垂直轴风机制动系统、制动方法及风力发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及垂直轴风机制动系统、制动方法及风力发电系统，风力发电系统包括垂直轴风机制动系统，该制动系统包括储能装置、第一控制开关和第二控制开关，第一控制开关用于串设在垂直轴风机的电能输出端与电网之间的输电线路上，垂直轴风机的电能输出端通过输电线路连接储能装置，第二控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与储能装置之间的输电线路上；垂直轴风机在制动时，利用储能装置将垂直轴风机的制动回收能量存储至该储能装置中。该制动方式将制动能量进行了回收，制动能量可以用于其他地方，绿色环保，制动过程产生的能量不会白白浪费。
【专利说明】
垂直轴风机制动系统、制动方法及风力发电系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及垂直轴风机制动系统、制动方法及风力发电系统。
【背景技术】
[0002]风力发电机按照旋转轴的方向可以分为水平轴和垂直轴两种。为了抵御强台风，通常风机都需要具有制动(刹车)功能。可靠有效的制动系统能够保证风机平稳制动，对风机起到安全保护作用。
[0003]目前广泛应用的水平轴风机，水平轴发电机在强风时可以采取偏航或者变桨来减少风能捕获进而减小制动扭矩。水平轴风机固有高转速、低扭矩特性，使得同功率水平的水平轴风机制动系统设计相对简单。所以，水平轴风力发电机在制动时，通过变桨来实现制动。
[0004]垂直轴风力发电机(简称垂直轴风机)具有低噪音、维护方便、叶片设计制造简单、造价低、不需对风装置、不需太高塔架等优点。而垂直轴风力发电机没有弃风能力，且固有低转速、大扭矩特性，使得垂直轴风机制动系统设计相对复杂。
[0005]在遇到台风等恶劣天气或者系统故障时，垂直轴风机进入紧急制动模式。在现有的垂直轴风力发电机中，通常采用碟型或者抱闸刹车。刹车盘类制动装置易磨损，寿命有限，且一旦制动失效将给风机带来解体危险。现有的垂直轴风机在制动方面存在安全隐患且制动过程能量白白浪费。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种垂直轴风机制动系统，用以解决传统的制动系统在制动时制动能量浪费的问题。本发明同时提供一种垂直轴风机制动方法和一种风力发电系统。
[0007]为实现上述目的，本发明的方案包括一种垂直轴风机制动系统，包括储能装置、第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关用于串设在垂直轴风机的电能输出端与电网之间的输电线路上，垂直轴风机的电能输出端通过输电线路连接所述储能装置，所述第二控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与储能装置之间的输电线路上;所述储能装置用于垂直轴风机在制动时，存储垂直轴风机的制动回收能量。
[0008]所述制动系统还包括控制装置，所述控制装置控制连接所述第一控制开关和第二控制开关。
[0009]所述垂直轴风机的电能输出端通过一条短接线路短接，所述短接线路上串设有短接片和第三控制开关，所述控制装置控制连接所述第三控制开关。
[0010]所述制动系统还包括用于在转速为O时紧固垂直轴风机转子的刹车锁紧装置，所述控制装置控制连接所述刹车锁紧装置。
[0011]所述控制装置为风机控制器，所述第一控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与所述风机控制器之间的输电线路上。
[0012]所述制动系统还包括用于检测垂直轴风机转速的转速检测装置，所述控制装置采样连接所述转速检测装置。
[0013]所述储能装置由超级电容和超级电容充电器构成，所述垂直轴风机的电能输出端通过所述超级电容充电器连接所述超级电容，所述第二控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与所述超级电容充电器之间的输电线路上。
