CN104319776B - 一种风力发电机的卸荷器及其控制方法 - Google Patents

一种风力发电机的卸荷器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机的卸荷器及其控制方法，包括整流器、卸荷开关、卸荷电阻和卸荷控制器；卸荷开关的输入端连接至整流器的输出正端，卸荷电阻的一端连接至卸荷开关的第一输出端，卸荷控制器的输入端连接至整流器的输出正端，卸荷控制器的第一输出端连接至卸荷开关的控制端。本发明中卸荷器安装在室外，风力越大，散热条件就越好，因此卸荷器体积减小，工作温度低，卸荷器工作寿命长；能独立判断传输线断路故障并对风力发电机进行保护。卸荷器可以作为支撑杆使用，也很容易与风力发电机组合在一起，这样就简化了风力发电机系统，增加系统可靠性。使用本发明的卸荷器减少风力发电机系统的组件，减少了连接线，这给拆卸、运输、安装风力发电机系统带来了方便。

Description

一种风力发电机的卸荷器及其控制方法
技术领域
本发明属于风力发电机技术领域，更具体地，涉及一种风力发电机卸荷器。
背景技术
在我国新疆内蒙西藏青海等少数民族地区，有很丰富的风能资源，是国家推广风力发电的重点地区。风力发电能为他们提供电灯、电扇等生活用电，还能为电视、电脑、手机提供能源，加强他们和外部的联系，这契合了我国的少数民族政策。由于这些民族居住地经常迁移，迫切要求风力发电机系统安装简易、携带方便。
风力发电机系统，包括风力发电机、支撑杆、卸荷器、蓄电池、变换器、系统控制器。风力发电机提供风力转换为电能，通常是三相风力发电机；支撑杆抬起风力发电机；卸荷器卸掉风力发电机能量，蓄电池存储电能，变换器给蓄电池充电，也将蓄电池直流电变换成用电负载所需的直流电或者交流电，系统控制器控制蓄电池充放电，也控制卸荷器中卸荷电阻的切入或断开。现有风力发电机系统中室外部分有风力发电机和支撑杆,室内部分有卸荷器、蓄电池、变换器和控制器。
根据安规要求，风力发电机必须有卸荷器才能使用，其卸荷器包括卸荷开关、卸荷电阻。卸荷电阻在下列情况下投入使用：(1)风力过大过急；(2)风力发电机处于轻荷或无荷工作状态时(3)风力发电机系统蓄电池充满。
目前风力发电机的卸荷器中的卸荷电阻就是功率电阻，是将电阻丝绕制成长条管状，与管状电加热电阻属于一类，这种电阻通常用作电加热，用作卸荷器时其工作温度比电加热电阻低。
现有风力发电机中，卸荷器安装在室内。考虑到卸荷电阻投入工作时的工作功率和工作温度，为保障设备安全和人身安全，卸荷器需要较大体积的散热器以降低工作温度。因此现有卸荷器重量体积庞大，拆卸、运输、安装不方便。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种风力发电机卸荷器，旨在解决现有卸荷器安装在室内，体积庞大拆卸运输安装不方便的问题。
本发明提供了一种风力发电机的卸荷器，其与支撑杆一起安装在室外，所述卸荷器包括整流器、卸荷开关、卸荷电阻和卸荷控制器；所述整流器包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管；所述第一二极管的阴极、第三二极管的阴极和第五二极管的阴极连接后作为所述整流器的输出正端，所述第二二极管的阳极、第四二极管的阳极和第六二极管的阳极连接后作为所述整流器的输出负端，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极连接后作为所述整流器的第一输入端，所述第三二极管的阳极与所述第四二极管的阴极连接后作为所述整流器的第二输入端，所述第五二极管的阳极与所述第六二极管的阴极连接后作为所述整流器的第三输入端；所述整流器的第一输入端、第二输入端和第三输入端分别用于连接三相风力发电机；所述卸荷开关的输入端连接至所述整流器的输出正端，所述卸荷开关的第二输出端作为所述卸荷器的第一输出端；所述卸荷电阻的一端连接至所述卸荷开关的第一输出端，所述卸荷电阻的另一端作为所述卸荷器的第二输出端；所述卸荷控制器的输入端连接至所述整流器的输出正端，所述卸荷控制器的第一输出端连接至所述卸荷开关的控制端，所述卸荷控制器的第二输出端连接至所述卸荷器的第一输出端。
