CN104113245B - 风力发电控制系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电控制系统，包括叶片、发电机组、常闭式继电器以及控制单元。发电机组具有第一输出端以及第二输出端，且当上述叶片转动时由第一输出端以及第二输出端产生电源输出。常闭式继电器耦接于第一电源输出端以及第二电源输出端之间。控制单元通过市电将控制信号传送至常闭式继电器。此外，当常闭式继电器未接收到控制信号时，通过常闭式继电器将第一电源输出端与第二电源输出端短路以保护发电机组。另一方面，当常闭式继电器接收到控制信号时，通过常闭式继电器将第一电源输出端与第二电源输出端开路以提供电源输出。

Description

风力发电控制系统以及方法
技术领域
本发明主要关于一种风力发电控制系统，特别有关于可长时间进行发电机保护的一风力发电控制系统。
背景技术
目前对于风力发电系统的控制安全保护技术，皆需通过长时间的提供外部电源（例如，电池或是电容）来维持发电机短路状态，然而当发电机需要长时间的短路维持保护状态，一旦电池或是电容的电能随着时间消耗后，则难以维持发电机短路状态，进而增加了无法适当控制发电机的风险。
此外，传统的发电机在操作时，若产生过大的电流或功率时，会直接将发电机短路以避免发电系统的损坏，然而此时发电机短路瞬间产生过大的阻力，亦容易造成发电机的损害。因此，需要一种改良的风力发电控制系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电控制系统以及方法，用以解决上述的技术问题或其他问题。
根据本发明一实施例所述的风力发电控制系统，包括：一叶片；一发电机组，具有一第一输出端以及一第二输出端，当上述叶片转动时由上述第一输出端以及上述第二输出端产生一电源输出；一常闭式继电器，耦接于上述第一电源输出端以及上述第二电源输出端之间；以及一控制单元，通过一市电将一控制信号传送至上述常闭式继电器，其中，当上述常闭式继电器未接收到上述控制信号时，将上述第一电源输出端与上述第二电源输出端短路；以及其中，当上述常闭式继电器接收到上述控制信号时，将上述第一电源输出端与上述第二电源输出端开路。
在一实施例中，风力发电控制系统还包括一电流检测单元，检测上述第一输出端的一电流值，并传送上述电流值至上述控制单元，其中，上述控制单元根据上述电流值决定是否提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
在一实施例中，当上述电流值小于一既定电流值或大于一额定电流值时，上述控制单元不提供上述控制信号至上述常闭式继电器；以及其中，当上述电流值大于上述既定电流值时，上述控制单元提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
在另一实施例中，上述控制单元根据上述电流值估计上述发电机组所产生的上述电源输出的一估计功率；其中，当上述电源输出的上述估计功率小于上述风力发电控制系统的一总消耗功率时，上述控制单元不提供上述控制信号至上述常闭式继电器；以及其中，当上述电源输出的上述估计功率大于上述总消耗功率时，上述控制单元提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
在一实施例中，风力发电控制系统包括一开关，耦接于上述发电机组与上述市电之间，其中，当上述电源输出的上述估计功率大于上述风力发电控制系统的上述总消耗功率时，上述控制单元导通上述开关；以及当上述电源输出的上述估计功率小于上述风力发电控制系统的上述总消耗功率时，上述控制单元不导通上述开关。
在一实施例中，风力发电控制系统包括一电阻单元以及一叶片转速检测单元，用以检测上述叶片的一转速值，并将上述转速值提供至上述控制单元，其中，当上述转速值大于一临界转速值时，上述控制单元将上述电源输出的一部分功率输出至上述电阻单元。
在一实施例中，当上述控制单元将上述电源输出的一部分功率输出至上述电阻单元后，上述控制单元不提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
在一实施例中，上述发电机组还包括一整流单元，用以根据上述电源输出产生一直流电压输出。上述控制单元还包括一逆变器，用以将上述直流电源输出并转换为一交流电压输出，以及将上述交流电压输出提供至上述市电。
在一实施例中，当上述控制单元未接收到上述市电时，不产生上述控制信号。
