CN105134494A - 垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体公开了一种垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统及控制方法，所述控制系统包括风轮、第一传动轴、塔筒、塔架、风速传感器、第一转速转矩传感器、定量泵、功率控制器、低压管路、第一高压管路、电液比例节流阀、第二高压管路、流量传感器、转速控制器、变量马达、第二转速转矩传感器、第二传动轴、发电机、多功能仪表、并网控制器、离网控制器、中间继电器KA、常闭触点KA、常开触点KA、电网、第二多功能仪表和负载。本发明通过对机组输出功率和转速的协调的控制，使单台液压型风力发电机组既可以通过并网给用户供电，也可以通过离网直接给用户供电。

Description

垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统及控制方法。

背景技术

全球日益加剧的环境和能源问题给人们的生活带来了严重的影响，而风能作为一种绿色能源，具有蕴藏量丰富、可再生、分布广和无污染等特点，已成为可再生能源发展的一个重要方向，风力发电产业也因此迅猛发展。同时，随着经济的发展，各企业对电量的需求逐渐增强，在用电方面资金负担较重，因此，对风力发电产业也提出较高的要求。

传统的风力发电机组主要以齿轮箱传动和直驱传动两种机型为主，传统机型存在装机重量大和成本高等不足，而垂直轴液压型风力发电机组作为一种新型机型，采用定量泵-变量马达闭式液压传动系统，与励磁同步发电机有效配合，可以弥补传统机型的不足。

随着单台机组的发电功率迅速攀升，其风轮直径、机舱体积、整机重量都大大增加，这对于风力发电机组的运输、安装、安全运行和维护等带来了一系列的问题，因此，人们逐渐把目光转向了小型垂直轴风力机的身上。

风力发电机组并网的控制技术是限制其产业化的一个瓶颈，并网的条件是非常苛刻，具体条件为：(1)发电机的励磁电势与电网电压相等；(2)发电机的频率和电网的频率相等；(3)并联合闸的瞬间，发电机与电网的对应相的电压应同相位；(4)发电机和电网的相序要相同；(5)发电机的电压波形与电网电压波形相同。事实上，当同步发电机安装完华后，有的并联条件就已经具备。国家电网频率要求为50HZ±(0.1～0.2)HZ，故需要变量马达输出转速为1500r/min±6r/min。

针对偏远山区、农牧场以及远离大陆的孤岛，电网无法普及到这些地方，故需要风力发电机组进行离网供电，此时风力发电机组输出的有功功率和无功功率由负荷决定，无论负荷怎么变化，调速系统应保证转速/频率稳定，调压系统应保证电压稳定。

现有技术中，专利CN102170134A中提出一种微电网并网到离网控制方法，该控制方法能够实现微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡，保证了微电网运行的可靠性、稳定性，但该方法并没有从发电机输入端阐述如何控制实现并网和离网的功能；专利CN104410097A中提出一种微网逆变器及其并网和离网的控制方法，该方法为支撑微网电压频率的可调度微网逆变器在并网和离网时工作在不同的控制模式，能够根据微网实际运行条件控制逆变器工作在不同的控制模式，提高了微电网运行的安全性和可靠性，同样该方法没有从发电机输入端阐述如何控制实现并网和离网的功能。

综上所述，针对现有的液压型风力发电机组在并/离网的控制方法仍然是处于空白阶段。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统及控制方法，以从发电机输入端解决如何控制实现并网和离网的功能。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统，包括：机械部分、液压主传动部分和发电控制部分；

所述机械部分包括：风轮、第一传动轴、塔筒和塔架；

所述液压主传动部分包括：风速传感器、第一转速转矩传感器、定量泵、功率控制器、低压管路、第一高压管路、电液比例节流阀、第二高压管路、流量传感器、转速控制器、变量马达、第二转速转矩传感器和第二传动轴；