其中，卸荷控制器用于通过采样卸荷器输出电压值、卸荷器输出电流值和整流器的输出电压值，来控制卸荷电阻的切入和断开，以保护风力发电机；在卸荷电阻切入的情况下若卸荷器没有输出电压则表明传输线断路；在卸荷电阻断开的情况下来若卸荷器输出电流为零则表明传输线断路。
其中，卸荷控制器还用于在判断出传输线断路时，切入卸荷电阻，以保护风力发电机。
其中，所述支撑杆为长条管状散热器，所述长条管状散热器的狭长平面上依次安装有输入连接端子、整流器、卸荷开关、卸荷控制器和输出连接端子。
其中，卸荷电阻的形状为长条柱状。
其中，卸荷器的外形成杆状，所述卸荷器的一端用于与风力发电机相连，所述卸荷器的另一端用于与逆变器系统相连。
本发明还提供了一种风力发电机的卸荷器的控制方法，包括下述步骤：
S100：判断是否有断路标志，若是，则进入步骤S108，若否，则进入步骤S101；
S101：采样整流器输出电压V1和卸荷器的输出电压V2；
S102：判断整流器输出电压V1是否大于等于第一阈值电压VH1，若是，则进入步骤S103，若否，则进入步骤S104；
S103：切入卸荷电阻，置位切入标志；
S104：判断当前卸荷电阻是否处于切入状态，若是，则进入步骤S105，若否，则进入步骤S108；
S105：判断整流器输出电压V1是否大于等于第二阈值电压VL1，若是则进入步骤S108，若否，则进入步骤S106；
S106：判断卸荷器的输出电压V2是否大于等于第三阈值电压VL2，若是，则进入步骤S108，若否，则进入步骤S107；
S107：断开卸荷电阻，复位切入状态；
S108：采集卸荷器的输出电压V2和卸荷器输出电流I2；
S109：判断当前卸荷电阻是否处于切入状态，若是，则进入步骤S110，若否，则进入步骤S111；
S110：判断卸荷器的输出电压V2是否为零，若是，则置位断路标志并返回至步骤S100，若否，则复位断路标志并返回至步骤S100；
S111：判断卸荷器输出电流I2是否为零，若是，则进入步骤S112，若否，则复位断路标志，并返回至步骤S100；
S112：切入卸荷电阻，置位切入标志，置位断路标志并返回至步骤S100。
其中，第一阈值电压VH1通过如下方法获得：断开卸荷电阻，将风力发电机放入风洞中模拟最大风力，风力发电机输出接入额定负载，确定整流器输出电压值；断开卸荷电阻，将风力发电机放入风洞中模拟额定风力，风力发电机接入10％负载测量整流器输出电压；上述两个电压值取其中较小的值作为所述第一阈值电压VH1。
其中，所述第二阈值电压VL1通过如下方法获得：接入卸荷电阻，将风力发电机放入风洞中模拟最大风力，测量整流器输出电压值作为所述第二阈值电压VL1。
其中，所述第三阈值电压VL2为风力发电机的蓄电池标称电压。
本发明的卸荷器具有独立控制器，能与风力发电机系统中的变换器、系统控制器、蓄电池等分离安装在室外，能独立判断传输线断路故障并对风力发电机进行保护。另外，卸荷器安装在室外，风力越大，散热条件就越好，因此卸荷器体积减小，工作温度低，卸荷器工作寿命长。卸荷器可以作为支撑杆使用，也很容易与风力发电机组合在一起，这样就简化了风力发电机系统，增加系统可靠性。使用本发明的卸荷器减少风力发电机系统的组件，减少了连接线，这给拆卸、运输、安装风力发电机系统带来了方便。
