CN103343729A - 一种一体化风力发电电气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体化风力发电电气系统，包括风场中控室、主控系统、变流器、安全链，滑环和变桨系统，所述主控系统包括塔底柜和机舱柜，所述塔底柜包括人机界面、交换机、安全CPU、主控CPU、I/O模块和安全模块，所述机舱柜包括远程I/O，所述主控CPU与所述I/O模块相连；主控CPU通过光纤与所述变流器相连；主控CPU由现场总线通过所述滑环与变桨系统相连；主控CPU通过现场总线与安全CPU相连；安全CPU通过现场总线与安全模块相连；安全模块与所述安全链相连；安全链与所述变流器相连。本发明的一体化风力发电电气系统将控制系统、变流器及变桨系统整合、统一设计，提高了系统的可靠性和实时性，能够降低风机电气系统的制造成本和维护成本。

Description

一种一体化风力发电电气系统
技术领域
本发明属于控制技术和电力电子技术领域，具体涉及一种一体化风力发电电气系统。
背景技术
随着风力发电技术的发展和进步，出于经济性的考虑，当前的风电单机容量越来越高，风机每千瓦造价日趋下降，风机主机厂商对风机电气系统的价格越压越低，同时随着风力发电应用越来越广，对风力发电电气系统的可靠性和系统性能要求也越来越高。风力发电电气系统一般包括主控系统、变桨系统和变流器，主控系统控制风力发电电气系统的所有部件协调工作，主控系统分为塔底柜和机舱柜。塔底柜实现对电网的监控，包括：电网电压，电网电流，电网频率，功率因数，三相均衡等监控。并可对过压与欠压，过流与欠流，过频与低频，功率因数偏离正常值，电压缺相等故障发出报警信号;通过带在柜体上的人机界面来实现对风机的各种控制如手工正常停机，手工紧急停机等;通过通讯模块来实现与机舱柜、变流器、风场SCADA（Supervisory Control AndData Acquisition，数据采集与监视控制）系统之间的通讯。机舱柜在塔底柜和变桨系统中间建立一个通讯，塔底柜和机舱柜相互之间通过现场总线进行通讯。变桨系统的所有部件都装在轮毂内，变桨系统通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行；变流器将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电馈入电网，保证风力发电机组稳定可靠的并网运行。
主控系统和变桨系统作为独立部件运行时各自CPU（Central ProcessingUnit，中央处理器）完成各自的任务，主控系统和变桨系统之间通过通信接口互通信息协调运行，主控系统和变流器之间通过通信接口互通信息协调运行，这样导致风力发电电气系统的响应速度慢，主控系统和变流器有各自的人机交互界面和电涌保护器。主控系统、变流器和变桨系统作为独立产品，在外设如人机交互界面、电涌保护器和通信接口上需要重复，且各独立产品运行所需耗费的运行时间较长，成本偏高、资源浪费严重，系统的可靠性和实时性差。
鉴于当前控制技术和电力电子技术的发展，以及对风机运行要求理解度加深，将主控系统、变流器及变桨系统整合，采用自上而下的设计思想，是满足风力发电电气系统降低成本，提高系统可靠性和实时响应性的最好设计理念，目前并没有合适的技术方案实施这一设计理念。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种一体化风力发电电气系统，将控制系统、变流器及变桨系统整合、统一设计，提高了系统的可靠性和实时性能，能够降低风力发电电气系统的制造成本和维护成本。
实现上述目的的技术方案是：一种一体化风力发电电气系统，包括风场中控室、主控系统、变流器、安全链、滑环和变桨系统，所述主控系统包括塔底柜和机舱柜，所述塔底柜包括人机界面、交换机、安全CPU、主控CPU、I/O模块和安全模块，所述机舱柜包括与所述I/O模块相连的远程I/O，其中：
所述人机界面与所述主控CPU相连；
所述交换机通过工业以太网与所述风场中控室和所述主控CPU相连；
