CN110700996A - 一种具有自发电功能的风电变桨控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电领域，公开了一种具有自发电功能的风电变桨控制系统，包括设置在轮毂内的变桨控制系统和设置在机舱内的滑环，所述滑环与机舱电源电连接，还包括M台发电机和控制装置，所述控制装置用于检测所述发电机的电输出以控制所述发电机的电输出能够满足变桨控制系统的用电需求、选择所述发电机的电输出或滑环的电输出作为变桨控制系统的供电电源、将超出变桨控制系统的用电需求的所述发电机的输出的电量回馈给机舱，本发明还公开了一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的控制方法。有益效果为：变桨控制系统可在绝大部分的运行时间内实现自我供电，有效降低了风电机组的自耗电；可大幅降低滑环的电流负荷，提高滑环的使用寿命。

Description

一种具有自发电功能的风电变桨控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种具有自发电功能的风电变桨控制系统及其控制方法。
背景技术
伴随着全球煤矿、石油等有限资源的不断减少，火力发电受到各国的抵制，而水力发电的局限日益变大，故风能、核能、太阳能、潮汐能等新能源将进一步加大应用。火力发电不仅是对地球资源的消耗，同时也会造成空气的污染以及全球气温的升高，而风力发电具有无污染、可再生的特点，受到了广泛的关注。风能作为一种发展迅猛的清洁能源，在我国具有广阔的发展前景。
近年来，随着风电产业的高速发展，风电技术也不断推陈出新，支撑风电机组单机功率不断加大，而与机组配套的设备容量也相应增大，在整体发电量增加的同时自耗电也增加了，降低了设备效率和绿色环保性能。如何提高设备效率，增加风电机组发电量，进而提高发电效益，技术创新是必由之路。
变桨控制系统是风电机组关重部件之一，其主要作用是调整桨叶角度，稳定发电机转速，在保证安全的条件下使风电机组获取稳定风能。由于风速的快速多变特性，要稳定风机转速，需要实时改变桨叶角度位置，而桨叶自身重量加上风力作用，巨大的载荷需要变桨控制系统具有足够的输出功率以控制叶片角度，需要耗费大量能量。另外，传统变桨控制系统用电完全是通过滑环输送的，长时间大电流通电将大幅缩短滑环的使用寿命，增加机组运行成本。因此，解决变桨控制系统用电问题显得尤为重要。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种具有自发电功能的风电变桨控制系统及其控制方法，解决随着风电机组单机功率的不断增大，变桨控制系统耗能也将相应增大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种具有自发电功能的风电变桨控制系统，包括设置在轮毂内的变桨控制系统和设置在机舱内的滑环，所述滑环与机舱电源电连接，还包括M台发电机和控制装置，其中，M为不小于1的正整数，所述发电机的发电机轴通过连接装置与风机组主轴连接，所述风机组主轴上设置有转速传感器，所述控制装置的输入端分别与所述发电机的电输出端、滑环的电输出端以及所述转速传感器电连接，所述控制装置的输出端分别与所述发电机、变桨控制系统的电源输入端以及滑环的电输入端电连接，其中，所述控制装置用于检测所述发电机的电输出以控制所述发电机的电输出能够满足变桨控制系统的用电需求、选择所述发电机的电输出或滑环的电输出作为变桨控制系统的供电电源、将超出变桨控制系统的用电需求的所述发电机的输出的电量回馈给机舱。
作为优化，所述控制装置包括检测单元、逆变控制单元、励磁控制单元和切换控制单元；
所述检测单元的输入端与所述滑环的电输出端、发电机的电输出端以及转速传感器电连接；
所述检测单元的输出端与所述切换控制单元的控制端、励磁控制单元的输入端电连接；
所述励磁控制单元的输出端与所述发电机电连接；
所述切换控制单元的输入端分别与所述发电机的电输出端、滑环的电输出端电连接；
所述切换控制单元的输出端与所述变桨控制系统的电源输入端电连接；
所述逆变控制单元的输入端与所述发电机的电输出端电连接，所述逆变控制单元的输出端与所述滑环的电输入端电连接。
作为优化，所述连接装置包括联轴装置和/或增速齿轮箱。
作为优化，M台所述发电机设置在所述轮毂内和/或轮毂外，且M台所述发电机的功率合与变桨控制系统所需功率相匹配。
本发明还公开了一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、所述滑环的电输出端通过所述控制装置与变桨控制系统的电源输入端连接，使其对变桨控制系统进行供电使风机组启动；
