CN105545594B - 一种风力发电机制动能量回收利用系统 - Google Patents

一种风力发电机制动能量回收利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机制动能量回收利用系统，在原变桨距风力发电机系统上增加一个飞轮储能模块，通过单片机控制模块依据速度传感器检测数据实时控制风力发电机的飞轮储能模块工作状态；当风速高于风力发电机设定的上限风速时，飞轮储能模块通过电磁离合器把风机制动的机械能转化为飞轮旋转的机械能；当风速低于风力发电机设定的下限风速时，通过电磁离合器把飞轮的机械能转化为风机的机械能。本发明使风力发电机的制动能量能够合理有效的利用，大大提高了风力发电机的风能利用效率。

Description

一种风力发电机制动能量回收利用系统
技术领域
本发明涉及风力发电机功率控制技术领域，具体涉及大型风力发电机制动能量回收利用方法。
背景技术
风能作为可再生清洁能源，其蕴含量巨大；是替代化石燃料最主要的能源之一。风力发电机技术越来越受到各个国家的大力发展。
自然界的风速变化波动很大，风力发电机负载发电对风速有一定的要求，风力发电机的旋转轴的输出功率是关于风速的三次方的函数，而风力发电机负载发电对风速有一定的要求，现有的风力发电机系统，当风速超过其额定风速时，通过变桨距系统使风力发电机在额定转速旋转，从而使风力发电机的效率大大降低，造成风力发电机能量的大量浪费。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种能够对风力发电机制动能量回收利用的系统。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种风力发电机制动能量回收利用系统，包括实时监控风力发电机输出参数和飞轮储能模块的输出参数的控制模块、飞轮储能模块、变桨距模块，控制模块根据风力发电机输出参数的大小和飞轮储能模块输出参数的大小对飞轮储能模块、变桨距模块执行控制动作，飞轮储能模块包括飞轮、速度传感器Ⅰ、电磁离合器，电磁离合器一端连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上，另一端连接于飞轮的转动轴上，速度传感器Ⅱ安装在飞轮的转动轴上。
本发明的进一步改进在于：风力发电机输出参数为风力发电机组传动系统轴转速。
本发明的进一步改进在于：风力发电机组传动系统轴转速为风力发电机组的传动系统高速轴转速。
本发明的进一步改进在于：所述风力发电机输出参数包括所述风力发电机组传动系统轴的转速、风力发电机工作电流、风力发电机工作电压。
本发明的进一步改进在于：飞轮储能模块输出参数为飞轮的转速。
本发明的进一步改进在于：风力发电机控制模块是单片机，速度传感器Ⅰ、速度传感器Ⅱ分别接入单片机的输入端，电磁离合器接入单片机的输出端；飞轮储能模块通过电磁离合器连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上；速度传感器Ⅰ实时监控风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴的转速；速度传感器Ⅱ实时监测飞轮的转速；单片机控制模块依据速度传感器Ⅰ、速度传感器Ⅱ检测数据实时控制风力发电机的飞轮储能模块、变桨距模块的工作状态。
本发明的进一步改进在于：单片机实时控制飞轮是否连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上，分为飞轮储能动作和飞轮释能动作。
本发明的进一步改进在于：飞轮储能动作是单片机逻辑判断控制，其判断步骤为：
（1）、设置电磁离合器的初始状态，使电磁离合器断电，此时飞轮不连接风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上；
（2）、判断速度传感器Ⅰ指示的速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（3）、如果速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的上限转速V2，则返回第一步骤；
（4）、如果速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的上限转速V2，则判断速度传感器Ⅱ值是否小于飞轮储存器设定的上限速度值P2；
（5）、如果速度传感器Ⅱ值不小于飞轮储存器设定的上限速度值P2，则对电磁离合器进行断电动作，使高速轴与飞轮的转动轴断开，通过变桨距对风力发电机的转速进行控制；
（6）、如果速度传感器Ⅱ值小于飞轮储存器设定的上限速度值P2，则对电磁离合器进行通电动作，使高速轴与飞轮的转动轴连接，增加高速轴的载荷，从而风力发电机开始减速，并延时一段时间；
（7）、重新判断所述速度传感器Ⅰ指示的速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（8）、如果速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的上限转速V2，则对电磁离合器进行断电动作，并延时一段时间，之后返回第二步骤；
（9）、如果速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的上限转速V2，则返回到第四步骤。
本发明的进一步改进在于：飞轮释能动作是单片机逻辑判断控制，其中上限速度值P2大于下限速度值P1、上限转速V2大于上限转速V1；其判断步骤为：
（1）、设置电磁离合器的初始状态，使电磁离合器断电；
（2）、判断速度传感器Ⅰ指示的速度是否小于高速轴设定的下限转速V1；
（3）、速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的下限转速V1，则返回第一步骤；
（4）、速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的下限转速V1，则判断速度传感器Ⅱ值是否大于飞轮储存器设定的下限速度值P1；
（5）、速度传感器Ⅱ值小于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则对电磁离合器进行断电动作，使高速轴与飞轮的转动轴断开连接；
（6）、速度传感器Ⅱ值大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则对电磁离合器进行通电动作，使高速轴与飞轮的转动轴连接；飞轮带动高速轴，增加高速轴的转速，延时一段时间；
