一种小型风力发电系统安全运行保护系统及其保护方法与流程

本发明涉及一种风力发电系统，特别涉及小型风力发电系统安全运行保护系统及其保护方法。

背景技术

近三年来，风电产业进入高速发展阶段，全球风电装机容量平均年增长率逾20％。2007年全球风能市场继续保持高速增长。截至2008年4月，这一数字更达到了100gw。预计2020年风力发电将占世界电力总量的12％，成为电力行业中增长最快的朝阳产业。而如今，小型风力发电系统应用越加广泛，其结构简单，地域适应性强，稳定便捷等优点被市场所接受。

风力发电包括由风能转化为机械能和由机械能转化为电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。但无论是发电机还是其控制系统，都有相对固定的能力上限，当因为外界的风力过大，或者风速过高时，可能会超过发电机以及控制系统的功率上限，损伤整个风力发电系统的整流装置。因此设计一个安全、全面的小型风力发电系统安全运行保护系统显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种小型风力发电系统安全运行保护系统及其保护方法，确保在风机过负荷情况下，系统可以安全运行，并且在遇到不可控制的强台风情况下，能够保证风机发电系统安全。

本发明的目的是这样实现的：一种小型风力发电系统安全运行保护系统，其特征在于，包括电力传输单元以及控制单元；

所述电力传输单元包括连接在风力发电机输出端的dc-dc变换电路，dc-dc变换电路的输出端经整流电路接直流母线、逆变并网；

所述控制单元包括监测装置、卸荷装置、限速装置、停机装置以及控制器；

监测装置用以实时监测dc-dc变换电路的输入功率，以及风力发电机转速；

卸荷装置用以从风力发电机输出功率中分出部分电能输入蓄电池中；

限速装置用以限制风力发电机的转速；

停机装置用以停止风力发电机运转；

所述控制器用以接收监测装置监测到的数据，进行运算处理后控制卸荷装置、限速装置、停机装置以及整流电路工作。

作为本发明的进一步限定，所述监测装置包括风机转速监测装置与dc-dc变换电路输入功率监测电路；所述风机转速监测装置包括霍尔式电机转速传感器和转速监测调理电路，所述霍尔式电机转速传感器安装在风力发电机转动齿轮旁，用以监测风力发电机转动齿轮转速，所述转速监测调理电路，用以对霍尔式电机转速传感器输出的电压信号进行调理；所述dc-dc变换电路输入功率监测电路包括电压测量电路和电流测量电路，对dc-dc变换装置的输入电压电流进行采样，从而计算得到整流电路的输入功率。

作为本发明的进一步限定，所述转速监测调理电路包括电压跟随器和运算放大电路，电压跟随器利用电压跟随器的高输入阻抗特性实现电压隔离，减少后级电路对取样电路的影响，运算放大电路进行输入脉冲电压幅值放大；控制器对运算放大电路输出端的电位进行检测计时以及计数，根据感应导磁体的齿数以及接收到方波信号的周期，利用公式即可计算出风机转速，所述公式为：

其中，v为风机转速，单位r/min；n为感应导磁体的齿数，单位个；t为方波脉冲周期，单位s。

作为本发明的进一步限定，所述电压测量电路两串联的分压电阻r4、r5，两稳压二极管d1、d2，运算放大器以及光耦器件hcnr200，所述电压测量电路分为三级，第一级运算放大器组成电压跟随器，利用电压跟随器的高输入阻抗特性实现电压隔离，减少后级电路对取样电路的影响；第二级运算放大器组成电流负反馈电路，利用光电二极管pd1检测led的光输出量，并自动调整通过led的电流，以补偿led光输出的变化及任何其它原因引起的非线性，该反馈放大器主要用于稳定led的光输出并使其线性化；第三级运放组成的输出电路实现电流与电压之间的转换功能，将光电二极管pd2输出的稳定的、线性变化的电流信号转换成电压信号并输出。