S2、当风机组运行状态稳定后，所述控制装置对发电机施加励磁使发电机处于发电状态，且所述发电机的电输出端以及风机组主轴上的转速传感器与所述控制装置电连接；
S3、所述控制装置判断所述发电机的发电状态是否稳定且能满足变桨控制系统的用电需求，若是，则到步骤S4，若否，则继续等待发电机发电；
S4、所述控制装置将变桨控制系统切换成与发电机的电输出端连接；
S5、所述控制装置判断发电机的电输出端的电能是否超过变桨控制系统的用电需求，若超出，则启动电能回馈功能将超出变桨控制系统的电能回馈至机舱。
作为优化，在所述步骤S1-S5中，所述滑环的电输出端、发电机的电输出端均与所述控制装置中的切换控制单元输入端以及检测单元的输入端电连接，所述风机组主轴上的转速传感器与所述检测单元电连接；所述检测单元的输出端分别与所述控制装置中的励磁控制单元的输入端和切换控制单元的控制端电连接；所述励磁控制单元的输出端与发电机电连接；所述切换控制单元的输出端与变桨控制系统的电源输入端电连接；所述控制装置中的逆变控制单元的输入端与发电机的电输出端电连接，所述逆变控制单元的输出端与滑环的电输入端电连接。
作为优化，所述步骤S2的具体步骤如下：
S2.1、所述检测单元检测滑环的电输出端的输出值和转速传感器的转速值；
S2.2、当转速传感器的转速值达到额定转速并进入稳定运行状态时，触发励磁控制单元输出励磁电流给发电机使发电机处于发电状态；
S2.3、所述检测单元检测发电机的电输出端的输出值。。
作为优化，所述步骤S4中，当检测单元检测到发电机的电输出端满足变桨控制系统的发电需求时，触发切换控制单元将滑环的电输出端切换成发电机的电输出端与变桨控制系统的电源输入端连接。
作为优化，步骤S5中，当逆变控制单元检测到所述发电机的电输出端的电能超过变桨控制系统的用电需求，启动电能回馈功能将超出变桨控制系统的电能回馈至机舱。
本发明的有益效果是：
1、变桨控制系统可在绝大部分的运行时间内实现自我供电，有效降低了风电机组的自耗电，可产生良好的经济效益；
2、可大幅降低滑环的电流负荷，提高滑环的使用寿命，降低风电机组运行成本；
3、多余电能回馈电网，可为机组上其他用电设备提供能量，进一步降低机组自耗电及提高经济效益。
附图说明
图1为本发明所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的结构示意图；
图2为本发明所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的电气原理框图；
图3为图1或图2中的控制装置的电气原理框图。
附图中，1为控制装置，11为监测单元，12为逆变控制单元，13为励磁控制单元，14为切换控制单元，2为滑环，3为发电机，4为机舱电源，5为转速传感器，6为变桨控制系统，61为电源输入端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1-3，由于变桨控制系统实时运行于旋转的轮毂内，具有得天独厚的自发电条件，而且随着风机组单机功率的不断加大，轮毂的内在空间也能够满足发电设备的安装要求，因此本发明提供了一种具有自发电功能的风电变桨控制系统,包括设置在轮毂内的变桨控制系统6和设置在机舱内的滑环2，所述滑环2与机舱电源4电连接，机舱电源4通过滑环2给轮毂内的变桨控制系统6供电；还包括M台发电机3，其中，M为不小于1的正整数，根据风机组功率等级以及变桨控制系统6所需能量选取相应功率的一台或多台发电机组，发电机3的类型可根据发电机3的数量以及轮毂的形状和体积确定采用同步或异步发电机，安装在轮毂内或轮毂外的适当位置。所述发电机3的发电机轴通过连接装置与风机组主轴连接，所述风机组主轴上设置有转速传感器5，转速传感器也可以设置在风机组主轴附近可以测量风机组主轴的转速的位置，或者设置在发电机的输出轴或者设置在发电机的输出轴附近可以测量发电机组的输出轴的转速的位置。转速传感器可以根据实际需求选择不同类型的转速传感器，可采用激光式、电容式或电磁式或者其他适合的类型的转速传感器。本发明采用型号为：SZMB-9-B的风机测转速传感器。
本实施例中，所述连接装置可以为联轴装置和/或增速齿轮箱或者其他现有的连接器，联轴装置即联轴器。
本发明还配备一种控制装置1，用于检测所述发电机3的电输出以控制所述发电机3的电输出能够满足变桨控制系统的用电需求、选择所述发电机3的电输出或滑环3的电输出作为变桨控制系统的供电电源、将超出变桨控制系统的用电需求的所述发电机的输出的电量回馈给机舱，这里发电机的电输出和滑环的电输出均包括各自的电压值、电流值和频率值，其中，所述控制装置1的输入端分别与所述发电机3的电输出端、滑环2的电输出端以及所述转速传感器5电连接，所述控制装置1的输出端分别与所述发电机3、变桨控制系统6的电源输入端61以及滑环2的电输入端电连接。
