CN103573551A - 风力发电机的制动系统以及制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以提高风力发电机的有效利用率、并且降低整个系统遭受冲击的风险的制动系统以及使用该制动系统的制动方法，所述制动系统包括：发电机，其用于将风轮的旋转动能转换成电能，并通过三相电枢绕组输出所述电能；机械制动部，其用于通过机械方式对发电机进行制动；电磁制动部，其通过使所述发电机的所述三相电枢绕组短路而进行电磁制动；控制器，其用于对所述机械刹车部和所述电磁刹车部进行控制，所述制动系统还包括：电流检测部，其用于检测所述三相电枢绕组中的任一相的电流值，并且将所检测到的所述电流值提供给所述控制器。

Description

风力发电机的制动系统以及制动方法

技术领域

本发明涉及风力发电机领域，更具体地涉及一种风力发电机的制动系统以及制动方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴量巨大，利用风力发电越来越受到世界各国的重视。风力发电的原理，是利用风力带动风轮旋转，把风的动能转变成旋转动能，通过风力发电机再把旋转动能转化为电能，然后输出电能以供用电设备使用。在风力发电系统中，在风力很大的时候，往往由于风轮转速过快，风力发电机会输出超过额定值的电压，而过高的输出电压有可能损坏用电设备，所以对于风力发电机来说，制动系统是一个非常重要的系统，其重要性可以说要高于其他系统，这就要求该制动系统具有更好的可靠性和安全性。

现有的风力发电机的制动系统，一般包括机械制动、电磁制动和机械电磁混合制动等方式。机械制动是通过机械方式进行制动的方式，例如通过刹车盘或液压方式等进行机械摩擦制动。电磁制动的原理是通过将风力发电机的定子电枢绕组三相短路，从而在电枢绕组中产生反电动势，进而产生反转矩，从而对风轮吸收的输入转矩产生抵抗力，进而产生制动效果。

众所周知，电磁制动力矩由以下公式得出：T=K*B*I，其中，T为电磁制动力矩，K为常数，B为磁通量，I为电枢电流。对于小型风力发电机，受价格和成本的制约，其刹车制动系统都不够完善，一般仅具有电磁制动功能，即将其定子电枢绕组三相直接短路。在风力过大的情况下，风力发电机的风轮吸收功率大，产生的转矩大，所以需要更大的反转矩来抵消风力发电机风轮所吸收的转矩。根据以上公式，要使得风力发电机的反转矩更大，则会使得风力发电机的电枢电流大，由此会造成风力发电机的线圈烧毁的情况。

为了避免上述问题出现，有些小型风力发电机为保障风力发电机的安全，增加了刹车盘等方式以进行机械制动。在现有的小型风力发电机的刹车制动控制中，当遇到强风需要进行制动时，首先同时投入刹车盘和电磁制动，在持续制动一定的时间后，同时释放刹车盘和电磁制动。如果制动释放之后，风力依然很大，风力发电机的加速度或者速度又达到某个预设的值，会再次投入刹车盘和电磁制动来刹车，这时要持续制动更长的设定时间。例如，假设风力发电机遇到台风，根据经验，台风会在一个地方最长持续5个小时左右，则将该设定时间设置成5个小时。但是，有时候台风可能只持续了半个小时，但是制动系统在预设的5个小时内却一直都保持刹车状态。由于刹车盘的制动能量来自于蓄电池的电能，而蓄电池的电能又是通过风力发电机自身发出的电能充电。如果长期出现大风天气，不仅风力发电机在很长时间内不能发电，蓄电池也会由于刹车盘持续制动而耗光所有的电能，甚至会由于过放电而损坏蓄电池。例如，一般500牛米的刹车盘，耗电在50V×2A，就是100W，5个小时即消耗0.5度电。

