一种潮流能机组的电气控制系统及包括其的潮流能机组的制作方法

本发明涉及潮流能机组的控制领域，特别是涉及潮流能机组的电气控制系统及包括其的潮流能机组，尤其是漂浮平台式和桩式两种安装方式下电气控制系统的实现。

背景技术

我国海域辽阔，海洋中蕴藏着巨大的能量，潮流能发电是一种新型的水力发电形式，利用潮汐海水的流动，推动叶片转动进而将其转化为电能，尽管潮流能发电对未来电力供应有很大的潜力。

目前，潮流能发电机组的设计基本都是参考风力发电机组的实现方式和控制策略，很少考虑潮流能机组本身的结构、运行特性、潮流特性和层流效应等特殊性。而随着潮流能机组的单机容量增大、分布区域的扩散，其电气系统的重要也更加凸显。

目前潮流能发电机组电气系统对水下机组的状态监测、多叶片电动变桨等均没有成熟的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实现潮流能机组的状态监测、运行控制等综合性能协作控制的潮流能机组的电气控制系统及包括其的潮流能机组。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种潮流能机组的电气控制系统，所述潮流能机组包括潮流能机组水上部分、潮流能机组水下部分、多叶片电动变桨机构和分布式并网部分四个部分，所述电气控制系统包括控制所述潮流能机组四个部分的水上电气系统、水下电气系统、变桨电气系统和并网电气系统；其中：

所述水上电气系统包括水上配电模块、水上控制模块和与水上控制模块相互连接的水上通信模块、水上驱动控制模块及水上状态监测模块，所述水上状态监测模块用于监测所述水上配电模块和水上驱动控制模块的状态信息，并将状态信息反馈到所述水上控制模块，所述水上控制模块根据反馈的状态信息控制所述水上状态监测模块和水上驱动控制模块；

所述水下电气系统包括水下通信模块、水下状态监测模块和与水下状态模块连接的水下驱动控制模块和水下配电模块，所述水下状态监测模块用于监测两者的水下状态信息，并反馈到所述水上控制模块，所述水下通信模块和水上通信模块连接实现水上控制模块与水下电气系统的通讯，所述水上控制模块根据水下状态信息控制所述水下驱动控制模块；

所述变桨电气系统包括变桨通信模块、变桨状态监测模块和与所述变桨状态监测模块连接的变桨控制模块和变桨配电模块，所述变桨状态监测模块用于监测两者的变桨状态信息，并反馈到水上控制模块，所述变桨通信模块通过水下通信模块与水上通信模块连接实现水上控制模块与变桨电气系统的通讯，所述水上控制模块根据变桨状态信息控制所述变桨控制模块，所述变桨控制模块与所述多叶片电动变桨机构连接；

所述并网电气系统包括并网控制模块和与其连接的并网通信模块和并网配电模块，所述并网通信模块和水上通信模块连接实现水上控制模块与并网电气系统的通讯；所述水上控制模块根据并网信息控制所述并网控制模块。

所述水上控制模块根据接收到的状态信息和控制命令执行下一步的动作。

进一步地，所述水上电气系统还包括与所述水上控制模块连接的水上安全模块，所述控制模块用于接收所述水上安全模块的安全信息并控制所述水上安全模块；

和/或，所述并网电气系统还包括与所述并网控制模块连接的并网安全模块，用于接收所述水上安全模块的安全信息并控制所述并网安全模块。所述并网安全模块还可以和水上安全模块连接，相互检测。