在风力发电机系统的实际应用中，其室外部分和室内部分相隔几十米甚至更远，他们之间的传输线对成本、可靠性、安装便利有很大影响。现有风力发电机系统中，风力发电机、支撑杆安装在室外，卸荷器、蓄电池、变换器、系统控制器组成一体安装在室内。当风力发电机为三相交流电时，室外部分和室内部分之间有三根功率传输线。系统控制器要控制蓄电池工作状态，同时卸荷器中卸荷电阻的切入或断开与风力发电机的电压电流、蓄电池的工作状态和负载大小有关，也是由系统控制器来控制。
本发明将卸荷器和支撑杆一起安装在室外，由风力发电机、支撑杆、卸荷器组成室外部分，由蓄电池、变换器、系统控制器组成室内部分。如果不改变现有技术的电路结构，也就是处于室外的卸荷电阻仍然由处于室内的系统控制器来控制，两者之间就需要远距离连接控制线，对成本和可靠性产生不利影响，给安装使用带来不便。为了使风力发电机室外部分和室内部分不增加传输线，首先要解决的问题是使卸荷器中卸荷电阻单独受控。本发明采用的办法是，在卸荷器中加入整流器、控制器，与卸荷电阻、卸荷开关一起组成新型卸荷器，卸荷控制器根据整流器输出电压、卸荷器输出电压值和电流值，决定卸荷电阻的切入或断开。这样，新型风力发电机系统的室外部分和室内部分之间就只有两根功率传输线。
附图说明
图1是本发明风力发电机卸荷器电路图。
图2是本发明风力发电机卸荷器中卸荷控制器卸荷电阻切入和断开控制子程序流程图。
图3是本发明风力发电机卸荷器安装结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明的风力发电机卸荷器电路图。输入端子10连接三相风力发电机；二极管01、02、03、04、05、06组成三相桥式整流器，将三线交流电压变换为直流电压；07是卸荷开关，卸荷开关07可以使用继电器或者使用电子开关；08是卸荷电阻，是大功率电阻；09是输出引出端，与变换器或蓄电池相连。卸荷电阻08一端连接卸荷开关07，另一端连接输出连接端子09的一个端。卸荷控制器11连接卸荷开关07的与整流器连接的输入端，也连接输出接线端子09的一个端；卸荷控制器11控制卸荷开关07，选择卸荷电阻08是切入还是断开。
卸荷控制器的功能是采样卸荷器输出电压值、卸荷器输出电流值和整流器的输出电压值，控制卸荷电阻的切入和断开，以保护风力发电机。具体控制方法流程如图2所示，包括：
S100：判断是否有断路标志，若是，则进入步骤S108，若否，则进入步骤S101；其中，在第一次执行时，断路标志是复位状态，随后的循环过程中，断路标志是上一次循环过程的结果置位或复位。
S101：采样整流器输出电压V1和卸荷器的输出电压V2；
S102：判断整流器输出电压V1是否大于等于第一阈值电压VH1，若是，则进入步骤S103，若否，则进入步骤S104；
S103：控制器通过卸荷开关切入卸荷电阻，置位切入标志；其中，卸荷开关是继电器或电子开关。其中，当切入卸荷电阻后，置位切入标志；当断开卸荷电阻时，复位切入标志。
S104：判断当前卸荷电阻是否处于切入状态，若是，则进入步骤S105，若否，则进入步骤S108；
S105：判断整流器输出电压V1是否大于等于第二阈值电压VL1，若是则进入步骤S108，若否，则进入步骤S106；
S106：判断卸荷器的输出电压V2是否大于等于第三阈值电压VL2，若是，则进入步骤S108，若否，则进入步骤S107；
S107：控制器通过卸荷开关断开卸荷电阻，复位切入状态；
S108：采集卸荷器的输出电压V2和卸荷器输出电流I2；
S109：判断当前卸荷电阻是否处于切入状态，若是，则进入步骤S110，若否，则进入步骤S111；
S110：判断卸荷器的输出电压V2是否为零，若是，则置位断路标志并返回至步骤S100，若否，则复位断路标志并返回至步骤S100；
