CN103078565B - 发电机制动设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电机制动设备，包括控制器和制动系统，其中，控制器监测用于将发电机输出的原始电能转化为符合电网输配电品质要求的电能的功率变换器的工作状态，其特征在于：当功率变换器正常工作时，控制器控制制动系统切断制动电阻；当功率变换器出现异常时，控制器控制制动系统投入制动电阻，并断开功率变换器与发电机之间的连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机制动设备，更具体地讲，涉及一种能够在功率变换器失去对发电机电磁扭矩的控制能力后有效地进行制动的发电机制动设备。
背景技术
变速变桨直驱型风力发电机组通过风轮将风能转化为机械能，通过发电机(例如，永磁发电机)将机械能转化为原始电能，通过功率变换器将原始电能转化为符合电网输配电品质要求的电能。功率变换器包括发电机变换器和电网变换器。此外，发电机变换器在完成电能转化的同时，还可以控制发电机的电磁转矩，来平衡风轮的机械转矩，实现风力发电机组的变速控制。当直驱风力涡轮发电机组发生一般性故障停车时，通过变桨系统控制执行变桨距操作，迅速降低风轮的机械转矩；发电机变换器持续控制发电机电磁扭矩，平衡风轮机械转矩，使风轮转速既快又平稳地降低，完成安全停机。但是，当直驱风力发电机组由于外因或内因导致其失去对发电机电磁扭矩的控制能力时，发电机电磁扭矩会迅速丢失。虽然通过变桨系统控制执行变桨距操作停车，迅速降低风轮的机械转矩，但相对于一般性故障停车，失去发电机电磁扭矩控制能力后缺少发电机电磁扭矩的平衡，可能造成如下影响：一方面，风轮转速存在短时超限的情况；另一方面，叶片、轮毂、传动轴以及塔架都将承受非常大的力和弯曲力矩。由于直驱型风力发电机组因其省去了增速齿轮箱，仅有低速转动轴，扭矩非常大，通常设计的抱闸刹车装置仅在维护停车时使用，在机组运行或停车过程中不能使用。
通常，直驱风力发电机组整体和局部设计均需要考虑此类特殊故障停车过程中产生的极限力和力矩，部件设计强壮，然而其成本过高。在保障机组安全稳定的同时，设计经济性更高的直驱机组，需要新型的发电机制动方法和制动系统，既可以产生全部或部分制动电磁力矩，又可以保证系统在瞬间接入时具有较小的冲击和平滑的电磁力矩过渡。
第200710084201.4号中国发明专利公开了一种风轮机泄放负载系统及方法，其中，使用至少一个泄放电阻耦合至发电机和发电机转换器，当用电电网损失功率时，泄放电阻施加一电气负载给发电机转换器。然而，当发电机转换器由于外因或内因导致其失去对发电机电磁扭矩的控制能力时，该专利并不能进行监控。此时，功率变换器失去对发电机电磁扭矩的正常控制能力，其效果相当于电网损失功率，但更加严格(因为即使电网没有损失功率，功率变换器也可能因为某些原因失去对发电机电磁扭矩的正常控制能力)，并且此现象应该是典型风轮机设计所需要考虑的。这里，内因可以包括功率变换器内部冷却系统故障或换流模块损坏故障等，外因可以包括电网损失或电网品质过差等。此外，在该专利中，直接用电阻负载，发电机绕组电压、电流等品质较差，带给发电机的冲击过大，发电机实际电磁扭矩存在较大尖峰抖动。
第200710108216.X号中国发明专利公开了一种用于发电机的冗余电制动器及保护系统。然而，该专利直接用剩余电阻负载，发电机绕组电压、电流等品质较差，带给发电机的冲击过大，发电机实际电磁扭矩存在较大尖峰抖动。
发明内容
因此，本发明的一方面在于提供一种能够解决风力涡轮发电机组功率变换器失去对发电机电磁扭矩控制能力后的制动问题的发电机制动设备。
根据本发明的示例性实施例，提供一种发电机制动设备，包括控制器和制动系统，其中，控制器监测用于将发电机输出的原始电能转化为符合电网输配电品质要求的电能的功率变换器的工作状态，其特征在于：当功率变换器正常工作时，控制器控制制动系统切断制动电阻；当功率变换器出现异常时，控制器控制制动系统投入制动电阻，并断开功率变换器与发电机之间的连接。