本实施例中，所述控制装置1包括检测单元11、逆变控制单元12、励磁控制单元13和切换控制单元14；即本发明的控制装置是集电压电流频率检测、输出切换控制、发电机转速检测、励磁控制以及逆变控制等功能于一体的复合控制单元。
所述检测单元11的输入端与所述滑环的电输出端、发电机的电输出端以及转速传感器电连接；
所述检测单元11的输出端与所述切换控制单元的控制端、励磁控制单元的输入端电连接；
所述励磁控制单元13的输出端与所述发电机电连接；
所述切换控制单元14的输入端分别与所述发电机的电输出端、滑环的电输出端电连接；
所述切换控制单元14的输出端与所述变桨控制系统的电源输入端电连接；
所述逆变控制单元12的输入端与所述发电机的电输出端电连接，所述逆变控制单元的输出端与所述滑环的电输入端电连接。
这里的检测单元用于检测滑环的电流值、电压值和频率值以及发电机的电流值、电压值和频率值和转速传感器的转速值，均采用现有的电流、电压、频率、转速检测单元来合成，例如：运用电流电压检测仪、频率检测仪，借鉴市面上品牌为新锐Newre、型号为VIP-2009的数字式电阻测量仪表的电路来实现检测单元来检测滑环和发电机的电流电压检测，又例如可以借鉴专利号为“201420411279.8”、专利名称为电源频率检测器的电路来实现检测滑环和发电机的频率，可以通过借鉴专利号为“201210102687.0”、专利名称为“一种肥淡季转速检测方法及装置”来实现检测发电机的转速。
励磁控制单元用于对发电机的定子施加励磁电流，给发电机的提供工作磁场，励磁控制单元可以由励磁电路和控制器组成，例如借鉴专利号为：
“201410793997.0”、专利名称为“一种励磁电路”来实现对发电机施加励磁电流，控制器可以为单片机或PLC或ARM控制器，通过控制器接收检测单元检测到的转速传感器的转速值来触发励磁电路，当控制器接收到检测单元检测到的转速值达到某值且稳定一段时间后，控制器触发励磁电路对发电机施加励磁电流。这里转速值达到某值且稳定一段时间可以根据风机组的实际情况来设置。
切换控制单元用于切换变桨控制系统的电源输入端与滑环的电输出端连接或与发电机的电输出端连接。切换控制单元可以由开关电路和控制器组成，开关电路可以选择最简单的继电器，也可以选择较为复杂但稳定性高的开关电路，例如专利号为“201410042735.0”、专利名称为“开关电路”来实现对变桨控制系统的电源输入端的连接端进行选择，控制器可以为单片机或PLC或ARM控制器，通过控制器接收检测单元检测到的发电机的电流值、电压值和频率值来触发切换控制单元进行切换与变桨控制系统的电源输入端的连接端，当控制器接收到发电机的电流值、电压值和频率值达到某值且稳定一段时间后，控制器触发切换控制单元将变桨控制系统的电源输入端的连接端由滑环的电输出端切换成发电机的电输出端。这里发电机的电流值、电压值和频率值达到某值且稳定一段时间可以根据风机组的实际情况来设置。
逆变控制单元用于将发电机的电输出端输出的超出变桨控制系统的电能回馈至机舱，为风机组其他用电设备提供电能或输送至电网，增加风机组的发电量。逆变控制单元可以由逆变电路和控制器组成，例如借鉴专利号为“201721734777.6”、专利名称为“能源回馈型三相并网逆变器”来实现将发电机的电输出端输出的超出变桨控制系统的电能回馈至机舱，控制器可以为单片机或PLC或ARM控制器，通过控制器接收发电机的电输出端的电流值、电压值，给控制器设定一阈值，若发电机的电输出端的电能超出此阈值并稳定一段时间，则控制器触发逆变电路将超出此阈值的电能通过滑环的点输入端输送至机舱，这里的电能是指电以各种形式做功(即产生能量)的能力。电能公式为W＝UIt＝Pt，其中，W为发电机的电能，U为发电机的电输出端输出的电压，I为发电机的电输出端输出的电流，t为时间，P为发电机的功率。
本发明还提供一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的控制方法，首先要说明的是，本发明的控制方法中包括控制装置1，控制装置1包括检测单元11、逆变控制单元12、励磁控制单元13和切换控制单元14，所述滑环2的电输出端、发电机3的电输出端均与所述控制装置1中的切换控制单元14输入端以及检测单元11的输入端电连接，风机组主轴上的转速传感器与所述检测单元电连接；所述检测单元的输出端分别与所述控制装置中的励磁控制单元的输入端和切换控制单元的控制端电连接；所述励磁控制单元的输出端与发电机电连接；所述切换控制单元的输出端与变桨控制系统的电源输入端电连接；所述控制装置中的逆变控制单元的输入端与发电机的电输出端电连接，所述逆变控制单元的输出端与滑环的电输入端电连接。