根据本发明一实施例所述的风力发电控制方法，适用于具有一叶片，一发电机组以及一常闭式继电器的一风力发电系统，其中上述发电机组具有一第一输出端以及一第二输出端，常闭式继电器耦接于上述第一电源输出端以及上述第二电源输出端之间，且上述风力发电控制方法包括：当上述叶片转动时，通过上述第一输出端以及上述第二输出端产生一电源输出；通过一市电提供一控制信号至上述常闭式继电器；当上述常闭式继电器未接收到上述控制信号时，通过上述常闭式继电器将上述第一电源输出端与上述第二电源输出端短路；以及当上述常闭式继电器接收到上述控制信号时，通过上述常闭式继电器将上述第一电源输出端与上述第二电源输出端开路。
在一实施例中，风力发电控制方法还包括：检测上述第一输出端的一电流值；以及根据上述电流值决定是否提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
在一实施例中，风力发电控制方法还包括：当上述电流值小于一既定电流值或大于一额定电流值时，不提供上述控制信号至上述常闭式继电器；以及当上述电流值大于上述既定电流值时，提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
在一实施例中，风力发电控制方法还包括：根据上述电流值估计上述发电机组所产生的上述电源输出的一估计功率；当上述电源输出的上述估计功率小于上述风力发电系统的一总消耗功率时，不提供上述控制信号至上述常闭式继电器；以及当上述电源输出的上述估计功率大于上述总消耗功率时，提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
在一实施例中，上述风力发电系统还包括耦接于上述发电机组与上述市电之间的一开关，且上述风力发电控制方法还包括：当上述电源输出的上述估计功率大于上述风力发电系统的上述总消耗功率时，导通上述开关；以及当上述电源输出的上述估计功率小于上述风力发电系统的上述总消耗功率时，不导通上述开关。
在一实施例中，风力发电控制方法还包括：检测上述叶片的一转速值；以及当上述转速值大于一临界转速值时，将上述电源输出的一部分功率输出至一电阻单元。
在一实施例中，风力发电控制方法还包括：当上述电源输出的一部分功率输出至上述电阻单元后，停止提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
在一实施例中，风力发电控制方法还包括：利用一整流单元根据上述电源输出产生一直流电压输出。通过一逆变器将上述直流电源输出转换为一交流电压输出；以及将上述交流电压输出提供至上述市电。
在一实施例中，风力发电控制方法还包括：当上述风力发电系统未接收到上述市电时，不产生上述控制信号。
附图说明
由阅读以下详细说明及配合所附图式的举例，可更完整地了解本发明所揭示，如下：
图1显示根据本发明一实施例所述的风力发电控制系统的示意图。
图2显示根据本发明图1所示的风力发电控制系统的方法实施例的操作流程图。
图3显示根据本发明图1所示的风力发电控制系统的方法实施例的操作流程图。
其中，附图标记说明如下：
100～风力发电控制系统；
102～叶片；
104～发电机组；
106～电流检测器；
108～常闭式继电器；
110～控制单元；
112～电阻单元；
114～常开式继电器；
116～叶片转速检测单元；
PG～市电；
SC1、SC2～控制信号；
SI～电流值；
SR～转速值；
T1、T2～输出端。
具体实施方式
以下叙述显示许多藉本发明完成的实施例。其叙述用以说明本发明的基本概念并不带有限定的含意。本发明的范围在所附的申请专利权利要求范围中有最佳的界定。
图1显示根据本发明一实施例所述的风力发电控制系统的示意图。风力发电控制系统100包括叶片102、发电机组104、电流检测器106、常闭式继电器108、控制单元110、电阻单元112、常闭式继电器114以及叶片转速检测单元116。市电PG用以提供电源常闭式继电器108以及控制单元110，其操作方式详述于稍后的段落中。
在图1的实施例中，叶片102连接至发电机组104，发电机组104具有输出端T1以及输出端T2，一般来说，输出端T1以及输出端T2分别对应至正电压输出以及负电压输出。当叶片102转动时，发电机组104内部的发电机绕组（未绘示）发电，并由输出端T1以及输出端T2产生电源输出。在一些实施例中，发电机组104可包含一整流单元以进行所需的电压转换，使得电源输出可符合使用者的设计要求，例如，将交流电压转换为直流电压。
电流检测器106耦接于输出端T2，用以量测发电机组104所产生的电源输出的电流值SI，并将所取得的电流值SI传送至控制单元110。需注意到，在图1的实施例中，虽电流检测器106耦接于输出端T2，然而本发明并非限制于此，本领域技术人员仍可将电流检测器106改耦接于输出端T1或是其他可用以量测发电机组104所产生的电流值SI的位置。
