垂直轴风力发电系统启动控制方法以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力发电系统启动控制方法以及风力发电系统，当风力发电系统启动时，集中并网控制器启动并网，并控制各个控制开关闭合；机侧控制器拖动对应的垂直轴风力发电机转动至设定的启动转速；然后将垂直轴风力发电机的工作模式切换到发电模式，进行风力发电。通过该启动方法能够控制垂直轴风力发电机有效地启动，解决了垂直轴风力发电机启动困难的问题。
【专利说明】
垂直轴风力发电系统启动控制方法以及风力发电系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及垂直轴风力发电系统启动控制方法以及风力发电系统。
【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。垂直轴风力发电机具有低噪音、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。当垂直轴风轮做大以后面临垂直轴承弯矩越来越大的问题，弯矩越大对轴的强度要求越高，不仅重量重了而且很容易损坏。因而限制了大功率垂直轴风机的商业化。目前垂直轴风机一般被广泛应用于小功率风机领域，且垂直轴风机存在不能自启动问题。
[0003]风力发电系统包括多个部分，而其中的控制部分贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经，因此控制部分的好坏直接关系到风力发电系统的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。
[0004]垂直轴风力发电系统中的控制部分主要包括各种传感器、运行主控制器、并网控制单元、备用电源系统、通讯电路、监控单元。具体控制内容有:信号的数据采集、处理，转速控制、最大功率点跟踪控制、并网控制、停机制动控制、就地监控、远程监控。目前，我们之前研制的垂直轴风力发电系统一般由多台子风机系统构成，基本采用每台子风机系统配备一整套控制系统的匹配方式，这种控制方式不但结构复杂，需要多个子控制系统;而且，由小功率垂直轴风机构成的子风机系统独立并网往往会造成电能质量差、并网集中控制难度大等问题。
[0005]而且，垂直轴风力发电机的轴线与风成垂直关系，所以，其无法像水平轴风力发电机那样能够较为方便地利用风能进行启动，因此，垂直轴风力发电机的启动较为困难。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种垂直轴风力发电系统启动控制方法，用以解决垂直轴风力发电机启动困难的问题。本发明同时提供一种垂直轴风力发电系统。
[0007]为实现上述目的，本发明的方案包括:一种垂直轴风力发电系统启动控制方法，包括以下步骤:
[0008](I)当风机发电系统启动时，集中并网控制器启动并网，垂直轴风力发电机的运行模式是电动模式，机侧控制器拖动对应的垂直轴风力发电机转动至设定的启动转速；
[0009](2)当垂直轴风力发电机转速达到启动转速后，垂直轴风力发电机的工作模式切换到发电模式，进行风力发电。
[0010]风力发电系统启动的条件包括风力发电系统接收到就地或者远程并网命令，或者垂直轴风力发电机满足启动条件。
[0011]当垂直轴风力发电机的工作模式切换到发电模式之后，垂直轴风力发电机以最大功率跟踪模式进行风力发电。
[0012]当垂直轴风力发电机的转速大于或者等于额定转速时，垂直轴风力发电机的工作模式切换至恒转速模式。
[0013]当垂直轴风力发电机输出功率超过最大功率时，垂直轴风力发电机制动停机。
[0014]当风力发电系统接收到停机命令或者风速低于启动风速时，垂直轴风力发电机通过能量回馈制动方式进行停机，而且集中并网控制器退出并网。
[0015]一种实施上述垂直轴风力发电系统启动控制方法的垂直轴风力发电系统，包括至少一个垂直轴风力发电机，以及与垂直轴风力发电机对应的机侧控制器，垂直轴风力发电机的电能输出端输出连接对应机侧控制器的一端，所有的机侧控制器的另一端均连接到一个集中并网控制器的一端，所述集中并网控制器的另一端用于连接交流电网；每个垂直轴风力发电机的电能输出端与对应的机侧控制器之间的输电线路上或者每个机侧控制器与集中并网控制器之间的输电线路上均串设有控制开关，所述集中并网控制器控制连接所有的控制开关。
[0016]机侧控制器包括整流模块，集中并网控制器包括逆变模块，每个机侧控制器的另一端均对应输出连接一条直流母线，所有的直流母线连接一条总母线，所述集中并网控制器的一端连接所述总母线;所述控制开关对应串设在所述直流母线上。
