一种超高海拔风电机组偏航电磁制动系统及方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及了一种超高海拔风电机组偏航电磁制动系统及方法。


背景技术：

2.风力发电是目前新能源的发展中非常重要的一环。风力发电机组是实现风能到电能转化的主体设备，机组中的偏航系统则是起到对风的作用，如果风向对准不佳，将严重影响发电效率，因此，对风精准度一直是分电机组研究的重点。目前的风电机组容量越来越大，叶片也越来越长，随之而来的是设计裕量变小，这对偏航系统来说，其制动力虽然满足多数工况下的需要，但有可能在风况特殊的风场面对强湍流时出现机舱滑动的现象。滑动会导致机组对风不准，发电效率严重下降，损失发电量营收，同时会加速消耗偏航电机刹车片，让偏航电机频繁维护以及风机停机，这都是对生产不利的。
3.对于上述问题，可以通过加装偏航电机和增加液压夹钳来解决，更多的偏航电机和液压夹钳意味着更大的制动力，可以防止机舱在湍流过强的情况下发生滑动。如中国专利局2019年8月23日公开了一种名称为了一种风机偏航控制方法、装置及风电机组的发明，其公开号为cn110159483a。该发明风机偏航控制方法包括判断风电机组是否满足偏航条件；当判定风电机组满足偏航条件时，控制液压制动器释放；自释放液压制动器起第一预设时间内，若液压制动器的压力降低至第一预设偏航压力以下，则开启偏航驱动部。采用本发明实施例的控制方法，可以使得液压制动的压力降低到第一预设偏航压力以下时，开启偏航驱动部。通过合理地设置第一预设偏航压力，可以改善在液压制动力较大时开启偏航驱动部，导致偏航驱动部过载的问题；也可以改善制动力降到较低水准后迟迟未打开偏航驱动部，导致风机偏航漂移的问题。但液压制动方式成本较高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中大风期间风力发电机机组机舱发生滑动，而液压制动方式成本过高的问题，提供了一种超高海拔风电机组偏航电磁制动系统及方法，以低成本的方案解决大风期间风力发电机机组机舱发生滑动的问题，提升发电效率。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种超高海拔风电机组偏航电磁制动系统，包括：测风设备，用于评估风电机组工作时的风况，并将评估结果发送至主控制系统；偏航系统，用于回传绕组温度信号给软启动器和主控制系统plc模块，包括若干偏航电机；偏航监测装置，用于监测风电机组是否出现滑动现象，为主控制系统plc模块提供判断依据；主控制系统plc模块，用于判断当前工况，并决定是否进行电磁制动；软启动器，用于接收主控制系统的制动指令，对偏航电机进行制动，同时监测偏航
电机的绕组温度。
6.超高海拔区域终年风速高，而且在超高海拔区域，为了保证电压配电系统的绝缘耐压，配电进行了降压设计，使用了400vac的主配电电压，而传统机组主配电电压是690vac，因此本发明使用了软启动器，主流软启动器的额定电压是400vac，因此在超高海拔区域的风力发电机组中运用本发明，不但有很强的技术针对性，也有极高的性价比。本发明通过使用偏航监测装置监测偏航电机的冷却风扇扇叶转速，传递给主控制系统plc模块，plc模块判定在机组发电期间发生了机舱滑动后，并综合当前机组运行状态，发出制动命令，让软启动器进行快速制动，使得机舱保持原发电位置，降低机组对风偏航次数以及发电量损失，具有制动力强，效果好，自适应性，反应迅速的特点，一旦偏航电机达到额定扭矩，相当于增加一倍的偏航电机进行制动，制动能力非常强劲，同时具有很高的性价比，设计所选元器件无特殊产品，易于采购，成本低，而且安装简便，无需对原有机组设计进行大的改动，即便是已经投运的发电机组，也可以轻松按本发明进行升级改造，加强大风发电期间的抗风能力。
7.作为优选，所述主控制系统包括高速计数模块，用于接收测风设备以及偏航监测装置的信号。测风设备测得的风速信号接入主控制系统plc的高速计数模块，因为本发明中使用的测风设备返回信号为频率信号，故接入高速计数模块。