此外，所述制动系统可包括发电机接触器、制动器接触器、第一电力滤波器、第二电力滤波器和制动电阻，其中，发电机接触器的一端连接到发电机，另一端连接到第一电力滤波器，第一电力滤波器的输出端连接到功率变换器，制动器接触器的一端连接到发电机，另一端连接到第二电力滤波器，第二电力滤波器的输出端连接到制动电阻。
此外，所述制动系统可包括发电机接触器、制动器接触器、第一电力滤波器、第二电力滤波器、制动器变换器和制动电阻，其中，发电机接触器的一端连接到发电机，另一端连接到第一电力滤波器，第一电力滤波器的输出端连接到功率变换器，制动器接触器的一端连接到发电机，另一端连接到第二电力滤波器，第二电力滤波器的输出端连接到制动变换器的一端，制动变换器的另一端连接到制动电阻。
此外，所述第一电力滤波器可以是无源滤波器，其中，无源滤波器包括三个电感器和三个电容器，每个电感器接收发电机的三相输出电压中的一相电压，三个电容器分别连接在三个电感器与地之间，三个电感器与三个电容器之间的节点作为第一电力滤波器的输出端，三个电感器的另一端作为电力滤波器的输入端。
此外，所述第一电力滤波器可以是du/dt滤波器，其中，du/dt滤波器包括三个电感器，每个电感器的一端接收发电机的三相输出电压中的一相电压，另一端作为du/dt滤波器的输出端。
此外，所述第二电力滤波器可以是无源滤波器，其中，无源滤波器包括三个电感器和三个电容器，每个电感器接收发电机的三相输出电压中的一相电压，三个电容器分别连接在三个电感器与地之间，三个电感器与三个电容器之间的节点作为第二电力滤波器的输出端，三个电感器的另一端作为第二电力滤波器的输入端。
此外，所述第二电力滤波器可以是du/dt滤波器，其中，du/dt滤波器包括三个电感器，每个电感器的一端接收发电机的三相输出电压中的一相电压，另一端作为du/dt滤波器的输出端。
此外，所述制动器变换器由电力电子器件组成桥路，控制制动电阻投切占空比，其中，电力电子器件可以是不可控电力电子器件(如二极管)、半控型电力电子器件(如晶闸管)或全控型电力电子器件(如IGBT等)。
此外，当功率变换器正常工作时，控制器可控制制动器接触器断开，发电机接触器闭合。
此外，当功率变换器出现异常时，控制器可控制制动器接触器闭合，发电机接触器断开。
此外，功率变换器包括发电机变换器和电网变换器。
此外，当存在以下情况时，可确定功率变换器出现异常：发电机变换器无法直接控制发电机的电磁扭矩；电网变换器无法控制将直流母线电能变换到电网要求品质的交流电能；功率变换器变换的功率瞬时值接近或超过设定阈值；发电机旋转加速度超过设定阈值。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是示出根据本发明的一个实施例的包括发电机制动设备的风力发电机系统的示意图；
图2是示出根据本发明的另一实施例的包括发电机制动设备的风力发电机系统的示意图。
具体实施方式
现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。
图1是示出根据本发明的一个实施例的包括发电机制动设备的风力发电机系统的示意图。
参照图1，风力发电机系统可包括叶轮1、永磁发电机2、制动系统4、功率变换器8、控制器11、变压器12和电网13。如上所述，叶轮1可将风能转化为机械能，永磁发电机2可将机械能转化为原始电能，功率变换器8可将原始电能转化为符合电网输配电品质要求的电能，变压器12对符合电网输配电品质要求的电能进行变压，以接入电网13。功率变换器8可包括发电机变换器9和电网变换器10，发电机变换器9可对发电机输出电压、电流进行控制，将发电机产生的功率通过直流环节送往电网变换器，同时可以实现发电机电磁扭矩的控制，电网变换器10可对功率变换器8电网侧(即，变压器低压侧输入端)电压、电流进行控制，将直流环节功率送至电网，并平衡直流环节两侧的电压，同时可以实现功率因数的控制。
