CN104895741A - 一种风力发电机混合制动系统及制动方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机混合制动系统及制动方法，涉及一种风力发电机混合制动技术，本发明的目的是为了解决现有的风力发电机的机械刹车装置和方法不能兼顾刹车力矩和齿轮箱所受扭矩，导致刹车制动效果差的问题，提供一种风力发电机混合制动系统及制动方法，它包括测风速单元、测风向单元、主控制器、偏航控制单元、警报单元、厚度检测单元、转速检测单元、转盘、机械式刹车装置Ⅰ、机械刹车装置Ⅱ和电磁刹车装置。其工作状态稳定，机械刹车装置刹车力矩小，齿轮箱所受扭矩小，控制精度高，可降低刹车轴的受力，延长刹车系统的使用寿命，达到对风力发电机进行紧急制动和安全制动的效果，而且可实时自我修正，适合应用于风力发电机制动。

Description

一种风力发电机混合制动系统及制动方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机混合制动技术。

背景技术

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电清洁无污染，施工周期短，投资灵活，占地面积小，具有较好的经济效益和社会效益。国内对风电技术的研究十分薄弱，对风力发电技术和装备的研究开发日益成为科技领域和业界关注的热点课题项目之一。风力发电机一般是分散分布的，要求在控制上达到无人值守及远程监控。刹车系统是风力发电机中的一个很重要的系统。其逻辑上其重要性应该高于其他系统，这就要求刹车系统具有很高的安全性和可靠性，近年来也引起国内外专家的高度重视，但相关成果却很有限。

目前风力发电机的刹车系统多采用机械式刹车或电磁式刹车，机械刹车装置安装在低速轴上时，需要较大刹车力矩，这就需要刹车闸的尺寸较大。机械刹车装置安装在高速轴上时，需要较小刹车力矩，这样刹车闸的尺寸较小，但是齿轮箱所受扭矩就较大。电磁式刹车作为一种非接触可调的、非摩擦式的刹车，刹车力矩大小与刹车转速近似成正比例关系，在紧急刹车情况下这种刹车系统能提供较好的响应速度，但不能真正达到制动效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的风力发电机的机械刹车装置和方法不能兼顾刹车力矩和齿轮箱所受扭矩，导致刹车制动效果差的问题，提供一种风力发电机混合制动系统及制动方法。

一种风力发电机混合制动系统，包括测风速单元、测风向单元、主控制器、偏航控制单元、警报单元、厚度检测单元、转速检测单元、转盘、机械式刹车装置Ⅰ、机械刹车装置Ⅱ和电磁刹车装置。

测风速单元的风速信号输出端与主控制器的风速信号输入端相连，测风速单元用于检测风速大小并将风速传递至主控制器。测风向单元的风向信号输出端与主控制器的风向信号输入端相连，测风向单元用于检测风向并将风向传递至主控制器。主控制器用于接收信号并对信号处理后输出相应的控制指令。偏航控制单元的偏航控制信号输出端与转盘的偏航控制信号输入端相连，偏航控制单元的偏航控制信号输入端与主控制器的偏航控制信号输出端相连，偏航控制单元用于调整叶片与风向之间的夹角即调整转盘的朝向。厚度检测单元的厚度检测信号输出端与主控制器的厚度检测信号输入端相连，厚度检测单元用于检测刹车片的厚度。转速检测单元的转速信号输入端与转盘转速信号输出端相连，转速检测单元的转速信号输出端与主控制器的转速信号输入端相连，转速检测单元用于检测转盘的角速度大小。机械刹车装置Ⅰ用于对转盘制动。机械刹车装置Ⅱ用于对转盘进行制动。电磁刹车装置用于对转盘进行制动。

所述的主控制器将风速划分为三个风速阀值即第一风速阀值、第二风速阀值和第三风速阀值。测风速单元测得风速在第一风速阀值及以下，主控制器不输出控制指令。测风速单元测得风速在第一风速阀值和第二风速阀值之间，主控制器1通过偏航单元控制转盘朝向，调整风力发电机叶片与风向垂直。测风速单元测得风速在第三风速阀值及以上，主控制器通过偏航控制单元控制转盘朝向，调整风力发电机叶片与风向平行，之后主控制器控制机械式刹车装置Ⅰ、机械刹车装置Ⅱ或电磁刹车装置对转盘进行制动。

本发明的有益效果为：工作状态稳定，机械刹车装置刹车力矩同比减小30％以上，齿轮箱所受扭矩同比减小25％至30％，本发明的刹车制动效果好，兼顾了刹车力矩和齿轮箱所受扭矩，控制精度高，可降低刹车轴一半的受力，延长刹车系统的使用寿命，达到对风力发电机进行紧急制动和安全制动的效果，而且可实时自我修正。