所述发电控制部分包括：发电机、多功能仪表、并网控制器、离网控制器、中间继电器KA、常闭触点KA、常开触点KA、电网、第二多功能仪表和负载；

所述风轮通过所述第一传动轴与所述定量泵的主轴同轴连接，所述风速传感器设在所述风轮附近，所述定量泵安装在所述塔筒的内部，所述第一转速转矩传感器设在所述第一传动轴上，所述定量泵的进油口从所述低压管路吸油，所述定量泵的压油口通过所述第一高压管路输出高压油，所述流量传感器设在所述第二高压管路上，所述安全阀跨接在所述第二高压管路与所述低压管路之间，所述变量马达的吸油口与所述第二高压管路相连，所述变量马达的排油口与所述低压管路相连，所述变量马达的主轴通过所述第二传动轴与所述发电机的主轴同轴连接，所述第一多功能仪表设在所述发电机与所述电网之间，所述第二转速转矩传感器设在所述第二传动轴上，所述功率控制器的输入端分别与所述第一转速转矩传感器、第二转速转矩传感器、第一多功能仪表和风速传感器相连，所述功率控制器的输出端与所述电液比例节流阀的控制端相连，所述转速控制器的输入端分别与所述流量传感器、第二转速转矩传感器、第一多功能仪表和第二多功能仪表相连，所述转速控制器的输出端与所述变量马达相连，所述并网控制器和离网控制器的输入端均与所述第二转速转矩传感器相连，所述并网控制器和离网控制器的输出端均与所述中间继电器KA相连，所述常闭触点KA设在所述发电机与所述电网之间，所述常开触点KA跨接在所述常闭触点KA和电网的两端。

优选地，还包括：第一单向阀、第二单向阀、溢流阀、补油泵和补油油箱；

所述补油泵的吸油口与所述补油油箱相连，所述补油泵的压油口分别与所述第一单向阀和第二单向阀的一端相连，所述第一单向阀的另一端与所述第一高压管路相连，所述第二单向阀的另一端与所述低压管路相连，所述溢流阀跨接在所述补油泵的压油口与所述补油油箱之间。

优选地，还包括：安全阀；

所述安全阀跨接在所述第二高压管路与所述低压管路之间。

本发明还提供了一种垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制方法，包括以下步骤：

当机组应用在电网普及的地区时，需要机组能够并网发电：

根据并网条件对机组输出的转速和功率的要求，在并网前，通过转速控制器控制变量马达的摆角；首先，转速控制器通过第二转速转矩传感器采集变量马达的转速、通过流量传感器采集第二高压管路的流量、通过第一多功能仪表采集电网的频率和电压，然后，转速控制器输出控制信号给变量马达，实现对变量马达摆角控制，控制变量马达输出的转速稳定在1500r/min±6r/min；

并网后，为确保机组输出的功率平滑，通过功率控制器控制电液比例节流阀的阀口开度；首先，功率控制器通过风速传感器采集风速、通过第一转速转矩传感器采集风轮转速、通过第一多功能仪表采集发电机输出的功率和电网的电压，然后，功率控制器输出控制信号给电液比例节流阀，实现对电液比例节流阀阀口开度的控制，进而控制第二高压管路的压力，以使机组输出的功率平滑；

通过第二转速转矩传感器输出转速和转矩给并网控制器26，并网控制器控制中间继电器KA28失电，常闭触点KA29闭合，常开触点KA30断开，机组并入电网，给负载供电。

当机组应用在远离电网的地区，故需要机组实现离网发电：

根据离网工况，针对用户对机组输出的转速的要求，在发电前，通过转速控制器控制变量马达的摆角；首先，转速控制器通过第二转速转矩传感器采集变量马达的转速、通过流量传感器采集第二高压管路的流量、通过第一多功能仪表采集发电机输出端的频率和电压、通过第二多功能仪表采集负载的用电频率，然后，转速控制器输出控制信号给变量马达，实现对变量马达摆角的控制，使变量马达输出的转速稳定；

发电后，通过转速控制器控制变量马达的摆角；首先，转速控制器通过第二多功能仪表采集负载的用电频率，然后，转速控制器输出控制信号给变量马达，实现对变量马达摆角的控制，使变量马达输出的转速满足负载对转速工频的需求；

通过第二转速转矩传感器输出转速和转矩给离网控制器，最终通过离网控制器控制中间继电器KA得电，常闭触点KA断开，常开触点KA闭合，机组离网发电供给负载。

(三)有益效果

本发明的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统及控制方法通过对机组输出功率和转速的协调的控制，使单台液压型风力发电机组既可以通过并网给用户供电，也可以通过离网直接给用户供电，这种控制方法不仅具备传统液压型风力发电机组传动灵活、可靠性高的优点，同时还能够满足用户对电的需求；具体的，本发明有两个控制变量，分别为定量泵-变量马达传动系统的电液比例节流阀的阀口开度和变量马达摆角，两者相互协调，使并/离网控制更加灵活，本发明在并/离网控制过程中，机组能够根据电网以及用户的要求实时调控系统输出的功率和转速。