[0017]所述垂直轴风力发电机为H型垂直轴风力发电机。
[0018]所述发电系统还包括不间断电源系统，所述不间断电源系统供电连接所述集中并网控制器和所有的机侧控制器。
[0019]本发明中的垂直轴风力发电系统启动控制方法中，根据需求进行并网，首先控制风力发电机为电动模式，拖动风力发电机至一定的转速，然后将垂直轴风力发电机的工作模式切换到发电模式，进行风力发电。这种控制方式将发电过程分为了前后两部分，第一部分中，由于风力发电机刚启动时，转速较低，所以风力发电机为被动模式，被拖动使转速逐渐增大，当转速到达一定值时，控制风力发电机切换为主动发电模式，进行风力发电。通过该启动方法能够控制垂直轴风力发电机有效地启动，解决了垂直轴风力发电机启动困难的问题。
[0020]并且，由于转速过低时发出电能的电能质量很差，所以，这种控制方式舍弃了转速较低时发出的电能，提升了电能质量。并且能够使风力发电机的转速迅速提升，减小了发电机的启动时间，提升了发电效率。
[0021]另外，垂直轴风力发电机与机侧控制器一一对应，一个机侧控制器对应控制一个风力发电机，实现风力发电机的工作模式的切换以及启动和停机等控制，机侧控制器采用独立控制垂直轴风力发电机的方式，依据不同风机风况进行独立控制，控制灵活。并且，整个发电系统中只涉及一个集中并网控制器，该并网控制器实现整个风力发电系统的并网控制，所以，该风力发电系统中并没有设置多个控制系统，只是设置多个机侧控制器以及一个并网控制器，所以，该系统结构简单，降低了控制的复杂程度。而且，通过一个并网控制器进行集中并网控制相较于多个子风机系统独立并网而言，这种集中并网方式解决了风电系统并网协调控制难和电能质量差的弊端，降低了并网控制难度，提升了电能质量。所以，该风力发电系统具有实施方便和系统结构简单的优点，能够保证风电场每台风机运行安全、风力发电高效并网、并能统一协调控制。
[0022]而且，当风力发电系统内有任何一台风力发电机出现故障时，只需切掉其与集中控制器之间的控制开关，将该故障发电机切除掉，而其他正常运行的发电机不受影响，仍旧正常工作，所以，该系统可靠性强，控制灵活，实现了能量汇集、单台发电机故障切出功能，便于扩展应用。
【附图说明】
[0023]图1是垂直轴风力发电系统的结构示意图；
[0024]图2是集中并网控制器的控制原理示意图；
[0025]图3是风机侧控制器的控制原理示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0027]本发明提供的垂直轴风力发电系统中包括至少一个垂直轴风力发电机，其中，风力发电机的具体个数是根据发电系统的输出功率或者其他的需求进行设定的。并且，垂直轴风力发电机可以是H型垂直轴风力发电机，也可以是其他类型的垂直轴风力发电机。由于H型垂直轴风力发电机兼顾了垂直轴风力发电机的优点，齿轮箱、发电机轴承设计成熟，且采用永磁同步电机作为发电机解决了风机自启动难题，所以，在本实施例中，为了便于说明，以H型垂直轴风力发电机为例，以下简称风机。
[0028]在本实施例中，以风力发电系统中包括η个(η多2)H型垂直轴风力发电机为例，如图1所示，分别是H型垂直轴风力发电机11、H型垂直轴风力发电机12、......、H型垂直轴风力发电机IN，这η个发电机构成发电机系统I，并且这η个发电机之间独立设置，相互之间不受影响。该风力发电系统还包括η个风机侧控制器，分别是风机侧控制器21、风机侧控制器22、……、风机侧控制器2Ν，这η个风机侧控制器构成风机侧控制器系统2，所以，H型垂直轴风力发电机与风机侧控制器的个数相同，并且是一一对应的关系。
[0029]H型垂直轴风力发电机的电能输出端对应输出连接风机侧控制器一端，如图1所示，H型垂直轴风力发电机11的电能输出端连接风机侧控制器21的一端，H型垂直轴风力发电机12的电能输出端连接风机侧控制器22的一端，……，Η型垂直轴风力发电机IN的电能输出端连接风机侧控制器2Ν的一端。
[0030]风机侧控制器用于控制对应的风机，其中，包括对风机的运行状态进行控制。而且，由于风机输出的电能为交流电，所以，风机侧控制器中设置有整流模块，风机输出的交流电通过整流模块之后输出为直流电。由于风机侧控制器属于现有技术，那么，关于其结构以及具体的工作原理等均不再详细描述。