附图说明

图1为本发明一种风力发电机混合制动系统及制动方法控制系统的系统框图；

图2为本发明一种风力发电机混合制动系统及制动方法主控制器控制偏航控制单元的系统框图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种风力发电机混合制动系统，它包括测风速单元3、测风向单元2、主控制器1、偏航控制单元6、厚度检测单元4、转速检测单元7、转盘8、机械式刹车装置Ⅰ9、机械刹车装置Ⅱ10和电磁刹车装置11；

转盘8经低速轴或高速轴带动转动；

所述机械刹车装置Ⅰ和机械刹车装置Ⅱ10均为刹车片；

测风速单元3的风速信号输出端与主控制器1的风速信号输入端相连，测风速单元3用于检测风速大小并将风速传递至主控制器1。

测风向单元2的风向信号输出端与主控制器1的风向信号输入端相连，测风向单元2用于检测风向并将风向传递至主控制器1；

厚度检测单元4用于检测刹车片的厚度，所述厚度检测单元4的厚度检测信号输出端与主控制器1的厚度检测信号输入端相连；

偏航控制单元6的偏航控制信号输出端与转盘8的偏航控制信号输入端相连，偏航控制单元6的偏航控制信号输入端与主控制器1的偏航控制信号输出端相连，偏航控制单元6用于调整叶片与风向之间的夹角即对转盘的朝向进行调整。

转速检测单元7的转速信号输入端与转盘8转速信号输出端相连，转速检测单元7的转速信号输出端与主控制器1的转速信号输入端相连，转速检测单元7用于检测转盘8的角速度大小。

机械刹车装置Ⅰ的刹车信号输入端与主控制器1的第一个刹车信号输出端相连，所述机械刹车装置Ⅰ安装在转盘8的低速轴上；

机械刹车装置Ⅱ10的刹车信号输入端端与主控制器1的第二个刹车信号输出端相连，所述机械刹车装置Ⅱ10安装在转盘8的高速轴上；

电磁刹车装置11的刹车信号输入端端与主控制器1的第三个刹车信号输出端相连，所述电磁刹车装置11也安装在转盘8的高速轴上；

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种风力发电机混合制动系统进一步限定，在本实施方式中，它还包括警报单元5，所述警报单元5的开关量控制信号输入端与主控制器1的开关量控制信号输出端相连；

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种风力发电机混合制动系统进一步限定，在本实施方式中，测风速单元3内的风速感应装置为热式风速仪。热式风速仪内的风速探头是一敏感部件，当一恒定电流通过其加热线圈时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生之基准反电势相互抵消，使输出信号为零。若风速探头端部的热敏感部件暴露于外部空气流中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号经过主控制器1处理后得出风速数值。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种风力发电机混合制动系统进一步限定，在本实施方式中，测风向单元2为风向标，风向标安装在风力发电机机舱的尾部。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种风力发电机混合制动系统进一步限定，在本实施方式中，厚度检测单元4采用非接触式位移传感器对刹车片厚度进行检测并实时输出检测信号至主控制器1，当厚度达到主控制器1的设定值，主控制器1控制机械式刹车装置Ⅰ9、机械刹车装置Ⅱ10和电磁刹车装置11对转盘8进行制动，同时警报单元5报警提示。转盘8频繁启动，刹车片收到很大的磨损，而磨损会造成刹车效果逐渐降低，为了防止失效，在主控制器1内设置有磨损最大限度值即刹车片最小厚度值，当达到这个厚度时，转盘8停转，维修人员检测到相关情况后更换刹车片。

具体实施方式六、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种风力发电机混合制动系统进一步限定，在本实施方式中，所述主控制器1包括单片机12和模糊神经元控制器13，所述单片机(12)的模糊神经元控制信号输入端与模糊神经元控制器(13)的控制信号输出端连接。模糊控制器用于对接收到的信号进行修正并将处理后的信号传输至单片机12，减小系统误差。单片机12接收信号，当信号达到设定值，单片机12输出控制指令。

具体实施方式七、本实施方式是具体实施方式一所述的一种风力发电机混合制动系统的风力发电机混合制动方法，它由以下步骤实现：

步骤一、所述主控制器1将风速预先分为三个风速阀值即第一风速阀值、第二风速阀值和第三风速阀值；所述第一风速阀值小于第二风速阀值，第二风速阀值小于第三风速阀值；

测风向单元2实时将测得的风向信号输送给主控制器1；

测风速单元3测得风速，得到风速数据，测风速单元3将风速数据输送给主控制器1；

步骤二、主控制器1对测得的当前风速信号与三个风速阀值进行比较，如果测风速单元3测得风速不大于第一风速阀值，主控制器1不输出控制指令；在第一风速阀值及以下，风力小，风力利用率低。风力发电机不动作，避免了风力发电机在低效率下工作，延长使用寿命。