而且，根据上述的现有风力发电机的制动系统，会通过释放刹车盘和电磁刹车来检测转速、转速加速度、电压等手段来判定风速是否仍然很高，如果仍然很高，将会再次投入电磁刹车和刹车盘。这样风机超速、电路过压、磨损刹车盘、风力发电机震动等，会对整个系统冲击都很大，这样会影响风力发电机和整个系统的可靠性、稳定性和寿命。

由此看出，现有的制动装置和制动方法在长期出现大风天气的情况下，不仅风力发电机不能发电，刹车盘持续耗电，使得清洁能源的有效利用率低，而且由于风机超速而使得整个系统遭受冲击的风险。

发明内容

本发明旨在提供一种可以提高风力发电机的有效利用率、并且降低整个系统遭受冲击的风险的制动系统和制动方法。

根据本发明的一种风力发电机的制动系统，其包括：

发电机，其用于将风轮的旋转动能转换成电能，并通过三相电枢绕组输出所述电能；

机械制动部，其用于通过机械方式对发电机进行制动；

电磁制动部，其通过使所述发电机的所述三相电枢绕组短路而进行电磁制动；

控制器，其用于对所述机械制动部和所述电磁制动部进行控制，

其特征在于，所述制动系统还包括：

电流检测部，其用于检测所述三相电枢绕组中的至少一相的短路电流值以判断风速的大小，并且将所检测到的所述电流值提供给所述控制器以控制所述机械制动部和所述电磁制动部的制动后的先后释放操作和先释放者的再次投入操作。

根据本发明的一种风力发电机的制动方法，其包括如下步骤：

当所述发电机的输出电压或者转速超过设定值时，投入机械制动；

使所述发电机的三相电枢绕组短路以进行电磁制动；

释放所述机械制动；

检测所述三相电枢绕组中的至少一相的短路电流值；

判断所检测到的所述短路电流值是否超过第一预定阈值；

如果所述短路电流值超过所述第一预定阈值，则再次投入所述机械制动；

如果所述短路电流值没有超过所述第一预定阈值，则判断所述短路电流值是否超过小于所述第一预定阈值的第二预定阈值；

如果所述短路电流值超过所述第二预定阈值，则继续保持所述电磁制动；

如果所述短路电流值没有超过所述第二预定阈值，则释放所述电磁制动。

技术效果：和没有引入电流检测的现有制动系统和制动方法相比，根据本发明的风力发电机的制动系统和制动方法会带来以下技术效果。首先，由于本发明制动系统和制动方法分别引入了电流检测部和电流检测步骤，所以可以在不释放掉电磁制动的情况下，通过实时地检测发电机的三相电枢绕组的短路电流就可以判断风速大小，从而根据所判断出的风速大小执行相应的制动操作，所以无须像现有技术那样同时释放掉刹车盘和电磁刹车来检测转速。而且，由于本发明在刹车制动的过程中没有释放掉电磁刹车，所以使得风轮转速可控，避免了现有技术中由于释放掉刹车盘和电磁刹车以后出现风轮转速突增而导致电枢绕组被烧毁的风险，而且也避免了由于再次投入刹车盘和电磁制动而导致系统被冲击的风险。再者，由于本发明可以实时地通过检测三相短路电流来判断风速大小，所以无需长时间维持机械刹车制动，既可以避免因长时间维持机械刹车而耗电，而且可以根据风速的大小及时释放刹车而让发电机尽快发电，所以提高了整个系统的有效利用率。

附图说明

图1图示了根据本发明的一个实施例的风力发电机的制动系统的总体示意框图。

图2示出了根据本发明的电流检测电路（电流检测部）的一个实施例的示意图。

图3示出了本发明的风力发电机的制动方法的第一阶段的示意流程图。

图4示出了本发明的风力发电机的制动方法的第二阶段的示意流程图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述具体实施例，这些具体实施例只是为了解释本发明的工作原理，并不意味着本发明只限于这些具体实施例。