作为本发明的进一步限定，所述串联的分压电阻r4、r5的两端作为输入端采用在dc-dc变换电路输入电压，分压电阻r4、r5之间的电极点经串联的两稳压二极管d1、d2之间的电极点接第一级运算放大器tl074的输入正极，稳压二极管d1的正极接地，负极接稳压二极管d2的正极，稳压二极管d2的负极接电源，第一级运算放大器tl074的输入负极与其输出端相连，第一级运算放大器tl074的输出端接光耦器件hcnr200的输入端，光耦器件hcnr200包括一个发光二极管led和两个光电二极管pd1、pd2，第一级运算放大器tl074的输出端接电阻r6的一端，电阻r6的另一端接第二级运算放大器tl074的输入负极，第二级运算放大器tl074的输入正极接地，光电二极管pd1的正极接地、负极接第二级运算放大器tl074的输入负极，第二级运算放大器tl074的输出端接发光二极管led的负极，发光二极管led的正极经电阻r7接电源，发光二极管led的正极还经电容c1接第二级运算放大器tl074的输入负极；第三级运算放大器tl074的输入负极接光电二极管pd2的负极，光电二极管pd2的正极接地，第三级运算放大器tl074输入正极接地，第三级运算放大器tl074的输入负极还经并联的电阻r8、电容c2接第三级运算放大器tl074的输出端，第三级运算放大器tl074的输出端作为光耦器件hcnr200的输出端。

作为本发明的进一步限定，所述电流测量电路包括直流分流器fl-2100a、电阻r9、电阻r10、电容c3、两稳压二极管d3、d4以及运算放大器、光耦器件hcnr200，两稳压二极管d3、d4、运算放大器以及光耦器件hcnr200的电路结构与电压测量电路相同，直流分流器fl-2100a采用dc-dc变换电路输入电流，电阻r9一端接直流分流器fl-2100a的正极，另一端接第一级运算放大器tl074的输入负极，电阻r10的一端接参考电压ref，另一端接第一级运算放大器tl074的输入负极，电容c3的一端接第一级运算放大器tl074的输入负极、另一端接地，直流分流器fl-2100a的负极接地。

作为本发明的进一步限定，所述卸荷装置包括非隔离式buck-boost电路以及蓄电池，非隔离式buck-boost电路的输入端旁接在dc-dc变换电路的输出端上，非隔离式buck-boost电路的输出端接蓄电池。

作为本发明的进一步限定，所述限速装置包括一端铰接在一起的定施压桥臂和动施压桥臂，定施压桥臂的另一端连接有直流激磁电磁铁，动施压桥臂的另一端连接有永磁体，所述定施压桥臂和动施压桥臂的中部对应设置有一对限速抱爪，限速抱爪经弹簧分别安装在定施压桥臂和动施压桥臂上，定施压桥臂和动施压桥臂的铰接处设置有分离压簧。

一种小型风力发电系统安全运行保护方法，采用小型风力发电系统安全运行保护系统，所述保护系统包括电力传输单元以及控制单元；

所述电力传输单元包括连接在风力发电机输出端的dc-dc变换电路，dc-dc变换电路的输出端经整流电路接直流母线、逆变并网；

所述控制单元包括监测装置、卸荷装置、限速装置、停机装置以及控制器；

监测装置用以实时监测dc-dc变换电路的输入功率，以及风力发电机转速；

卸荷装置用以从风力发电机输出功率中分出部分电能输入蓄电池中；

限速装置用以限制风力发电机的转速；

停机装置用以停止风力发电机运转；

所述控制器用以接收监测装置监测到的数据，进行运算处理后控制卸荷装置、限速装置、停机装置以及整流电路工作，所述保护方法包括以下步骤：

1)监测开始，风力发电系统开始工作时，安全运行保护系统处于待机状态，风力发电系统开始正常工作，监测装置开始对整流电路的输入功率、风机转速进行实时监测，采样得到dc-dc变换电路的输入电压电流值，送入控制器中，进行计算后得出整流电路的输入功率，并进行一级判断；