8.作为优选，所述的偏航监测装置包括电容接近开关，用于监测偏航电机冷却风扇的扇叶转速，判断电机转速。为了判断机组是否出现滑动现象，则需要监测机组的偏航滑动角度，传统的办法可以使用编码器，但编码器价格较高，因此在本发明中使用电容接近开关进行监测偏航电机冷却风扇的扇叶转速，由于扇叶和电机的轴承是一体的，所以扇叶的转速就是电机的转速。这样机舱滑动越快，说明风湍流的推力越大，同时偏航电机的转子转速越高，感应出的转子磁通也越大，制动力也会相应增大，所以直流制动在风机制动中使用，有一定的自适应性。机舱滑动角速度与电机转速关系如下：机舱角速度
×
偏航轴承齿数
÷
偏航驱动器齿数
×
偏航驱动器传动比
÷
360
°×
偏航电机扇叶数；得到的偏航电机扇叶转速单位为赫兹。
9.作为优选，所述的电容接近开关有两个，安装在以偏航电机轴心为圆点的同一圆周上，所述两个电容接近开关之间的距离为所测的偏航电机扇叶测点间距的一半。为防止振动等意外原因引起电容接近开关反复接通，plc模块误判为机舱滑动而投入电磁制动，本发明在同一个电机上安装两个电容接近开关，当两个电容接近开关测得相接近的电机转速时，认为机舱发生了滑动。
10.作为优选，所述的测风设备包括：测风仪，用于测量风速，判断当前是否出现湍流天气，并将测得的风速信号传送给主控制系统plc模块。本发明中使用的测风仪返回信号为频率信号。
11.作为优选，所述的偏航电机上安装有热敏电阻，所述热敏电阻用于采集偏航电机绕组温度数据。热敏电阻优选为pt100或是ptc，偏航电机的pt100或是ptc温度信号分别接入软启动器和主控制系统plc模块。在风力发电机组中，偏航电机有数个以及更多，可将一个偏航电机的温度信号接入软启动器，其余偏航电机温度信号接入主控制系统热电阻模块，用来监测偏航电机定子绕组的温度。
12.一种超高海拔风电机组偏航电磁制动方法，包括以下步骤：
s1：判断是否需要接入电磁制动系统，若是，则执行步骤s2，若不是，则重新判断；s2：将软启动器接入偏航电机配电回路；s3：判断是否执行电磁制动，若是，则执行步骤s4，若不是，则重新判断；s4：软启动器对偏航电机进行制动，并监测偏航电机绕组温度。
13.在制动的过程中，外部部件的动能将转化为电机绕组的热能，过大的制动电流和过长的制动时间有可能导致电机绕组严重过温，甚至烧毁，为防止电机发生不必要的损坏，需要监测偏航电机绕组温度。
14.作为优选，所述的步骤s1中，判断是否需要接入电磁制动系统的条件为：s1.1：判断风电机组是否处于并网正常发电状态，若是，执行步骤s1.2，若不是，将软启动器从偏航电机配电回路中断开切出，重新判断；s1.2：判断平均风速是否大于预设定值，若是，执行步骤s1.3，若不是，将软启动器从偏航电机配电回路中断开切出，回到步骤s1.1；s1.3：判断风电机组是否处于未主动偏航状态，若是，执行步骤s2，若不是，将软启动器从偏航电机配电回路中断开切出，回到步骤s1.1。
15.具体的，判断是否执行电磁制动有三个条件：1、机组是否处于并网正常发电状态；2、平均风速是否大于预设定值；3、机组并不处于主动偏航状态。当上述三个条件成立时，将用于电磁制动的软启动器接入偏航电机配电回路。当1和2不成立时，没有必要接入电磁制动系统，因为不需要该项功能，偏航电机刹车片制动和液压夹钳完全可以满足制动需求；当3不成立时，不能使用电磁制动功能，主动偏航和电磁制动是完全相反功能，故软件和硬件设计上应进行互锁保护设计，同时该三个条件拥有本功能中最高中断等级，当任何一个条件不成立时，应将软启动器从偏航电机配电回路中断开切出。
16.作为优选，所述的步骤s3中，判断是否执行电磁制动的条件为：s3.1：判断偏航电机绕组温度是否温度，若是，执行步骤s3.2，若不是，重新判断；s3.2：判断电容接近开关所测转速是否超速，若是，进行电磁制动，若不止，回到步骤s3.1。
17.只有在满足偏航电机绕组温度正常、电容接近开关所测转速正常，才会执行电磁制动的操作。
18.作为优选，所述的步骤s4进一步包括：进行电磁制动时，若偏航电机绕组温度超过预设值或制动时间达到预设定值后，立刻退出电磁制动。过大的制动电流和过长的制动时间有可能导致电机绕组严重过温，甚至烧毁，为防止偏航电机温升过高，使得电机发生不必要的损坏，需要预设制动时间阈值以及绕组温度阈值。