控制器11可以由PLC、单片机、DSP等器件实现，用于实时监测功率变换器8的工作状态。当功率变换器8正常工作时，控制器11控制制动系统4切断制动电阻，并将永磁发电机2连接到功率变换器8。然而，当功率变换器8出现异常(例如，功率变换器8失去对发电机电磁扭矩的正常控制能力)时，控制器11控制制动系统投入制动电阻，并断开功率变换器8与永磁发电机2之间的连接。其后，在叶轮转速有效降低之后，控制器11可控制制动系统4断开制动电阻接触器5。如图1所示，控制器11与制动系统4分开设置。然而，本发明不限于此，控制器11可作为制动系统4的一部分包含在制动系统4中。
如图1所示，制动系统4包括发电机接触器7、制动器接触器5、第一电力滤波器3-1、第二电力滤波器3-2、和制动电阻6。发电机接触器7的一端连接到永磁发电机2，另一端连接到第一电力滤波器3-1，第一电力滤波器3-1的输出端连接到功率变换器8，制动器接触器5的一端连接到永磁发电机2，另一端连接到第二电力滤波器3-2，第二电力滤波器3-2的输出端连接到制动电阻6。具体地讲，第一电力滤波器3-1可以是无源滤波器(未示出)，其包括三个电感器和三个电容器。这三个电感器和三个电容器形成三条并联的支路，每条支路包括串联连接的一个电感器和一个电容器。每条支路通过电感器接收永磁发电机2的三相输出电压中的一相电压，通过电感器和电容器之间的节点连接到功率变换器8。制动器接触器5的一端连接到永磁发电机2，接收永磁发电机2的三相输出电压，另一端连接到第二电力滤波器3-2。此外，第一电力滤波器3-1也可以是du/dt滤波器，它包括三个电感器，每个电感器的一端接收永磁发电机2的三相输出电压中的一相电压，另一端作为du/dt滤波器的输出端。第二电力滤波器3-2与第一电力滤波器3-1的工作原理相同。每个电感器通过制动器接触器5接收永磁发电机2的三相输出电压中的一相电压，电感器和电容器之间的节点连接到制动电阻。发电机接触器7包括对应于发电机三相输出电压的三个接触器。发电机接触器7的一端连接到永磁发电机2，另一端连接到第一电力滤波器3-1(即，第一电力滤波器3-1的电感器的不与电容器连接的一端)，电力滤波器3-1的输出端连接到功率变换器8。制动器接触器5也包括对应于发电机三相输出电压的三个接触器。制动器接触器5的一端连接到第二电力滤波器3-2(即，第二电力滤波器3-2的电感器的不与电容器连接的一端)，另一端连接到永磁发电机2。第二电力滤波器3-2作为发电机与制动电阻连接的平滑滤波处理系统，可以避免制动电阻瞬间与发电机投切产生过大冲击。这里，制动电阻6可以是对应于三相输出电压的三套制动电阻，每套制动电阻可以是适合于全功率能耗的一组电阻箱，也可以是多组串联或并联的电阻箱。此外，制动电阻6也可以是使用多组接触器连接的多组电阻箱，从而控制器11可根据需求确定能耗电阻投切容量的多少。可选择地，可使用飞轮储能设备、电池储能设备、抽水蓄能设备等替代制动电阻6。
当功率变换器8失去对永磁发电机2电磁扭矩的正常控制能力时，控制器11控制制动系统4立即将制动电阻6投切连接发电机以消耗电能，使得发电机在一定时间内(一般为几秒钟)仍保有一部分电磁扭矩，避免突然丢失发电机电磁扭矩导致产生过大的力和弯曲力矩。制动电阻是一种常用于功率变换器控制电机快速停车机械系统中的电阻器，帮助电机将其因快速停车所产生的再生电能转化为热能。但是如果直接将制动电阻投切与发电机出线端连接，发电机绕组电压、电流等品质较差，带给发电机的冲击过大，会使得发电机实际电磁扭矩存在较大尖峰抖动。因此，根据本发明的实施例，当功率变换器8正常工作时，控制器11控制制动器接触器5断开，发电机接触器7闭合，从而不投入制动电阻，而当功率变换器8出现异常时，控制器11控制制动器接触器5闭合，发电机接触器7断开，从而投入制动电阻。
根据本发明的实施例，当存在以下情况时，确定功率变换器出现异常(即，功率变换器失去对发电机电磁扭矩的正常控制能力)：
(1)当功率变换器内部直接或间接的原因导致发电机变换器不能直接控制发电机的电磁扭矩，例如，电机侧电压超限、电流超限、冷却系统故障或换流模块损坏故障等；
(2)当功率变换器内部直接或间接的原因导致电网变换器不能控制将直流母线电能变换到电网要求品质的交流电能，例如，电网损失、电网电能品质过差、冷却系统故障或换流模块损坏故障等；