2)一级判断，判断整流电路的输入功率是否大于整流电路的额定功率，若不大于，则保持安全运行保护系统不变；若大于，则进行二级判断；

3)二级判断，判断风机的转速是否高于风机的最大转速，若是，则限速装置开启，致使风机的转速始终低于风机的最大转速，若否，则进行三级判断；

4)三级判断，判断输入功率是否超过整流电路的额定功率与卸荷装置的容量的和，若是，则限速装置启动，使风机降速，降低风力发电机的输出功率，并进行四级判断，

5)四级判断，经过限速装置启动，对风机进行降速，判断是否限速成功，即风机的转速是否低于风机的最大转速，若四级判断为否，则立刻启动停机装置，强制使风机停机，并且断开并网断路器，若四级判断为是，则再次进行三级判断，直至三级判断结果为否，接入卸荷装置，分担风力发电机的输出功率，整流并对蓄电池进行充电，并且整流逆变系统正常工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明利用电子设备和控制器实现对监测装置、卸荷装置、限速装置以及停机装置的协调控制，保证风力发电系统在其过负荷或者遇到强台风时，仍可平稳运行，确保其安全性与实用性。本发明可用于风力发电中。

附图说明

图1为本发明中保护系统框图。

图2为本发明中保护方法流程图。

图3为本发明中保护系统拓扑图。

图4为本发明中霍尔式电机转速传感器应用原理图。

图5为本发明中转速监测调理电路电路。

图6为本发明中电压测量电路原理图。

图7为本发明中电流测量电路原理图。

图8为本发明中卸荷装置拓扑图。

图9为本发明中限速装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1、3所示，所述小型风力发电系统安全运行保护系统，是通过监测风机的转速以及dc-dc变换电路的输入功率，然后与风机额定转速以及整流电路额定功率的进行比较，从而做出相应的维护风力发电系统安全运行的保护动作措施；所述小型风力发电系统安全运行保护系统包括电力传输单元以及控制单元，控制单元包括四个部分，其一为监测装置，其二为卸荷装置，其三为限速装置，其四为停机装置，电力传输单元是风力发电机旋转发电，经过整流器整流成稳定直流电压，接入直流母线，再经过并网逆变器，逆变成三相或者单相正弦交流电并网；卸荷装置的接入与断开以及蓄电池的接入与否，限速装置的限速程度，停机装置的启停均由系统的控制器对转速以及整流器的输入电压的采样值进行判断，从而进行闭环控制。

如图2所示，为一种小型风力发电系统安全运行保护方法；风力发电系统开始工作时，安全运行保护系统处于待机状态，风力发电系统开始正常工作；监测装置开始对整流电路的输入功率，风机转速进行实时监测，采样得到dc-dc变换电路的输入电压电流值，送入控制器中，进行计算后得出整流电路的输入功率，并进行一级判断，判断整流电路的输入功率是否大于整流电路的额定功率，若不大于，则保持安全运行保护系统不变；若大于，则进行二级判断，继续判定风机的转速是否高于风机的最大转速，若是，则限速装置开启，致使风机的转速始终低于风机的最大转速。若否，则进行三级判断，根据监测装置对整流电路采样的输入功率，判断是否超过整流电路的额定功率与卸荷装置的容量的和，若是，则限速装置启动，使风机降速，降低风力发电机的输出功率，并进行四级判断，经过限速装置启动，对风机进行降速，检测是否限速成功，即风机的转速是否低于风机的最大转速。若四级判断为否，则立刻启动停机装置，强制使风机停机，并且断开并网断路器。若四级判断为是，则再次进行三级判断，直至三级判断结果为否，接入卸荷装置，分担风力发电机的输出功率，整流并对蓄电池进行充电，并且整流逆变系统正常工作。