S111：判断卸荷器输出电流I2是否为零，若是，则进入步骤S112，若否，则复位断路标志，并返回至步骤S100；
S112：切入卸荷电阻，置位切入标志，置位断路标志并返回至步骤S100。
卸荷控制器的具体工作过程如下：
1.若卸荷电阻08断开状态，此时(1)风力过大过急；(2)风力发电机处于轻荷或无荷工作状态时(3)风力发电机系统蓄电池充满；这三种状态都会使卸荷器输出电压也就是室内部分的输入电压提高。因此当卸荷器输出电压高于等于第一阈值电压VH1时，通过卸荷控制器11控制卸荷开关07使得卸荷电阻08被切入，此时卸荷器输出端不再从风力发电机获取能量，其输出电压也就是室内部分的输入电压会降。第一阈值电压VH1可以通过实验获得，方法是断开卸荷电阻，将风力发电机放入风洞中模拟最大风力，风力发电机输出接入额定负载，确定整流器输出电压值；将风力发电机放入风洞中模拟额定风力，风力发电机接入10％负载测量整流器输出电压。上面两个电压值取其中小的值作为第一阈值电压VH1。
2.卸荷电阻08处于切入状态，当整流器输出电压大于等于第二阈值电压VL1，表明风力过大过急，卸荷电阻需要始终处于切入状态。第二阈值电压VL1可以通过实验获得，方法是接卸荷电阻，将风力发电机放入风洞中模拟最大风力，测量整流器输出电压值作为第二阈值电压VL1。
3.卸荷电阻08处于切入状态，当整流器输出电压降低到第二阈值电压VL1以下，表示风力降低。此时若卸荷器输出电压也就是室内部分的输入电压大于等于第三阈值电压VL2表示风力发电机处于轻载或无荷状态，或者蓄电池电压充满，此时卸荷电阻维持切入状态。第三阈值电压VL2是风力发电机系统室内部分的蓄电池标称电压，是蓄电池通过10K欧姆到1M欧姆的高电阻接入风力发电机系统室内部分和室外部分的传输线。
4.卸荷电阻08处于切入状态，当整流器输出电压降低到第二阈值电压VL1以下，表示风力降低。此时若卸荷器输出电压也就是室内部分的输入电压降低到第三阈值电压VL2以下表示风力发电机脱离轻载或无荷状态，或者蓄电池电压未充满，卸荷电阻由切入状态变成断开状态。
5.若卸荷电阻08处于断开状态，此时，若卸荷器输出电流为零，表明风力发电机的室外部分和室内部分的传输连接线断路，卸荷电阻必须变为切入状态。
6.若卸荷电阻08已经处于切入状态，此时若卸荷器输出电压为零，表明存在传输线断路故障，为保护风力发电机,这时的卸荷电阻需要始终处于切入状态。
卸荷控制器采用微控制器完成上述过程。首先是采样整流器输出电压V1和卸荷器的输出电压V2，判断整流器输出电压是否大于等于第一阈值电压VH1，若大于等于第一阈值电压VH1，则切入卸荷电阻，若小于第一阈值电压VH1，则判断当前卸荷电阻是否处于切入状态，若果不是则子程序返回，如果是切入状态，则判断V1是否大于等于第二阈值电压VL1，若是则子程序返回，若不是则断开卸荷电阻，随后返回。
首先是采样卸荷器输出电压V2和卸荷器输出电流I2，判断当前卸荷电阻是否处于切入状态，若是则判断V2是否为零，若不为零，子程序返回，若为零表明传输线断路，置位传输线断路标志切入卸荷电阻后子程序返回；若当前卸荷电阻不处于切入状态，则判断I2是否为零，若不为零子程序返回，若为零表明传输线断路，置位传输线断路标志切入卸荷电阻后子程序返回。
现有卸荷器由于卸荷控制功能必须结合蓄电池状态和负载状态综合判断，一控制卸荷电阻的切入或断开，因而卸荷控制器与蓄电池控制和负载控制不能分离；采用上述方法的卸荷器，能控制卸荷电阻的切入或断开，完成现有卸荷器的所有功能，又能独立安装在室外。此外，本发明中的卸荷器还能检测风力发电机室内部分和室外部分的传输线是否断路，当发生断路时切入卸荷电阻以保护风力发电机。
