CN111306000B - 垂直轴风力发电设备控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风力发电技术领域，公开了一种高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备、控制系统及方法，所述高效大功率垂直轴低噪音风力发电控制系统包括：数据采集模块、通信模块、主控模块、制动模块、并网模块、电压采集单元、电流采集单元、转速传感单元、风速采集单元、数据监控模块、数据管理模块、数据显示输出模块、异常检测模块、报警信号输出模块和远程通信模块。本发明通过远程通信输出模块与通信模块进行数据交互，将监测信息通过远程的监控终端进行显示。本发明能够实时对整体装置的运行状态采集相应的数据，并且能够根据采集的数据，对整体装置的故障状态进行判断，保证整体装置的正常运行。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备、控制系统及方法。
背景技术
目前，随着经济的发展，能源问题越来越得到重视。不可再生能源越来越走向枯竭，另外不可再生能源的利用随之而来的环境污染也影响着地球环境。科技的发展使清洁能源的普及成为可能。风能作为一种清洁可再生的能源成为了科学研究的重点。各个国家都相继加大对风力发电机组的投入，大力开发清洁能源。由于大型风电机组的风力机扫掠面积更大、风能利用率相对更高，因此可以将更多的风能转化为电能。但是现有的风力发电设备在使用过程中，根据检测的风力发电设备运行数据，不能及时识别风力发电设备故障信息，造成风力发电设备不能及时得到维护和检修。同时现有的风力发电设备在使用过程中，需要安装相应的偏航装置，造成了风力发电设备结构复杂，不方便进行维护和检修。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的风力发电设备在使用过程中，根据检测的风力发电设备运行数据，不能及时识别风力发电设备故障信息，造成风力发电设备不能及时得到维护和检修。
(2)现有的风力发电设备在使用过程中，需要安装相应的偏航装置，造成了风力发电设备结构复杂，不方便进行维护和检修。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备、控制系统及方法。
本发明是这样实现的，一种高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制方法，所述高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制方法，包括：
步骤一，数据采集模块中的电压采集单元通过电压传感器对发电设备的输出电压信息进行采集，电流采集单元通过电流传感器对发电设备的输出电流信息进行采集，转速传感单元通过转速传感器对多绕组异步变极发电机的转速进行采集，风速采集单元通过风速传感器对实时风速进行检测；同时将采集信息发送到主控模块；
步骤二，根据采集的数据，主控模块通过工控机对风力发电设备的运转数据进行处理和对整体运转进行控制；
步骤三，在控制的过程中，数据管理模块将采集到的数据定时存储到数据库，对系统故障、异常与系统操作进行编号存储；数据显示输出模块，输出实时采集的风电设备的数据传递到显示器中，进行实时显示；
步骤四，异常检测模块对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常；当判断设备运行不正常时，报警信号输出模块输出相应的指令控制报警器进行进行报警；远程通信输出模块与通信模块进行数据交互，将监测信息通过远程的监控终端进行显示；
步骤五，主控模块对数据处理完成后，通信模块通过CAN总线实现现场设备间的串行、双向、多点式的数字通信；制动模块根据控制指令通过制动器对发电设备的转动速度进行外力干预；并网模块通过并网逆变器将风力发电设备产生的电力输送到公共电网。
进一步，所述步骤一中，数据采集模块对采集的数据进行融合的方法，包括：
根据电压采集单元、电流采集单元、转速传感单元和风速采集单元利用传感器采集的电信号数据，建立相应的数据集；
利用相应的特征提取算法，从数据集提取目标数据特征；根据提取的目标数据特征，利用融合算法获取融合目标特征量，并且进行目标分类识别。
进一步，所述步骤一中，数据采集模块对采集的数据信号进行去噪的过程为：
根据电压采集单元、电流采集单元、转速传感单元和风速采集单元利用传感器采集的电信号数据，建立相应的数据集；
