CN103644074B - 风力发电机组抗台风控制方法及其硬件平台 - Google Patents

风力发电机组抗台风控制方法及其硬件平台 Download PDF

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Abstract

一种风力发电机组抗台风控制方法及其硬件平台，在台风期间，控制风力发电机组被动自由偏航，风力发电机组被动自由偏航持续时间为n个小时；n小时之后风力发电机组停止偏航动作，当台风过去，电网重新供电，控制系统重新得电开机，风力发电机组重新开机运行，使机组的载荷保持最小。该方法基于直流蓄电池组的持续供电工作，且直流蓄电池组的容量选择充分考虑台风的运动特性和风力发电机组的硬件成本。应用风力发电机组抗台风控制方法的硬件平台，包括PLC控制单元、UPS供电电源、直流蓄电池组、偏航控制系统、控制继电器（KM1）、控制接触器（KM2）、风速仪和风向标。

Description

风力发电机组抗台风控制方法及其硬件平台
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组的控制方法及其硬件平台。
背景技术
随着陆地风场资源的开发殆尽，兆瓦级风力发电机组开始安装于沿海和海上，这些地区是台风频发区域。在台风来临时，高压电网输电会出现故障或人为断电情况，从而导致风机停止在原来状态无法偏航动作，使机组承受巨大的外力，对机组的机械结构强度是个极大的考验。同时由于台风的运行轨迹不规则，风速和风向会实时变化，所以需要风力发电机根据当前风速和风向实时跟踪风向。
一部分风电机组在台风到来之前人为停机，并为机组做相应的抗台风维护，带来了大量的人力维护成本；一部分风电机组则是以风电场为单位，设计大容量的后备电源，例如大容量高价格的铅酸电池组、柴油发电机等。当电网断电的时候，采用后备电源供电，保证风力发电机实时跟踪风向的变化，保证风力发电机在安全的偏航位置。但由于整个风力发电场所有风力发电机同时偏航的用电量非常高，造成建设的投资成本过高，同时后备电源的维护成本也非常高，导致投资失效或回报率低等不良情况。
发明内容
本发明的目的是克服现有抗台风方案的缺点，提出一种风力发电机组抗台风的控制方法及其硬件平台。
本发明的抗台风控制方法根据风速和电网情况来定义控制系统一种新的工作模式：台风模式；在台风模式期间，通过控制UPS与直流蓄电池之间的连接关系，控制风力发电机组处于被动偏航状态，即在台风期间，风力发电机组根据风的吹动力和吹动方向自由偏转，这期间控制器只通过所述的风速仪和风向标来采集风的信号，对机组的偏航并不进行控制，风力发电机组在台风期间偏航，继续工作，直到所述的直流蓄电池组的电压达到电池的保护值后，UPS和直流蓄电池组在控制系统的控制下才停止供电。当台风过去，电网重新供电，控制系统重新得电开机，风力发电机组重新开机运行。
应用本发明控制方法的硬件平台包括在原有风力发电机组控制系统内增加的UPS供电电源、直流蓄电池组和控制接触器。在设计UPS和直流蓄电池组容量时，以单台机组为单元设置台风期间的后备电源容量，同时考虑台风的快速移动特性，限定单台机组在台风期间后备电源的运行时间，将台风期间单台机组后备电源的设计容量设计为能够满足台风期间偏航能够继续工作n小时，这样既保证机组的安全，又可以降低设计成本。n可以根据风力发电机组的需要设定，建议在2-6小时之间。
所述的硬件平台包括八个组成部分：PLC控制单元，UPS供电电源，直流蓄电池组，偏航控制系统，控制继电器，控制接触器，风速仪和风向标；其中UPS供电电源、直流蓄电池组和控制接触器是新增部件硬件。所述的PLC控制单元、风速仪、风向标和偏航控制系统均并联连接到24V电源上；控制继电器和控制接触器并联后，共同作为PLC控制单元的输出；UPS供电电源的输入侧接入到230V电源上，UPS供电电源的输出连接到控制接触器主触点的触点1和触点3，控制接触器主触点的触点2和4连接直流蓄电池组。以上八个部分之间以硬接线的方式相连。
所述的UPS供电电源与直流蓄电池组共同实现对风力发电机组的供电。PLC控制单元和控制继电器共同实现对UPS供电电源和直流蓄电池组的启停控制。控制接触器用来连接UPS供电电源与直流蓄电池组，在风电机组正常工作时，控制接触器吸合，当台风模式结束时，该控制接触器断开。风速仪完成风速信号的采集，风向标完成风向信号的采集。偏航控制系统执行风力发电机组机舱的旋转的控制信号。风速仪将采集的风速信号发送给PLC控制单元，PLC控制单元根据这个风速信号和电网情况来判断台风模式的启动和停止；风向标将采集到的风向信号发送给PLC控制单元，PLC控制单元根据该风向信号判断偏航模式及偏航角度，并由偏航控制系统执行相应的动作。
本发明的抗台风控制方法的工作原理如下：所述的风力发电机组控制系统上电后，风速仪实时检测风速，当风速信号大于v米/秒，且此时电网因故障停电或者人为停电，PLC控制单元启动台风模式，此时PLC控制单元发出指令给控制继电器，控制继电器保持让PLC控制单元、偏航控制系统、风速仪、风向标继续得电工作，其他执行机构，包括电磁阀、传感器，失电停止工作，启动台风模式的同时PLC控制单元启动内部定时器，定时n个小时，在这n小时范围内，偏航控制系统松闸，机组可以在风力的吹动作用下保持被动自由偏航。n个小时以后，PLC控制单元发出台风模式停止指令，控制接触器断开UPS供电电源和直流蓄电池组之间的连接，此后风力发电机组由于断电停止偏航动作，直到风力发电机组再次得到电网的供电。