进一步地，所述水上控制模块和水上通信模块、水下通信模块、并网通信模块及变桨通信模块构成所述电气控制系统的控制和通讯子系统；

所述水上状态监测模块、所述水下状态监测模块和所述变桨状态监测模块构成所述电气控制系统的状态监测子系统；

所述水上配电模块、水下配电模块、并网配电模块及变桨配电模块构成所述电气控制系统的供配电子系统；

所述水下驱动控制模块和水上驱动控制模块构成所述电气控制系统的驱动控制子系统；

所述水上安全模块和并网安全模块构成所述电气控制系统的安全子系统；

所述变桨控制模块构成所述电气控制系统的变桨子系统；

所述并网控制模块构成所述电气控制系统的并网控制子系统。

进一步地，各电气系统均包括防雷系统，所述水上电气系统、水下电气系统和变桨电气系统的防雷系统分别与各电气系统的状态监测模块连接，所述并网电气系统的防雷系统与并网控制模块连接。

进一步地，所述水上驱动控制模块包括提升机构驱动控制和通风冷却驱动控制；

进一步地，所述水下驱动控制模块包括润滑驱动控制和刹车驱动控制；

进一步地，所述状态监测模块用于检测各电气相关部件的状态数据，包括温度监测、视频监测、转速监测、密封监测、位置监测、流速监测、流向监测、风速监测、振动监测和/或电网监测的状态数据。

进一步地，所述水上电气系统还包括用于存储水上电气系统各模块的水上电气控制柜，还包括与所述水上电气控制柜连接的提升机构控制柜、水上平台防雷设备、海面环境监测仪器、通风冷却系统和应急照明系统；

所述水下电气系统还包括用于存储水下电气系统各模块的水上电气控制柜，还包括与所述水下电气控制柜连接的电气滑环、电动刹车、齿轮箱、发电机、机组内部照明系统和视频监控系统；

进一步地，所述变桨控制模块包括设置在每个叶片上相互独立的控制子系统，所述控制子系统分别与所述控制模块通讯连接协同控制。

进一步地，所述水下电气电器柜通过电缆、网线和光纤与所述发电机和齿轮箱分别连接，所述发电机还与所述并网电气系统通过电缆连接。

进一步地，所述变桨电气系统和水下电气系统通过电缆、网线和滑环连接，所述电缆和网线通过高低速同心双中空轴连接至滑环，所述滑环再连接至所述水下电气系统，所述电缆和网线的另一端与所述变桨电气系统连接；

所述水上电气系统和水下电气系统通过电缆、网线和光纤连接，所述电缆的排布方式采用聚类屏蔽和交直流隔离的方法；

所述水上电气系统和并网电气系统通过电缆和光纤连接；

所述水下电气系统和并网电气系统连接。

另一方面，提供一种潮流能机组，包括所述的潮流能机组的电气控制系统，各模块与相应的潮流能机组的部件连接。

进一步地，所述分布式并网部分包括变流器、变压器和环网柜，所述并网控制模块分别与所述变流器、变压器和环网柜连接。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明提出一种功能完备的潮流能电气系统，通过水上电气系统、水下电气系统、变桨电气系统和并网电气系统构成一个功能完备的潮流能系统；同时本发明既适用于平台集中控制，同时也适用于集散模式的分布式i/o控制模式。

(2)本发明通过并网控制子系统、供配电子系统、驱动控制子系统、控制和通讯子系统、电动变桨子系统、安全子系统、状态监测子系统和防雷子系统这8个子系统构成了一个功能完备的潮流能电气系统；这8个子系统之间通过信号交互、协同控制和多级联动保护从而实现电气控制系统的功能，从而保证了潮流能发电机组安全、稳定、高效的运转。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的潮流能机组的电气控制系统的结构连接框图；

图2是本发明的潮流能机组的分布式并网部分的结构连接框图；

图3是本发明的水上电气系统的连接示意图；

图4是本发明的水下电气系统的连接示意图；

图5是本发明的潮流能发电机组的电气系统功能实现示意图；

图6是本发明的供配电子系统的结构框图；

图7是本发明的状态监测子系统的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种潮流能机组的电气控制系统的实施例，如图1至图7所示，潮流能机组包括潮流能机组水上部分、潮流能机组水下部分、多叶片电动变桨机构和分布式并网部分四个部分，电气控制系统包括控制潮流能机组四个部分的水上电气系统、水下电气系统、变桨电气系统和并网电气系统；其中：

