CN104791192A - 一种风力机限速与刹车保护控制的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种风力机限速与刹车保护控制的装置及方法，所述方法包括：获取表示环境风速的数据，还用于在刹车保护时获取表示环境风速的数据；其中，所述表示环境风速的数据包括：风速，风轮转速，风力发电机输出的直流电压、或风力发电机输出的直流电流，其中任意一种；判断所述表示环境风速的数据大于第一阈值时；如果是，发出执行短路刹车指令，在刹车保护时获取表示环境风速的数据；判断所述表示环境风速的数据是否大于当所述环境风速的数据在正常发电的风速范围内，如果是，保持刹车状态。本发明实施例通过在刹车保护时判定环境风速，当环境风速大于在正常发电的风速范围，保持刹车状态，克服了现有技术中控制不灵敏不准确的问题。

Description

一种风力机限速与刹车保护控制的装置及方法
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种风力机限速与刹车保护控制的装置及方法。
背景技术
目前利用传统能源对环境的污染破坏非常严重，且日趋枯竭，发展新能源势在必行。
现有的风力发电机，主要结构形式有水平轴风力机及垂直轴风力机两种。因其重量轻，结构简单，成本较低获得较为广泛的使用。但目前市场上小型风力发电机发展的一个主要问题是应对强风时叶片的强度及安全保护措施不足，安全性能差，尤其安装在沿海一带的风力发电机，受强台风的危害最大，几乎每次台风过后都有一批风叶受损断裂，造成机组损坏，甚至叶片断裂后飞射造成人身及财产的巨大损失。究其原因，除了叶片强度的原因之外，过速保护系统显得尤为重要。
目前市场上普遍使用的保护方式主要有失速保护、短路刹车保护、折尾保护等。此类保护在高风速时风力机仍处于运转状态，控制不灵敏不准确，由于风速风向的忽变引发的意外不在少数。
系统成本偏高的使用电磁刹车、液压刹车等。此类控制保护的耗能较高，常规的控制模式下磨损较快，维护周期短，且液压刹车的适用温度范围有限。
控制较精确有效的风速保护系统包含有风速仪、风向标、及复杂的电气控制线路，往往价格不菲，动辄数倍于小型风力机，且复杂、耗能、故障率高，维护的专业性要求更高。
以上控制方式或其组合控制方式存在的弊端均阻碍小型风力机的普及推广。
因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种可靠性高、价格低廉易于推广的刹车保护控制方式。
发明内容
本发明实施例提供了一种风力机刹车保护控制装置及方法，克服了现有技术中对风力机的保护不灵敏不准确的问题。
本发明实施例提供了一种风力机刹车保护控制装置，所述装置包括：风力识别单元，与风力识别单元连接的短路刹车控制单元，和与所述短路刹车控制单元连接的刹车后控制单元；
风力识别单元，用于获取表示环境风速的数据，还用于在刹车保护时获取表示环境风速的数据；其中，所述表示环境风速的数据包括：风速，风轮转速，风力发电机输出的直流电压、或风力发电机输出的直流电流，其中任意一种；
所述短路刹车控制单元，用于所述表示环境风速的数据大于第一阈值时，发出执行短路刹车指令，
所述刹车后控制单元，用于在刹车保护时判定环境风速；当所述环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述环境风速的数据大于正常发电的风速范围时，保持刹车状态。
本发明实施例还提供了一种风力机限速与刹车保护控制的方法，所述方法包括：
获取表示环境风速的数据，还用于在刹车保护时获取表示环境风速的数据；其中，所述表示环境风速的数据包括：风速，风轮转速，风力发电机输出的直流电压、或风力发电机输出的直流电流，其中任意一种；
判断所述表示环境风速的数据大于第一阈值时；如果是，发出执行短路刹车指令，
在刹车保护时获取表示环境风速的数据；
判断所述表示环境风速的数据是否大于当所述环境风速的数据在正常发电的风速范围内，如果是，保持刹车状态。
本发明实施例提供了风力机限速与刹车保护控制的装置，通过在刹车保护时判定表示环境风速的数据，当所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述表示环境风速的数据持续大于在正常发电的风速范围内时，保持刹车状态，克服了现有技术中控制不灵敏不准确的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种风力机限速与刹车保护控制的装置示意图；