本发明具有以下特征：
1）在台风期间，本发明风力发电机组采用的偏航模式是被动偏航，持续时间为n个小时，n小时之后机组停止偏航动作，直到风力发电机组再次得到电网的供电；
2）本发明由PLC控制单元根据风速和电网情况来判断是否进入台风模式；进入台风模式后，PLC控制单元启动内部定时器，定时器及时完成台风模式结束；
3）本发明的供电电源采用的是UPS和直流蓄电池组的组合；UPS与直流蓄电池组之间的接通和断开由软件根据工作模式控制；
4）本发明中的直流蓄电池组单独配置，容量根据风力发电机组的需求进行计算得到；
5）本发明充分考虑电池的放电特性对电池寿命的影响，用控制接触器连接直流蓄电池组和UPS供电电源，在台风模式结束时由PLC控制单元主动切出供电模式，以避免直流蓄电池组的深度放电，从而影响直流蓄电池组的寿命；
本发明的有益效果：
本发明控制方法考虑了多种工作方式，电路实施简单，大大降低机组成本，又可以有效的起到保护作用，主要优点：
1）本发明中控制方法，使风力发电机组在台风期间处于带电被动偏航状态，此方法可以克服没有后备电源的机组由于没有偏航功能带来的对机组机械强度的冲击，保证风力发电机组的使用寿命；
2）本发明中的供电电源使用的是UPS供电电源，考虑风力发电机组的控制供电需要，配置适当容量的直流蓄电池组。可以避免采用柴油发电机组方案带来的大量的硬件成本投入；
3）本发明充分考虑台风特性，所以对台风模式设置了时间周期，由于不考虑整个台风周期持续的时间，所以可以大大降低直流蓄电池组的容量，从而降低硬件成本投入。
附图说明
图1控制系统结构图；
图2风力发电机组抗台风控制方法电气原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明的抗台风控制方法根据风速和电网情况来定义控制系统一种新的工作模式：台风模式。在台风模式期间，通过控制UPS与直流蓄电池之间的连接关系，控制风力发电机组处于被动偏航状态并记录运行时间；台风模式结束后切断控制系统的供电。
图1所示的是应用本发明抗台风控制方法的风力发电机组控制系统结构图。该风力发电机组控制系统采用两柜式设计，即包括塔基柜和机舱柜两个部分。该控制系统主要包括塔基控制单元、机舱控制单元、安全链单元、变流器通讯单元、变桨系统通讯单元、中央监控系统（SCADA）通讯单元、人机操作界面（HMI）单元以及UPS和直流蓄电池组单元。塔基控制单元放置在塔基柜内，机舱控制单元放置在机舱柜中。塔基柜控制单元与机舱控制单元之间采用光纤以太网方式连接，在塔基控制单元和机舱控制单元之间增加两个工业以太网交换机作为接口模块。所述的控制系统与变流器通讯单元、变桨系统通讯单元之间的通讯均采用CANOPEN控制单元与SCADA单元和HMI单元均采用以太网通讯，由于SCADA单元需要组网，所以在SCADA单元侧增加一个工业以太网交换机。安全链单元与该控制系统通过看门狗信号连接起来。以上塔基控制单元、机舱控制单元、安全链单元、SCADA单元和HMI单元在现代风力发电机组中属于常规设置单元，UPS供电电源与直流蓄电池组构成一个整体，安装在一个单独的柜体内，该柜体放置在机舱内，直流蓄电池组与机舱柜内的PLC控制单元由控制接触器连接。
图2所示为应用本发明风力发电机组抗台风控制方法的主要硬件平台的组构。如图2所示，所述的硬件平台包括：PLC控制单元，UPS供电电源，直流蓄电池组，偏航控制系统，控制继电器，控制接触器，风速仪和风向标。所述的PLC控制单元、风速仪、风向标和偏航控制系统并联接到24V电源上；控制继电器KM1和控制接触网KM2并联后，共同作为PLC控制单元的输出；UPS供电单元的输入侧接入到230V电源上，UPS供电单元的输出连接到控制接触器KM2的第一主触点1和第三主触点3，控制接触器KM2的第二主触点2和第四主触点4连接直流蓄电池组。以上八个部分之间以硬接线的方式相连。
抗台风控制方法按如下流程工作：风力发电机组控制系统开始上电自检，判断机组状态是否正常，风速仪时时检测风速，当风速信号大于30米/秒，且此时电网因故障停电或者人为停电，PLC控制单元启动台风模式，此时PLC控制单元发出指令给控制继电器KM1，控制继电器KM1的线圈得电，同时控制继电器KM1的常闭的第一主触点1和常闭的第二主触点2断开，此时只有PLC控制单元、偏航控制系统、风速仪、风向标继续得电工作。同时PLC控制单元启动内部定时器，定时n个小时，在这n小时范围内，偏航控制系统松闸，机组可以在风力的吹动作用下保持被动自由偏航。n个小时以后，PLC控制单元发出台风模式停止模式指令，PLC控制单元控制接触器KM2失电，控制接触器KM2的第一主触点1、第二主触点2和第三主触点3、第四主触点4断开，从而断开UPS供电电源和直流蓄电池组之间的连接，此后风力发电机组由于断电停止偏航动作，直到风力发电机组再次得到电网的供电。