常闭式继电器108耦接于电源输出端T1以及电源输出端T2之间，而控制单元110通过市电PG提供控制信号SC1至常闭式继电器108以控制常闭式继电器108。举例来说，当常闭式继电器108在未接收到控制信号SC1时，常闭式继电器108维持短路状态，意即，使电源输出端T1耦接至电源输出端T2。而当常闭式继电器108接收到控制信号SC1时，则常闭式继电器108变为开路状态，使电源输出端T1不直接耦接至电源输出端T2。由于在未提供控制信号SC1至常闭式继电器108时，常闭式继电器108可维持电源输出端T1以及电源输出端T2之间短路，使得发电机组104所产生的电流反馈，进而对叶片102的转动形成阻力。因此，可长时间的维持发电机组104的低转速运转，而不需提供额外的备用电力进行发电机组的保护。此外，由于控制信号SC1通过市电PG来产生，当市电PG断电时，常闭式继电器108可自动回复为短路状态使得电源输出端T1以及电源输出端T2之间短路，进而保护发电机组104的操作安全。
控制单元110根据电流检测器106所提供的电流值SI控制常闭式继电器108，另一方面，亦可根据叶片转速检测单元所提供的转速值SR控制常开式继电器114。此外，发电机组104的电源输出亦经由控制单元110以提供至市电PG，在一些实施例中，控制单元110可包括一升压或降压器，进行升压或降压等操作，控制单元110可包括一逆变器（未绘示），当发电机组104的整流单元输出直流电源时，可将直流电源再转换为交流电源或是调整其电压电平以提供至市电PG。
电阻单元112耦接至控制单元110，当控制单元110判断发电机组104所产生的功率过高时，则将发电机组104的电源输出的部分功率分散至电阻单元112，其操作方式详述于稍后的段落中。
常开式继电器114耦接于控制单元110与市电PG之间，而控制单元110通过提供控制信号SC2至常开式继电器114以控制常开式继电器114。举例来说，当常开式继电器114在未接收到控制信号SC2时，维持开路状态，此时发电机组104的电源输出将不会被提供至市电PG。而当常开式继电器114接收到控制信号SC2时，则变为闭路状态，此时则经由控制单元110提供发电机组104的电源输出至市电PG。需注意到，在图1的实施例中，虽使用常开式继电器114耦接于控制单元110与市电PG之间，然而本发明并非限制于此，本领域技术人员可使用其他开关元件来完成相同于常开式继电器114的操作。
叶片转速检测单元116用以量测叶片102的转速值SR，并将所取得的转速值SR传送至控制单元110。在一些实施例中，叶片转速检测单元116可设置于发电机组104中，通过检测发电机组104所产生的功率或是电流、电压来进一步计算叶片102的转速值SR。
以下通过图2来说明本发明的操作方式，图2显示根据本发明图1所示的风力发电控制系统的方法实施例的操作流程图。在步骤S202中，叶片102旋转，而发电机组104产生电源输出。接着，在步骤S204中，电流检测器106检测发电机组104的电源输出的电流，并将所检测到的电流值SI传送至控制单元110。
由于在初始状态下并未提供控制信号SC1至常闭式继电器108，因此电源输出端T1与电源输出端T2短路，使发电机组104维持于低转速的保护模式。为了判断目前发电机组104产生的电源输出是否足以提供正功率输出，在步骤S206，控制单元110判断电流值SI是否小于既定电流值，若电流值SI小于既定电流值，则接着继续步骤S208，反之，若电流值SI大于既定电流值，则接着继续步骤S210。
在步骤S208中，控制单元110仍不提供控制信号SC1至常闭式继电器108，维持常闭式继电器108短路。另一方面，在步骤S210，控制单元110判断电流值SI是否大于额定电流值，若电流值SI大于额定电流值，则接着继续步骤S208，反之，若电流值SI小于额定电流值，则接着继续步骤S212。应了解到，额定电流值为发电机组106可控制叶片扭力的最大电流值，当电流值SI超出额定电流值时，意即叶片扭力大于发电机扭力，发电机组104将无法停止叶片的转动。在步骤S212中，控制单元110则通过市电PG提供控制信号SC1至常闭式继电器108，当常闭式继电器108接收到控制信号SC1时则形成开路，以提供发电机组104的电源输出至控制单元110。举例来说，控制单元110可通过市电PG提供适当的电压电平(控制信号SC1)至常闭式继电器108，以维持常闭式继电器108短路。应了解到，由于控制单元110通过来市电PG产生控制信号SC1，因此当市电PG断电时，则控制单元110自动地停止提供控制信号SC1至常闭式继电器108。