[0014]—种风力发电系统，包括垂直轴风机和垂直轴风机制动系统，所述制动系统包括储能装置、第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关用于串设在垂直轴风机的电能输出端与电网之间的输电线路上，垂直轴风机的电能输出端通过输电线路连接所述储能装置，所述第二控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与储能装置之间的输电线路上；所述储能装置用于垂直轴风机在制动时，存储垂直轴风机的制动回收能量。
[0015]—种垂直轴风机制动方法，包括以下步骤:
[0016](I)当垂直轴风机进行制动时，断开垂直轴风机与电网的连接；
[0017](2)将垂直轴风机的制动回收能量存储至储能装置中，实现对垂直轴风机的制动。
[0018]当垂直轴风机的转速降至O时，停止将垂直轴风机的制动回收能量存储至储能装置，通过短接片短接垂直轴风机的电能输出端，并且利用刹车锁紧装置来紧固垂直轴风机的转子。
[0019]针对垂直轴风力发电机的特殊结构以及对制动的特殊要求，本发明提供了一种专用于垂直轴风力发电机的制动系统，该制动系统中设置有储能装置，垂直轴风机的电能输出端通过输电线路连接该储能装置。在正常情况下，垂直轴风机产生的电能输出到交流电网，实现并网；当需要制动时，首先，断开垂直轴风机与交流电网之间的连接，然后控制实现储能装置与垂直轴风机之间的电能传输，使风力发电机发出的电能存储到储能装置中，即制动能量回收至储能装置中，进而使垂直轴风机转速逐渐降低，实现对垂直轴风机的制动控制。这种制动方式相较于传统的物理制动比如采用碟型或者抱闸刹车，避免了刹车盘类制动装置易磨损的问题，由于该制动方式是能量回收的方式，所以，该制动系统的寿命得到很大程度的延长，并且不易出现制动失效的情况，避免了风机解体的危险。更重要的是，该制动方式将制动能量进行了回收，制动能量可以用于其他地方，绿色环保，制动过程产生的能量不会白白浪费。
【附图说明】
[0020]图1是垂直轴风机制动系统的控制原理示意图；
[0021]图2是制动方法的流程不意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0023]本发明提供的风力发电系统包括垂直轴风力发电机(简称垂直轴风机)，以及制动系统，该制动系统用于垂直轴风机的制动。另外，需要说明的是，由于一般的风力场中均包括不止一个风力发电机，所以，该制动系统不但适用于单个风力发电机，还可以用在由多个风力发电机构成的风力场。由于垂直轴风力发电机属于常规技术，这里不再对其进行详细介绍，以下对该制动系统进行详细说明。
[0024]该制动系统包括控制装置和储能装置。
[0025]其中，控制装置是该制动系统的核心控制单元，可以采用专门设置的控制器来实现，也可以利用风力发电系统本身的控制单元来实现。由于风机控制器不但能够控制风机输出的电能，使其符合交流电网的要求，实现并网，而且，该风机控制器也有一般控制器的控制功能，即能够对输入的参数进行分析和判断，从而输出相应控制信号的功能，所以，本实施例中，利用风力发电系统中的风机控制器作为该制动系统的控制装置，实现制动控制。由于该风机控制器中不但有对电机输出电能的转换的作用，而且也有一般控制器的功能，即该风机控制器包括两部分，一部分为电能转换部分，另一部分为控制部分。由于风机控制器输出常规技术，这里不再具体说明。
[0026]在本实施例中，储能装置以超级电容为例，主要考虑到超级电容功率密度高且能够耐受瞬间大电流冲击，便于制动能量的瞬时回馈，减少制动时间。但储能装置不局限于超级电容，因为随着储能技术的进步，大容量、耐冲击的储能设备均可以替代超级电容，作为制动系统中的储能装置。
[0027]该制动系统还包括三个控制开关，在本实施例中，这三个控制开关均为接触器。接触器均带辅助触点，通过控制信号能够实现对接触器进行闭合、关断控制。当然，作为其他的实施例，控制开关还可以是其他的电控型器件，比如全控型开关器件IGBT等。