[0031]所有的风机侧控制器的另一端均对应输出直流母线7，直流母线7分为η条直流母线以及一条总母线，其中，风机侧控制器21的另一端输出连接第一直流母线，风机侧控制器22的另一端输出连接第二直流母线，……，风机侧控制器2Ν的另一端输出连接第N直流母线。并且，每条直流母线上均串设有控制开关，在本实施例中，以接触器为例。其中，第一直流母线上串设接触器71，第二直流母线上串设接触器72，……，第N直流母线上串设有接触器7Ν。
[0032]这η条直流母线均与总母线连接，总母线连接一个集中并网控制器的一端，该集中并网控制器的另一端用于连接三相交流电网12。由于该集中并网控制器需要将直流电转化为交流电，所以，该集中并网控制器中需要设置有逆变模块，因此，为了直观体现该控制器的主要功能，可以将该集中并网控制器称为集中并网逆变器。虽然，该集中并网控制器也称为集中并网逆变器，但是，该集中并网逆变器除了具备逆变功能之外，还具备控制器的相关控制功能。
[0033]集中并网逆变器3控制连接所有的接触器。
[0034]集中并网逆变器3为现场控制中枢，通过稳定直流母线电压的方式进行并网控制和电能质量控制。集中并网逆变器3通过控制器系统2接收发电机系统I的运行数据，并下发控制命令。所有的直流母线均连接总母线，将所有的风机发出的电能汇入总母线中，并借助集中并网逆变器3馈入三相交流电网12。另外，各个直流母线上的接触器能够实现故障风机单独切出的功能。
[0035]由于每台风机机位处的风况不同，所以，独立的风机侧控制器是有必要的，依据不同风机的风况进行独立控制。并且，如果假设集中式并网逆变器的容量为P，风机的功率为Pi(i = l，2，……，N)，为了便于风机的扩展，需要满足PSPdP2+……+Pn0
[0036]而且，为了保证风机侧控制器21、22……、2N以及集中并网逆变器3的可靠工作，该发电系统还包括不间断电源系统4，如图1所示，不间断电源系统4从交流电网取电，经过电能处理之后生成各个控制器所需电能，并通过供电回路8供电连接所有的风机侧控制器和集中并网逆变器。另外，不间断电源系统4为系统公用的UPS系统，在电网掉电的情况下仍然能够保证可靠供电。而且，只使用一个UPS系统，即采用集中式UPS设计，相较于现有系统中的每台风机子控制系统均配套一个独立的UPS，系统设计更加简单、可靠。
[0037]为了实现各个风机侧控制器之间的通信，以及集中并网逆变器与风机侧控制器之间的通信，各个风机侧控制器依次连接，并且，集中并网逆变器与风机侧控制器之间通过通信总线9连接。上述给出的通信方式能够实现集中并网逆变器与各个风机侧控制器之间的通信连接。当然，集中并网逆变器还可以分别与各个风机侧控制器进行通信连接，以实现集中并网逆变器与各个风机侧控制器之间的通信。
[0038]而且，该发电系统还包括人机界面5和监控系统6，人机界面属于就地控制，监控系统设置在远端，属于远程控制，人机界面5通过就地通信线路10与集中并网逆变器3连接，监控系统6通过远程通信线路11与集中并网逆变器3连接。
[0039]通信线路9、10和11构成了发电系统的通信回路，在本实施例中，通信线路9可以使用Prof ibus或者CAN总线，通信速率快，技术成熟，接线方式简单且便于扩展应用。并且，采用一主多从通信机制，所有的风机侧控制器将风机运行数据及状态实时上送集中并网逆变器3，集中并网逆变器3响应人机界面5或者监控系统6的命令并依据各风机状态向各个风机侧控制器下发相应的控制命令。总之，以集中并网逆变器作为发电系统通信的主站，与系统内每个风机侧控制器进行信息交互，人机界面及监控系统分别作为系统就地及远程控制部分与集中并网逆变器进行数据交互，这种通信方式简化了系统通信设计，保证了系统数据交互的实时和有效性。将风机侧控制器系统2当作机侧控制子站，接收发电机系统I的相关传感器信息，实现对发电机系统I的实时有效控制;集中并网逆变器3作为现场控制的中枢，与风机侧控制器系统2数据交互，信息交互量大，实时控制机侧控制子站运行;人机界面5和监控系统6均用于监控，通过风机侧控制器系统2接收用户关心的系统运行重要参数，回路简单，信息交互高效。
[0040]另外，通信线路9构成现场数据交互回路，为底层通信回路，通信线路10和11为顶层通信回路。通信分层设计使得通信系统更简单、高效。而且，人机界面5与集中并网逆变器3之间的通信线路10的通信距离较短，可以使用RS485通信协议，进行系统整体运行数据的交互以及就地控制命令的下发，特别适用于现场调试;并且，就地通信使用较短的通信线路能够方便系统集成。监控系统6与集中并网逆变器3之间的通信线路11的通信距离长，可以使用以太网通信协议，进行系统整体运行数据的交互以及远程控制命令的下发，特别适用于后台监视。