水上电气系统包括水上配电模块、水上控制模块和与水上控制模块相互连接的水上通信模块、水上驱动控制模块及水上状态监测模块，水上状态监测模块用于监测水上配电模块和水上驱动控制模块的状态信息，并将状态信息反馈到水上控制模块，水上控制模块根据反馈的状态信息控制水上状态监测模块和水上驱动控制模块；

水下电气系统包括水下通信模块、水下状态监测模块和与水下状态模块连接的水下驱动控制模块和水下配电模块，水下状态监测模块用于监测两者的水下状态信息，并反馈到水上控制模块，水下通信模块和水上通信模块连接实现水上控制模块与水下电气系统的通讯，水上控制模块根据水下状态信息控制水下驱动控制模块；

变桨电气系统包括变桨通信模块、变桨状态监测模块和与变桨状态监测模块连接的变桨控制模块和变桨配电模块，变桨状态监测模块用于监测两者的变桨状态信息，并反馈到水上控制模块，变桨通信模块通过水下通信模块与水上通信模块连接实现水上控制模块与变桨电气系统的通讯，水上控制模块根据变桨状态信息控制变桨控制模块，变桨控制模块与多叶片电动变桨机构连接；

并网电气系统包括并网控制模块和与其连接的并网通信模块和并网配电模块，并网通信模块和水上通信模块连接实现水上控制模块与并网电气系统的通讯；水上控制模块根据并网信息控制所述并网控制模块。

水上控制模块根据接收到的状态信息和控制命令执行下一步的动作。

本发明在使用时，本发明的水上电气系统通过水上控制模块与水下电气系统、变桨电气系统和并网电气系统连接，通过水上控制模块实现平台集中控制，同时也适用于集散模式的分布式i/o控制模式。从而实现潮流能机组的综合协调控制。

为了监测水上部分和/或并网部分的安全性，水上电气系统还包括与水上控制模块连接的水上安全模块，控制模块用于接收水上安全模块的安全信息并控制水上安全模块；

和/或，并网电气系统还包括与并网控制模块连接的并网安全模块，用于接收水上安全模块的安全信息并控制并网安全模块。并网安全模块还可以和水上安全模块连接，相互检测。

将上述四个电气系统根据功能划分，可包括几个子系统：

控制和通讯子系统:水上控制模块和水上通信模块、水下通信模块、并网通信模块及变桨通信模块构成电气控制系统的控制和通讯子系统；控制和通讯子系统是整个电气系统的核心部分，实现其他所有电气部件和分系统的控制和功能实现，该核心部分是通过模块化plc模块来实现，其中通讯模式包括canopen、modbus和工业以太网。

状态监测子系统：水上状态监测模块、水下状态监测模块和变桨状态监测模块构成电气控制系统的状态监测子系统；状态监测子系统是电气系统所有相关部件协同控制的基础，同时也是实现最终控制目的的检验手段，状态监测子系统主要包括10种关键信号的监测，如图7所示，包括温度监测、视频监测、转速监测、密封监测、位置监测、流速监测、流向监测、风速监测、振动监测和/或电网监测的状态数据。

其中，流速监测、流向监测可以根据监测到的潮流的方向进行全角度变桨，从而实现双向潮流发电，同时还可以实现小载荷收桨和小载荷安全停机控制。解决了机组逆向发电时的大载荷变桨和停机，在一定程度上延长了潮流能发电机组的稳定性和使用寿命。密封监测可以实现潮流能发电机组水下部分密封部位的实时状态监测，从而根据监测结果判定机组的泄露部位和泄露程度，确定机组的停机模式和维护紧急程度。

供配电子系统：水上配电模块、水下配电模块、并网配电模块及变桨配电模块构成电气控制系统的供配电子系统；供配电子系统为整个电气系统提供不同等级的安全电源。从而实现整个电气系统供电和控制功能。如附图6所示，包括ac690v配电、ac400v配电、ac230v配电、dc24v配电、ups配电、ups配电。