19.因此，本发明具有如下有益效果：1、与现有的偏航系统制动方式比，本发明技术方案的成本只有其几分之一，成本大幅下降；2、机舱滑动的越快，其在制动时产生的力矩越大，可以快速的强力制动，效果显著；3、元器件安装简便，无需对原有机组设计进行大的改动，自适应性高，反应迅速。
附图说明
20.图1是本发明中偏航电磁制动系统的架构示意图；图2为本发明中偏航电磁制动系统电容接近开关安装示意图；
图3为本发明中偏航电磁制动系统偏航电机配电回路示意图；图4为本发明中偏航电磁制动系统控制回路示意图；图5为本发明中偏航电磁制动方法步骤流程图图中：1、测风仪；2、主控制系统plc模块；3、软启动器；4、偏航监测装置；5、偏航电机；6、第一接近开关；7、第二接近开关；8、扇叶。
具体实施方式
21.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：实施例一：本实施例为一种超高海拔风电机组偏航电磁制动系统，如图1所示，包括：测风仪1、主控制系统plc模块2、偏航监测装置4、软启动器3以及偏航电机5，所述主控制系统plc模块包括高速计数模块和热敏电阻模块，偏航电机还包括热敏电阻，所述偏航监测装置包括电容接近开关，本实施例中热敏电阻为pt100或是ptc。
22.测风仪主要用来测量风速，同时也可以判断当前是否出现湍流天气，其将测得的风速信号传送给主控制系统plc模块，因为测风仪返回信号为频率信号，故接入主控制系统plc模块的高速计数模块；主控制系统plc模块是数据处理中心用于判断当前工况，并决定是否进行电磁制动；偏航电机的pt100或是ptc温度信号分别接入软启动器和主控制系统模块，在风力发电机组中，偏航电机有若干个，可将一个偏航电机的温度信号接入软启动器，其余偏航电机温度信号接入主控制系统热电阻模块，用来监测偏航电机定子绕组的温度；电容接近开关用来测量偏航电机的转速，为主控制系统plc提供必要的判断数据；软启动器是实施直流制动的执行设备，软启动器的控制输入接口和主控制系统控制输出接口相连接，接收来自主控制系统plc模块的命令并对偏航电机制动，同时监测偏航电机的绕组温度；偏航电机是被监测和被控制对象，同时会回传温度信号给软启动器和主控制系统plc模块。
23.具体地，为了判断机组是否出现滑动现象，则需要监测机组的偏航滑动角度，传统的办法可以使用编码器，但编码器价格较高，因此本发明中使用电容接近开关进行监测偏航电机冷却风扇的扇叶转速，由于扇叶和电机的轴承是一体的，所以扇叶的转速就是电机的转速。这样机舱滑动越快，说明风湍流的推力越大，同时偏航电机的转子转速越高，感应出的转子磁通也越大，制动力也会相应增大，所以直流制动在风机制动中使用，有一定的自适应性。机舱滑动角速度与电机转速关系如下：机舱角速度
×
偏航轴承齿数
÷
偏航驱动器齿数
×
偏航驱动器传动比
÷
360
°×
偏航电机扇叶数；得到的偏航电机扇叶转速单位为赫兹。
24.假设机舱角速度为0.25
°
/秒，偏航轴承齿数为180，偏航驱动器齿数为16，偏航驱动器传动比为2933.4，偏航电机扇叶数为5，那么偏航电机转速为114.58赫兹，相当于1375rpm。由此可见，机舱较小的滑动速度，都会引起偏航电机较高的转速，因此投入的制动电流不必太高，具体投入多少可以通过现场测试决定，软启动器制动电流优选的初始设置为额定电流的10～20％。
25.本发明运用的基本原理是直流制动，根据电机原理学可知电机的电磁转矩为：τ＝kbr
×
bs；
其中τ为电磁转矩，bs为定子磁通，br为转子磁通，如果在定子上通入直流电，可知通入的电压越高则电流越大，定子磁通也越大；转子上的磁通为感应磁通，因此转子的转速越高，感应出的磁通也越强，这样形成的电磁转矩也就越大，制动力越大。
26.但是在制动的过程中，外部部件的动能将转化为偏航电机绕组的热能，过大的制动电流和过长的制动时间有可能导致偏航电机绕组严重过温，甚至烧毁，为防止偏航电机发生不必要的损坏，需要控制制动电流、制动时间的设定。
27.为了保护偏航电机，监测偏航电机绕组温度的热敏电阻pt100或ptc需要接入主控制系统plc控制模块以及软启动器进行监测，一旦绕组超温，则要停止制动。