所述主控CPU与所述I/O模块相连；
所述主控CPU通过光纤与所述变流器相连；
所述主控CPU由现场总线通过所述滑环与所述变桨系统相连；
所述主控CPU通过现场总线与所述安全CPU相连；
所述安全CPU通过现场总线与所述安全模块相连；
所述安全模块与所述安全链相连；
所述安全链与所述变流器相连。
上述的一体化风力发电电气系统，其中，所述主控CPU用于控制所述变桨系统和所述变流器；
所述主控CPU发出变桨系统控制信号，并由现场总线通过所述滑环把变桨系统控制信号传给所述变桨系统，所述变桨系统根据接收的主控CPU发出的变桨系统控制信号捕捉风能，所述变桨系统的反馈信号由现场总线通过所述滑环传给所述主控CPU；
所述主控CPU发出功率曲线信号，并通过光纤把变功率曲线信号传给所述变流器，所述变流器根据接收的主控CPU发出的功率曲线信号将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电；
当所述变桨系统或变流器出现故障时，所述主控CPU完成故障录波，并通过工业以太网把故障录波传给所述交换机，所述交换机把接收的故障录波通过工业以太网传给所述风场中控室。
上述的一体化风力发电电气系统，其中，所述一体化风力发电电气系统还包括统一的UPS（Uninterruptible Power System，不间断电源）、统一的防雷器和供电电源，所述供电电源通过所述防雷器接入所述UPS和所述变流器，所述UPS与所述主控CPU相连，所述主控CPU由所述UPS供电，所述UPS还与所述变流器相连，以保证风机系统在电网电压跌落时能正常穿越。
上述的一体化风力发电电气系统，其中，所述塔底柜和变流器安装在一个柜体中。
本发明的一种一体化风力发电电气系统与现有技术相比的有益效果是：
1）将控制系统、变流器及变桨系统一体化设计，整合风力发电电气系统所需要的变桨控制、风机外设控制、风机最大风能跟踪控制策略及变流技术，使之模块化；
2）一体化设计提高了系统实时响应性，有助于提高系统的可靠性；
3）一体化设计便于系统的安装维护，提高效率；
4）一体化设计便于系统的扩展，同时避免了研发过程中的重复性工作。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明的实施例，一种一体化风力发电电气系统，包括风场中控室1、主控系统、变流器4、安全链41、滑环5和变桨系统6，主控系统包括塔底柜2和机舱柜3，塔底柜2包括人机界面21、交换机22、安全CPU23、主控CPU24、I/O模块25和安全模块26，机舱柜3包括与I/O模块25相连的远程I/O31，I/O模块25通过光纤与远程I/O模块31相连。人机界面21与主控CPU24相连；交换机22通过工业以太网与风场中控室1和主控CPU24相连；主控CPU24与I/O模块25相连；主控CPU24通过光纤与变流器4相连；主控CPU24由现场总线通过所述滑环5与变桨系统6相连；主控CPU24通过现场总线与安全CPU23相连；安全CPU23通过现场总线与安全模块26相连；安全模块26与安全链41相连；安全链41与变流器4相连。
优选的，塔底柜2和变流器4安装在一个柜体中。一体化风力发电电气系统还包括统一的UPS7、统一的防雷器8和供电电源9，供电电源9通过防雷器8接入UPS7和变流器4，UPS7与主控CPU24相连，主控CPU24由UPS7供电。UPS7与变流器4相连。防雷器8用于为所述一体化风力发电电气系统提供防雷和浪涌保护。UPS7用于保证风机系统在电网电压跌落时能正常穿越。本实施例中，I/O模块25和安全模块26集成在一起。
本实施例中，主控CPU24用于控制变桨系统6和变流器4。具体工作时，主控CPU24发出变桨系统控制信号，并由现场总线把变桨系统控制信号通过滑环5传给变桨系统6，变桨系统6根据接收的变桨系统控制信号捕捉风能，变桨系统6的反馈信号由现场总线通过滑环5传给主控CPU24；主控CPU24发出功率曲线信号，并通过光纤把功率曲线信号传给变流器4，变流器4根据接收的功率曲线信号将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电；当变桨系统6或变流器4出现故障时，主控CPU24完成故障录波，并通过工业以太网把故障录波传给交换机22，交换机22把接收的故障录波通过工业以太网传给风场中控室1，方便监控和维护。