如果测风速单元3测得风速数据在第一风速阀值和第二风速阀值之间，主控制器1控制结合风向信号对偏航控制单元6发出控制指令，偏航控制单元6接收到控制指令后对控制指令进行预判，预判后对转盘8执行控制指令，调整风力发电机叶片与风向垂直，叶片角度垂直与风向垂直，能量利用率最高。

如果测风速单元3测得风速数据不小于第三风速阀值，主控制器1控制结合风向信号对偏航控制单元6发出控制指令，偏航控制单元6接收到控制指令后对控制指令进行预判，预判后对转盘8执行控制指令，调整风力发电机叶片与风向平行，同时主控制器1向机械刹车装置Ⅰ、机械刹车装置Ⅱ10或电磁刹车装置11发出刹车信号指令；第三风速阀值及以上为设计高风速，高风速会对风力发电机的运转造成很大的压力，为了避免风力发电机损坏，风速信号在第三风速阀值及以上时，风力发电机停止转动。

步骤三、转速检测单元7把转盘8的角速度转化为转速信号，转速信号实时传输到主控制器1；主控制器1内预设三个转速阈值，即：第一转速阈值、第二转速阈值和第三转速阈值；所述第一转速阈值大于第二转速阈值，第二转速阈值大于第三转速阈值；

当转盘8的转速达到主控制器1设定的第一转速阈值时，主控制器1向电磁刹车装置11发出刹车信号指令，电磁刹车装置11对转盘8进行制动；此时的电磁刹车的性能最好，不需要消耗液压油，也就解决了风力发电机高速旋转时高压油泄漏问题。

当转盘8的转速降低主控制器1设定的第二转速阈值时，主控制器1控制电磁刹车装置11停止工作，同时主控制器1向机械刹车装置Ⅱ10发出刹车信号指令，机械刹车装置Ⅱ10对转盘8进行制动，

当转盘8的转速降低主控制器1设定的第三转速阈值时，主控制器1控制机械刹车装置Ⅱ10停止工作，同时主控制器1向机械刹车装置Ⅰ发出刹车信号指令，机械刹车装置Ⅰ对转盘8进行制动，直至转盘8停止转动；机械刹车装置Ⅰ和机械刹车装置Ⅱ10相互组合实现对转盘8的分梯次制动，既减小了机械制动的尺寸，又提高了齿轮箱的使用寿命。

完成风力发电机混合制动。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式七所述的一种风力发电机混合制动方法进一步限定，在本实施方式中，所述模糊神经元控制器13接收一个风向并对风向信号进行修正后输出触发指令至单片机12，单片机12根据内部设定的风向延时输出通过偏航控制单元6控制转盘8的转动，防止风向突变造成的扰动。风向随时变化，而测风向单元2输出的是变化的风向信号至模糊神经元控制器13，模糊神经元控制器13实时检测输入值并对输入值进行修正后与设定值比较，当输入值达到设定值，模糊神经元控制器13输出触发指令至单片机12，单片机12控制偏航控制单元6调整偏航角。

具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式七所述的一种风力发电机混合制动方法进一步限定，在本实施方式中，所述模糊神经元控制器13通过转速检测单元7接收一个转盘8的角速度，不断对角速度进行修正，维持参考角加速度不变。风力发电机刹车只要控制刹车时的角速度，把它的力矩差值控制在一个允许的范围内，那么就不会产生或只有很小的动载荷加在齿轮上，齿轮也就不易损坏。而为了保持这个参考角加速度，模糊神经元控制器13实时调整与修正，避免累积误差对控制结果造成的影响。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风力发电机混合制动系统，其特征是：它包括测风速单元(3)、测风向单元(2)、主控制器(1)、偏航控制单元(6)、厚度检测单元(4)、转速检测单元(7)、转盘(8)、机械刹车装置Ⅰ(9)、机械刹车装置Ⅱ(10)和电磁刹车装置(11)；

转盘(8)经低速轴或高速轴带动转动；

所述机械刹车装置Ⅰ(9)和机械刹车装置Ⅱ(10)均为刹车片；

测风速单元(3)的风速信号输出端与主控制器(1)的风速信号输入端相连；

测风向单元(2)的风向信号输出端与主控制器(1)的风向信号输入端相连；

厚度检测单元(4)用于检测机械刹车装置Ⅰ(9)和机械刹车装置Ⅱ(10)的刹车片厚度，所述厚度检测单元(4)的厚度检测信号输出端与主控制器(1)的厚度检测信号输入端相连；