图2为本发明实施例二提供的一种风力机限速与刹车保护控制的装置示意图；
图3为本发明实施例二提供的另一种风力机限速与刹车保护控制的装置示意图；
图4为本发明实施例三提供的一种风力机限速与刹车保护控制的装置示意图；
图5为本发明实施例三提供的另一种风力机限速与刹车保护控制的装置示意图；
图6为发明实施例四提供的一种风力机限速与刹车保护控制的方法流程示意简图；
在图1至图4中包括有：
11——风轮；12——发电机；13——尾舵；
21——单片机；22——整流桥；23——短路电阻；24——继电开关；
25——继电开关；26——电压器；27——电流器；
31——电磁刹车部件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种风力机限速与刹车保护控制的装置，如图1所示，该装置所述装置包括：风力识别单元101，与风力识别单元连接的短路刹车控制单元102，和与所述短路刹车控制单元连接的刹车后控制单元103；
所述风力识别单元101，用于获取表示环境风速的数据，还用于在刹车保护时获取表示环境风速的数据；其中，所述表示环境风速的数据包括：风速，风轮转速，风力发电机输出的直流电压、或风力发电机输出的直流电流，其中任意一种；
所述短路刹车控制单元102，用于所述表示环境风速的数据大于第一阈值时，发出执行短路刹车指令，
所述刹车后控制单元103，用于在刹车保护时判定环境风速；当所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述表示环境风速的数据大于正常发电的风速范围时，保持刹车状态。
本发明实施例提供了一种风力机限速与刹车保护控制的装置，通过在刹车保护时判定表示环境风速的数据，当所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述表示环境风速的数据持续大于所述在正常发电的风速范围时，保持刹车状态，克服了现有技术中控制不灵敏不准确的问题。
实施例二
本发明实施例提供了一种风力机限速与刹车保护控制的装置，该装置与实施例一提供的装置属于相同的发明构思，该实施例是一种优选的实施方案，如图2所示，风力机(或风力发电机)主机部分包括有风叶及其它辅助连接件组成的风轮11，发电机12，水平风力机的尾舵13；电气控制系统包含整流桥22、短路电阻23、单片机21及继电开关24、继电开关25、电压器26；电流器27；安全保护方式为短路刹车。
所述风力识别单元101可以包括：整流桥22，和电压器26；或者，所述风力识别单元包括：整流桥22和电流器27；
需要理解的是，风力发电机的电流为三相交流，经整流桥22变换为直流后直接向蓄电池及其它储电或用电设备输出电能。电压器26及电流器27分别用于测量输出直流电压及电流(测量整流前的交流亦能实现本功能)，并将测量数据信号提供给单片机21
其中，风力识别单元，原理是通过风吹叶轮旋转，风力发电机电机随之产生电压、电流，通过测量该电压、电流的大小来识别风速。在本实施例中测量的是在短路电路中短路电阻的电流电压来识别风速。
所述短路刹车控制单元102包括：单片机21，继电开关24和短路电阻23；
所述刹车后控制单元103包括：单片机21；
当电压器26或电流器27测得的风力发电机的直流电压值或直流电流值超出设定值，单片机21发出短路刹车指令，继电开关24闭合，风力机在短路电阻23的作用下停车；停车后风速仍然驱动风轮11旋转，则电压器26及电流器27对单片机21有信号输入；单片机21根据输入信号判定环境风速；当所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述表示环境风速的数据大于所述正常发电的风速范围时，保持刹车状态。
需要理解的是，短路刹车是依靠发电机旋转时产生的电流在短路情况下，形成较大的磁场与发电机的永磁体相互作用产生阻力，当发电机停转时电流为零此阻力即为零(故只要有风风轮就不会真正意义上停车)，风速越大风轮转速越高(但此转速远比正常运转转速低得多)，电流越大阻力越大，即短路电流与风速是同步增大的，基于此原理本发明中取电流值来判识风速。取电压值的原理亦然。
传统刹车控制方式，当风速大于切出风速时，以折尾偏航等方式扩大工作风速范围，短路刹车保护时风速较高，短路电流大，容易烧坏短路电阻；而在解除刹车时，因无法判定环境风速，多数控制方案以解除刹车后的转速或电压及电流重新启动刹车，此控制方式的致命缺陷是，如果此时正值强风或台风时间，解除刹车后仅依靠短路刹车无法实现停车，或者风力机在台风环境中即使转速小于安全转速，也可能发生损毁，如此造成巨大的安全隐患。