附图说明

图1为本发明实施例的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统的液压原理图；

图2为本发明实施例的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统的控制原理图；

图3为本发明实施例的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统的并网控制的工作流程图；

图4为本发明实施例的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统的离网控制的工作流程图。

图中，1：风轮；2：风速传感器；3：第一刚性轴；4：定量泵；5：塔筒；6：塔架；7：第一转速转矩传感器；8：低压管路；9：第一单向阀；10：第二单向阀；11：溢流阀；12：补油泵；13：补油油箱；14：功率控制器；15：第一高压管路；16：电液比例节流阀；17：安全阀；18：第二高压管路；20：流量传感器；19：转速控制器；21：变量马达；22：第二转速转矩传感器；23：第二刚性轴；24：发电机；25：多功能仪表；26：并网控制器；27：离网控制器；28：中间继电器KA；29：常闭触点KA；30：常开触点KA；31：电网；32：第二多功能仪表；33：负载。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1、图2所示，本实施例的垂直轴液压型风力发电机组并离网控制系统包括：机械部分、液压主传动控制部分和发电控制部分。

所述的机械部分包括：风轮1、第一传动轴3、塔筒5和塔架6。

所述的液压主传动控制部分包括：风速传感器2、第一转速转矩传感器7、定量泵4、功率控制器14、低压管路8、第一高压管路15、第一单向阀9、第二单向阀10、溢流阀11、补油泵12、补油油箱13、电液比例节流阀16、安全阀17、第二高压管路18、流量传感器20、转速控制器19、变量马达21、第二转速转矩传感器22和第二传动轴23，

所述的发电控制部分包括：发电机24、多功能仪表25、并网控制器26、离网控制器27、中间继电器KA28、常闭触点KA29、常开触点KA30、电网31、第二多功能仪表32和负载33。

风轮1附近安装风速传感器2，风轮1通过第一传动轴3与定量泵4的主轴同轴连接，定量泵4安装在塔筒5内，第一转速转矩传感器7安装在传动轴3上，定量泵4的进油口从低压管路8吸油，定量泵4的压油口通过第一高压管路15输出高压油，并在第二高压管路18上设置流量传感器20，安全阀17跨接在第二高压管路18和低压管路8之间，变量马达21的吸油口与第二高压管路18相连，变量马达21的排油口与低压管路8相连，变量马达21的主轴通过第二传动轴21同轴连接发电机24的主轴，变量马达21同轴驱动发电机24发电，在发电机24与电网31之间安装有第一多功能仪表25，第二转速转矩传感器22安装在第二传动轴21上，补油泵12吸油口与补油油箱13相连，补油泵12压油口分别连接第一单向阀9和第二单向阀10的一端，第一单向阀9的另一端连接到第一高压管路15，第二单向阀10的另一端连接到低压管路8，溢流阀11跨接在补油泵12压油口与补油油箱13之间，功率控制器14输入端分别连接第一转速转矩传感器7、第二转速转矩传感器22、第一多功能仪表25和风速传感器2，功率控制器14输出端连接电液比例节流阀16的控制端，转速控制器19输入端分别连接流量传感器18、第二转速转矩传感器22、第一多功能仪表25和第二多功能仪表32，转速控制器19输出端连接变量马达21，并网控制器26和离网控制器27的输入端均与第二转速转矩传感器22相连，并网控制器26和离网控制器27的输出端均与中间继电器KA28相连，常闭触点KA29设在发电机24与电网31之间，常开触点KA30跨接在常闭触点KA29和电网31的两端。

本实施例的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制方法主要是：在电网普及的地区，控制系统通过转速控制器19控制变量马达21输出的转速为1500r/min±6r/min，然后，功率控制器14控制变量马达21输出的功率平滑，在电网无法普及或耗电量较大的地区，可通过转速控制器19控制变量马达21输出的转速满足负载对稳定性和大小的要求。所述控制方法的具体步骤如下：

当机组应用在电网普及的地区，需要机组能够并网发电。

根据并网条件对机组输出的转速和功率的要求，并网前首先通过转速控制器19控制变量马达21的摆角：转速控制器19通过第二转速转矩传感器22采集变量马达21的转速，流量传感器18采集第二高压管路18的流量，以及第一多功能仪表25采集电网31频率和电压，然后转速控制器19输出控制信号给变量马达21，实现对变量马达21摆角控制，控制变量马达21输出的转速稳定在1500r/min±6r/min，并网后为确保机组输出的功率平滑，需要通过功率控制器14控制电液比例节流阀16的阀口开度：功率控制器14通过风速传感器2采集风速，第一转速转矩传感器7采集风轮转速，通过第一多功能仪表25采集发电机24输出的功率和电网31电压，然后功率控制器14输出控制信号给电液比例节流阀16，实现对电液比例节流阀16阀口开度的控制，进而控制第二高压管路18的压力，由于变量马达21输出的转速相对稳定在1500r/min±6r/min，故通过控制第二高压管路18的压力，进而控制机组输出的功率平滑，最终通过第二转速转矩传感器22输出转速和转矩给并网控制器26，并网控制器26控制中间继电器KA28失电，常闭触点KA29闭合，常开触点KA30断开，机组并入电网31，给负载33供电。

