CN113217280A - 一种制动装置及直驱风力发电机的制动式停机控制方法 - Google Patents

一种制动装置及直驱风力发电机的制动式停机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制动装置及直驱风力发电机的制动式停机控制方法，该制动装置包括制动控制单元以及制动单元，包括用于在发电机组无法与电网并网时消耗发电机产生的能量的制动元件；在发电机组不能并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动元件被接入，使发电机组电机定子与所述制动元件形成闭合回路，使发电机产生的电能在所述制动元件上消耗；待故障停机指令执行完毕后，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动元件被切出；在发电机组能正常并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动电阻被切出。本发明解决了当电网故障或变流器故障情况下，风力发电机组关键部件载荷过大的问题，保证了机组安全可靠运行。

Description

一种制动装置及直驱风力发电机的制动式停机控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域和永磁直驱发电机控制领域，特别是涉及一种制动装置及直驱风力发电机的制动式停机控制方法。
背景技术
随着风力发电机组风轮直径越来越大，直驱式风力发电机组越来越受到行业青睐。在风力发电机组并网发电运行时，若电网发生故障或变流器发生故障时，风力发电机组产生的电能不能通过电网输送出去，同时风力发电机组会和电网立即断开连接，常规的立即脱网停机流程，会导致风力发电机组吸收的风能转换为风轮的机械能，转速快速升高，引发严重的超速故障，同时导致风力发电机组关键部件载荷过大，危及机组安全。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种制动装置，将该装置应用于风力发电系统中，至少可以解决当电网故障或变流器故障情况下，风力发电机组关键部件载荷过大的问题，保证机组安全可靠运行。
为实现本发明的目的，在此提供的制动装置包括：
制动控制单元，用于接收故障停机指令，并根据接收的故障停机指令输出控制信号；
制动单元，包括用于在发电机组无法与电网并网时消耗发电机产生的能量的制动元件；
在发电机组不能并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动元件被接入，使发电机组电机定子与所述制动元件形成闭合回路，使发电机产生的电能在所述制动元件上消耗；待故障停机指令执行完毕后，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动元件被切出；在发电机组能正常并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动电阻被切出。
进一步的，在上述技术方案的基础上，所述制动单元还包括第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路和所述第二开关电路受所述制动控制电路输出的控制信号控制通断；
在发电机组不能并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述第一开关电路截止，所述第二开关电路导通，所述制动元件被接入，使发电机组电机定子与所述制动元件形成闭合回路，使发电机产生的电能在所述制动元件上消耗；待故障停机指令执行完毕后，所述制动控制单元输出控制信号使所述第一开关电路和所述第二开关电路截止；
在发电机组能正常并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述第一开关电路导通，所述第二开关电路截止，所述制动元件被切出，发电机组电机定子经所述第一开关电路并入电网。
进一步的，在上述技术方案的基础上，还包括用于检测所述制动元件温度的温度检测单元，所述温度检测单元与所述制动控制单元通讯连接，向所述制动控制单元输入检测结果，所述制动控制单元根据所述温度检测单元的检测结果控制所述制动元件的接入、切出。
本发明在此的另一个目的在于提供一种直驱风力发电机的制动式停机控制方法，该控制方法利用上述制动装置在发电机组件无法并网时对发电机产生的电能进行消耗，包括以下步骤：
步骤S1：检测是否存在导致发电机组不能并网运行的故障，如存在故障，则生成故障停机指令；如不存在，则循环执行步骤S1；
步骤S2：根据所述步骤S1生成的故障停机指令形成控制信号控制制动元件被接入，使发电机组电机定子与制动元件形成闭合回路，使发电机组产生的电能在制动元件上消耗，并执行停机运作，使发电机组处于停机状态；待故障停机指令执行完后，控制制动元件被切出。
进一步的，本发明提供的控制方法在上述技术方案的基础上检测所述制动元件是否正常，则制动元件被接入使用；如不正常，则所述制动元件不被接入。
采用本发明的技术方案，至少包括以下技术效果：
1)该技术方案通过制动元件在发动机组不能并网时消耗发电机产生电能，解决了当电网故障或变流器故障情况下，风力发电机组关键部件载荷过大的问题，降低了风机关键零部件的载荷，保证了机组安全可靠运行。