根据相应的数据集，进行小波变换，计算各层的小波系数；
根据小波系数数据，建立相应的系数集，并且进行阈值处理，得到相应的估计系数；
根据估计系数，对相应的信号进行重构。
进一步，所述步骤四中，异常检测模块对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常的具体过程为：
根据采集的数据，根据设备运行机理建立精确的数学模型来估计系统输出，并将之与预设数据值比较，获得残差数集；
根据残差数集，进行残差评价，对残差进行分析以确定过程是否发生故障，并进一步辨识故障类型。
本发明另一目的在于提供一种实施所述的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制方法的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制系统，所述高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制系统包括：
数据采集模块，用于通过多个不同功能的传感器对设备的运转参数进行采集，并将采集信息发送到主控模块；
通信模块，用于通过CAN总线实现现场设备间的串行、双向、多点式的数字通信；
主控模块，用于通过工控机对风力发电设备的运转数据进行处理和对整体运转进行控制；
制动模块，用于根据控制指令通过制动器对发电设备的转动速度进行外力干预；
并网模块，用于通过并网逆变器将风力发电设备产生的电力输送到公共电网；并网监控系统与多个并网逆变器连接，用于对信息的整理、数据存储、信息分析、报警、登记、紧急控制。
进一步，所述数据采集模块包括：
电压采集单元，用于通过电压传感器对发电设备的输出电压信息进行采集；
电流采集单元，用于通过电流传感器对发电设备的输出电流信息进行采集；
转速传感单元，用于通过转速传感器对多绕组异步变极发电机的转速进行采集；
风速采集单元，用于通过风速传感器对实时风速进行检测。
进一步，所述主控模块设置有数据监控模块包括：
数据管理模块，将采集到的数据定时存储到数据库，对系统故障、异常与系统操作进行编号存储；
数据显示输出模块，输出实时采集的风电设备的数据传递到显示器中，进行实时显示；
异常检测模块，对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常；
报警信号输出模块，当判断设备运行不正常时，输出相应的指令控制报警器进行进行报警；
远程通信输出模块，用于与通信模块进行数据交互，将监测信息通过远程的监控终端进行显示。
本发明另一目的在于提供一种实施所述高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制方法的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备，所述高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备设置有支撑框架，支撑框架中间焊接有套管，套管内部通过轴承连接固定有垂直轴；
垂直轴外侧通过焊接的多个连接筋与支撑框架连接，支撑框架外周焊接有多个螺旋状叶片，螺旋状叶片的里端与连接筋的中间焊接固定；
垂直轴下端通过传动齿轮与多绕组异步变极发电机联接，多绕组异步变极发电机通过连接线路与控制系统连接。
进一步，所述支撑框架外侧通过螺栓固定有多个支撑杆，支撑杆外端通过铰轴固定有弧形固定桩。
进一步，所述支撑框架顶端通过螺栓固定有圆盘，圆盘上端嵌装有警示灯。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)本发明中数据采集模块通过多个不同功能的传感器对设备的运转参数进行采集，并将采集信息发送到主控模块；通信模块通过CAN总线实现现场设备间的串行、双向、多点式的数字通信；制动模块根据控制指令通过制动器对发电设备的转动速度进行外力干预；并网模块通过并网逆变器将风力发电设备产生的电力输送到公共电网。同时数据采集模块实现对发电设备的输出电压信息进行采集，对发电设备的输出电流信息进行采集，对多绕组异步变极发电机的转速进行采集；对实时风速进行检测。本发明通过数据管理模块将采集到的数据定时存储到数据库，对系统故障、异常与系统操作进行编号存储；异常检测模块对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常；当判断设备运行不正常时，报警信号输出模块输出相应的指令控制报警器进行进行报警；远程通信输出模块与通信模块进行数据交互，将监测信息通过远程的监控终端进行显示。本发明能够实时对整体装置的运行状态采集相应的数据，并且能够根据采集的数据，对整体装置的故障状态进行判断，保证整体装置的正常运行。