(3)当功率变换器变换的功率瞬时值接近或超过设定阈值时；
(4)当由发电机变换器获得的发电机旋转加速度超过设定阈值时。
图2是示出根据本发明的另一实施例的包括发电机制动设备的风力发电机系统的示意图。
参照图2，风力发电机系统可包括叶轮1、永磁发电机2、制动系统4、功率变换器8、控制器11、变压器12和电网13。除了制动系统4之外，图2中的各个部分与图1中的各个部分相同，这里不再重复描述。
如图2所示，制动系统4包括发电机接触器7、制动器接触器5、第一电力滤波器3-1、第二电力滤波器3-2、制动器变换器14和制动电阻6。发电机接触器7的一端连接到永磁发电机2，另一端连接到第一电力滤波器3-1，第一电力滤波器3-1的输出端连接到功率变换器8，制动器接触器5的一端连接到永磁发电机2，另一端连接到第二电力滤波器3-2，制动器变换器14一端连接到第二电力滤波器3-2的输出端，另一端连接到制动电阻6。第一电力滤波器3-1可以是无源滤波器，它包括三个电感器和三个电容器。这三个电感器和三个电容器形成三条并联的支路，每条支路包括串联连接的一个电感器和一个电容器。每条支路通过电感器接收永磁发电机2的三相输出电压中的一相电压，通过电感器和电容器之间的节点连接到功率变换器8。此外，第一电力滤波器3-1也可以是du/dt滤波器，它包括三个电感器，每个电感器的一端接收发电机的三相输出电压中的一相电压，另一端作为du/dt滤波器的输出端。第二电力滤波器3-2与第一电力滤波器3-1原理相同，每个电感器通过制动器接触器5接收永磁发电机2的三相输出电压中的一相电压，电感器和电容器之间的节点连接到制动器变换器14。制动器变换器14包括电力电子器件构成的桥路，控制制动电阻投切的占空比。这里，电力电子器件可以是不可控电力电子器件(如二极管)、半控型电力电子器件(如晶闸管)或全控型电力电子器件(如IGBT等)。如上所述，当功率变换器8正常工作时，控制器11控制制动器接触器5断开，发电机接触器7闭合，从而不投入制动电阻，而当功率变换器8出现异常时，控制器11控制制动器接触器5闭合，发电机接触器7断开，通过制动器控制器14控制制动电阻的投入。
通过利用根据本发明的发电机制动设备，风力发电机的关键部件(例如，叶片、轮毂、传动轴、塔架以及基础等)所受应力和弯曲力矩均会相对减小。此外，在接入制动电阻后，机舱加速度可以相对减小，并且可以抑制叶轮转速继续增加，甚至降低叶轮转速。
虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (15)
1.一种发电机制动设备，包括控制器和制动系统，其中，控制器监测用于将发电机输出的原始电能转化为符合电网输配电品质要求的电能的功率变换器的工作状态，其特征在于：当功率变换器正常工作时，控制器控制制动系统切断制动电阻；当功率变换器出现异常时，控制器控制制动系统投入制动电阻，并断开功率变换器与发电机之间的连接，
其中，所述制动系统包括发电机接触器、制动器接触器、第一电力滤波器、第二电力滤波器和制动电阻，其中，发电机接触器的一端连接到发电机，另一端连接到第一电力滤波器，第一电力滤波器的输出端连接到功率变换器，制动器接触器的一端连接到发电机，另一端连接到第二电力滤波器，第二电力滤波器的输出端连接到制动电阻，
其中，当功率变换器正常工作时，控制器控制制动器接触器断开，发电机接触器闭合当功率变换器出现异常时，控制器控制制动器接触器闭合，发电机接触器断开。
2.根据权利要求1所述的发电机制动设备，其特征在于，所述第一电力滤波器是无源滤波器，所述无源滤波器包括三个电感器和三个电容器，每个电感器接收发电机的三相输出电压中的一相电压，三个电容器分别连接在三个电感器与地之间，三个电感器与三个电容器之间的节点作为第一电力滤波器的输出端，三个电感器的另一端作为第一电力滤波器的输入端。
3.根据权利要求1所述的发电机制动设备，其特征在于，所述第一电力滤波器是du/dt滤波器，所述du/dt滤波器包括三个电感器，每个电感器的一端接收发电机的三相输出电压中的一相电压，另一端作为du/dt滤波器的输出端。