28.本发明通过使用电容式接近开关监测偏航电机的冷却风扇扇叶转速，传递给主控制系统plc，plc判定在机组发电期间发生了机舱滑动后，并综合当前机组运行状态，发出制动命令，让软启动器进行快速制动，使得机舱保持原发电位置，降低机组对风偏航次数以及发电量损失，具有制动力强，效果好，自适应性，反应迅速的特点，一旦偏航电机达到额定扭矩，相当于增加一倍的偏航电机进行制动，制动能力非常强劲，同时具有很高的性价比，设计所选元器件无特殊产品，易于采购，而且安装简便，无需对原有机组设计进行大的改动，即便是已经投运的发电机组，也可以轻松按本发明进行升级改造，加强大风发电期间的抗风能力。
29.电容接近开关安装在偏航电机的壳罩上，用来检测偏航电机转子的转速，电容接近开关测得的信号接入主控制系统plc的高速计数模块。
30.为防止振动等意外原因引起电容接近开关反复接通，plc误判为机舱滑动而投入电磁制动，本实施例中在同一个电机上安装两个电容接近开关，如图2所示，两个电容接近开关安装在以偏航电机轴心为圆点的同一圆周上，两者间的距离为所测的偏航电机扇叶8测点间距的一半。当两个电容接近开关测得相接近的电机转速时，认为机舱发生了滑动。且安装时两个电容接近开关要错开安装，当第一接近开关6检测到偏航电机扇叶的时候，第二接近开关7应处于两片扇叶的中间位置，保证两个电容接近开关的状态不能同时置1，其主要目的是预防由于某一扇叶离电容接近开关极近，而由于轻微振动等原因导致电容接近开关反复置1，误判为机舱发生滑动而开启电磁制动功能，只有当两个电容接近开关所测速度极为接近且超出预设定超速值时，方可认为机舱发生滑动。
31.如图3所示，本实施例中，偏航电磁制动系统偏航电机配电回路,包括断路器q01、断路器q02、断路器q03、断路器q04、断路器q05、断路器q06、接触器km01、接触器km02、接触器km03以及偏航电机m1、偏航电机m2、偏航电机m3、偏航电机m4，其中断路器q01、断路器q02、断路器q03、断路器q04、断路器q05，接触器km01、接触器km02以及偏航电机m1、偏航电机m2、偏航电机m3、偏航电机m4属于偏航系统。首先400vac供电母线l1、l2、l3分别与偏航总断路器q01接线端子1、3、5相接，断路器q01接线端子2、4、6分别与接触器km01接线端子1、3、5相接和接触器km02接线端子5、3、1相接，在与接触器km02接线时，进行了换相，这是因为偏航电机需要正反转。接触器km01、km02、km03各自的接线端子2、4、6并联相接后，一起与断路器q02、断路器q03、断路器q04、断路器q05的进线端子1、3、5相接通，断路器q02、q03、q04、q05的出线端子2、4、6分别于偏航电机m1、m2、m3、m4的供电端子u1、v1、w1连接。接触器km03的进线端子1、3、5与软启动器的配电出线端子2t1、4t2、6t3相接，软启动器配电电源端子1l1、3l2、5l3与断路器q06出线端子2、4、6相接，断路器q06进线端子1、3、5与400vac供电母
线l1、l2、l3分别相接，软启动器使用的工作电源为230vac，电源端子1与断路器q06的端子6相接，电源端子2和母线n相接。
32.风电机组为了更好的发电，需要经常对准风向，执行对准风向的系统是偏航系统，本实施例中，偏航系统有四个电机，用来驱动风电机组的机身左右转动，其中接触器km01吸合时，电机向右转动(电机尾部看，电机顺时针转动)，接触器km02吸合时，电机向左转动，接触器km02在接线时，调整了a相和c相的接线顺序，这样电机可以正反转，从而实现左右偏航。因为偏航动作和制动动作是截然相反的工况，因此在硬件设计时，进行了互锁设计，确保接触器km01或是接触器km02吸合时，接触器km03不吸合，反之亦然。当风机对准风向后，这时风机需要保持机身位置固定不动，此时接触器km01和接触器km02需要保持断开状态。在此条件下，方可让plc模块下命令，使接触器km03吸合，把软启动器接入偏航电机配电回路，同时因为硬件互锁设计，接触器km01和接触器km02不可能吸合，确保配电线路安全。