本发明要解决的另一个技术问题是将卸荷器安装在长条形支撑杆内。用长条管状散热器作为支撑杆，截面加工为球冠形，具体如下：
(1)以管状散热器作为基体制作狭长平面，在狭长平面上，安装输入连接端子、整流器、卸荷开关、卸荷控制器、输出连接端子等，盖上长条形盖板，用绝缘导热防水填充物加以填充。
为了适应长条形，卸荷器中的整流器采用六只分立的整流二极管连接成三相桥式整流器
(2)卸荷电阻为长条柱状，用管状散热器包裹卸荷电阻，再加导热填充物进行填充。管状散热器也作为风力发电机室外支撑杆的一部分安装在室外。
解决上述所有问题后，整体卸荷器外形成杆状，一端的三根连接线和风力发电机相连，另一端两根连接线和逆变器系统相连。采用本发明的卸荷器的风力发电机系统与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本发明的卸荷器具有独立控制器，能与风力发电机系统中的变换器、系统控制器、蓄电池等分离安装在室外，除能完成现有卸荷控制器所有功能外，还能独立判断传输线断路故障并对风力发电机进行保护。现有技术中风力发电机系统，当传输线断路时，风力发电机为空载，若遇上强风风力发电机电压会很高，会损坏风力发电机。
(2)本发明的卸荷器安装在室外，风力越大，散热条件就越好，因此卸荷器体积减小，工作温度低，卸荷器工作寿命长。
(3)本发明的卸荷器可以作为支撑杆使用，也很容易与风力发电机组合在一起，这样就简化了风力发电机系统，增加系统可靠性。
(4)使用本发明的卸荷器减少风力发电机系统的组件，减少了连接线，这给拆卸、运输、安装风力发电机系统带来了方便。
图3是本发明的风力发电机卸荷器的安装结构图。13是长条散热器，为增加散热器面积，其外表面作成长条状。长条散热器13中有长孔12，用来安装卸荷电阻08，卸荷电阻08采用加热器使用的长条柱状电阻。卸荷电阻08在孔中安装并将安装空隙用导热材料进行填充。在长条散热器13上有一个长方形平面。输入连接端子10，整流二极管01、02、03、04、05、06，卸荷开关07、输出接线端子09等，都安装在这个长条形平面上。长条形盖板14盖在长条形平面上，然后将器件中的空隙用绝缘导热填充物进行填充。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风力发电机的卸荷器的控制方法，所述风力发电机的卸荷器与支撑杆一起安装在室外，所述卸荷器包括整流器、卸荷开关(07)、卸荷电阻(08)和卸荷控制器(11)；所述整流器包括第一二极管(01)、第二二极管(02)、第三二极管(03)、第四二极管(04)、第五二极管(05)和第六二极管(06)；所述第一二极管(01)的阴极、第二二极管(02)的阴极和第三二极管(03)的阴极连接后作为所述整流器的输出正端，所述第四二极管(04)的阳极、第五二极管(05)的阳极和第六二极管(06)的阳极连接后作为所述整流器的输出负端，所述第一二极管(01)的阳极与所述第四二极管(04)的阴极连接后作为所述整流器的第一输入端，所述第二二极管(02)的阳极与所述第五二极管(05)的阴极连接后作为所述整流器的第二输入端，所述第三二极管(03)的阳极与所述第六二极管(06)的阴极连接后作为所述整流器的第三输入端；所述整流器的第一输入端、第二输入端和第三输入端分别用于连接三相风力发电机；所述卸荷开关(07)的输入端和所述卸荷控制器(11)的输入端均连接至所述整流器的输出正端，所述卸荷开关(07)的第二输出端作为所述卸荷器的第一输出端；所述卸荷电阻(08)的一端连接至所述卸荷开关(07)的第一输出端，所述卸荷电阻(08)的另一端和所述整流器的输出负端作为所述卸荷器的第二输出端；所述卸荷控制器(11)的输入端连接至所述整流器的输出正端，所述卸荷控制器(11)的第一输出端连接至所述卸荷开关(07)的控制端，所述卸荷控制器(11)的第二输出端连接至所述卸荷器的第一输出端；其特征在于，所述控制方法包括下述步骤：
