

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种微型风能采集装置，尤其涉及一种基于电阻仿真技术的微型风能采集设备。

背景技术

[0002] 当下，风能采集已有一定的研究，但对于一个在低风速下运行的微型风能采集系统，由风力发电机产生的交流电压峰值在1到3V之间，而整流电路中采用的二极管具有约0.7到1V的电压降。因此，在交流-直流整流器中使用传统二极管将低振幅的交流电压整流并转换成电子电路可用的一种形式是具有挑战性的。另一个问题是，由系统采集到并输出的电功率通常非常低，只达到毫瓦级别或更少。如果微型没有在最大功率点运行，这种情况会变得更糟。因此，最主要的问题是开发一种高效的功率变换器及其与电子电路相关并包含MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)算法的微驱动，用于追踪和保持风力发电机的最大输出功率以采集到更多的能量。目前，MPPT技术已经广泛应用于大规模风能采集，然而，这些MPPT技术需要很高的计算能力来实现精确和准确的最大功率点跟踪。在小规模风能采集中，要实现如此精确的MPPT技术，复杂的MPPT电路所消耗的能量远远高于采集到的能量本身，因此该方法不可取。
实用新型内容

[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种基于电阻仿真技术的微型风能采集装置；通过负载阻抗来模拟风机的源阻抗，使得电源和负载之间能够达到良好的阻抗匹配，保证风能采集设备始终运行在最大功率点处，使采集到的电功率在情况下都是最大值。

[0004] 技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

[0005] 一种微型风能采集装置，包括风能采集模块，还包括交流-直流整流模块、滤波和整形模块、直流升压斩波模块、能量储存模块、电压和电流监测模块、最大功率跟踪和控制模块、脉冲宽度调制生成模块和风机数据预处理模块；

[0006] 所述风能采集模块将风能转换为交流电能，并将交流电能传输给交流-直流整流模块；

[0007] 所述交流-直流整流模块将交流电能转换为直流电能，并将直流电能传输给滤波和整形模块；

[0008] 所述滤波和整形模块对直流电能进行滤波和整形，并将滤波和整形后的直流电能传输给直流升压斩波模块；

[0009] 所述电压和电流监测模块对滤波和整形后的直流电能进行电压和电流监测，并将监测结果发送给最大功率跟踪和控制模块；

[0010] 所述风机数据预处理模块对风机运行数据进行处理，分析不同风速和负载条件下风机的运行状况，从而得到风机运行的最优负载阻抗Ropt(即风机的源阻抗)，并将风机运行的最优负载阻抗Ropt发送给最大功率跟踪和控制模块；

[0011] 所述最大功率跟踪和控制模块根据电压和电流监测结果获得微型风能采集器负载端的等效阻抗Rfb，对等效阻抗Rfb和最优负载阻抗Ropt的差值进行比例积分控制，获得最大功率点跟踪电压Vmppt，并将最大功率点跟踪电压Vmppt发送给脉冲宽度调制生成模块；

[0012] 所述脉冲宽度调制生成模块将最大功率点跟踪电压Vmppt作为输入信号，通过振荡器和电压比较器生成调节直流升压斩波模块的方波控制信号，并将方波控制信号发送给直流升压斩波模块；

[0013] 所述直流升压斩波模块根据方波控制信号对滤波和整形后的直流电能进行调节并输出电能，使等效阻抗Rfb与最优负载阻抗Ropt相匹配，保证该微型风能采集装置运行在最大功率点处；

[0014] 所述能量存储模块对经由直流升压斩波模块输出的电能进行存储。

[0015] 具体的，所述滤波和整形模块采用的滤波电容的大小为200μF。

[0016] 具体的，所述直流斩波升压模块采用N沟道电力MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET，简称MOSFET)场效应晶体管来控制输出直流电压的大小，选取电感的大小为10mH。

[0017] 具体的，所述能量储存模块采用的超级电容的大小为1.5F，额定电压的大小为5V。

[0018] 具体的，所述电压和电流监测模块采用的功率放大器型号为OP196；

[0019] 滤波和整形后的直流电流Is经110kΩ的电阻后输入电流侧功率放大器OP196的正端，同时Is经一个82kΩ的电阻接地；参考电流Iref经11kΩ的电阻后输入电流侧功率放大器OP196的负端，同时Iref经一个82kΩ的电阻接电流侧功率放大器OP196的输出端；电流侧功率放大器OP196的输出端输出电流采集信号Ifb；

[0020] 滤波和整形后的直流电压Vs经180kΩ的电阻后输入电压侧功率放大器OP196的正端，同时Vs经一个82kΩ的电阻接地；参考电压Vref经180kΩ的电阻后输入电压侧功率放大器OP196的负端，同时Vref经一个82kΩ的电阻接电压侧功率放大器OP196的输出端；电压侧功率放大器OP196的输出端输出电压采集信号Vfb。