[0041]三相交流电网12在正常发电时接收风力发电系统转换的电能，并能在风机启动阶段为系统提供能量。
[0042]针对上述垂直轴风力发电系统，本发明提供一种垂直轴风力发电系统启动控制方法，具体包括如下步骤:
[0043]当风力发电系统启动时，集中并网逆变器启动并网，稳定系统中的直流母线的电压，向所有的风机侧控制器下发启机命令，并且，集中并网逆变器控制闭合风机各个直流母线上的接触器。
[0044]风力发电系统启动的条件可以有以下两大类:一种是接收到外界的启动命令，还有一种是满足启动条件，其中，接收到外界的启动命令包括接收到就地并网命令，比如人机界面发出的并网命令，以及接收到远程并网命令，比如监控系统发出的并网命令;满足启动条件为满足发电系统启动的条件，比如实际的风速满足风力发电机启动条件(一般要求30s内平均风速要大于2.5m/s且小于最大设定风速)。
[0045]风机侧控制器控制对应的垂直轴风力发电机的工作模式为电动模式，并且拖动对应的垂直轴风力发电机转动，使垂直轴风力发电机的转速从零逐渐上升。并且在此期间，风机侧控制器实时检测对应的垂直轴风力发电机的转速，当对应垂直轴风力发电机的转速达到设定的启动转速时，风机侧控制器控制切换对应的垂直轴风力发电机的工作模式，将发电机的模式切换到发电模式，进行风力发电。在本实施例中，为了更加有效地利用风力发电，在垂直轴风力发电机运行在发电模式之后，风机侧控制器控制对应的垂直轴风力发电机以最大功率跟踪模式进行风力发电。
[0046]而且，进一步地，当风速很大时，垂直轴风力发电机的转速在上述启动转速的基础上逐渐上升，当转速上升到大于或者等于设定的发电机额定转速时，机侧控制器控制对应的垂直轴风力发电机工作在恒转速模式。而且，当垂直轴风力发电机输出功率超过最大功率时，进入紧急停机模式，机侧控制器控制对应的垂直轴风力发电机制动停机。其中，最大功率为风机正常运行时能够输出的最大功率。
[0047]当风力发电系统接收到正常停机命令或者风速低于启动风速时，风机侧控制器控制对应的垂直轴风力发电机通过能量回馈制动方式进行停机，而且集中并网控制器退出并网。其中，启动风速为风机启动所需的最小风速。
[0048]另外，在发电过程中，当发电系统内有任何一台发电机出现故障时，集中并网逆变器控制断开其与集中并网逆变器之间的接触器，并且与该故障风机对应的风机侧控制器控制该风机进入紧急停机模式，制动停机。
[0049]上述控制方法中涉及到几个设定值，用于与实际的转速或者风速进行比较，这些设定值并不是具体的数值，其可以根据实际所需进行设定。
[0050]上述对该控制方法进行了具体说明，通过上述描述可知，该控制方法主要是由各个风机侧控制器与集中并网逆变器中的运行控制策略构成的。
[0051]本实施例中，给出一种具体的集中并网逆变器的控制原理流程，如图2所示。开始时，集中并网逆变器上电启动且初始化完成后进入上电设备自检，自检完成后进入并网模式，稳定母线电压。在接收到就地或者远程启机命令后，判断风机是否满足启机条件(一般要求30s内的平均风速要大于2.5m/s且小于最大风速)，如果满足启机条件则向风机侧控制器下发启机命令。在接收到就地或者远程停机命令后，如果风机已经启机则进入发电制动模式，直至风机停机完成后断开直流母线接触器并投入风机刹车制动。在并网过程中如果发现有风机出现故障，则切掉相应母线接触器并对此风机进行刹车制动。在并网控制或者自检过程中出现故障，进入故障状态，系统制动停机。总之，集中并网逆变器向各个风机侧控制器发送相应的控制命令，来使风机侧控制器对对应的风机进行控制。
[0052]本实施例中，给出一种具体的风机侧控制器的控制原理流程，如图3所示。控制器上电启动且初始化完成后进入上电设备自检，自检完成后进入待机模式，在接收到集中并网逆变器启机命令后控制对应的风机进入电动模式，拖动风机至启动转速。风机在进入发电模式之后，即启动完成后，风机中的风轮在风力作用下自由旋转，风机侧控制器控制对应的风机进入最大功率跟踪模式，将风能以最大功率馈入直流母线。当检测到风机的风轮转速超过额定转速时，控制风机恒转速控制模式。当接收到制动命令时，进入制动模式，控制对应的风机制动停机，制动完成后进入待机模式。在以上任何模式下，当检测到系统故障时立即进入故障模式。在故障模式下，故障解决且故障复位后进入待机模式。
[0053]另外，上述实施例中，风机转速的检测以及风速的检测均是通过相应的检测设备实现的，比如:通过转速传感器检测风机的转速，通过风速检测装置检测风速，由于这些检测设备均属于现有技术，这里就不再对其进行详细描述。