4.根据权利要求1所述的发电机制动设备，其特征在于，所述第二电力滤波器是无源滤波器，所述无源滤波器包括三个电感器和三个电容器，每个电感器接收发电机的三相输出电压中的一相电压，三个电容器分别连接在三个电感器与地之间，三个电感器与三个电容器之间的节点作为第二电力滤波器的输出端，三个电感器的另一端作为第二电力滤波器的输入端。
5.根据权利要求1所述的发电机制动设备，其特征在于，所述第二电力滤波器是du/dt滤波器，所述du/dt滤波器包括三个电感器，每个电感器的一端接收发电机的三相输出电压中的一相电压，另一端作为du/dt滤波器的输出端。
6.根据权利要求1所述的发电机制动设备，其特征在于，功率变换器包括发电机变换器和电网变换器。
7.根据权利要求6所述的发电机制动设备，其特征在于，当存在以下情况时，确定功率变换器出现异常：发电机变换器无法直接控制发电机的电磁扭矩；电网变换器无法控制将直流母线电能变换到电网要求品质的交流电能；功率变换器变换的功率瞬时值接近或超过设定阈值；由发电机变换器获得的发电机旋转加速度超过设定阈值。
8.一种发电机制动设备，包括控制器和制动系统，其中，控制器监测用于将发电机输出的原始电能转化为符合电网输配电品质要求的电能的功率变换器的工作状态，其特征在于：当功率变换器正常工作时，控制器控制制动系统切断制动电阻；当功率变换器出现异常时，控制器控制制动系统投入制动电阻，并断开功率变换器与发电机之间的连接，
其中，所述制动系统包括发电机接触器、制动器接触器、第一电力滤波器、第二电力滤波器、制动器变换器和制动电阻，其中，发电机接触器的一端连接到发电机，另一端连接到第一电力滤波器，第一电力滤波器的输出端连接到功率变换器，制动器接触器的一端连接到发电机，另一端连接到第二电力滤波器，第二电力滤波器的输出端连接到制动变换器的一端，制动变换器的另一端连接到制动电阻，
其中，当功率变换器正常工作时，控制器控制制动器接触器断开，发电机接触器闭合，当功率变换器出现异常时，控制器控制制动器接触器闭合，发电机接触器断开。
9.根据权利要求8所述的发电机制动设备，其特征在于，所述第一电力滤波器是无源滤波器，所述无源滤波器包括三个电感器和三个电容器，每个电感器接收发电机的三相输出电压中的一相电压，三个电容器分别连接在三个电感器与地之间，三个电感器与三个电容器之间的节点作为第一电力滤波器的输出端，三个电感器的另一端作为第一电力滤波器的输入端。
10.根据权利要求8所述的发电机制动设备，其特征在于，所述第一电力滤波器是du/dt滤波器，所述du/dt滤波器包括三个电感器，每个电感器的一端接收发电机的三相输出电压中的一相电压，另一端作为du/dt滤波器的输出端。
11.根据权利要求8所述的发电机制动设备，其特征在于，所述第二电力滤波器是无源滤波器，所述无源滤波器包括三个电感器和三个电容器，每个电感器接收发电机的三相输出电压中的一相电压，三个电容器分别连接在三个电感器与地之间，三个电感器与三个电容器之间的节点作为第二电力滤波器的输出端，三个电感器的另一端作为第二电力滤波器的输入端。
12.根据权利要求8所述的发电机制动设备，其特征在于，所述第二电力滤波器是du/dt滤波器，所述du/dt滤波器包括三个电感器，每个电感器的一端接收发电机的三相输出电压中的一相电压，另一端作为du/dt滤波器的输出端。
13.根据权利要求8所述的发电机制动设备，其特征在于，所述制动器变换器由电力电子器件组成桥路，控制制动电阻投切占空比，其中，电力电子器件是不可控电力电子器件、半控型电力电子器件或全控型电力电子器件。
14.根据权利要求8所述的发电机制动设备，其特征在于，功率变换器包括发电机变换器和电网变换器。
15.根据权利要求14所述的发电机制动设备，其特征在于，当存在以下情况时，确定功率变换器出现异常：发电机变换器无法直接控制发电机的电磁扭矩；电网变换器无法控制将直流母线电能变换到电网要求品质的交流电能；功率变换器变换的功率瞬时值接近或超过设定阈值；由发电机变换器获得的发电机旋转加速度超过设定阈值。
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