图1图示了根据本发明的一个实施例的风力发电机的制动系统的总体示意框图，下面列出各个部件的名称及其功用，其中，

风轮101：其是将风能转化为旋转动能的部件，其由叶片和轮毂组成。

发电机102：其是将风轮101的旋转动能转换成电能的部件。

刹车盘103。为机械制动部的一种：其是通过机械方式对发电机进行制动的部件，其通过对激磁线圈通电产生磁场，通过磁轭吸合衔铁，衔铁通过联结件实现制动。刹车盘根据刹车力矩的大小消耗不同的电能，刹车力矩大的消耗电能多，刹车力矩小的，消耗电能少，比如500牛米刹车力矩的刹车盘，可能要消耗的功率达到100瓦。

电磁制动部包括电磁制动电路104：其是通过电磁制动方式对发电机进行制动的部件，其利用电磁制动部的开关元件105（如交流接触器、继电器等）将风力发电机三相电枢绕组短路。叶轮101吸收的能量带动发电机转子转动，发电机电枢绕组中会产生电流，而由于三相电枢绕组短路，其中的短路电流会产生反转矩，从而使发电机转子和叶轮转不起来，从而产生制动效果。电磁制动多用交流接触器、继电器的常闭节点作为开关元件105，因此电磁制动时不会消耗电能。

转速检测电路106：其是用于检测风力发电机转速的电路，该转速检测电路106是通过测量发电机三相电枢绕组中的任一相的电压过零点而检测发电机转速的，转速检测电路106检测出的转速信号被传送给控制器108。

直流母线电压检测电路107：其用于检测风力发电机所发出的电能经过整流桥109后输送到直流母线上所产生的直流电压，并且将直流母线电压检测信号传送给控制器108。

控制器108：其用于接收电流检测信号、转速检测信号、直流母线电压检测信号，并且对这些信号进行处理和计算，然后按照预定程序来控制被控对象（例如刹车盘103、卸荷器110以及电磁制动电路104）的指令装置。其由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等部件组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个制动系统的操作，该控制器108例如是由单片机、DSP或ARM等构成。

整流桥109：其是由整流管封装而成的将交流电转换成直流电的部件。

卸荷器110：其是用于卸去因风力发电机所产生的多余电能的装置，其包括电阻和开关（如继电器、接触器、MOS管、IGBT等开关元件）等部件。该卸荷器110的作用，一是通过电阻将风力发电机所产生的多余电能消耗掉，从而稳定输出电压，以保证用电设备不被损坏。二是由于卸荷器110中的卸荷电流也会在发电机的三相电枢绕组中产生反电势和反转矩，所以对发电机和风轮的转速也能起到一定的制动作用。因此，在风力发电机的制动系统中，也可以根据实际需要适当地引入卸荷器的制动作用。如果想达到更好的制动效果，可以满功率投入卸荷器。

用电部分111：其将整流后的电能经功率线路调整后输给用户使用，并且同时给蓄电池112充电。

蓄电池112：其作为一个储能元件，用于将发电机102发出的多余电能储存起来，以供刹车盘103使用。同时，当长时间没有风和电能输出的时候，该蓄电池112可以作为备用电源以供用电设备使用。

本发明的风力发电机的制动系统还包括一个作为电流检测部的电流检测电路113：其是用于检测发电机三相电枢绕组中至少一相的电流值的电路，其将检测到的电流检测信号传送给控制器108，该控制器108根据电流值信号的大小实施制动操作，即控制所述机械制动部（刹车盘103）和所述电磁制动部制动后的先后释放操作和先释放者的再次投入操作。

图2示出了根据本发明的电流检测电路113的一个实施例的示意图，其中，电流检测部（即电流检测电路113）包括隔离检测元件201（也称电流检测元件201）和取样电阻202，电流检测元件201串接于发电机和电磁制动电路之间的三相电枢绕组中的至少一相上，即可以串接在任一相，也可以串接在任两相，或三相上，该电流检测元件201优选地为霍尔元件或者电流互感器等隔离检测元件，在隔离检测元件的输出端上串接有一个取样电阻202，该取样电阻202产生与电流成线性比例的电压，该电压例如经过线性比例缩小等信号处理后，转换成能被控制器108接受的电压。电流检测电路113也可以利用取样电阻对电流进行直接取样，但是最好利用霍尔元件或者电流互感器等隔离检测元件通过信号隔离方式进行检测，从而避免相互之间的电磁干扰。