驱动控制系统：水下驱动控制模块和水上驱动控制模块构成电气控制系统的驱动控制子系统；驱动控制子系统主要包括提升机构驱动控制、通风冷却驱动控制、润滑驱动控制和刹车驱动控制。

安全子系统：水上安全模块和并网安全模块构成电气控制系统的安全子系统；作为电气系统的安全防护。

变桨子系统：变桨控制模块构成电气控制系统的变桨子系统；变桨控制模块包括设置在每个叶片上相互独立的控制子系统，控制子系统分别与控制模块通讯连接协同控制。多只叶片的控制子系统之间又通过通讯功能实现协同控制。变桨系统可以实现全角度变桨功能，这样就可以实现机组在不偏航的情况下实现双向变桨发电。

并网控制子系统：并网控制模块构成电气控制系统的并网控制子系统。

该7个子系统加防雷系统共8个子系统，8个功能性子系统之间通过信号交互、协同控制和多级联动保护从而实现电气系统的功能。如附图5所示。

为了保证潮流能机组避免受到雷电的破坏，各电气系统均包括防雷系统，水上电气系统、水下电气系统和变桨电气系统的防雷系统分别与各电气系统的状态监测模块连接，并网电气系统的防雷系统与并网控制模块连接。

进一步地，水上驱动控制模块包括提升机构驱动控制和通风冷却驱动控制；

进一步地，水下驱动控制模块包括润滑驱动控制和刹车驱动控制；

进一步地，水上电气系统还包括用于存储水上电气系统各模块的水上电气控制柜，还包括与水上电气控制柜连接的提升机构控制柜、水上平台防雷设备、海面环境监测仪器、通风冷却系统和应急照明系统；

水下电气系统还包括用于存储水下电气系统各模块的水上电气控制柜，还包括与水下电气控制柜连接的电气滑环、电动刹车、齿轮箱、发电机、机组内部照明系统和视频监控系统；

进一步地，水下电气电器柜通过电缆、网线和光纤与发电机和齿轮箱分别连接，发电机还与并网电气系统通过电缆连接。

进一步地，变桨电气系统和水下电气系统通过电缆、网线和滑环连接，电缆和网线通过高低速同心双中空轴连接至滑环，滑环再连接至水下电气系统，电缆和网线的另一端与变桨电气系统连接；该连接方式解决了潮流能机组解决了轮毂信号至水下电气控制柜的电缆连接问题。

水上电气系统和水下电气系统通过电缆、网线和光纤连接，电缆的排布方式采用聚类屏蔽和交直流隔离的方法；如图1所示，通过聚类屏蔽和交直流隔离的电缆排布方式，解决了供配电电缆、信号电缆和通讯电缆之间的干扰，同时聚类屏蔽还可以很大程度上降低共模干扰。

水上电气系统和并网电气系统通过电缆和光纤连接；其中电缆部分包括主电缆和安全控制信号电缆，光纤为通讯光纤。

水下电气系统和并网电气系统连接。

另一方面，提供一种潮流能机组，包括上述的潮流能机组的电气控制系统，各模块与相应的潮流能机组的部件连接。

进一步地，分布式并网部分包括变流器、变压器和环网柜，并网控制模块分别与变流器、变压器和环网柜连接。如图2所示。其中变流器用来控制发电机组的运行和发电，变压器用来进行电压等级的变换，环网柜用来控制潮流能发电机组和配电网络的联通和断开，同时变流器和环网柜还可以为对潮流能发电机组提供保护功能。

本发明通过并网控制子系统、供配电子系统、驱动控制子系统、控制和通讯子系统、电动变桨子系统、安全子系统、状态监测子系统和防雷子系统这8个子系统构成了一个功能完备的潮流能电气系统；这8个子系统之间通过信号交互、协同控制和多级联动保护从而实现电气控制系统的功能，从而保证了潮流能发电机组安全、稳定、高效的运转。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。