当机组应用在远离电网的地区，故需要机组实现离网发电。

根据离网工况，针对用户对机组输出的转速的要求，发电前通过转速控制器19控制变量马达21的摆角：转速控制器19通过第二转速转矩传感器22采集变量马达21的转速，流量传感器18采集第二高压管路18的流量，第一多功能仪表25采集发电机24输出端频率和电压，通过第二多功能仪表32采集负载33的用电频率，然后转速控制器19输出控制信号给变量马达21，实现对变量马达21摆角控制，控制变量马达21输出的转速稳定，发电后通过转速控制器19控制变量马达21的摆角：转速控制器19通过第二多功能仪表32采集负载33的用电频率，然后转速控制器19输出控制信号给变量马达21，实现对变量马达21摆角控制，控制变量马达21输出的转速满足负载33对转速工频的需求，通过第二转速转矩传感器22输出转速和转矩给离网控制器27，最终通过离网控制器27控制中间继电器KA28得电，常闭触点KA29断开，常开触点KA30闭合，机组离网发电供给负载33。

本实施例的控制系统包含定量泵-变量马达速度控制系统和定量泵-变量马达功率控制系统，而且有两个可控制变量：定量泵-变量马达传动系统的电液比例节流阀的阀口开度和变量马达摆角。

如图3所示，为并网控制方法的工作流程图。当转速控制器19接收通过第二转速转矩传感器22采集变量马达21的转速参数，流量传感器18采集第二高压管路18的流量参数，第一多功能仪表25采集电网31频率和电压参数，过第二多功能仪表32采集负载33的用电频率参数，和功率控制器14接收通过风速传感器2采集风速参数，第一转速转矩传感器7采集风轮转速参数，通过第一多功能仪表25采集发电机24输出的功率和电网31电压参数，判断是否满足要求，满足要求则并入电网31，否则，采集变量马达21输出的转速是在1500r/min±6r/min范围内，若满足要求，则进行检查变量马达21输出的功率是否平滑，否则继续调整变量马达21的摆角，直到使变量马达21输出的转速在1500r/min±6r/min范围内。检查变量马达21输出的功率是否平滑，若平滑直接并入电网31，否则通过调节电液比例节流阀16的阀口开度，直到变量马达21输出的功率平滑为止，并入电网31发电。

如图4所示，为离网控制方法的工作流程图。发电前，当转速控制器19接收通过第二转速转矩传感器22采集变量马达21的转速参数，流量传感器18采集第二高压管路18的流量参数，第一多功能仪表25采集电网31频率和电压参数，过第二多功能仪表32采集负载33的用电频率参数，判断是否满足负载33对变量马达21输出转速大小的要求，若不满足要求，通过转速控制器19控制变量马达21的摆角，直到变量马达21输出的转速稳定性满足负载33的要求。发电后，当转速控制器19接收第二多功能仪表32采集负载33的用电频率参数，控制变量马达21输出转速工频满足负载33的需求，进行离网发电。

本发明的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统及控制方法通过对机组输出功率和转速的协调的控制，使单台液压型风力发电机组既可以通过并网给用户供电，也可以通过离网直接给用户供电，这种控制方法不仅具备传统液压型风力发电机组传动灵活、可靠性高的优点，同时还能够满足用户对电的需求；具体的，本发明有两个控制变量，分别为定量泵-变量马达传动系统的电液比例节流阀的阀口开度和变量马达摆角，两者相互协调，使并/离网控制更加灵活，本发明在并/离网控制过程中，机组能够根据电网以及用户的要求实时调控系统输出的功率和转速。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (4)

1.一种垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统，其特征在于，包括：机械部分、液压主传动部分和发电控制部分；

所述机械部分包括：风轮、第一传动轴、塔筒和塔架；

所述液压主传动部分包括：风速传感器、第一转速转矩传感器、定量泵、功率控制器、低压管路、第一高压管路、电液比例节流阀、第二高压管路、流量传感器、转速控制器、变量马达、第二转速转矩传感器和第二传动轴；