下面描述根据本发明的风力发电机的制动方法。

图3示出了本发明的制动方法的第一阶段的示意流程图。

当在某个时间，由于风速增大使得风轮转速增加，并且使得直流母线电压增加，此时上述转速检测电路就会检测到转速增加，直流母线电压检测电路也会检测到直流母线电压增加。在步骤S301中，如果控制器108判断出其所接收到的直流母线电压检测信号中的电压或者转速检测信号中的转速没有超过刹车设定值时，则不进行任何动作。如果控制器108判断出电压或转速中的任一值超过刹车设定值时，也即风轮吸收的功率超过了用电功率，则在步骤S302中，控制器108首先将卸荷器110的开关接通，从而使得卸荷器110满功率地投入工作，将风力发电机的转速降到最低。然后在步骤S303中使刹车盘103也投入工作。刹车盘103投入工作之后，经过很短的时间，例如经过1秒，在步骤S304中也将电磁制动投入，此时由于转速已经降下来，随后在步骤S305和S306中先后释放掉刹车盘103和卸荷器110，但是依然保持电磁制动。至此，本发明的制动方法的第一阶段结束。

图4示出了本发明的风力发电机的制动方法的第二阶段的示意流程图。

在上述第一阶段的制动过程之后，电流检测电路113实时地检测在电磁制动过程中三相电枢绕组中的任一相的短路电流（下称检测电流）。在图4的步骤S401中，控制器108判断检测电流是否超过该发电机三相电枢绕组所能承受的最大允许短路电流Imax，Imax例如可以设定为25A。如果超过该最大允许短路电流Imax，则说明风速依然很大，风轮转速又上升，三相电枢绕组就有烧毁的危险。此时在步骤S402中立即将刹车盘投入，并且持续刹车一段时间（例如10分钟）后将刹车盘103退出。如果在步骤S401中判断出检测电流没有超过发电机102最大允许短路电流Imax，则在随后的S403步骤中判断检测电流是否超过发电机102正常工作电流Inorm（即额定工作电流），该正常工作电流Inorm要小于上述最大允许短路电流Imax,例如可以设定为15A～25A之间的某个值，它是判断发电机102是否处于额定工作状态的一个阈值。如果在步骤S403中判断出检测电流超过了正常工作电流Inorm，则在步骤S404中继续保持电磁刹车制动状态。如果在步骤S403中判断出检测电流没有超过正常工作电流Inorm，则在步骤S405中释放电磁刹车，发电机进入正常发电状态。

本领域的普通技术人员可以根据本发明的精神做出各种变化、修改以及等同替换，这些变化、修改和等同替换都落入本发明的权利要求书所要求保护的范围。比如，上述最大允许短路电流Imax以及正常工作电流Inorm这些阈值，可以根据实际需要设定为其他的值，只要能实现本发明的发明目的即可。而且，本发明的上述实施例中引入卸荷器制动只是一种优选的实施方式而已。