S100：判断是否有断路标志，若是，则进入步骤S108，若否，则进入步骤S101；
S101：采样整流器输出电压V1和卸荷器的输出电压V2；
S102：判断整流器输出电压V1是否大于等于第一阈值电压VH1，若是，则进入步骤S103，若否，则进入步骤S104；
S103：切入卸荷电阻，置位切入标志；
S104：判断当前卸荷电阻是否处于切入状态，若是，则进入步骤S105，若否，则进入步骤S108；
S105：判断整流器输出电压V1是否大于等于第二阈值电压VL1，若是则进入步骤S108，若否，则进入步骤S106；
S106：判断卸荷器的输出电压V2是否大于等于第三阈值电压VL2，若是，则进入步骤S108，若否，则进入步骤S107；
S107：断开卸荷电阻，复位切入状态；
S108：采集卸荷器的输出电压V2和卸荷器输出电流I2；
S109：判断当前卸荷电阻是否处于切入状态，若是，则进入步骤S110，若否，则进入步骤S111；
S110：判断卸荷器的输出电压V2是否为零，若是，则置位断路标志并返回至步骤S100，若否，则复位断路标志并返回至步骤S100；
S111：判断卸荷器输出电流I2是否为零，若是，则进入步骤S112，若否，则复位断路标志，并返回至步骤S100；
S112：切入卸荷电阻，置位切入标志，置位断路标志并返回至步骤S100。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一阈值电压VH1通过如下方法获得：
断开卸荷电阻，将风力发电机放入风洞中模拟最大风力，风力发电机输出接入额定负载，确定整流器的第一输出电压值；
断开卸荷电阻，将风力发电机放入风洞中模拟额定风力，风力发电机接入10％负载测量整流器的第二输出电压值；
所述第一输出电压值和所述第二输出电压值中较小的值作为所述第一阈值电压VH1。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第二阈值电压VL1通过如下方法获得：
接入卸荷电阻，将风力发电机放入风洞中模拟最大风力，测量整流器输出电压值作为所述第二阈值电压VL1。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第三阈值电压VL2为风力发电机的蓄电池标称电压。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述卸荷控制器用于通过采样卸荷器输出电压值、卸荷器输出电流值和整流器的输出电压值，来控制卸荷电阻的切入和断开，以保护风力发电机；在卸荷电阻切入的情况下若卸荷器没有输出电压则表明传输线断路；在卸荷电阻断开的情况下来若卸荷器输出电流为零则表明传输线断路。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述卸荷控制器还用于在判断出传输线断路时，切入卸荷电阻，以保护风力发电机。
7.如权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述支撑杆为长条管状散热器，所述长条管状散热器的狭长平面上依次安装有输入连接端子、整流器、卸荷开关、卸荷控制器和输出连接端子。
8.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述卸荷电阻(08)的形状为长条柱状。
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