所述发电控制部分包括：发电机、多功能仪表、并网控制器、离网控制器、中间继电器KA、常闭触点KA、常开触点KA、电网、第二多功能仪表和负载；

所述风轮通过所述第一传动轴与所述定量泵的主轴同轴连接，所述风速传感器设在所述风轮附近，所述定量泵安装在所述塔筒的内部，所述第一转速转矩传感器设在所述第一传动轴上，所述定量泵的进油口从所述低压管路吸油，所述定量泵的压油口通过所述第一高压管路输出高压油，所述流量传感器设在所述第二高压管路上，所述安全阀跨接在所述第二高压管路与所述低压管路之间，所述变量马达的吸油口与所述第二高压管路相连，所述变量马达的排油口与所述低压管路相连，所述变量马达的主轴通过所述第二传动轴与所述发电机的主轴同轴连接，所述第一多功能仪表设在所述发电机与所述电网之间，所述第二转速转矩传感器设在所述第二传动轴上，所述功率控制器的输入端分别与所述第一转速转矩传感器、第二转速转矩传感器、第一多功能仪表和风速传感器相连，所述功率控制器的输出端与所述电液比例节流阀的控制端相连，所述转速控制器的输入端分别与所述流量传感器、第二转速转矩传感器、第一多功能仪表和第二多功能仪表相连，所述转速控制器的输出端与所述变量马达相连，所述并网控制器和离网控制器的输入端均与所述第二转速转矩传感器相连，所述并网控制器和离网控制器的输出端均与所述中间继电器KA相连，所述常闭触点KA设在所述发电机与所述电网之间，所述常开触点KA跨接在所述常闭触点KA和电网的两端。

2.根据权利要求1所述的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统，其特征在于，还包括：第一单向阀、第二单向阀、溢流阀、补油泵和补油油箱；

所述补油泵的吸油口与所述补油油箱相连，所述补油泵的压油口分别与所述第一单向阀和第二单向阀的一端相连，所述第一单向阀的另一端与所述第一高压管路相连，所述第二单向阀的另一端与所述低压管路相连，所述溢流阀跨接在所述补油泵的压油口与所述补油油箱之间。

3.根据权利要求1所述的垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统，其特征在于，还包括：安全阀；

所述安全阀跨接在所述第二高压管路与所述低压管路之间。

4.一种垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当机组应用在电网普及的地区时，需要机组能够并网发电：

根据并网条件对机组输出的转速和功率的要求，在并网前，通过转速控制器控制变量马达的摆角；首先，转速控制器通过第二转速转矩传感器采集变量马达的转速、通过流量传感器采集第二高压管路的流量、通过第一多功能仪表采集电网的频率和电压，然后，转速控制器输出控制信号给变量马达，实现对变量马达摆角控制，控制变量马达输出的转速稳定在1500r/min±6r/min；

并网后，为确保机组输出的功率平滑，通过功率控制器控制电液比例节流阀的阀口开度；首先，功率控制器通过风速传感器采集风速、通过第一转速转矩传感器采集风轮转速、通过第一多功能仪表采集发电机输出的功率和电网的电压，然后，功率控制器输出控制信号给电液比例节流阀，实现对电液比例节流阀阀口开度的控制，进而控制第二高压管路的压力，以使机组输出的功率平滑；

通过第二转速转矩传感器输出转速和转矩给并网控制器26，并网控制器控制中间继电器KA28失电，常闭触点KA29闭合，常开触点KA30断开，机组并入电网，给负载供电。

当机组应用在远离电网的地区，故需要机组实现离网发电：

根据离网工况，针对用户对机组输出的转速的要求，在发电前，通过转速控制器控制变量马达的摆角；首先，转速控制器通过第二转速转矩传感器采集变量马达的转速、通过流量传感器采集第二高压管路的流量、通过第一多功能仪表采集发电机输出端的频率和电压、通过第二多功能仪表采集负载的用电频率，然后，转速控制器输出控制信号给变量马达，实现对变量马达摆角的控制，使变量马达输出的转速稳定；

发电后，通过转速控制器控制变量马达的摆角；首先，转速控制器通过第二多功能仪表采集负载的用电频率，然后，转速控制器输出控制信号给变量马达，实现对变量马达摆角的控制，使变量马达输出的转速满足负载对转速工频的需求；

通过第二转速转矩传感器输出转速和转矩给离网控制器，最终通过离网控制器控制中间继电器KA得电，常闭触点KA断开，常开触点KA闭合，机组离网发电供给负载。