[0028]如图1所示，三个控制开关分别是接触器2、接触器3和接触器4。垂直轴风力发电机I的电枢引出线9为垂直轴风力发电机I的组成部分，作为垂直轴风力发电机I的电能输出端，电能输出端通过输电线路连接接触器2的一端，接触器2的另一端通过风机控制器连接交流电网，具体为通过风机控制器中的电能转换部分连接交流电网；发电机电枢引出线9连接接触器3的一端，接触器3的另一端通过超级电容充电器6连接超级电容8;发电机电枢引出线9通过一条短接线路进行短接，短接线路上串设接触器4和短接片7(图中未画出。图中电枢引出线9通过接触器4连接短接片7，这种连接方式只是为了说明在接触器4闭合时短接片7能够起到一定的制动作用，所以图中的这种连接关系并不是短接片7与电枢引出线9之间的线路连接关系，短接片7与电枢引出线9之间的线路连接关系为:发电机电枢引出线9通过一条短接线路进行短接，短接线路上串设接触器4和短接片7)。
[0029]短接片的工作原理及工作过程为:短接片本质上讲是具备线路短接功能的铜排端子，接触器4闭合时，风机输出端子被短接。根据楞次定律，永磁体转子形成的气隙磁通不能突变，如果此时转子转动会使通过定子闭合线圈的磁通量发生变化，定子线圈会产生电流阻碍这种变化的发生，即产生力矩阻碍转子转动。与风机电磁制动器10配合使用，用于风机停止后的制动控制。
[0030]为了实现制动控制，风机控制器5通过信号传输线路分别连接接触器2、接触器3和接触器4，该信号传输线路不但传输风机控制器5输送给接触器2、接触器3和接触器4的控制信号，而且还能够传输接触器2、接触器3和接触器4反馈给风机控制器5的状态信号。
[0031]为了在垂直轴风力发电机I的转速为O时，S卩垂直轴风力发电机I停转时紧固风机转子，防止风机转动，该制动系统还包括刹车锁紧装置，可以为传统的靠磨损来制动的制动器，也可以如本实施例中的以电磁式制动器为例。该电磁式制动器设置在垂直轴风力发电机I的固定部分，用于对转子进行固定，如图1所示。电磁式制动器10主要用于静止状态时对风机转子部分进行固定，区别于传统制动器靠磨损来制动的设计方式。风机控制器5控制连接电磁式制动器10。另外，为了进一步便于自动化控制，该电磁式制动器可以使用带状态反馈的制动器，能够向风机控制器输出状态信号，如果不带反馈信号则通过延时方式进行刹车及释放操作。且与短接片制动结合使用，互为备用，冗余保护。短接片也可以使用导线替代，用于增加制动扭矩，与电磁式制动器互为补充，短接片7与风机电磁制动器10配合使用，用于风机停止后的制动控制。
[0032]为了配合对电磁式制动器10的控制，该制动系统还包括转速检测装置，用于检测垂直轴风力发电机I的转速，设置在能够检测出转速的位置，图1中未画出。风机控制器5采样连接该转速检测装置。
[0033]在本实施例中，风机控制器5使用数字量开出(DO)控制接触器2、接触器3、接触器4以及电磁式制动器10，接触器2、接触器3、接触器4以及电磁式制动器10的状态信号反馈至风机控制器5作为数字量开入(DI)。风机控制器5根据反馈信号来判断接触器和电磁式制动器的状态，状态信号判断贯穿整个制动过程。
[0034]另外，由于风机控制器5中的控制部分实现制动控制，那么，上述风机控制器5上的开入和开出端均实际上是风机控制器5中的控制部分上的相应端口。该控制部分的供电电源可以是专门设置的电源，也可以采用上述超级电容来实现供电，由于控制部分的供电不属于本发明的发明点，所以，这里就不再具体描述。另外，由于该控制部分有专门的电源供电，所以在接触器2断开时，并不影响控制部分的供电。
[0035]基于上述制动系统，本发明提供一种制动方法，如图2所示为该制动控制方法的具体实施流程图。垂直轴风力发电机I在风机控制器5的作用下进入制动控制，所以，该制动控制方法为设置在风机控制器5控制部分中的软件程序，该软件程序以定时扫描或者定时中断的方式在风机控制器5中实施。
[0036]正常运行时垂直轴风力发电机I与风机控制器5之间接触器2闭合，与超级电容8之间的接触器3以及与短接片之7间的接触器4断开。电磁式制动器10处于刹车释放状态。
[0037]在接收到上位控制器制动命令或者进入紧急制动条件满足(如风速过大、系统故障)时，垂直轴风力发电机I在风机控制器5的作用下进入制动流程。
[0038]上位控制器下发制动命令或者满足紧急制动条件时，首先断开垂直轴风力发电机I与风机控制器5之间的接触器2，接触器2的触点状态信号(即断开信号)反馈至风机控制器5。在制动时，首先需断开垂直轴风力发电机I与风机控制器5之间的接触器2是对系统进行的一种保护，因为一旦发生故障，风机控制器5很可能没有办法将垂直轴风力发电机I的能量馈送至电网；或者在风速超大的情况下，通过强行馈送能量的方式制动容易造成超级电容8的过载损坏。