下面对控制单元包括四个部分做进一步说明。

1.监测装置

所述监测装置，分别需要对所述风力发电机的转速和所述dc-dc变换装置的输入功率进行监测。

1.1风机转速监测装置

所述风速监测采用的是cz400霍尔式电机转速传感器，监测装置使用霍尔芯片，感应导磁体上凸起的齿或是凹下的槽，并转变成一个交变电信号，输出良好的方波信号，用于检测各类旋转机械的转速。具有非接触、频响宽、抗振性强、稳定性好、抗干扰能力强等特点。因此在风机发电机所处的恶劣环境中可以正常使用。所述风速检测装置的原理图如图4所示。风机转速检测装置是由被测齿轮、转速传感器、传感器支架和固定螺母组成。被测齿轮与风力发电机转子同轴安装，随着转子的转动旋转，转速传感器感应被测齿轮上的凸起的齿，产生相对应的电压值与供电电压相同的方波信号，进行输出。

cz400霍尔式电机转速传感器可以有效的检测风机的转速，其输出为电压值为供电电压值的方波信号，而风机控制系统只能接受0～3.3v的电压信号，所以需要对传感器的输出电压配置调理电路，进行采样信号的调理。图5所示是转速传感器的调理电路。

图5为所述转速传感器的调理电路，传感器的输出电压值超过了控制电路a/d转换的上限电压，需要对电压进行调理，其一为电压跟随器，利用电压跟随器的高输入阻抗特性实现电压隔离，减少后级电路对取样电路的影响，其二为运算放大电路，进行输入脉冲电压幅值放大。

其中运算放大器放大倍数公式为：

根据以上公式对r2,r3的值进行确定，vout接入控制模块的输入口，控制器对该输入口的电位进行检测计时以及计数，根据感应导磁体的齿数以及接收到方波信号的周期如式2，即可计算出风机转速，并与各个转速阈值相比较，进行所述发电系统的保护控制工作。

式2中，v为风机转速，单位r/min；n为感应导磁体的齿数，单位个；t为方波脉冲周期，单位s。

1.2dc-dc变换装置的输入功率监测

通过对不可控整流模块的输出电压以及输出电流，即dc-dc变换装置的输入电压电流进行采样，从而计算得到整流装置的输入功率，因此关于dc-dc变换装置的输入功率，本发明分别对dc-dc变换装置的输入电压u和电流i进行采样。这样通过公式(3)可以计算得到dc-dc变换装置的输入功率。

p＝u·i(3)

1.2.1电压测量电路设计

电压测量电路如图6所示。经过整流器出来的大电压通过两个电阻r4和r5串联分压，得到可以进行a/d转换的电压值。但是，作为前端的大电压强电信号，必须要与后面控制装置的a/d转换电路等数字电路隔离开来，否则，大电压信号会很容易串入后续电路，并将其烧毁。因此，所述监测装置采用新型精密线性光耦器件hcnr200实现端电压隔离。

图6中，稳压二极管d1和d2起保护作用，防止外部干扰信号过大将后面电路烧毁，二极管同时还起稳压限幅的作用。采用tl074集成4运放的运算放大器，所述的电压测量电路一共分为3级，第一级运放组成电压跟随器，利用电压跟随器的高输入阻抗特性实现电压隔离，减少后级电路对取样电路的影响。第二级运放组成电流负反馈电路，利用光电二极管pd1检测led的光输出量，并自动调整通过led的电流，以补偿led光输出的变化及任何其它原因引起的非线性，因此该反馈放大器主要用于稳定led的光输出并使其线性化；if的范围为1～20ma，if为流过发光二极管led的电流，根据运放最大输出电压5.3v，选取r7为300，光电二极管pd1的电流为:

其中，u为分压电阻r5上的电压，其表达式为：

式5中，vv+为直流侧电压的正端电压，采用dc-dc变换装置输入电压的最大值进行计算，设置r4和r5的值，使得u的电压在3.3v以下。即经过调理电路之后，进入a/d转换的电压范围为0～3.3v，低于控制装置可以接收的电压。

因此ipd1最大值为：

ipd1＝v/r6(6)

其中，v是第一级运发输出电压值，在测量范围内，ipd1的值必须在5na≤ipd1≤50μa，并且约为0.005if，如此能够保证led的线性度以及稳定性。即可对r6的值进行选取。

第三级运放组成的输出电路实现电流与电压之间的转换功能,将光电二极管输出的稳定的、线性变化的电流信号转换成电压信号并输出。该电路中设计的输出电压的范围为0～3.3v，表达式为：

uo＝ipd2·r8(7)