偏航控制单元(6)的偏航控制信号输出端与转盘(8)的偏航控制信号输入端相连，偏航控制单元(6)的偏航控制信号输入端与主控制器(1)的偏航控制信号输出端相连；

偏航控制单元(6)用于对转盘(8)的朝向进行调整；

转速检测单元(7)用于检测转盘(8)的转速，所述转速检测单元(7)的转速信号输出端与主控制器(1)的转速信号输入端相连；

机械刹车装置Ⅰ(9)的刹车信号输入端与主控制器(1)的第一刹车信号输出端相连，所述机械刹车装置Ⅰ(9)安装在转盘(8)的低速轴上；

机械刹车装置Ⅱ(10)的刹车信号输入端端与主控制器(1)的第二刹车信号输出端相连，所述机械刹车装置Ⅱ(10)安装在转盘(8)的高速轴上；

电磁刹车装置(11)的刹车信号输入端端与主控制器(1)的第三刹车信号输出端相连，所述电磁刹车装置(11)也安装在转盘(8)的高速轴上。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机混合制动系统，其特征在于它还包括警报单元(5)，所述警报单元(5)的开关量控制信号输入端与主控制器(1)的开关量控制信号输出端相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种风力发电机混合制动系统，其特征在于所述测风速单元(3)为风速感应装置，所述风速感应装置为热式风速仪。

4.根据权利要求3所述的一种风力发电机混合制动系统，其特征在于所述测风向单元(2)为风向标，风向标安装在风力发电机机舱的尾部。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种风力发电机混合制动系统，其特征在于所述厚度检测单元(4)是非接触式位移传感器。

6.根据权利要求5所述的一种风力发电机混合制动系统，其特征在于主控制器(1)包括单片机(12)和模糊神经元控制器(13)，所述单片机(12)的模糊神经元控制信号输入端与模糊神经元控制器(13)的控制信号输出端连接。

7.基于权利要求1所述的一种风力发电机混合制动系统的风力发电机混合制动方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、所述主控制器(1)将风速预先划分三个风速阈值，即：第一风速阈值、第二风速阈值和第三风速阈值；所述第一风速阀值小于第二风速阀值，第二风速阀值小于第三风速阀值；

测风向单元(2)实时将测得的风向信号输送给主控制器(1)；

测风速单元(3)测得风速，得到风速数据，测风速单元(3)将风速数据输送给主控制器(1)；

步骤二、主控制器(1)对测得的当前风速信号与三个风速阈值进行比较，如果测风速单元(3)测得风速不大于第一风速阈值，主控制器(1)不输出控制指令；

如果测风速单元(3)测得风速数据大于第一风速阈值且小于第二风速阀值，主控制器(1)结合风向信号对偏航控制单元(6)发出控制指令，偏航控制单元(6)接收到控制指令后驱动转盘(8)执行控制指令，调整风力发电机叶片与风向垂直；

如果测风速数据不小于第三风速阀值，主控制器(1)控制结合风向信号对偏航控制单元(6)发出控制指令，偏航控制单元(6)接收到控制指令后对控制指令后驱动转盘(8)执行控制指令，调整风力发电机叶片与风向平行，同时主控制器(1)向机械刹车装置Ⅰ(9)、机械刹车装置Ⅱ(10)或电磁刹车装置(11)发出刹车信号指令；

步骤三、转速检测单元(7)把转盘(8)的角速度转化为转速信号，转速信号实时传输到主控制器(1)；主控制器(1)内预设三个转速阈值，即：第一转速阈值、第二转速阈值和第三转速阈值；所述第一转速阈值大于第二转速阈值，第二转速阈值大于第三转速阈值；

当转盘(8)的转速达到主控制器(1)设定的第一转速阈值时，主控制器(1)向电磁刹车装置(11)发出刹车信号指令，电磁刹车装置(11)对转盘(8)进行制动；

当转盘(8)的转速降低主控制器(1)设定的第二转速阈值时，主控制器(1)控制电磁刹车装置(11)停止工作，同时主控制器(1)向机械刹车装置Ⅱ(10)发出刹车信号指令，机械刹车装置Ⅱ(10)对转盘(8)进行制动，

当转盘(8)的转速降低主控制器(1)设定的第三转速阈值时，主控制器(1)控制机械刹车装置Ⅱ(10)停止工作，同时主控制器(1)向机械刹车装置Ⅰ(9)发出刹车信号指令，机械刹车装置Ⅰ(9)对转盘(8)进行制动，直至转盘(8)停止转动；

完成风力发电机混合制动。

8.根据权利要求7所述的一种风力发电机混合制动方法，其特征在于：所述模糊神经元控制器(13)接收一个风向并对风向信号进行修正后输出触发指令至单片机(12)，单片机(12)根据内部设定的风向延时输出通过偏航控制单元(6)控制转盘(8)的转动，防止风向突变造成的扰动。

9.根据权利要求7或8所述的一种风力发电机混合制动方法，其特征在于：所述模糊神经元控制器(13)通过转速检测单元(7)接收一个转盘(8)的角速度，不断对角速度进行修正，维持参考角加速度不变。