本实施例提供的装置在水平轴风力发电机的基础上，优化控制方式，以极小的成本实现对刹车状态时风速判定，具有安全性高、性价比高的优点，同时可降低叶片的强度要求以节约成本。
还需要说明的是，本实施例提供的一种风力机限速与刹车保护控制的装置，不仅可以在水平轴风力发电机组上应用，还可以在垂直轴风力发电机组上的应用，如图3所示，图3中技术方案与图2基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用图2中的解释，在此不再进行赘述。同样的设计方案也适用于垂直轴风力机。本方案所述的垂直轴风力机包含但不限于H型、φ型、S轮阻力型、及升阻力组合形式的风力机。
实施例三
本发明实施例提供了一种风力机限速与刹车保护控制的装置，该装置与实施例一提供的装置属于相同的发明构思，该实施例是一种优选的实施方案，如图4所示，该方案中风力机限速与刹车保护控制的装置还可以包括：
第二类刹车控制单元104，用于当风力识别单元获取表示环境风速的数据，大于设置的第二阈值时，发出第二类刹车指令；所述第二阈值为短路刹车状态的转速仍然不能抵御强风的设置值；
其中，所述第二类刹车为通过电气控制的机械类刹车。其中，电磁刹车可以作为液压刹车、钳式刹车、带式刹车、液压刹车等类需要电气控制的机械刹车的一个代表。
其中，所述第二类刹车控制单元可以包括：单片机21，和继电开关25
当所述单片机21根据输入信号判定当风力识别单元获取表示环境风速的数据，大于设置的第二阈值时，所述单片机21指令用于开启或停止第二类刹车继电开关25闭合；所述继电开关25与第二类刹车设备串联。
其工作原理是：在风速高于风力机的切出风速，或风轮的转速高于设定的安全转速，或系统电压或电流超过额定值，发出短路刹车指令，继电开关24闭合，风力机在短路电阻23的作用下停车；停车后当风速仍然驱动风轮11旋转，则电压器26及电流器27对单片机21有信号输入；单片机21根据输入信号判定环境风速；当所述环境风速在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述环境风速持续大于所述切出风速时，保持刹车状态。当所述单片机21根据输入信号判定环境风速持续增大以致风轮在短路刹车状态的转速仍然不能抵御强风时，所述单片机21指令继电开关25闭合，所发出电磁刹车指令。
实施例一中，当风机安装在经常遭遇强台风的环境时，短路刹车后，如果此时正值强风或台风时间，仅依靠短路刹车，风轮的较高的转速与强台风的重复影响下，即使风轮转速小于安全转速，也可能发生损毁。因此，在本实施例中采用本发明的一种风力机刹车保护控制方法，将短路刹车与电磁刹车的组合运用，大幅提高了风力机在强台风经常出现的区域的安全性。
还需要说明的是，本实施例提供的一种风力机限速与刹车保护控制的装置，不仅可以在水平轴风力发电机组上应用，还可以在垂直轴风力发电机组上的应用，如图5所示，图5中技术方案与图4基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用图4中的解释，在此不再进行赘述。同样的设计方案也适用于垂直轴风力机。本方案所述的垂直轴风力机包含但不限于H型、φ型、S轮阻力型、及升阻力组合形式的风力机。
实施例四
本发明实施例提供了一种风力机限速与刹车保护控制的方法，如图6所示，该方法包括：
步骤501，获取表示环境风速的数据，还用于在刹车保护时获取表示环境风速的数据；其中，所述表示环境风速的数据包括：风速，风轮转速，风力发电机输出的直流电压、或风力发电机输出的直流电流，其中任意一种；
步骤502，判断所述表示环境风速的数据大于第一阈值时；如果是，执行步骤503，发出执行短路刹车指令，
步骤504，在刹车保护时获取表示环境风速的数据；
步骤505，判断所述表示环境风速的数据是否大于当所述环境风速的数据在正常发电的风速范围内，如果是，保持刹车状态。
本发明实施例提供了一种风力机限速与刹车保护控制的方法，通过在刹车保护时判定表示环境风速的数据，当所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述表示环境风速的数据持续大于在正常发电的风速范围内时，保持刹车状态，克服了现有技术中控制不灵敏不准确的问题。
优选的，该方法还包括：