（7）、重新判断速度传感器Ⅱ是否大于设定的下限值P1；
（8）、速度传感器Ⅱ大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则返回第六步骤；
（9）、速度传感器Ⅱ不大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，关闭电磁离合器，延时一段时间，然后返回第二步骤。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明提供一种能够对风力发电机制动能量进行回收利用的方法，本风力发电机的制动系统能够对风力发电机转动系统速度进行控制，并且把风力发电机转动系统速度过快时能量进行储存，当风力发电机转动系统速度过慢时储存的能量进行释放，以增加风力发电机转动系统速度。本发明使风力发电机的制动能量能够合理有效的利用。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中飞轮储能动作的逻辑判断图；
图3是本发明中飞轮释能动作的逻辑判断图；
图中标号：1-风力发电机叶片、2-齿轮箱、3-速度传感器Ⅰ、4-电磁离合器、5-高速轴、6-发电机、7-制动盘、8-制动钳体、9-飞轮的转动轴、10-速度传感器Ⅱ。
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。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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。
如图1示出了本发明一种风力发电机制动能量回收利用系统的一种实施方式，本发明提供一种能够对风力发电机效率最大化的方法，在原有的变桨距风力发电机系统中增加单片机控制模块，飞轮储能模块。当风速超过其额定风速的110%时，使飞轮通过电磁离合器连接到风力发电机的转动轴上，从而使转动轴速度下降。当风速低于其额定风速的60%时，使飞轮通过电磁离合器连接到风力发电机的转动轴上，从而使转动轴速度增大。本发明使风力发电机的速度控制的能量合理有效的利用，大大提高了风力发电机的风能利用效率。
飞轮储能模块含有速度传感器Ⅱ10、电磁离合器4、飞轮。电磁离合器4一端连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上，另一端连接于飞轮9上，速度传感器Ⅱ10安装在飞轮的转动轴9上。飞轮的支撑轴承选用磁悬浮轴承，可以最大限度的减少飞轮储能的消耗。
单片机控制模块是51系列单片机。速度传感器Ⅰ3、速度传感器Ⅱ10分别接入单片机的输入端P0.0；P0.1。电磁离合器4接入单片机的输出端P1.0。
如图2所示，当风速超过其额定风速的110%时，飞轮储能模块动作逻辑判断包含以下步骤：
（1）设置电磁离合器的初始状态，使所述电磁离合器断电。此时飞轮不连接风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上；
（2）判断速度传感器Ⅰ指示的速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（3）如果速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的上限转速V2，则返回步骤（1）；
（4）如果速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的上限转速V2，则判断速度传感器Ⅱ值是否小于飞轮储存器设定的上限速度值P2；
（5）如果速度传感器Ⅱ值不小于飞轮储存器设定的上限速度值P2。则对电磁离合器进行断电动作，使高速轴与飞轮的转动轴断开。通过变桨距对风力发电机的转速进行控制；
（6）如果速度传感器Ⅱ值小于飞轮储存器设定的上限速度值P2。则对电磁离合器进行通电动作，使高速轴与飞轮的转动轴连接，从而风力发电机开始减速。并延时一段时间；
（7）重新判断速度传感器Ⅰ指示的速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（8）如果速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的上限转速V2，则对电磁离合器进行断电动作，并延时一段时间，之后返回步骤（2）；
（9）如果速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的上限转速V2，则返回到步骤（4）。
如图3所示，当风速低于其额定风速的60%时，其中上限速度值P2大于下限速度值P1、上限转速V2大于上限转速V1。飞轮释能动作逻辑判断包含以下步骤：
（1）设置电磁离合器的初始状态，使所述电磁离合器断电；
（2）判断速度传感器Ⅰ指示的速度是否小于高速轴设定的下限转速V1；
（3）如果速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的下限转速V1，则返回步骤（1）；
（4）如果速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的下限转速V1，则判断所述速度传感器Ⅱ值是否大于飞轮储存器设定的下限速度值P1；
（5）如果速度传感器Ⅱ值小于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则对电磁离合器进行断电动作，使高速轴与飞轮的转动轴断开连接；
（6）如果速度传感器Ⅱ值大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则对电磁离合器进行通电动作，使高速轴与飞轮的转动轴连接；飞轮带动高速轴，增加高速轴的转速，延时一段时间；
（7）重新判断所述速度传感器Ⅱ是否大于设定的下限值P1；
（8）如果速度传感器Ⅱ大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则返回步骤（6）；
（9）如果速度传感器Ⅱ不大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，关闭电磁离合器，延时一段时间，然后返回步骤（2）。
