风力发电机组的环境控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，具体地讲，涉及一种风力发电机组的环境控制系统及其控制方法。

背景技术：

目前，主流风机制造商制造的风力发电机组依然采用分散式布置方式。具体地讲，如图1所示，发电机1通过与底座2连接而安装到机舱3的前部，用于发电机的散热的换热器4在机舱3内靠近机舱3的尾部设置，开关柜5、变频柜6、液压站7和机舱控制柜8设置在机舱3内，并且变频柜6、液压站7和机舱控制柜8位于底座2中，变流柜9、箱变10、主控柜11、泵站12和外部换热器13设置在塔筒14的塔底。具体地，箱变10设置在塔底的负一层平台，主控柜11和泵站12设置在塔底的一层平台(塔筒门入口)，变流柜9设置在塔底的二层平台。

采用这样的分散式布置方式存在如下缺陷：由于用于发电机1、变流柜9、箱变10之间进行连接的低压动力电缆15较长且额外需要从塔底向机舱3引出400V配电电缆和控制电缆而导致电缆成本增高；在吊装时需要对塔底进行拼装以及需要完成箱变、变流柜与主控柜之间的接线工作，且风力发电机组的主要组件在吊装前无法组成一个完整的电系统及其控制系统，因此很多预调试工作无法进行，从而导致在吊装完毕后，还需要进行大量的调试工作，延长风场的建设周期；目前风力发电组的环境控制系统通常对位于塔底的变流柜、箱变采用水冷进行冷却，对发电机采用风冷或水冷进行冷却，而位于塔底的主控柜以及位于机舱内的机舱控制柜等都会向风力发电机组的内部环境释放热量，因此还需要控制风力发电机组的内部环境中的空气的温度，还有就是在寒冷地区或是海上的风力发电机组，对温度和湿度都要求比较严格，但由于这些组件分散在塔底和机舱内，因此均需要分别对这些分散的区域的温度进行控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于对风力发电机机组内所有主要设备进行冷却和对机舱内环境的温度和湿度进行控制的一套环境控制系统。

此外，本发明的目的还在于提供一种提高了集成度的风力发电机组。

此外，本发明的目的还在于提供一种环境适应性强的风力发电机组。

根据本发明的一方面，提供一种风力发电机组的环境控制系统，所述环境控制系统可包括液冷循环系统和风冷循环系统，其中，液冷循环系统包括设置在所述风力发电机组的机舱外部的外部换热器、设置在机舱内部的泵站和发电机换热器，泵站的出口侧管路连接到待冷却设备的进口侧管路，所述待冷却设备的出口侧管路连接到发电机换热器的进口侧管路，发电机换热器的出口侧管路分支为两路，一路直接连接到三通阀的一个进口，另一路经由外部换热器连接到所述三通阀的另一个进口，所述三通阀的出口连接到泵站的进口侧管路，所述风冷循环系统包括所述发电机换热器和将发电机内部空间的空气引入发电机换热器的管路。

优选地，泵站的进口侧和出口侧可设置有静压传感器，泵站的出口侧还可设置有温度传感器；待冷却设备的进口侧和出口侧可分别设置有静压传感器，待冷却设备的出口侧还可设置有温度传感器，发电机换热器的进口侧和出口侧可分别设置有温度传感器。