(2)本发明中数据采集模块对采集的数据进行融合的方法，既能保持足够数量的目标有效信息，去除冗余信息，又提高了目标识别的精确性。
(3)本发明中数据采集模块对采集的数据信号进行去噪方法，为后续对数据分析提供清晰的数据信号数据。
(4)本发明中异常检测模块对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常的方法，能够快速识别故障的类型。
(5)本发明通过螺旋形的叶片能够捕获任何方向的来流，提高风能的利用率，不需要复杂的偏航装置；风力机的结构相对简单，方便维护和检修，可以极大的降低维护成本；同时通过设置有对风电并网系统，可以实时监控所需监控系统，并且对风电设备进行更好的监控与保护，保障风电系统的正常运行。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备结构示意图。
图中：1、支撑框架；2、套管；3、垂直轴；4、连接筋；5、叶片；6、支撑杆；7、弧形固定桩；8、圆盘；9、警示灯。
图2是本发明实施例提供的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制系统结构示意图。
图中：10、数据采集模块；11、通信模块；12、主控模块；13、制动模块； 14、并网模块。
图3是本发明实施例提供的数据采集模块结构示意图。
图中：15、电压采集单元；16、电流采集单元；17、转速传感单元；18、风速采集单元。
图4是本发明实施例提供的数据监控模块结构示意图。
图中：19、数据监控模块；20、数据管理模块；21、数据显示输出模块； 22、异常检测模块；23、报警信号输出模块；24、远程通信模块。
图5是本发明实施例提供的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备、控制系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备包括：支撑框架1、套管2、垂直轴3、连接筋4、叶片5、支撑杆6、弧形固定桩7、圆盘8、警示灯9。
支撑框架1中间焊接有套管2，套管2内部通过轴承连接固定有垂直轴3，垂直轴3外侧通过焊接的多个连接筋4与支撑框架1连接，支撑框架1外周焊接有多个螺旋状叶片5，螺旋状叶片5的里端与连接筋4的中间焊接固定；垂直轴3下端通过传动齿轮与多绕组异步变极发电机联接，多绕组异步变极发电机通过连接线路与控制系统连接。
本发明实施例提供的支撑框架1外侧通过螺栓固定有多个支撑杆6，支撑杆 6外端通过铰轴固定有弧形固定桩7。
本发明实施例提供的支撑框架1顶端通过螺栓固定有圆盘8，圆盘8上端嵌装有警示灯9。
如图2所示，本发明实施例提供的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制系统包括：
数据采集模块10，用于通过多个不同功能的传感器对设备的运转参数进行采集，并将采集信息发送到主控模块；
通信模块11，用于通过CAN总线实现现场设备间的串行、双向、多点式的数字通信；
主控模块12，用于通过工控机对风力发电设备的运转数据进行处理和对整体运转进行控制；
制动模块13，用于根据控制指令通过制动器对发电设备的转动速度进行外力干预；
并网模块14，用于通过并网逆变器将风力发电设备产生的电力输送到公共电网。
本发明实施例提供的数据采集模块包括：
电压采集单元15，用于通过电压传感器对发电设备的输出电压信息进行采集；
电流采集单元16，用于通过电流传感器对发电设备的输出电流信息进行采集；
转速传感单元17，用于通过转速传感器对多绕组异步变极发电机的转速进行采集；
风速采集单元18，用于通过风速传感器对实时风速进行检测。
本发明实施例提供的并网模块连接有并网监控系统，并网监控系统与多个并网逆变器连接，用于对信息的整理、数据存储、信息分析、报警、登记、紧急控制；
本发明实施例提供的主控模块设置有数据监控模块19包括：
数据管理模块20，将采集到的数据定时存储到数据库，对系统故障、异常与系统操作进行编号存储；
数据显示输出模块21，输出实时采集的风电设备的数据传递到显示器中，进行实时显示；
异常检测模块22，对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常；