在原变桨距风力发电机系统上增加一个飞轮储能模块，通过单片机控制模块依据速度传感器检测数据实时控制风力发电机的飞轮储能模块工作状态；当风速高于风力发电机设定的上限风速时，飞轮储能模块通过电磁离合器把风力发电机制动的机械能转化为飞轮旋转的机械能；当风速低于风力发电机设定的下限风速时，通过电磁离合器把飞轮的机械能转化为风力发电机的机械能。本发明使风力发电机的制动能量能够合理有效的利用，大大提高了风力发电机的风能利用效率。
最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (7)

1.一种风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述风力发电机制动能量回收利用系统包括实时监控风力发电机输出参数和飞轮储能模块的输出参数的控制模块、飞轮储能模块、变桨距模块，所述控制模块根据所述风力发电机输出参数的大小和所述飞轮储能模块输出参数的大小对飞轮储能模块、变桨距模块执行控制动作，飞轮储能模块包括飞轮、速度传感器Ⅱ、电磁离合器，所述电磁离合器一端连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上，另一端连接于所述飞轮的转动轴上，速度传感器Ⅱ安装在飞轮的转动轴上；所述控制模块是单片机，速度传感器Ⅰ、速度传感器Ⅱ分别接入单片机的输入端，所述电磁离合器接入单片机的输出端；飞轮储能模块通过电磁离合器连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上；所述速度传感器Ⅰ实时监控风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴的转速；所述速度传感器Ⅱ实时监测飞轮的转速；单片机控制模块依据速度传感器Ⅰ、速度传感器Ⅱ检测数据实时控制风力发电机的飞轮储能模块、变桨距模块的工作状态；
飞轮储能动作是单片机逻辑判断控制，其判断步骤为：
（1）、设置所述电磁离合器的初始状态，使所述电磁离合器断电，此时飞轮不连接风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上；
（2）、判断所述速度传感器Ⅰ指示的速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（3）、如果所述速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的上限转速V2，则返回第一步骤；
（4）、如果所述速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的上限转速V2，则判断所述速度传感器Ⅱ值是否小于飞轮储存器设定的上限速度值P2；
（5）、如果所述速度传感器Ⅱ值不小于飞轮储存器设定的上限速度值P2，则对电磁离合器进行断电动作，使高速轴与飞轮的转动轴断开，通过变桨距对风力发电机的转速进行控制；
（6）、如果所述速度传感器Ⅱ值小于飞轮储存器设定的上限速度值P2，则对电磁离合器进行通电动作，使高速轴与飞轮的转动轴连接，增加高速轴的载荷，从而风力发电机开始减速，并延时一段时间；
（7）、重新判断所述速度传感器Ⅰ指示的速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（8）、如果所述速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的上限转速V2，则对电磁离合器进行断电动作，并延时一段时间，之后返回第二步骤；
（9）、如果所述速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的上限转速V2，则返回到第四步骤。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述风力发电机输出参数为所述风力发电机组传动系统轴转速。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述风力发电机组传动系统轴转速为风力发电机组的传动系统高速轴转速。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述风力发电机输出参数包括所述风力发电机组传动系统轴的转速、风力发电机工作电流、风力发电机工作电压。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述飞轮储能模块输出参数为飞轮的转速。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述单片机实时控制飞轮是否连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上，所述单片机的实时控制分为飞轮储能动作和飞轮释能动作。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述飞轮释能动作是单片机逻辑判断控制，其中上限速度值P2大于下限速度值P1、上限转速V2大于上限转速V1；其判断步骤为：
（1）、设置所述电磁离合器的初始状态，使所述电磁离合器断电；
（2）、判断所述速度传感器Ⅰ指示的速度是否小于高速轴设定的下限转速V1；
（3）、如果所述速度传感器Ⅰ指示的速度大于高速轴设定的下限转速V1，则返回第一步骤；
（4）、如果所述速度传感器Ⅰ指示的速度小于高速轴设定的下限转速V1，则判断所述速度传感器Ⅱ值是否大于飞轮储存器设定的下限速度值P1；
（5）、如果所述速度传感器Ⅱ值小于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则对电磁离合器进行断电动作，使高速轴与飞轮的转动轴断开连接；
（6）、如果所述速度传感器Ⅱ值大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则对电磁离合器进行通电动作，使高速轴与飞轮的转动轴连接；飞轮带动高速轴，增加高速轴的转速，延时一段时间；
（7）、重新判断所述速度传感器Ⅱ是否大于设定的下限值P1；
（8）、速度传感器Ⅱ大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，则返回第六步骤；
（9）、速度传感器Ⅱ不大于飞轮储存器设定的下限速度值P1，关闭电磁离合器，延时一段时间，然后返回第二步骤。
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