优选地，所述待冷却设备为多个，多个所述待冷却设备在泵站和所述发电机换热器之间并联连接，从而形成多个分支。

优选地，机舱内设有变流柜和箱变，多个所述分支可包括箱变所在的第一分支和变流柜所在的第二分支。

优选地，第二分支上可设置有用于使来自于所述泵站的冷却液在进入变流柜之前升温的加热器以及用于测量冷却液经过加热器后的温度的温度传感器。

优选地，所述风冷循环系统还可包括除湿机，除湿机可设置在机舱尾部靠近可拆卸机舱顶盖的位置。

优选地，除湿机的再生风进风管的入口可设置在机舱尾部靠近可拆卸机舱顶盖的位置，除湿机的再生风出风管的出口可设置在机舱底部。

优选地，所述机舱内设有变流柜和箱变，多个所述分支包括所述箱变所在的第一分支和所述变流柜所在的第二分支，除湿机的干空气风管可设置在发电机换热器与箱变之间。

优选地，所述风冷循环系统还包括温度传感器和湿度传感器，温度传感器和湿度传感器设置在将机舱分为上下两层的分隔平台的天井处。

优选地，所述风冷循环系统还可包括过滤器，设置在天井处。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组的环境控制系统的控制方法，当泵站出口处的温度值低于第一温度设定值时，使冷却液在流经发电机换热器之后直接回流到泵站；当发电机换热器出口处的温度值达到第二温度设定值时，使冷却液流经发电机换热器和外部换热器之后回流到泵站，其中，第一温度设定值小于第二温度设定值。

优选地，当发电机换热器出口处的温度值达到第三温度设定值且冷却液流量达到最大值时，风力发电机组降容运行，其中，第三温度设定值大于所述第二温度设定值。

优选地，当泵站出口处的温度值低于预定温度时，对流入待冷却设备的冷却液进行加热。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组的环境控制系统的控制方法，当机舱内的湿度值高于湿度设定值、温度值低于机舱温度设定值且风力发电机组处于发电状态时，使冷却液流经发电机换热器之后直接回流到泵站；当机舱内的湿度值高于湿度设定值、温度值高于机舱温度设定值且风力发电机组处于发电状态时，启动除湿机进行除湿。

优选地，当机舱内的湿度值高于湿度设定值且风力发电机组在停机状态时，启动发电机换热器，然后启动除湿机或者向发电机线圈通电加热空气。

根据本发明的风力发电机组的环境控制系统，简化了环境控制系统的设计，提高了环境控制系统的整体性。此外，根据本发明的风力发电机组的环境控制系统，由于空气可循环流动，因此大大增加除湿效率。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：

图1是示出了现有技术中的采用分散式布置方式的风力发电机组的示意图；

图2是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的布局的示意图；

图3是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱的一层内的布局的示意图；

图4是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱的二层内的布局的示意图；

图5是根据本发明的实施例的风力发电机组的环境控制系统的液冷循环系统的拓扑图；

图6是根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱环境的温湿度控制示意图；

图7是根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱的二层内的空气流动的示意图；

图8是根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱的一层内的空气流动的示意图。

具体实施方式

现在，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。

参照图2，风力发电机组可包括：叶轮101，叶轮上101可设置有叶片(未示出)；发电机102，连接到叶轮101；机舱103，机舱103内可设置有箱变116和变流柜114；塔筒105，用于支撑叶轮103、发电机102和机舱103(叶轮轮毂、发电机和机舱统称为机头)。此外，机舱103的外部还可设置有用于风力发电机组的散热的外部换热器106，优选地，外部换热器106可位于机舱103的顶部靠近发电机102的位置。在此，变流柜114用于将发电机发出的频率和电压均在变化的交流电，转换为符合电网接入规范的电压、频率恒定，波形为正弦波的交流电；箱变116为用于风力发电机中的变压器，可以为油式变压器或干式变压器，用来将来自变流柜的低压电升压后送往集电线路。

在本实施例中，机舱103可通过底座104连接到塔筒105，底座104可以为一个支撑结构件，底座104的一端可连接到塔筒105，用于将整个机头的重力以及力矩传递给塔筒105。风力发电机组可以为直驱式风力发电机组，发电机102可以为外转子空冷发电机，其中，发电机102可采用单轴承(未示出)，轴承安装到内定子的轴承座中，轴承的动环与动轴固定，轴承的静环与静轴固定，静轴与底座104连接，用于将发电机102及叶轮101的重力和力矩传递给底座104，动轴与叶轮101连接，用于将叶轮101捕获风能后转化来的弯矩传递给发电机外转子用于发电，同时支撑叶轮101的重力以及抵消叶轮101带来的力矩。