包括如下步骤：
S1、所述滑环2的电输出端通过所述控制装置1与变桨控制系统6的电源输入端61连接，使其对变桨控制系统6进行供电使风机组启动，也就是说滑环2的电输出端通过控制装置1中的切换控制单元14与变桨控制系统6的电源输入端61进行连接。当风机组处于停机、待机、启动以及运行状态初期时，轮毂用电由机舱通过滑环提供。
S2、当风机组运行状态稳定后，所述控制装置对发电机施加励磁使发电机处于发电状态，且所述发电机的电输出端以及风机组主轴的转子上的转速传感器与所述控制装置电连接；
具体为：S2.1、所述检测单元检测滑环的电输出端的输出值和转速传感器的转速值；这里滑环的电输出端的输出值包括滑环的输出电压值、输出电流值和滑环的输出频率值，滑环的输出频率值也就是机舱电源的频率值。
S2.2、当转速传感器的转速值达到额定转速并进入稳定运行状态时，触发励磁控制单元输出励磁电流给发电机使发电机处于发电状态；转速值达到额定转速并进入稳定运行状态也就是说名风机组主轴的转速达到额定速度并进入稳定状态。励磁控制单元输出励磁电流给发电机的定子，给发电机提供工作磁场，风机组主轴带动发电机的转子转动，从而使发电机处于发电状态。
S2.3、所述检测单元检测发电机的电输出端的输出值。当发电机开始发电的时候，从发电机的电输出端输出电流、电压和频率，从而检测单元可以检测到发电机的电输出端的输出值。
S3、所述控制装置判断所述发电机的发电状态是否稳定且能满足变桨控制系统的用电需求，若是，则到步骤S4，若否，则继续等待发电机发电；
S4、所述控制装置将变桨控制系统切换成与发电机的电输出端连接；
本实施例中，所述步骤S4中，当检测单元检测到发电机的电输出端满足变桨控制系统的发电需求时，触发切换控制单元将滑环的电输出端切换成发电机的电输出端与变桨控制系统的电源输入端连接，滑环不再供电。
S5、所述控制装置判断发电机的电输出端的电能是否超过变桨控制系统的用电需求，若超出，则启动电能回馈功能将超出变桨控制系统的电能回馈至机舱。
本实施例中，步骤S5中，当逆变控制单元检测到所述发电机的电输出端的电能超过变桨控制系统的用电需求，启动电能回馈功能将超出变桨控制系统的电能回馈至机舱，为风机组的其他用电设备提供电能或输送至电网，增加风机组的发电量。
本发明实现的技术方案如下：
当风电机组处于停机、待机、启动以及运行状态初期时，轮毂用电由机舱通过滑环提供。当风电机组处于稳定运行状态时，控制装置开始向发电机转子施加励磁，启动发电机发电，安装在轮毂内的发电机通过联轴装置或增速齿轮箱与风电机组主轴相连接，轮毂转动将带动发电机转子旋转，施加励磁可使发电机处于发电状态。发电机输出的电源和滑环输入的电源同时接入控制装置，控制装置分别对两路电源进行检测，当发电机能稳定输出且能满足变桨控制系统用电需求时，将滑环供电切换为发电机供电，从而实现变桨控制系统自发电功能。当发电量大于变桨控制系统用电量时，控制装置可将多余电量回馈机舱，为机组其他用电设备提供电能或输送至电网，增加风电机组发电量。
该控制装置是集输入电压电流频率检测、输出切换控制、发电机转速检测、励磁控制以及逆变控制等功能于一体的复合控制单元。控制装置对输入的两路电源的电压、电流、频率以及发电机转速进行实时检测，以确定发电机是否满足发电条件。当发电机转速达到额定转速并进入稳定运行状态时，控制装置逐步输出励磁电流，启动发电机，并将发电机发出的电能通过逆变控制回馈至机舱电网，当控制装置检测到发电机已经达到稳定运行状态并能够满足变桨控制系统用电需求时，将输出电源切换为发电机输出，滑环不再供电。逆变控制单元可实时检测发电机发出的电能是否超过变桨控制系统的用电需求，适时启动电能回馈功能。
最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等统计数的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种具有自发电功能的风电变桨控制系统，包括设置在轮毂内的变桨控制系统和设置在机舱内的滑环，所述滑环与机舱电源电连接，其特征在于，还包括M台发电机和控制装置，其中，M为不小于1的正整数，所述发电机的发电机轴通过连接装置与风机组主轴连接，所述风机组主轴上设置有转速传感器，所述控制装置的输入端分别与所述发电机的电输出端、滑环的电输出端以及所述转速传感器电连接，所述控制装置的输出端分别与所述发电机、变桨控制系统的电源输入端以及滑环的电输入端电连接，其中，所述控制装置用于检测所述发电机的电输出以控制所述发电机的电输出能够满足变桨控制系统的用电需求、选择所述发电机的电输出或滑环的电输出作为变桨控制系统的供电电源、将超出变桨控制系统的用电需求的所述发电机的输出的电量回馈给机舱。