报警信号输出模块23，当判断设备运行不正常时，输出相应的指令控制报警器进行进行报警；
远程通信输出模块24，用于与通信模块进行数据交互，将监测信息通过远程的监控终端进行显示。
如图5所示，本发明实施例提供的高效大功率垂直轴低噪音风力发电设备控制方法，包括：
S101：数据采集模块中的电压采集单元通过电压传感器对发电设备的输出电压信息进行采集，电流采集单元通过电流传感器对发电设备的输出电流信息进行采集，转速传感单元通过转速传感器对多绕组异步变极发电机的转速进行采集，风速采集单元通过风速传感器对实时风速进行检测；同时将采集信息发送到主控模块。
S102：根据采集的数据，主控模块通过工控机对风力发电设备的运转数据进行处理和对整体运转进行控制。
S103：在控制的过程中，数据管理模块将采集到的数据定时存储到数据库，对系统故障、异常与系统操作进行编号存储；数据显示输出模块，输出实时采集的风电设备的数据传递到显示器中，进行实时显示。
S104：异常检测模块对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常；当判断设备运行不正常时，报警信号输出模块输出相应的指令控制报警器进行进行报警；远程通信输出模块与通信模块进行数据交互，将监测信息通过远程的监控终端进行显示。
S105：主控模块对数据处理完成后，通信模块通过CAN总线实现现场设备间的串行、双向、多点式的数字通信；制动模块根据控制指令通过制动器对发电设备的转动速度进行外力干预；并网模块通过并网逆变器将风力发电设备产生的电力输送到公共电网。
本发明提供的S101中，数据采集模块对采集的数据进行融合的方法，包括：
根据电压采集单元、电流采集单元、转速传感单元和风速采集单元利用传感器采集的电信号数据，建立相应的数据集；
利用相应的特征提取算法，从数据集提取目标数据特征；根据提取的目标数据特征，利用融合算法获取融合目标特征量，并且进行目标分类识别。
本发明提供的S101中，数据采集模块对采集的数据信号进行去噪的过程为：
根据电压采集单元、电流采集单元、转速传感单元和风速采集单元利用传感器采集的电信号数据，建立相应的数据集；
根据相应的数据集，进行小波变换，计算各层的小波系数；
根据小波系数数据，建立相应的系数集，并且进行阈值处理，得到相应的估计系数；
根据估计系数，对相应的信号进行重构。
本发明提供的S104中：异常检测模块对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常的具体过程为：
根据采集的数据，根据设备运行机理建立精确的数学模型来估计系统输出，并将之与预设数据值比较，获得残差数集；
根据残差数集，进行残差评价，对残差进行分析以确定过程是否发生故障，并进一步辨识故障类型。
本发明在使用时，通过多个螺旋状设置的叶片5，能够捕获任何方向的来流，提高风能的利用率，叶片5转动带动中间的垂直轴3转动，垂直轴通过传动齿轮带动多绕组异步变极发电机运转。多绕组异步变极发电机由转子、定子和散热设备组成，能量产生的主体是转子，转子会将能量输送给定子，然后定子将能量转换为电压和电流输送到电网当中。在实际运行中，如果风速比较高，发电机就会采用极对数较小的接线方式，从而增大定子电流量，使其能够有效转化转子产生的能量。
通过多个不同功能的传感器对实时风速以及设备产生的电压、电流、转速多个参数进行实时采集，并将采集信息发送到现场的工控机；通过工控机对风力发电设备的运转数据进行处理和对整体运转进行控制；风力发电设备产出的电力通过并网逆变器输送到公共电网。监控系统对风电并网系统实时监控，并可对异常情况发出警报，对风电设备进行更好的监控与保护，保障风电系统的正常运行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种垂直轴风力发电设备控制方法，其特征在于，所述垂直轴风力发电设备控制方法，包括：
步骤一，数据采集模块中的电压采集单元通过电压传感器对发电设备的输出电压信息进行采集，电流采集单元通过电流传感器对发电设备的输出电流信息进行采集，转速传感单元通过转速传感器对多绕组异步变极发电机的转速进行采集，风速采集单元通过风速传感器对实时风速进行检测；同时将采集信息发送到主控模块；
步骤二，根据采集的数据，主控模块通过工控机对风力发电设备的运转数据进行处理和对整体运转进行控制；
步骤三，在控制的过程中，数据管理模块将采集到的数据定时存储到数据库，对系统故障、异常与系统操作进行编号存储；数据显示输出模块，输出实时采集的风电设备的数据传递到显示器中，进行实时显示；