接着，在步骤S214中，当常开式继电器114接收到控制信号SC2时，则变为闭路状态，此时发电机组104的电源输出则可经由控制单元110提供至市电PG。
在本发明一些实施例中，既定电流值可根据发电机组104的规格或特性的不同而设定。详细来说，使用者可事先取得电流值SI与发电机组104输出功率的对应关系，而控制单元110则可通过此对应关系来估计电流值SI所对应的发电机组104输出功率。在一些实施例中，当控制单元110估计电流值SI所对应的发电机组104输出功率大于电流检测器106、常闭式继电器108、控制单元110、常开式继电器114、叶片转速检测单元116总消耗的功率时，则表示此时风力发电控制系统100可提供正功率输出，因此控制单元110可提供控制信号SC1将常闭式继电器108开路，以及提供控制信号SC2将常开式继电器114短路，以提供发电机组104的电源输出至市电PG。另一方面，当控制单元110判断电流值SI所对应的发电机组104输出功率小于电流检测器106、常闭式继电器108、控制单元110、常开式继电器114、叶片转速检测单元116总消耗的功率时，则常闭式继电器108仍维持短路，使电源输出端T1与电源输出端T2短路，另一方面，常开式继电器114则维持开路。
另外，为了避免叶片102旋转过快时，叶片102所产生的扭力大于发电机组104所产生的扭力而造成发电机系统过载或是损坏，在本发明一些实施例中，控制单元110亦根据叶片102的转速值SR作对应地控制，以下参考图3来进行说明。
图3显示根据本发明图1所示的风力发电控制系统的方法实施例的操作流程图。在步骤S302中，叶片转速检测单元116检测叶片102的转速值SR，并将转速值SR提供至控制单元110。接着，在步骤S304中，控制单元110判断转速值SR是否大于临界转速值，当转速值SR小于临界转速值时，则继续步骤S306，反之，当转速值SR大于临界转速值时，则继续步骤S308。
在步骤S306中，控制单元110持续提供控制信号SC1将常闭式继电器108开路，且持续提供控制信号SC2将常开式继电器114短路，以提供发电机组104的电源输出至市电PG。另一方面，在步骤S308中，控制单元110将发电机组104电源输出的一部分功率分散至电阻单元112。随着部分功率分散至电阻单元112后，叶片102转速也随的下降。接着在步骤S310中，控制单元110停止提供控制信号SC1至常闭式继电器108，使常闭式继电器108短路以保护发电机组104，此外，控制单元110亦停止提供控制信号SC2至常开式继电器114，使常开式继电器114则维持开路。在一些实施例中，控制单元110在步骤S310亦可等到叶片102转速下降至安全转速时，再停止提供控制信号SC1以及SC2至常闭式继电器108以及常开式继电器114。由于本发明先将过大的发电电流分散至电阻单元112上以降低叶片102的转速，再利用常闭式继电器108短路，因而可降低直接将发电机组104短路所造成的损害。
本发明虽已叙述较佳的实施例如上，但应了解上述所揭示揭示并非用以限制本发明实施例。相反地，其涵盖多种变化以及相似的配置(熟知此技术者可明显得知)。此外，应根据所附的申请专利权利要求范围作最广义的解读以包含所有上述的变化以及相似的配置。

Claims (18)

1.一种风力发电控制系统，包括：
一叶片；
一发电机组，具有一第一输出端以及一第二输出端，当上述叶片转动时由上述第一输出端以及上述第二输出端产生一电源输出；
一常闭式继电器，耦接于上述第一输出端以及上述第二输出端之间；以及
一控制单元，通过一市电将一控制信号传送至上述常闭式继电器，
其中，当上述常闭式继电器未接收到上述控制信号时，将上述第一输出端与上述第二输出端短路；以及
其中，当上述常闭式继电器接收到上述控制信号时，将上述第一输出端与上述第二输出端开路；
还包括一电流检测单元，检测上述第一输出端的一电流值，并传送上述电流值至上述控制单元，其中，上述控制单元根据上述电流值决定是否提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
2.如权利要求1所述的风力发电控制系统，其中，当上述电流值小于一既定电流值或大于一额定电流值时，上述控制单元不提供上述控制信号至上述常闭式继电器；以及
其中，当上述电流值大于上述既定电流值时，上述控制单元提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
3.如权利要求1所述的风力发电控制系统，其中，上述控制单元根据上述电流值估计上述发电机组所产生的上述电源输出的一估计功率；