2)制动元件存在电流通过时，主要以发热形式进行能量消耗，通过温度检测单元检测制动电阻的问题，从而判断制动元件是否正常。机组正常运行时，制动元件温度检测是否正常，若正常则随时可以投入运行；机组不能并网运行时，若制动元件温度正常，则投入制动电阻，消耗能量，在消耗能量的过程中，温度上升，当超出运行范围后，切出制动元件；有效地确保了制动电阻能够工作消耗发电机产生电能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明提供的制动装置的结构原理图；
图2是本发明提供的控制方法流程图；
图3是本发明提供的控制方法停机控制流程图；
附图中：1-制动元件，2-发电机，3-变流器，4-电网，21-定子，22-转子。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
参照图1所示，本发明提供的制动装置包括用于接收故障停机指令，并根据接收的故障停机指令输出控制信号的制动控制单元以及制动单元，该制动单元包括用于在发电机组无法与电网并网时消耗发电机产生的能量的制动元件1。
该制动装置串联于发电机2与电网4连接的回路中，用于在发电机2无法与电网4并网时对发电机2产生电能进行消耗。结合图1所示，发电机2包括定子21和位于定子21外周的转子22，发电机2的定子21经变流器3与电网4并网。变流器3是一个独立部件，内部有完整的保护逻辑，可以实现对其自身及电网的故障检测，并将检测结果通过通讯的方式传给制动控制单元和发电机组的控制电路，如在发电机不能并网运行时，制动控制单元在收到变流器传来的信号后输出控制信号使制动元件被接入，使发电机组电机定子与制动元件形成闭合回路，使发电机产生的电能在制动元件上消耗；同时发电机组的控制电路在收到变流器传来的信号时，输出控制信号控制发电机组预设的停机动作，控制执行件使发电机组停止。此处发电机组的控制电路主要是通过变桨控制实现发动机组停止的。在发电机组能正常并网运行时，制动控制单元输出控制信号使制动电阻被切出，不发生制动动作。
上述方案中制动元件可以是任何一种能够消耗发电机组产生的电能的，其具体的连接方式是两端分别和发电机的绕组连接，所有能量均消耗在制动元件上；如电阻。制动元件容量W选取，可按照发电机组额定功率P，元件消耗能量时间T，安全系数k，即W＝k×P×T，并依据机组具体载荷水平选取制动容量参数。
制动元件主要以发热形式进行能量消耗，为保证制动元件能够有效地进行能量消耗。故在上述技术方案的基础上还包括一用于检测制动元件温度的温度检测单元，温度检测单元与制动控制单元通讯连接，向制动控制单元输入检测结果，制动控制单元根据温度检测单元的检测结果控制制动元件的接入、切出。
温度检测单元检测制动元件温度是否超出运行范围，机组正常运行时，制动元件检测是否正常，若正常则随时可以接入运行，反之则不接入，仅由机组的控制电路控制执行件使发电机组停止；机组不能并网运行时，若制动元件温度正常，则接入制动元件，消耗能量；在消耗能量的过程中，温度上升，当超出运行范围后，切出制动元件。
在此，制动单元还包括第一开关电路和第二开关电路，第一开关电路和第二开关电路受制动控制电路输出的控制信号控制通断；第一开关电路串联于发电机定子和电网/变流器之间，第二开关电路串联于定子和制动元件之间。在发电机不能并网运行时，制动控制单元输出控制信号使第一开关电路截止，第二开关电路导通，制动元件被接入，使发电机组电机定子与制动元件形成闭合回路，发电机产生的电能在制动元件上消耗；待故障停机指令执行完后，制动控制单元输出控制信号使第一开关电路和第二开关电路截止；在发电机组能正常并网运行时，制动控制单元输出控制信号使第一开关电路导通，第二开关电路截止，制动电阻被切出，发电机组电机定子经第一开关电路并入电网。
上述第一开关电路、第二开关电路包括在收到控制信号作用下能导通、截止的元器件，如接触器。具体的第一开关电路包括第一接触器KM1，第二开关电路包括第二接触器KM2。制动控制单元根据接收到的故障停机指令，并跟预存的数据进行比较，根据比较结果输出控制信号加载于第一接触器KM1、第二接触器KM2以实现控制第一接触器KM1、第二接触器KM2的导通与截止。
本文提供的制动装置可以用于任何发电系统和电网之间，在此以用于直驱式风力发电机组中，将其串联于直驱式发电机和变流器连接回路中，当出现无法并网故障时，实现停机控制。结合图1-图3所示，包括以下步骤：
步骤S1：故障检测，在直驱式风力发电机组正常运行状态下，检测是否存在导致发电机组不能并网运行的电网故障或变流器故障，如存在，则生成故障停机指令，执行故障停机流程；如不存在，发电机组正常运行，并循环执行故障检测步骤。
步骤S2：故障停机流程，在故障停机指令控制下，制动控制单元和风力电机组的控制电路分别输出控制信号，制动控制单元输出的控制信号控制制动元件接入，使发电机组电机定子与制动元件形成闭合回路，使发电机组产生的电能在制动元件上消耗；风力电机组的控制电路输出的控制信号执行变桨控制动作，使发电机组停止；判断是否停机完成，如是则控制制动元件被切出，结束故障停机流程；反之则循环执行故障停机流程。
故障停机包括两部分：变桨控制动作和制动元件动作，其中变桨控制动作用于使发动机组停止，制动元件动作用于使因发电机组无法并网而与电动机组定子形成回路，消耗电动机组定子产生的电能。
在故障停机流程执行开始时，判断制动元件的状态是否正常，即制动元件温度是否超出运行范围，若没有超出则正常，制动控制单元控制制动元件接入；若已超出则异常，制动控制单元控制制动元件切出，此时仅由风力电机组的控制电路输出的控制信号执行变桨控制动作，使发电机组停止，即执行常规停机操作，立即脱网停机流程直至故障停机结束。