步骤四，异常检测模块对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常；当判断设备运行不正常时，报警信号输出模块输出相应的指令控制报警器进行进行报警；远程通信输出模块与通信模块进行数据交互，将监测信息通过远程的监控终端进行显示；
步骤五，主控模块对数据处理完成后，通信模块通过CAN总线实现现场设备间的串行、双向、多点式的数字通信；制动模块根据控制指令通过制动器对发电设备的转动速度进行外力干预；并网模块通过并网逆变器将风力发电设备产生的电力输送到公共电网；
所述步骤一中，数据采集模块对采集的数据进行融合的方法，包括：
根据电压采集单元、电流采集单元、转速传感单元和风速采集单元利用传感器采集的电信号数据，建立相应的数据集；
利用相应的特征提取算法，从数据集提取目标数据特征；根据提取的目标数据特征，利用融合算法获取融合目标特征量，并且进行目标分类识别；
所述步骤一中，数据采集模块对采集的数据信号进行去噪的过程为：
根据相应的数据集，进行小波变换，计算各层的小波系数；
根据小波系数数据，建立相应的系数集，并且进行阈值处理，得到相应的估计系数；
根据估计系数，对相应的信号进行重构；
所述步骤四中，异常检测模块对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常的具体过程为：
根据采集的数据，根据设备运行机理建立精确的数学模型来估计系统输出，并将之与预设数据值比较，获得残差数集；
根据残差数集，进行残差评价，对残差进行分析以确定过程是否发生故障，并进一步辨识故障类型；
所述垂直轴风力发电设备控制系统包括：
数据采集模块，用于通过多个不同功能的传感器对设备的运转参数进行采集，并将采集信息发送到主控模块；数据采集模块对采集的数据进行融合的过程为：根据电压采集单元、电流采集单元、转速传感单元和风速采集单元利用传感器采集的电信号数据，建立相应的数据集；利用相应的特征提取算法，从数据集提取目标数据特征；根据提取的目标数据特征，利用融合算法获取融合目标特征量，并且进行目标分类识别；
通信模块，用于通过CAN总线实现现场设备间的串行、双向、多点式的数字通信；
主控模块，用于通过工控机对风力发电设备的运转数据进行处理和对整体运转进行控制；
制动模块，用于根据控制指令通过制动器对发电设备的转动速度进行外力干预；
并网模块，用于通过并网逆变器将风力发电设备产生的电力输送到公共电网；并网监控系统与多个并网逆变器连接，用于对信息的整理、数据存储、信息分析、报警、登记、紧急控制；
所述数据采集模块包括：
电压采集单元，用于通过电压传感器对发电设备的输出电压信息进行采集；
电流采集单元，用于通过电流传感器对发电设备的输出电流信息进行采集；
转速传感单元，用于通过转速传感器对多绕组异步变极发电机的转速进行采集；
风速采集单元，用于通过风速传感器对实时风速进行检测；
所述主控模块设置有数据监控模块包括：
数据管理模块，将采集到的数据定时存储到数据库，对系统故障、异常与系统操作进行编号存储；
数据显示输出模块，输出实时采集的风电设备的数据传递到显示器中，进行实时显示；
异常检测模块，对关注的参数进行数据采集，通过与预设数据进行对比判断风电并网设备运行是否正常；根据采集的数据，根据设备运行机理建立精确的数学模型来估计系统输出，并将之与预设数据值比较，获得残差数集；根据残差数集，进行残差评价，对残差进行分析以确定过程是否发生故障，并进一步辨识故障类型；
报警信号输出模块，当判断设备运行不正常时，输出相应的指令控制报警器进行进行报警；
远程通信输出模块，用于与通信模块进行数据交互，将监测信息通过远程的监控终端进行显示；
所述垂直轴风力发电设备设置有支撑框架，支撑框架中间焊接有套管，套管内部通过轴承连接固定有垂直轴；
垂直轴外侧通过焊接的多个连接筋与支撑框架连接，支撑框架外周焊接有多个螺旋状叶片，螺旋状叶片的里端与连接筋的中间焊接固定；
垂直轴下端通过传动齿轮与多绕组异步变极发电机联接，多绕组异步变极发电机通过连接线路与控制系统连接。
2.如权利要求1所述的垂直轴风力发电设备控制方法，其特征在于，所述支撑框架外侧通过螺栓固定有多个支撑杆，支撑杆外端通过铰轴固定有弧形固定桩。
3.如权利要求1所述的垂直轴风力发电设备控制方法，其特征在于，所述支撑框架顶端通过螺栓固定有圆盘，圆盘上端嵌装有警示灯。
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