其中，当上述电源输出的上述估计功率小于上述风力发电控制系统的一总消耗功率时，上述控制单元不提供上述控制信号至上述常闭式继电器；以及
其中，当上述电源输出的上述估计功率大于上述总消耗功率时，上述控制单元提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
4.如权利要求3所述的风力发电控制系统，还包括一开关，耦接于上述发电机组与上述市电之间，
其中，当上述电源输出的上述估计功率大于上述风力发电控制系统的上述总消耗功率时，上述控制单元导通上述开关；以及
当上述电源输出的上述估计功率小于上述风力发电控制系统的上述总消耗功率时，上述控制单元不导通上述开关。
5.如权利要求1所述的风力发电控制系统，还包括：
一电阻单元；以及
一叶片转速检测单元，用以检测上述叶片的一转速值，并将上述转速值提供至上述控制单元，
其中，当上述转速值大于一临界转速值时，上述控制单元将上述电源输出的一部分功率输出至上述电阻单元。
6.如权利要求5所述的风力发电控制系统，其中，当上述控制单元将上述电源输出的一部分功率输出至上述电阻单元后，上述控制单元不提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
7.如权利要求1所述的风力发电控制系统，其中，上述发电机组还包括一整流单元，用以根据上述电源输出产生一直流电压输出。
8.如权利要求7所述的风力发电控制系统，其中上述控制单元还包括一逆变器，用以将上述直流电源输出并转换为一交流电压输出，以及将上述交流电压输出提供至上述市电。
9.如权利要求1所述的风力发电控制系统，其中，当上述控制单元未接收到上述市电时，不产生上述控制信号。
10.一种风力发电控制方法，适用于具有一叶片，一发电机组以及一常闭式继电器的一风力发电系统，其中上述发电机组具有一第一输出端以及一第二输出端，上述常闭式继电器耦接于上述第一输出端以及上述第二输出端之间，且上述风力发电控制方法包括：
当上述叶片转动时，通过上述第一输出端以及上述第二输出端产生一电源输出；
通过一市电提供一控制信号至上述常闭式继电器；
当上述常闭式继电器未接收到上述控制信号时，通过上述常闭式继电器将上述第一输出端与上述第二输出端短路；以及
当上述常闭式继电器接收到上述控制信号时，通过上述常闭式继电器将上述第一输出端与上述第二输出端开路；
还包括：
检测上述第一输出端的一电流值；以及
根据上述电流值决定是否提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
11.如权利要求10所述的风力发电控制方法，还包括：
当上述电流值小于一既定电流值或大于一额定电流值时，不提供上述控制信号至上述常闭式继电器；以及
当上述电流值大于上述既定电流值时，提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
12.如权利要求10所述的风力发电控制方法，还包括：
根据电流值估计上述发电机组所产生的上述电源输出的一估计功率；
当上述电源输出的上述估计功率小于上述风力发电系统的一总消耗功率时，不提供上述控制信号至上述常闭式继电器；以及
当上述电源输出的上述估计功率大于上述总消耗功率时，提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
13.如权利要求12所述的风力发电控制方法，其中，上述风力发电系统还包括耦接于上述发电机组与上述市电之间的一开关，且上述风力发电控制方法还包括：
当上述电源输出的上述估计功率大于上述风力发电系统的上述总消耗功率时，导通上述开关；以及
当上述电源输出的上述估计功率小于上述风力发电系统的上述总消耗功率时，不导通上述开关。
14.如权利要求10所述的风力发电控制方法，还包括：
检测上述叶片的一转速值；以及
当上述转速值大于一临界转速值时，将上述电源输出的一部分功率输出至一电阻单元。
15.如权利要求14所述的风力发电控制方法，还包括：当上述电源输出的一部分功率输出至上述电阻单元后，停止提供上述控制信号至上述常闭式继电器。
16.如权利要求10所述的风力发电控制方法，还包括：利用一整流单元根据上述电源输出产生一直流电压输出。
17.如权利要求16所述的风力发电控制方法，还包括：
通过一逆变器将上述直流电源输出转换为一交流电压输出；以及
将上述交流电压输出提供至上述市电。
18.如权利要求10所述的风力发电控制方法，还包括：当上述风力发电系统未接收到上述市电时，不产生上述控制信号。
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