在下文中，将参照图2至图4进一步详细地描述机舱的结构以及机舱内组件的布局。

如图2所示，机舱103可通过分隔平台107(也可称作机舱二层平台)分为一层108和二层109，靠近机舱103的底部还可设置有机舱一层平台112。如图2和图3所示，箱变116和发电机换热器117可设置在机舱一层平台112上。如图2和图4所示，采用冗余配置的两台变流柜114、包括采用冗余配置且并联运行的两台泵的泵站115和液压站118可设置在机舱二层平台107上。变流柜114和箱变116的分层布置有利于实现高低压分离，同时设置在机舱二层平台107上的泵站115和液压站118可远离箱变116，以便于对泵站115和液压站118进行维护。此外，为了减小对塔筒105的抗倾覆力矩的要求以及缩短低压电缆119的长度，变流柜114、箱变116等较重以及需要低压电缆119连接的组件可在机舱一二层平台布置时优选地靠近塔筒105(具体地，底座104)布置，优选地，箱变116可比发电机换热器117更靠近塔筒105，变流柜114可比液压站118和泵站115更靠近塔筒105。在此，泵站115至少包括泵115a，另外还可选择性地包括三通阀、单向阀、加热器等，用于给液冷系统提供动力，同时依据风机控制系统的指令实现控制流量、切换大小循环、以及加热冷却液等功能；液压站118用于给风机内的液压部件(例如偏航刹车系统、转子刹车系统、液压变桨系统等)提供动力及控制。图3和图4中的由点划线构成的圆圈表示塔筒105的位置。

在本实施例中，机舱二层平台107可以为板状结构，并且可采用悬臂式布置形式，即，机舱二层平台107的一端可固定于底座104上，另一端可悬空，优选地，为了增大机舱二层平台107的结构强度，可在机舱二层平台107下设置多根横梁。此外，机舱二层平台107的下方可安装有机舱一层平台行车110，用于吊装箱变116和发电机换热器117及其内部组件等以便于维护和更换。此外，靠近机舱103的顶部可安装有机舱二层平台行车111，用于吊装箱变116、发电机换热器117、变流柜114、泵站115和液压站118及其内部组件等。此外，在机舱二层平台的靠近机舱103的尾部的位置可设置有天井113，用于机舱二层平台与机舱一层平台之间的物资运送或者维护机舱一层平台上的组件。

在下文中，将参照图5至图8详细地描述根据本发明的实施例的风力发电机组的环境控制系统的液冷循环系统和风冷循环系统。

图5是根据本发明的实施例的风力发电机组的环境控制系统的液冷循环系统拓扑图，其中，拓扑图并未示出液冷循环系统中的膨胀罐、过滤器以及各待冷却设备的冷却液管道进出口的阀门等。

液冷循环系统可包括设置在机舱103顶部的外部换热器106、设置在机舱103内部的泵站115和发电机换热器117，泵站115的出口侧管路连接到待冷却设备的进口侧管路，待冷却设备的出口侧管路连接到发电机换热器117的进口侧管路，发电机换热器117的出口侧管路分支为两路，一路直接连接到三通阀130的一个进口，另一路经由外部换热器106连接到三通阀130的另一个进口，三通阀130的出口连接到泵站115的进口侧管路，相应地，从泵站115流出的冷却液先流入机舱103内的待冷却设备之后流入发电机换热器117，从发电机换热器117流出的冷却液通过三通阀130的控制选择性地通过外部换热器106或直接回流到泵站115。优选地，发电机换热器117可以为液空换热器(例如，水空换热器)，外部换热器106也可以为液空换热器。此外，在本实施例中，泵站115的每台泵115a的冷却液管道进出口均可设置有单向阀，用于泵交替运行、故障泵隔离以及泵更换作业等，类似地，待冷却设备(诸如箱变116、变流柜114、液压站115)和发电机换热器117的冷却液管道进出口也可设置有单向阀，用于在更换或移动这些设备时快速地断开或连接冷却液管道，而无需排空整个液冷循环系统中的冷却液。在本实施例中，三通阀130可以为电动三通阀，用于切换液冷循环系统的内外循环，具体地，控制液冷循环系统是否向外界散热(即，是否与外部换热器106连接)，内循环为与外部换热器106不连接(旁路)情况下的液冷循环，外循环为与外部换热器106连接情况下的液冷循环，以使风力发电组有效地散热，并且便于风力发电机组在严寒天气刚启动时对待冷却设备进行保温。