而光耦中，if、ipd1、ipd2的关系如下：

式(8)中，k1和k2为输入输出光电二极管的电流传输比，k3为传输增益。

将式(4)、(5)、(7)带入式(6)可得：

由上式(9)可知，改变r6和r8的比值即实现输入输出电压之间的不同比例要求。

1.3电流测量电路设计

采样电路如图7所示,因为发电系统dc-dc变换装置输入电流过大，不便于直接测量，所以系统采用定值的直流分流器进行间接测量，分流器采用的是fl-2100a/75mv直流分流器；发电系统dc-dc变换装置输入电流测量电路与电压测量电路类似，不同的是整流后的直流大电流先经过直流分流器转化为0-75mv电压以便采样转换。但为了防止噪声等信号将如此小的电压信号湮没，在此电压的基础上加以参考电压vref；采样电压因此会发生改变，可在后续的软件设计中去除参考电压的影响。

2.卸荷装置

卸荷装置的部分是一个非隔离式buck-boost电路以及蓄电池，卸荷装置的投入和切出要根据不可控整流器的输入的电压值来确定，卸荷装置的结构图如图8所示。

本发明所述卸荷装置，采用输入电压200v，大容量蓄电池，能够保证所述风力发电系统过载的容量，通过检测不可控整流器的输入电压值决定卸荷装置的状态。当不可控整流器的输入电压值超过控制器所设置的上限电压阈值时，卸荷装置接入，电路处于非隔离式buck-boost电路的正向降压模式，s2关闭，通过s1导通和关断实现不可控整流器的直流侧向蓄电池降压充电，通过控制s1开关管的占空比控制输出电压值。当不可控整流器的输入电压值低于控制器所设置的下限电压阈值时，卸荷装置接入，电路处于非隔离式buck-boost电路的反向升压模式，s1关闭，通过s2的导通和关断实现蓄电池向不可控整流器直流侧的供电，通过控制s2开关管的占空比控制直流侧的电压值。

对蓄电池端电流进行监测，监测电路图如图8所示，将采集的蓄电池端电流值输入控制器中，监控电池的充电状态，当电池充满时，卸荷装置切除。

3.限速装置

所述限速装置结构如图9所示，部件1为所述直流激磁电磁铁，部件2为永磁体，与部件1电磁铁进行配合产生吸力，部件3为定施压桥臂，部件4为动施压桥臂，部件5为限速抱抓，为摩擦材料，可以使风机垂直轴处于其中，部件6为施压弹簧，部件7为连接轴承，连接定施压桥臂以及动施压桥臂；部件8为分离弹簧；部件9为底座，起到固定作用。

所述限速装置的工作原理：通过改变所述部件1直流激磁电磁铁中激磁电流的大小，从而产生不同的电磁力，与部件2永磁体进行吸引，从而驱动部件4动施压桥臂以部件7连接轴承为原点转动，部件5限速抱抓抱紧，依靠摩擦力使垂直式风力发电机垂直驱动轴降速。控制部件1直流激磁电磁铁以及部件2永磁体之间的吸力，改变部件5限速抱抓对垂直轴的压力，即改变对垂直轴的摩擦力，起到限速作用。

4.停机装置

所述停机装置采用的是电磁抱闸制动装置，首先对风机的最大转矩进行计算，根据电机功率、转矩与速度的关系(如式所示)，可以计算得到风力发电机的转矩，根据计算所得到的转矩大小，选取电磁抱闸制动装置。

上式中，t为电机的转矩，单位n·m；p为电机的功率，单位kw；n为电机的转速，单位r/min。选取风力发电机的最大功率以及最大功率下的最大转速，计算得到风力发电机的最大转矩，从而选取te＞t的电磁抱闸制动装置。

本发明中采用的所述电磁抱闸装置为断电启动电磁抱闸，即通过所述监测装置对风速进行监测，当风机风速高于最高设定值时，电磁抱闸装置断电制动，直至风机停机。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。