下面结合本发明的一个应用示例来进一步阐述本发明的工作原理和优点。

比如某地区安装了一台2kW的风力发电机，当该地区遭遇台风的时候，如果风力发电机通过直流母线电压检测或者转速检测电路判断出风速超过设定值，则相继投入机械制动和电磁制动。待风速降下来之后，将机械制动释放而继续保持电磁制动。此时，就可以通过检测电枢绕组的短路电流来实时地检测风速是否依然很大。如果风速仍然很大，并且电枢短路电流有烧毁线圈的危险，则立即投入刹车盘制动，这时因为电磁制动一直在保持工作，产生的反转矩很大，所以转速很低，刹车盘制动投入后，转速会立即降到零，然后在刹车盘制动投入10分钟后退出机械制动。接着，因为电磁制动一直保持，所以可以再次测量电机的电枢短路电流大小，也即判断此时的风速。如果判断出风速变小了，而且该风速已经使得发电机的电枢短路电流降低到正常工作电流以下，就可以立即释放掉电磁制动，使得风力发电机可以及时进入发电状态。由此看出，该风力发电机可以根据实际的风速变化而采取相应的制动措施，假如台风只持续了半个小时，则只需进行制动操作半个小时，半个小时以后就可以使得发电机恢复正常发电状态。不像现有技术那样，即使台风已经停止，还依然保持刹车至5个小时，既浪费了蓄电池的电能，而且发电机也不能及时投入发电。而且，该发电机无须像现有技术那样通过释放掉电磁制动来检测转速和母线电压，而是可以在保持电磁制动的同时通过实时地检测短路电流而判断风速。由于本发明在制动过程中保持了电磁制动，所以风轮转速变得可控，减少了由于风轮转速迅速上升而烧毁线圈的危险，而且也可以避免再次投入刹车盘和电磁制动使得系统遭受冲击的风险。

Claims (10)

1.一种风力发电机的制动系统，其包括：

发电机，其用于将风轮的旋转动能转换成电能，并通过三相电枢绕组输出所述电能；

机械制动部，其用于通过机械方式对发电机进行制动；

电磁制动部，其通过使所述发电机的所述三相电枢绕组短路而进行电磁制动；

控制器，其用于对所述机械制动部和所述电磁制动部进行控制，

其特征在于，所述制动系统还包括：

电流检测部，其用于检测所述三相电枢绕组中至少一相的短路电流值以判断风速的大小，并且将所检测到的所述电流值提供给所述控制器以控制所述机械制动部和所述电磁制动部制动后的先后释放操作和先释放者的再次投入操作。

2.如权利要求1所述的制动系统，其特征在于，所述电流检测部包括隔离检测元件和取样电阻，所述隔离检测元件串接在所述三相电枢绕组的至少一相上，所述取样电阻跨接在所述隔离检测元件的输出端上。

3.如权利要求2所述的制动系统，其特征在于，所述隔离检测元件包括霍尔元件。

4.如权利要求2所述的制动系统，其特征在于，所述隔离检测元件包括电流互感器。

5.如权利要求1～4中的任一项所述的制动系统，其特征在于，所述制动系统还包括卸荷器，所述卸荷器受所述控制器的控制。

6.如权利要求1～4中的任一项所述的制动系统，其特征在于，所述机械制动部包括刹车盘或者液压制动。

7.一种风力发电机的制动方法，其包括如下步骤：

A、当所述发电机的输出电压或者转速超过设定值时，投入机械制动；

B、使所述发电机的三相电枢绕组短路以进行电磁制动；

C、释放所述机械制动；

D、检测所述三相电枢绕组中的任一相的短路电流值；

E、判断所检测到的所述短路电流值是否超过第一预定阈值；

F、如果所述短路电流值超过所述第一预定阈值，则再次投入所述机械制动；

G、如果所述短路电流值没有超过所述第一预定阈值，则判断所述短路电流值是否超过小于所述第一预定阈值的第二预定阈值；

H、如果所述短路电流值超过所述第二预定阈值，则继续保持所述电磁制动；

I、如果所述短路电流值没有超过所述第二预定阈值，则释放所述电磁制动。

8.如权利要求7所述的制动方法，其中，通过隔离检测方式来检测所述三相电枢绕组中至少一相的电流值。

9.如权利要求7或者8所述的制动方法，其中，当所述发电机的输出电压或者转速超过设定值时，在投入所述机械制动的所述A步骤之前，可以先投入卸荷器以进行制动。

10.如权利要求9所述的制动方法，其中，满功率投入所述卸荷器以进行制动。

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