下面将详细地描述液冷循环系统的详细布局以及冷却液的流向。如图5所示，泵115a的出口侧可设置有用于分别测量流出泵115a的冷却液的静压和温度的静压传感器115c和温度传感器115d，泵115a的进口侧可设置有用于测量流入泵115a的冷却液的静压的静压传感器115b，流经水泵115a的流量可根据静压传感器115b与静压传感器115c求得静压差后，根据压差-流量曲线求得。冷却液在流出泵115a后可分成三个分支：第一分支，通往箱变116，箱变116的进口侧可设置有用于测量进入第一分支的冷却液的静压的静压传感器116a，冷却液管道的出口侧可设置有用于分别测量流出第一分支后的冷却液的静压和温度的静压传感器116b和温度传感器116c，流经第一分支的流量可根据静压传感器116a与静压传感器116b求得静压差后，根据压差-流量曲线求得；第二分支，通往变流柜114，由于变流柜114内的功率器件(诸如IGBT等)对温度较为敏感(其要求进入的冷却液温度必须达到预定值)，因此变流柜114的冷却液管道的进口侧可串联电加热器114e，用于当流入的冷却液的温度较低时使冷却液升温，同时进口侧可设置用于分别测量当电加热器开启后冷却液流经电加热器后的温度和静压的温度传感器114c和静压传感器114a，出口侧可设置有用于分别测量冷却液流经第二分支后的静压和温度的静压传感器114b和温度传感器114d，流经第二分支的流量可根据静压传感器114a与静压传感器114b求得静压差后，根据压差-流量曲线求得；第三分支，通往液压站118的液压站换热器118a(例如，油水换热器)，液压站换热器118a的进口侧可设置有用于测量进入第三分支的冷却液的静压的静压传感器118b，冷却液管道的出口侧可设置有用于分别测量冷却液流经第三分支后的静压和温度的静压传感器118c和温度传感器118d，流经第三分支的流量可根据静压传感器118b与静压传感器118c求得静压差后，根据压差-流量曲线求得。冷却液流经三个分支后重新汇集到主回路并且流经发电机换热器117，在该主回路上发电机换热器117的进出口侧可分别设置有用于测量冷却液经过三个分支重新汇集后的温度的温度传感器117a以及用于测量冷却液流经发电机换热器117后的温度(即，通过发电机换热器117完成了液体和空气的热交换之后的温度)的温度传感器117b。发电机换热器117的出口侧管路被分支为两路，一路直接连接到三通阀130的一个进口，另一路经由外部换热器106连接到三通阀130的另一个进口。由于发电机102的耐高温能力高于箱变116和变流柜114，因此在本实施例中对箱变116和变流柜114冷却之后再对发电机102冷却。此外，如果待冷却设备不止一个，那么将其与其它待冷却设备并联即可(即，可形成第四分支或更多分支)。

此外，在本实施例中，液冷循环系统所采用的泵可使用变频器来控制，以可根据待冷却设备的冷却需求，通过控制离心泵的转速来调节冷却液的流量，从而改变环境控制系统的冷却能力。此外，为了改变液冷系统的冷却能力，还可通过增减运行中的泵的数量来调节冷却液的流量，而根据实际需要，也可同时采用上述的两种方式。