本发明中，取消传统的变桨系统的单独CPU，将变桨系统的控制软件作为独立的控制软件模块嵌入主控系统中，对风力发电电气系统运行时的最大风能跟踪的控制策略完全由主控系统实施，变桨系统6根据主控系统的主控CPU24发出的变桨系统控制信号捕捉风能。省略了主控系统和变桨系统作为独立产品所需的通信接口，提高了风力发电电气系统的通讯速率，增强了风力发电电气系统的可靠性和实时性。
本发明中，主控系统的塔底柜2和机舱柜3之间通过光纤互通信息，代替传统的现场总线互通信息，提高了通信速率和可靠性。
本发明中，变流器4和主控系统中的塔底柜2安装在一个柜体中，将传统的主控系统和变流器的各自的通信接口省略，主控系统的塔底柜2和变流器4之间直接通过光纤通信，提高了系统运行速率和可靠性。
本发明中，将传统的主控系统和变流器4作为独立产品时各自所需的人机界面、安全CPU、防雷器和UPS集成为一体，主控系统和变流器4共用人机界面21、安全CPU23、防雷器8和UPS7，降低风力发电电气系统的制造成本和维护成本。
综上所述，本发明的一种一体化风力发电电气系统，将控制系统、变流器及变桨系统一体化设计，整合风力发电电气系统所需要的变桨控制、风机外设控制、风机最大风能跟踪控制策略及变流技术，使之模块化，提高了系统的可靠性和实时性能，能够降低风力发电电气系统的制造成本和维护成本，便于系统的扩展，同时避免了研发过程中的重复性工作。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种一体化风力发电电气系统，包括风场中控室、主控系统、变流器、安全链、滑环和变桨系统，所述主控系统包括塔底柜和机舱柜，其特征在于，所述塔底柜包括人机界面、交换机、安全CPU、主控CPU、I/O模块和安全模块，所述机舱柜包括与所述I/O模块相连的远程I/O，其中：
所述人机界面与所述主控CPU相连；
所述交换机通过工业以太网与所述风场中控室和所述主控CPU相连；
所述主控CPU与所述I/O模块相连；
所述主控CPU通过光纤与所述变流器相连；
所述主控CPU由现场总线通过所述滑环与所述变桨系统相连；
所述主控CPU通过现场总线与所述安全CPU相连；
所述安全CPU通过现场总线与所述安全模块相连；
所述安全模块与所述安全链相连；
所述安全链与所述变流器相连。
2.根据权利要求1所述的一体化风力发电电气系统，其特征在于，所述主控CPU用于控制所述变桨系统和所述变流器；
所述主控CPU发出变桨系统控制信号，并由现场总线通过所述滑环把变桨系统控制信号传给所述变桨系统，所述变桨系统根据接收的主控CPU发出的变桨系统控制信号捕捉风能，所述变桨系统的反馈信号由现场总线通过所述滑环传给所述主控CPU；
所述主控CPU发出功率曲线信号，并通过光纤把功率曲线信号传给所述变流器，所述变流器根据接收的主控CPU发出的变功率曲线信号将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电；
当所述变桨系统或变流器出现故障时，所述主控CPU完成故障录波，并通过工业以太网把故障录波传给所述交换机，所述交换机把接收的故障录波通过工业以太网传给所述风场中控室。
3.根据权利要求1所述的一体化风力发电电气系统，其特征在于，所述一体化风力发电电气系统还包括统一的UPS、统一的防雷器和供电电源，所述供电电源通过所述防雷器接入所述UPS和所述变流器，所述UPS与所述主控CPU相连，所述主控CPU由所述UPS供电，所述UPS还与所述变流器相连。
4.根据权利要求1所述的一体化风力发电电气系统，其特征在于，所述塔底柜和变流器安装在一个柜体中。
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