[0039]风机控制器5根据接触器2的触点的返回信号判定接触器2是否已经断开，若断开则控制闭合垂直轴风力发电机I与超级电容充电器6之间的接触器3，实现制动能量的存储。进一步地，超级电容充电器6可以通过恒电流充电方式进行制动过程的能量存储，电流控制量可以结合风机旋转特性进行规划，以使得风机制动快速、平稳。而且，接触器3的触点状态信号反馈至风机控制器5。随着充电的进行，垂直轴风力发电机I的转速逐渐降低。
[0040]风机控制器5根据接触器3的触点返回信号判定接触器3是否已经闭合，若闭合、且经超级电容8充电制动以后垂直轴风力发电机I的转速降为O时，控制断开接触器3，结束制动回收能量存储到超级电容8中，同时控制闭合接触器4，利用短接片进行短接制动，同时向电磁式制动器10发送制动命令。接触器4的触点信号反馈至风机控制器5。短接片7主要作用是增加制动扭矩；电磁制动主要作用是在风机转子的转速为零时紧固风机转子，防止风机转动。
[0041]风机控制器5根据接触器4的触点返回信号判定接触器4是否已经闭合，若闭合、且电磁式制动器10处于刹车状态时，风机控制器5上送制动完成信息。
[0042]至此完成垂直轴风力发电机的制动。
[0043]所以，该制动过程简单来说，首先断开垂直轴风力发电机与风机控制器之间的接触器，接着投入超级电容储能制动，在风机平稳停机后投入短接片制动及电磁式制动器，用于增加制动扭矩保证风机转子紧固。
[0044]另外，在垂直轴风力发电机启动时，启动过程与制动过程操作完全相反，即首先释放电磁式制动器10，断开接触器4和接触器3，然后闭合接触器2进行风机控制或者并网发电。
[0045]在此制动系统中，超级电容充电器主要作用是将风机的机械能转化为电能存储在超级电容内。超级电容可以为专门用来存储制动能量的储能设备，当然，还可以作为风力发电系统的UPS备用电源，实现了制动能量的重复利用。该UPS备用电源具备两种用途，正常运行时从交流电网得电作为系统备用电源，制动时存储风机制动能量。另外，由于在非制动情况下通过交流电对超级电容进行充电，那么就需要保证充电电压值设定留有一定裕量，因为便于在系统制动时能够将风机制动能量全部存储于超级电容内。
[0046]另外，由于接触器和电磁式制动器有赖于电磁控制，因此可以采用延时的方式判断接触器和电磁式制动器是否故障，综合使用说明书，比如采用10ms延时判断状态返回信号的方式能够准确的判断是否故障，即如果风机控制器在发出控制信号之后延时10ms时，风机控制器没有接收到状态返回信号，那么，表示有故障；否则，判断风机控制器输出的控制信号与接触器状态返回信号或者电磁式制动器状态返回信号是否一致，如果一致，表示无故障，否则，表示故障。
[0047]在出现故障时，通过延时控制方式来进行接触器和电磁式制动器的顺序投切制动，以保证风机安全。
[0048]风机制动过程应该严格按照制动流程步骤来执行，出现制动故障后启动备用制动过程操作，并上报后台制动故障信息。
[0049]由于接触器故障后，不知道接触器的真实状态，三个接触器同时损坏的概率几乎为0，但一旦某个接触器出现故障，系统除了进行故障报文上送之外还要进行紧急制动处理。【具体实施方式】为:一旦出现接触器故障，首先下发接触器2断开、接触器3闭合命令，不检查触点返回信号，延时20s(实验测试风机从额定风速经过储能制动减速至O的时间)下发接触器3断开、接触器4闭合命令，延时5s下发电磁制动命令。风机制动结束。
[0050]上述实施例中，在制动过程中，接触器在断开或者闭合后须将状态信息返回给风机控制器，风力控制器根据返回信息能够确定接触器的状态，以此进行后续的控制，这种控制方式更加精确。当然，作为其他的实施例，在控制时，只控制接触器的动作，不返回状态信息，这种控制方式虽然没有上述实施例中的控制方式精确，但是也是完全能够实施的。
[0051]上述实施例中，制动系统中的控制开关为电控型开关，由控制装置实现控制，作为其他的实施例，这些控制开关还可以是手动控制型开关，在制动时直接由人工控制，这样的话，该制动系统中就无需设置控制装置。