Claims (2)

1.一种风力发电机组抗台风控制的硬件平台，其特征在于，所述的硬件平台包括PLC控制单元、UPS供电电源、直流蓄电池组、偏航控制系统、控制继电器(KM1)、控制接触器(KM2)、风速仪和风向标；所述的偏航系统用来使风力发电机组跟踪风的方向，所述的风速仪用来测试风速的大小，所述的风向标用来测量风吹的方向；所述的PLC控制单元、风速仪、风向标和偏航控制系统均并联接到24V电源上；控制继电器(KM1)和控制接触网(KM2)并联后，共同作为PLC控制单元的输出；UPS供电单元的输入侧接入到230V电源上，UPS供电单元的输出连接到控制接触(KM2)主触点的第一触点(1)和第三触点(3)，控制接触器(KM2)主触点的第二触点(2)和第四触点(4)连接直流蓄电池组。
2.按照权利要求1所述的一种风力发电机组抗台风控制的硬件平台，其特征在于，所述的风力发电机组控制系统开始上电自检，判断机组状态是否正常，风速仪时时检测风速，当风速信号大于30米/秒，且此时电网因故障停电或者人为停电，PLC控制单元启动台风模式，此时PLC控制单元发出指令给控制继电器(KM1)，控制继电器(KM1)的线圈得电，同时控制继电器(KM1)常闭的第一主触点(1)和常闭的第二主触点(2)断开，此时只有PLC控制单元、偏航控制系统、风速仪、风向标继续得电工作，其他执行机构失电停止工作，同时PLC控制单元启动内部定时器，定时n个小时，在这n小时范围内，偏航控制系统松闸，风力发电机组在风力的吹动作用下保持被动自由偏航；n个小时以后，PLC控制单元发出台风模式停止模式指令，PLC控制单元控制接触器(KM2)失电，控制接触器(KM2)的第一主触点(1)、第二主触点(2)和第三主触点(3)、第四主触点(4)断开，从而断开UPS供电电源和直流蓄电池组之间的连接，此后风力发电机组由于断电停止偏航动作，直到风力发电机组再次得到电网的供电。
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