在本实施例中，仅示出了外部换热器106，但不限于此。具体地讲，根据实际需要，液冷循环系统还可包括安装在外部换热器上的变频风机，用于增强液冷循环系统的冷却能力。

图6是根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱环境温湿度控制示意图。如图6所示，风冷循环系统的空气循环在一个封闭空间中进行，该封闭空间包括由机舱的一层108、机舱的二层109以及发电机102的内部定子线圈(未示出)和铁芯周围的空气流道(未示出)。整个封闭空间通过关闭底座盖板门124(见图2)、可拆卸机舱顶盖125(见图2)、活动盖板126(见图2)、可拆卸盖板122(见图3)和活动盖板123(见图3)与外界隔绝而形成。风冷循环系统可通过发电机换热器117与液冷循环系统耦合，以实现将风冷循环系统中的热量交换给液冷循环系统，或者从液冷循环系统中抽取热量给风冷循环系统。具体地讲，风冷循环系统包括发电机换热器107，发电机102内部的空气通过管路102a、102b被抽吸到发电机换热器117，与流经发电机换热器117的冷却液交换热量，热交换后的空气被送出发电机换热器117，流经机舱103内部流入发电机102内部。在本实施例中，空气循环从发电机换热器117的空气侧出口开始，流经机舱二层平台107的天井113，沿着机舱二层平台的上层空间流向发电机102，流经发电机定子线圈和铁芯并与其热量交换后，流经发电机的上下热风管102a和102b重新被抽吸进入发电机换热器117内并与液冷循环系统进行热量交换。

此外，如图6和图8所示，在本实施例中，两台发电机换热器117左右对称地布置在机舱一层平台112上，每台发电机换热器117可包括集风段117a、换热器芯体117b和为风冷循环系统提供动力的变频风机117c。集风段117a上下均设置有进风口，集风段117a的上进风口连接发电机102的上热风管102a，集风段117a的下进风口连接发电机102的下热风管102b。此外，天井113靠近底座104的一侧可设置有温度传感器113a和湿度传感器113b，由于该位置既是机舱内循环空气的流经路径又远离机舱壁面区域，因此可避免机舱壁面温度对测量结果的影响，所测得的机舱内环境的温湿度值更具有代表性。

此外，在本实施例中，风力发电机组内可设置有除湿机150，该除湿机150为转轮除湿机，转轮除湿机可包括再生风进风管150a、再生风出风管150b和干空气风管(未示出)。由于湿空气密度较轻，因此可将除湿机150布置在机舱二层109内，优选地，为了减少对平台空间的占用，可将除湿机150布置到机舱二层平台尾部靠近可拆卸机舱顶盖125的位置。除湿机150的再生风进风管150a的入口可设置在机舱尾部，再生风出风管150b的出口可设置在机舱底部，以将潮湿空气排放到机舱103外部，采用此布置方式，由于再生风出风管接近垂直，积水容易在重力作用下排出，不易在再生风出风管150b内积聚。由于当发电机换热器117中的变频风机启动以后，整个机舱内的空气循环，但发电机换热器117与箱变116之间区域的空气流动性较差，因此可将除湿机150的排放干燥空气的干空气风管的出口设置到发电机换热器117与箱变116之间的区域。此外，除了传统的采用除湿机的方式之外，还可采用其他多种方式，例如，可从液冷循环系统中抽取热量来加热循环空气的方式，或者给发电机加电压让发电机定子线圈来加热循环空气的方式。

此外，为了过滤机舱内的循环空气、去除空气中的盐颗粒和灰尘等杂物以达到净化机舱内空气的目的，机舱二层平台天井113位置处还可设置有过滤器，以降低外界侵入机舱内的空气对机舱内环境的影响。此外，在本实施例中，为了确保空气按照上述设计路径流动，同时减小箱变对发电机进气温度的影响，还可在箱变116与底座104之间的区域设置空气屏障。