[0054]上述实施例中，风机侧控制器与集中并网逆变器之间的直流母线上串设有接触器，这只是较为常用的设置方式，当然，作为其他的实施例，接触器并不设置在上述位置，而是设置在对应的风机与风机侧控制器之间的电能传输线路上。
[0055]以上给出了具体的实施方式，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风机的启动控制方法，而不对实施该方法的发电系统做出限定性要求，作为其他的实施例，实施该方法的发电系统并不局限于该实施例。
【主权项】
1.一种垂直轴风力发电系统启动控制方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)当风机发电系统启动时，集中并网控制器启动并网，垂直轴风力发电机的运行模式是电动模式，机侧控制器拖动对应的垂直轴风力发电机转动至设定的启动转速； (2)当垂直轴风力发电机转速达到启动转速后，垂直轴风力发电机的工作模式切换到发电模式，进行风力发电。2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电系统启动控制方法，其特征在于，风力发电系统启动的条件包括风力发电系统接收到就地或者远程并网命令，或者垂直轴风力发电机满足启动条件。3.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电系统启动控制方法，其特征在于，当垂直轴风力发电机的工作模式切换到发电模式之后，垂直轴风力发电机以最大功率跟踪模式进行风力发电。4.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电系统启动控制方法，其特征在于，当垂直轴风力发电机的转速大于或者等于额定转速时，垂直轴风力发电机的工作模式切换至恒转速模式。5.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电系统启动控制方法，其特征在于，当垂直轴风力发电机输出功率超过最大功率时，垂直轴风力发电机制动停机。6.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电系统启动控制方法，其特征在于，当风力发电系统接收到停机命令或者风速低于启动风速时，垂直轴风力发电机通过能量回馈制动方式进行停机，而且集中并网控制器退出并网。7.—种实施权利要求1所述垂直轴风力发电系统启动控制方法的垂直轴风力发电系统，其特征在于，包括至少一个垂直轴风力发电机，以及与垂直轴风力发电机一一对应的机侧控制器，垂直轴风力发电机的电能输出端输出连接对应机侧控制器的一端，所有的机侧控制器的另一端均连接到一个集中并网控制器的一端，所述集中并网控制器的另一端用于连接交流电网;每个垂直轴风力发电机的电能输出端与对应的机侧控制器之间的输电线路上或者每个机侧控制器与集中并网控制器之间的输电线路上均串设有控制开关，所述集中并网控制器控制连接所有的控制开关。8.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电系统，其特征在于，机侧控制器包括整流模块，集中并网控制器包括逆变模块，每个机侧控制器的另一端均对应输出连接一条直流母线，所有的直流母线连接一条总母线，所述集中并网控制器的一端连接所述总母线;所述控制开关对应串设在所述直流母线上。9.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电系统，其特征在于，所述垂直轴风力发电机为H型垂直轴风力发电机。10.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括不间断电源系统，所述不间断电源系统供电连接所述集中并网控制器和所有的机侧控制器。
【文档编号】F03D7/06GK106089583SQ201610672026
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610672026.X, CN 106089583 A, CN 106089583A, CN 201610672026, CN-A-106089583, CN106089583 A, CN106089583A, CN201610672026, CN201610672026.X
【发明人】田素立, 赵瑞杰, 邢珊珊, 李朝锋, 王艳领, 刘德林, 刘栋
【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