步骤507，如果在刹车保护时所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态。
优选的，所述方法还包括：
步骤508，当判定表示环境风速的数据大于设置第二阈值时，发出第二类刹车指令；所述第二阈值为短路刹车状态的转速仍然不能抵御强风的设置值；
其中，所述第二类刹车为通过电气控制的机械类刹车。
以上对本发明所提供的一种风力机限速与刹车保护控制的装置及方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种风力机限速与刹车保护控制的装置，其特征在于，所述装置包括：风力识别单元，与风力识别单元连接的短路刹车控制单元，和与所述短路刹车控制单元连接的刹车后控制单元；
所述风力识别单元，用于获取表示环境风速的数据，还用于在刹车保护时获取表示环境风速的数据；其中，所述表示环境风速的数据包括：风速，风轮转速，风力发电机输出的直流电压、或风力发电机输出的直流电流，其中任意一种；
所述短路刹车控制单元，用于所述表示环境风速的数据大于第一阈值时，发出执行短路刹车指令，
所述刹车后控制单元，用于在刹车保护时判定环境风速；当所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述表示环境风速的数据大于正常发电的风速范围时，保持刹车状态。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述风力识别单元包括：整流桥(22)，和电压器(26)；或者，所述风力识别单元包括：整流桥(22)和电流器(27)；
所述短路刹车控制单元包括：单片机(21)，继电开关(24)和短路电阻(23)；
所述刹车后控制单元包括：单片机(21)；
当电压器(26)或电流器(27)测得的风力发电机的直流电压值或直流电流值超出设定值，单片机(21)发出短路刹车指令，继电开关(24)闭合，风力机在短路电阻(23)的作用下停车；停车后风速仍然驱动风轮(11)旋转，则电压器(26)及电流器(27)对单片机(21)有信号输入；单片机(21)根据输入信号判定环境风速；当所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态；当所述表示环境风速的数据大于所述正常发电的风速范围时，保持刹车状态。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置还包括：第二类刹车控制单元，用于当风力识别单元获取表示环境风速的数据，大于设置的第二阈值时，发出第二类刹车指令；所述第二阈值为短路刹车状态的转速仍然不能抵御强风的设置值；
其中，所述第二类刹车为通过电气控制的机械类刹车。
4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述第二类刹车控制单元包括：单片机(21)，和继电开关(25)
当所述单片机(21)根据输入信号判定当风力识别单元获取表示环境风速的数据，大于设置的第二阈值时，所述单片机(21)指令用于开启或停止第二类刹车继电开关(25)闭合；所述继电开关(25)与第二类刹车设备串联。
5.一种风力机限速与刹车保护控制的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取表示环境风速的数据，还用于在刹车保护时获取表示环境风速的数据；其中，所述表示环境风速的数据包括：风速，风轮转速，风力发电机输出的直流电压、或风力发电机输出的直流电流，其中任意一种；
判断所述表示环境风速的数据大于第一阈值时；如果是，发出执行短路刹车指令，
在刹车保护时获取表示环境风速的数据；
判断所述表示环境风速的数据是否大于当所述环境风速的数据在正常发电的风速范围内，如果是，保持刹车状态。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述方法还包括：
如果在刹车保护时所述表示环境风速的数据在正常发电的风速范围内，解除刹车指令，转入正常运转发电状态。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述方法还包括：
当判定表示环境风速的数据大于设置第二阈值时，发出第二类刹车指令；所述第二阈值为短路刹车状态的转速仍然不能抵御强风的设置值；
其中，所述第二类刹车为通过电气控制的机械类刹车。
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