[0021] 具体的，所述最大功率跟踪和控制模块采用的限流电阻的大小为120kΩ，接地电容的大小为4.7μF；

[0022] 滤波和整形后的直流电流Is和滤波和整形后的直流电压Vs经电压和电流监测模块输出电流采集信号Ifb和电压采集信号Vfb，计算等效阻抗Rfb＝Vfb/Ifb；设定最优负载阻抗Ropt与等效阻抗Rfb的差值Rerr作为比例积分控制器的输入，比例积分控制器的输出经限流电阻后输出最大功率点跟踪电压Vmppt，Vmppt同时经接地电容接地。

[0023] 具体的，所述脉冲宽度调制生成模块采用的振荡器型号为LTC6906C，振荡电阻的大小为1MΩ；采用的比较器型号为LMC7225，用于输出方波控制信号；

[0024] 最大功率点跟踪电压Vmppt接比较器LMC7225的正极，振荡器LTC6906C输出的方波信号经一个180kΩ的电阻分为两路，一路接比较器LMC7225的负极，另一路经由一个振荡电容接地，LMC7225的输出端输电方波控制信号PWM。

[0025] 具体的，通过不断调节脉冲宽度调制生成模块所输出的方波控制信号，控制直流斩波升压模块的输出，使微型风能采集设备始终运行在最大功率点处，从而采集到更多的能量。

[0026] 应当说，本案使用到的各个模块都是现有技术中都存在的，但本案创造性地将风机数据预处理模块和最大功率跟踪和控制模块进行有机的融合，使用微型风能采集器负载端的等效阻抗Rfb来模拟最优负载阻抗Ropt，使微型风机始终运行在最大功率点处，从而采集更多的能量以维持设备的运行，解决了传统MPPT算法电路耗能高的问题；同时，本案还给出了部分的电路模块的具体设计结构和设计参数，方便整个装置的推广和使用。当然，这只是我们在多次试验后认为比较合理和稳定的参数和芯片组合；基于本案思想，如果采用其他的参数和芯片组合，我们认为也是可以实现的，但是成本、参数和芯片的适配程度和运行速度等结果，是在设计时需要考虑的。

[0027] 有益效果：本实用新型提供的微型风能采集装置，从微型风机风能采集的实际应用出发，采用一种电阻仿真方法，通过有效控制负载阻抗来模拟风机的源阻抗以此在电源和负载之间达到良好的阻抗匹配。电阻仿真方法的使用，使微型风机始终运行在最大功率点处，从而采集更多的能量以维持设备的运行，也解决了传统MPPT算法电路耗能高的问题，在空间和能量都有限的情况下，在保证精度达标的前提下，尽可能的降低能耗，提高效率，降低设备的维护成本，提高经济效益。本实用新型能够使微型风能采集设备始终运行在最大功率点处，保证采集到更多的能量，各项设备状况易于观察并能够进行综合的数据采集和样本研究，适宜推广使用。附图说明

[0028] 图1为本实用新型的结构框图；

[0029] 图2为电压和电流监测模块的电路示意图；

[0030] 图3为最大功率跟踪和控制模块的示意图；

[0031] 图4为脉冲宽度调制生成模块的电路示意图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

[0033] 如图1所示为一种微型风能采集装置，包括风能采集模块，还包括交流-直流整流模块、滤波和整形模块、直流升压斩波模块、能量储存模块、电压和电流监测模块、最大功率跟踪和控制模块、脉冲宽度调制生成模块和风机数据预处理模块；所述的风能采集模块与交流-直流整流模块相连接，交流-直流整流模块通过滤波和整形模块与直流升压斩波模块相连接，能量储存模块与直流斩波升压模块相连接，电压和电流监测模块从滤波和整形模块采集电流和电压并提供给最大功率跟踪和控制模块，风机数据预处理模块将分析处理后的风机运行数据提供给最大功率跟踪和控制模块用于生成控制电压，脉冲宽度调制生成模块根据最大功率跟踪和控制模块提供的电压生成一个用于调节直流斩波升压模块输出的方波控制信号。

[0034] 具体来说，滤波和整形模块采用的滤波电容的大小为200μF；直流斩波升压模块采用N沟道电力MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET，简称MOSFET)场效应晶体管来控制输出直流电压的大小，选取电感的大小为10mH；能量储存模块采用的超级电容器的量为1.5F，额定电压大小为5V；电压和电流监测模块采用的功率放大器型号为OP196；最大功率跟踪和控制模块采用的限流电阻的大小120kΩ；接地电容的大小为4.7μF；脉冲宽度调制生成模块采用的振荡器型号为LTC6906C，振荡电阻的大小为1MΩ；采用的比较器型号为LMC7225，用于输出方波控制信号。

[0035] 本实用新型的微型风能采集设备在使用时，通过电压和电流监测模块将采集的实时数据不断传输给最大功率跟踪和控制模块，经处理器计算后生成最大功率电压，脉冲宽度调制模块根据该电压生成相应的方波信号来控制直流斩波升压模块的输出，采集到的能量储存在能量储存模块，控制过程形成一个稳定的闭环反馈系统，保证风能采集设备始终运行在最大功率点处，使采集到的电功率在情况下都是最大值。

[0036] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

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