33.如图4所示，本实施例中，偏航电磁制动系统控制回路中，软启动器的温度输入端子25、26、27接入偏航电机m1的pt100温度传感器，启动命令接收端子13、停止命令接收端子14、制动命令接收端子15(需在软启动器参数设置时，设置成使用该端子接收控制命令)分别与主控制系统plc模块数字量输出端子do1、do2、do3相接。软启动器接入的控制回路需要与偏航系统控制回路互锁，故主控制系统plc模块的数字量输出端子do4与接触器km03的辅助端子11相接，接触器km03的辅助端子12与接触器km01的控制线圈端子a1相接，数字量输出端子do5与接触器km03的辅助端子21相接，接触器km03的辅助端子22与接触器km02的控制线圈端子a1相接，数字量输出端子do6与接触器km01的辅助端子11相接，接触器km01的辅助端子12与接触器km02的辅助端子11相接，接触器km02的辅助端子12与接触器km03的控制线圈端子a1相接，最后三个接触器km01、接触器km02、接触器km03的控制线圈端子a2一起与主控制系统plc模块的gnd端子相接。电容接近开关s01、电容接近开关s02返回的转速信号接入高速计数通道gs01和gs02端子，电容接近开关供电为24vdc，接入主控制系统plc模块提供的24vdc电源接口即可。测风仪返回的频率信号接入plc模块的高速计数通道gs03。偏航电机m2、m3、m4的pt100温度传感器分别接入plc模块ai输入通道端子1、2、3、4、5、6、7、8、9。
34.软启动器接入后，图4中的电机转速01和电机转速02给主控制系统plc模块提供判断的电机转速数据，其由电容接近开关测得。电机温度m01、电机温度m02、电机温度m03、电机温度m04分别是四个偏航电机内部的绕组测温传感器，为主控制系统plc模块提供电机温度信息，供判断电机是否过温。当风电机组的机身因为过大空气湍流而发生不想出现的滑动，即机身发生意外的非主动偏航，偏离了原对风风向，这时电容接近开关测得的电机转速值会快速上升，同时程序判断其它条件符合制动要求时，主控plc通过do1和do3发出命令，软启动器接到命令后按预置的参数值输出相应强度的直流电流，进行制动，阻止机身的意外滑动，达到保持机身一直对风的目的。
35.当风向改变后，机组需重新对风的时候，需关断接触器km03，即退出电磁制动，这时方可吸合接触器km01或接触器km02，让风机左右偏航，主动对风。
36.实施例二：本实施例为一种超高海拔风电机组偏航电磁制动方法，如图5所示，包括以下步骤：主控制系统plc模块正常工作后：
第一步：判断机组的目前状态，若机组处于正常发电的并网状态，进入第二步，如果不是处于并网发电状态，则将数字量输出端子do6置零，即让接触器km03断开，电磁制动系统退出电气回路，即将软启动器从偏航电机配电回路中断开切出，重新判断；第二步：判断当前风速是否在预设范围之内，是否是湍流天气，如果符合条件，则进入第三步，如果不是，则电磁制动系统退出电气回路，即将软启动器从偏航电机配电回路中断开切出，回到第一步，重新开始判断；第三步：风速符合条件后判断机组是否处于未偏航状态，如果未进行主动偏航，则将数字量输出端子do6置1，即让接触器km03吸合，电磁制动系统接入电气回路，如果不是则电磁制动系统退出电气回路，即将软启动器从偏航电机配电回路中断开切出，回到第一步，重新开始判断。
37.第一步、第二步以及第三步中三个判断流程拥有最高中断等级，任何时候，这三个条件只要有其中一个未得到满足，就应立即将电磁制动系统退出电气回路。电磁制动系统接入电气回路后，即将软启动器接入偏航电机配电回路后，主控制系统plc模块继续进行判断。
38.第四步：判断偏航电机绕组温度是否正常，如果是正常的，进入第五步，如果不是，而第一步、第二步以及第三步中所述三个条件依旧成立时，则继续监控偏航电机温度，直到恢复至正常温度。
39.第五步：判断电容接近开关转速，两个电容接近开关转速接近而且全部超过预设定值，则主控制系统plc模块的输出通道do1和do3同时输出，则软启动器进行制动，达到预设定时间后，制动完成，do1和do3停止输出，同时do2输出，通知软启动器停止，制动过程完成，如果转速未到预设定值，则一直监测偏航电机绕组温度和电容接近开关返回的转速。
40.与现有的偏航系统制动方式比，本发明技术方案的成本只有其几分之一，成本大幅下降；且机舱滑动的越快，其在制动时产生的力矩越大，可以快速的强力制动，效果显著。
41.以上所述的实施例只是本发明的较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。