为了更好地理解本发明的公开内容，下文中将详细地描述根据本发明的实施例的风力发电机组的环境控制系统的控制方法。

液冷循环控制可包括：当温度传感器115d测得的温度值低于第一温度设定值时，三通阀130动作，断开a-c回路，连通a-b回路，以使冷却液不经过外部换热器106(即，使冷却液在流经发电机换热器117之后直接回流到泵站115)，启动电加热器114e，并且根据温度传感器114c测得的温度来调节液冷循环系统中冷却液的流量或电加热器114e的加热功率，防止被电加热器114e加热后的冷却液温度超过变流柜114的限制；当温度传感器117b测得的温度值达到第二温度设定值时，三通阀断开a-b回路，连通a-c回路，使冷却液流经外部换热器106，同时根据温度传感器115d和117a测得的温度值来调节液冷系统中冷却液的流量；当温度传感器117b测得的温度值达到第三温度设定值时，并且冷却液的流量已经达到最大流量值时，风力发电机组降容运行，同时在系统中进行记录。需要说明的是：第一温度设定值<第二温度设定值<第三温度设定值。

风冷循环控制可包括：当机舱内的温度传感器113a测得的温度值高于机舱温度设定值时，调高发电机换热器117的变频风机的转速，增大空气循环经过发电机换热器117的流量，同时通知液冷循环系统相应增大冷却液的流量；当机舱内的温度传感器113a和湿度传感器113b测得的湿度值高于湿度设定值、温度值较低(即，低于机舱温度设定值)且此时风力发电机组处于发电状态时，通知液冷循环系统中的三通阀130动作，断开a-c回路，连通a-b回路，使得液冷循环系统的冷却液不流经外部换热器106(即，使冷却液在流经发电机换热器117之后直接回流到泵站115)，以提高液冷循环系统的冷却液的温度，从而通过发电机换热器117从液冷循环系统中抽取热量来加热机舱内循环空气的温度，以此降低机舱内环境的相对湿度；当机舱内的温度传感器113a和湿度传感器113b测得的湿度值高于湿度设定值、温度值较高(即，高于机舱温度设定值)并且风力发电机组正在运行发电中时，启动除湿机150进行除湿；当机舱内的温度传感器113a和湿度传感器113b测得的湿度值高于湿度设定值且风力发电机组不在发电状态(例如，停机状态)时，启动发电机换热器117的变频风机，使机舱内的空气循环流动起来，然后启动除湿机150进行除湿，或向发电机线圈通电利用定子线圈来加热循环空气或者两种方法同时实施，以降低机舱内的相对湿度；当机舱内的温度传感器113a测得的温度值高于最大温度设定值时，风力发电机组降容运行。需要说明的是，机舱温度设定值可位于第二温度设定值与第三温度设定值之间。

根据本发明的实施例的风力发电机组的环境控制系统可实现对发电机、变流柜、箱变以及液压站等风力发电机组的主要发热设备的冷却，简化了环境控制系统的设计，提高了环境控制系统的整体性。

此外，根据本发明的实施例的风力发电机组的环境控制系统的风冷循环系统可通过与液冷循环系统的耦合以及采用空冷发电机，实现风冷循环系统与外界环境的隔绝，不仅同时实现了对发电机和机舱内环境进行控制，而且还避免了现有技术中的通风散热方式的弊端。

此外，根据本发明的实施例的风力发电机组可采取如上所述的多种方式进行湿度控制，而且通过风力发电机组的环境控制系统对机舱内环境的温湿度控制后，可为风力发电机组内的重要设备提供良好的运行工作环境。此外，由于空气可循环流动，因此大大增加除湿效率。

此外，根据本发明的风力发电机组，由于变流柜和箱变被集成到机舱内，缩短了低压动力电缆以及配电电缆和控制电缆的长度，显著降低了电缆成本，同时减小了空间占用，而且便于控制风力发电机组内部环境的温湿度。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本发明所属技术领域中具有公知常识者在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种的修改和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。