对制动元件状态判断在整个故障停机流程中均执行，即使在故障停机流程执行开始时，制动元件的温度没有超出运行范围，而在能量消耗过程中温度超过了运行范围，也应立即切出制动元件，并将发电机立即甩掉负荷。而风力电机组的控制电路输出的控制信号执行变桨控制动作无论制动元件是否接入，都会执行，因此最终会将风力发电机组停止。
制动控制单元控制制动元件接入、切出的动作结合第一接触器KM1和第二接触器KM2具体是：制动元件接入时，断开第一接触器KM1，闭合第二接触器KM2；切出时，断开第一接触器KM1，断开第二接触器KM2。第一接触器KM1和第二接触器KM2形成互锁状态，即第一接触器KM1和第二接触器KM2任意时刻仅有一个处于接通状态。
停机过程中，实时检测电网、变流器、制动元件状态，当电网和变流器故障恢复后，永磁直驱发电机定子与变流器重新连接，制动元件与永磁直驱发电机定子断开。
停机过程中，实时检测电网、变流器、制动电阻状态，当电网、变流器、制动电阻均发生故障时，永磁直驱发电机定子与变流器断开，制动元件与永磁直驱发电机定子断开。
停机过程包括但不限于快速停机、紧急停机、超速停机等停机工况。
本文提供的制动装置可以用于任何发电机，如串联于永磁直驱发电机与变流器连接回路中。引入该制动装置，可以避免发电机直接脱网导致的甩负荷，减少对发电机组的冲击，提高机组的安全性。
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反，在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰，均属本公开的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种制动装置，其特征在于，包括：
制动控制单元，用于接收故障停机指令，并根据接收的故障停机指令输出控制信号；
制动单元，包括用于在发电机组无法与电网并网时消耗发电机产生的能量的制动元件；
在发电机组不能并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动元件被接入，使发电机组电机定子与所述制动元件形成闭合回路，使发电机产生的电能在所述制动元件上消耗；待故障停机指令执行完毕后，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动元件被切出；在发电机组能正常并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述制动电阻被切出。
2.根据权利要求1所述的制动装置，其特征在于：所述制动单元还包括第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路和所述第二开关电路受所述制动控制电路输出的控制信号控制通断；
在发电机组不能并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述第一开关电路截止，所述第二开关电路导通，所述制动元件被接入，使发电机组电机定子与所述制动元件形成闭合回路，使发电机产生的电能在所述制动元件上消耗；待故障停机指令执行完毕后，所述制动控制单元输出控制信号使所述第一开关电路和所述第二开关电路截止；
在发电机组能正常并网运行时，所述制动控制单元输出控制信号使所述第一开关电路导通，所述第二开关电路截止，所述制动元件被切出，发电机组电机定子经所述第一开关电路并入电网。
3.根据权利要求1所述的制动装置，其特征在于：还包括用于检测所述制动元件温度的温度检测单元，所述温度检测单元与所述制动控制单元通讯连接，向所述制动控制单元输入检测结果，所述制动控制单元根据所述温度检测单元的检测结果控制所述制动元件的接入、切出。
4.根据权利要求1或2或3所述的制动装置，其特征在于：所述制动元件为电阻。
5.一种直驱风力发电机的制动式停机控制方法，其特征在于，该控制方法利用权利要求1-4任意一项所述的制动装置在发电机组件无法并网时对发电机产生的电能进行消耗，包括以下步骤：
步骤S1：检测电网、变流器是否存在导致发电机组不能并网运行的故障，如存在故障，则生成故障停机指令；如不存在，则循环执行步骤S1；
步骤S2：根据所述步骤S1生成的故障停机指令形成控制信号控制制动元件被接入，使发电机组电机定子与制动元件形成闭合回路，使发电机组产生的电能在制动元件上消耗，并执行停机运作，使发电机组处于停机状态；待故障停机指令执行完后，控制制动元件被切出。
6.根据权利要求5所述的直驱风力发电机的制动式停机控制方法，其特征在于：检测所述制动元件是否正常，则制动元件被接入使用；如不正常，则所述制动元件不被接入。
7.根据权利要求6所述的直驱风力发电机的制动式停机控制方法，其特征在于：停机过程中，实时检测电网、变流器、制动元件状态，当电网和变流器故障恢复后，发电机与变流器重新连接，制动元件与发电机断开。
8.根据权利要求6所述的直驱风力发电机的制动式停机控制方法，其特征在于：停机过程中，实时检测电网、变流器、制动电阻状态，当电网、变流器、制动电阻均发生故障时，发电机与变流器断开，制动元件与发电机断开。
9.根据权利要求5所述的直驱风力发电机的制动式停机控制方法，其特征在于：停机过程中，实时检测电网、变流器状态，当电网和变流器故障恢复后，发电机与变流器重新连接，制动元件与发电机断开。
10.根据权利要求5所述的直驱风力发电机的制动式停机控制方法，其特征在于：停机过程中，实时检测电网、变流器状态，当电网、变流器均发生故障时，发电机与变流器断开，制动元件与发电机断开。
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