2.根据权利要求1所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统，其特征在于，所述控制装置包括检测单元、逆变控制单元、励磁控制单元和切换控制单元；
所述检测单元的输入端与所述滑环的电输出端、发电机的电输出端以及转速传感器电连接；
所述检测单元的输出端与所述切换控制单元的控制端、励磁控制单元的输入端电连接；
所述励磁控制单元的输出端与所述发电机电连接；
所述切换控制单元的输入端分别与所述发电机的电输出端、滑环的电输出端电连接；
所述切换控制单元的输出端与所述变桨控制系统的电源输入端电连接；
所述逆变控制单元的输入端与所述发电机的电输出端电连接，所述逆变控制单元的输出端与所述滑环的电输入端电连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统，其特征在于，所述连接装置包括联轴装置和/或增速齿轮箱。
4.根据权利要求1所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统，其特征在于，M台所述发电机设置在所述轮毂内和/或轮毂外，且M台所述发电机的功率合与变桨控制系统所需功率相匹配。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统，其特征在于，M台所述发电机为同步发电机或异步发电机。
6.一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-5所述的具有自发电功能的风电变桨控制系统，包括如下步骤：
S1、所述滑环的电输出端通过所述控制装置与变桨控制系统的电源输入端连接，使其对变桨控制系统进行供电使风机组启动；
S2、当风机组运行状态稳定后，所述控制装置对发电机施加励磁使发电机处于发电状态，且所述发电机的电输出端以及风机组主轴上的转速传感器与所述控制装置电连接；
S3、所述控制装置判断所述发电机的发电状态是否稳定且能满足变桨控制系统的用电需求，若是，则到步骤S4，若否，则继续等待发电机发电；
S4、所述控制装置将变桨控制系统切换成与发电机的电输出端连接；
S5、所述控制装置判断发电机的电输出端的电能是否超过变桨控制系统的用电需求，若超出，则启动电能回馈功能将超出变桨控制系统的电能回馈至机舱。
7.如权利要求6所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤S1-S5中，所述滑环的电输出端、发电机的电输出端均与所述控制装置中的切换控制单元输入端以及检测单元的输入端电连接，所述风机组主轴上的转速传感器与所述检测单元电连接；所述检测单元的输出端分别与所述控制装置中的励磁控制单元的输入端和切换控制单元的控制端电连接；所述励磁控制单元的输出端与发电机电连接；所述切换控制单元的输出端与变桨控制系统的电源输入端电连接；所述控制装置中的逆变控制单元的输入端与发电机的电输出端电连接，所述逆变控制单元的输出端与滑环的电输入端电连接。
8.如权利要求7所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤如下：
S2.1、所述检测单元检测滑环的电输出端的输出值和转速传感器的转速值；
S2.2、当转速传感器的转速值达到额定转速并进入稳定运行状态时，触发励磁控制单元输出励磁电流给发电机使发电机处于发电状态；
S2.3、所述检测单元检测发电机的电输出端的输出值。
9.如权利要求7所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，当检测单元检测到发电机的电输出端满足变桨控制系统的发电需求时，触发切换控制单元将滑环的电输出端切换成发电机的电输出端与变桨控制系统的电源输入端连接。
10.如权利要求7所述的一种具有自发电功能的风电变桨控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S5中，当逆变控制单元检测到所述发电机的电输出端的电能超过变桨控制系统的用电需求，启动电能回馈功能将超出变桨控制系统的电能回馈至机舱。
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