[0052]上述实施例中，该制动系统包括储能装置之外，还包括电磁式制动器和短接片，当然，这只是一种优化的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于使用储能装置进行制动能量的回收利用，对本领域普通技术人员而言，在不脱离上述基本思路下对实施方式进行的优化仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种垂直轴风机制动系统，其特征在于，包括储能装置、第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关用于串设在垂直轴风机的电能输出端与电网之间的输电线路上，垂直轴风机的电能输出端通过输电线路连接所述储能装置，所述第二控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与储能装置之间的输电线路上;所述储能装置用于垂直轴风机在制动时，存储垂直轴风机的制动回收能量。2.根据权利要求1所述的垂直轴风机制动系统，其特征在于，所述制动系统还包括控制装置，所述控制装置控制连接所述第一控制开关和第二控制开关。3.根据权利要求2所述的垂直轴风机制动系统，其特征在于，所述垂直轴风机的电能输出端通过一条短接线路短接，所述短接线路上串设有短接片和第三控制开关，所述控制装置控制连接所述第三控制开关。4.根据权利要求2所述的垂直轴风机制动系统，其特征在于，所述制动系统还包括用于在转速为O时紧固垂直轴风机转子的刹车锁紧装置，所述控制装置控制连接所述刹车锁紧目.ο5.根据权利要求2所述的垂直轴风机制动系统，其特征在于，所述控制装置为风机控制器，所述第一控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与所述风机控制器之间的输电线路上。6.根据权利要求2所述的垂直轴风机制动系统，其特征在于，所述制动系统还包括用于检测垂直轴风机转速的转速检测装置，所述控制装置采样连接所述转速检测装置。7.根据权利要求1所述的垂直轴风机制动系统，其特征在于，所述储能装置由超级电容和超级电容充电器构成，所述垂直轴风机的电能输出端通过所述超级电容充电器连接所述超级电容，所述第二控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与所述超级电容充电器之间的输电线路上。8.一种风力发电系统，其特征在于，包括垂直轴风机和垂直轴风机制动系统，所述制动系统包括储能装置、第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关用于串设在垂直轴风机的电能输出端与电网之间的输电线路上，垂直轴风机的电能输出端通过输电线路连接所述储能装置，所述第二控制开关串设在垂直轴风机的电能输出端与储能装置之间的输电线路上;所述储能装置用于垂直轴风机在制动时，存储垂直轴风机的制动回收能量。9.一种垂直轴风机制动方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)当垂直轴风机进行制动时，断开垂直轴风机与电网的连接； (2)将垂直轴风机的制动回收能量存储至储能装置中，实现对垂直轴风机的制动。10.根据权利要求9所述的垂直轴风机制动方法，其特征在于，当垂直轴风机的转速降至O时，停止将垂直轴风机的制动回收能量存储至储能装置，通过短接片短接垂直轴风机的电能输出端，并且利用刹车锁紧装置来紧固垂直轴风机的转子。
【文档编号】F03D7/06GK106089582SQ201610666818
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610666818.6, CN 106089582 A, CN 106089582A, CN 201610666818, CN-A-106089582, CN106089582 A, CN106089582A, CN201610666818, CN201610666818.6
【发明人】田素立, 赵瑞杰, 邢珊珊, 李朝锋, 王艳领, 代兴华, 李红刚
【申请人】许继集团有限公司, 许昌许继风电科技有限公司, 国家电网公司