垂直軸風力發電系統啟動控制方法以及風力發電系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及垂直軸風力發電系統啟動控制方法以及風力發電系統，當風力發電系統啟動時，集中并網控制器啟動并網，并控制各個控制開關閉合；機側控制器拖動對應的垂直軸風力發電機轉動至設定的啟動轉速；然后將垂直軸風力發電機的工作模式切換到發電模式，進行風力發電。通過該啟動方法能夠控制垂直軸風力發電機有效地啟動，解決了垂直軸風力發電機啟動困難的問題。
【專利說明】
垂直軸風力發電系統啟動控制方法以及風力發電系統
技術領域
[0001 ]本發明涉及垂直軸風力發電系統啟動控制方法以及風力發電系統。
【背景技術】
[0002]風力發電機按照旋轉軸的方向可以分為水平軸和垂直軸兩種。垂直軸風力發電機具有低噪音、維護方便、葉片設計制造簡單、造價低、不需對風裝置、不需太高塔架等優點。當垂直軸風輪做大以后面臨垂直軸承彎矩越來越大的問題，彎矩越大對軸的強度要求越高，不僅重量重了而且很容易損壞。因而限制了大功率垂直軸風機的商業化。目前垂直軸風機一般被廣泛應用于小功率風機領域，且垂直軸風機存在不能自啟動問題。
[0003]風力發電系統包括多個部分，而其中的控制部分貫穿到每個部分，相當于風電系統的神經，因此控制部分的好壞直接關系到風力發電系統的工作狀態、發電量的多少以及設備的安全。
[0004]垂直軸風力發電系統中的控制部分主要包括各種傳感器、運行主控制器、并網控制單元、備用電源系統、通訊電路、監控單元。具體控制內容有:信號的數據采集、處理，轉速控制、最大功率點跟蹤控制、并網控制、停機制動控制、就地監控、遠程監控。目前，我們之前研制的垂直軸風力發電系統一般由多臺子風機系統構成，基本采用每臺子風機系統配備一整套控制系統的匹配方式，這種控制方式不但結構復雜，需要多個子控制系統;而且，由小功率垂直軸風機構成的子風機系統獨立并網往往會造成電能質量差、并網集中控制難度大等問題。
[0005]而且，垂直軸風力發電機的軸線與風成垂直關系，所以，其無法像水平軸風力發電機那樣能夠較為方便地利用風能進行啟動，因此，垂直軸風力發電機的啟動較為困難。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種垂直軸風力發電系統啟動控制方法，用以解決垂直軸風力發電機啟動困難的問題。本發明同時提供一種垂直軸風力發電系統。
[0007]為實現上述目的，本發明的方案包括:一種垂直軸風力發電系統啟動控制方法，包括以下步驟:
[0008](I)當風機發電系統啟動時，集中并網控制器啟動并網，垂直軸風力發電機的運行模式是電動模式，機側控制器拖動對應的垂直軸風力發電機轉動至設定的啟動轉速；
[0009](2)當垂直軸風力發電機轉速達到啟動轉速后，垂直軸風力發電機的工作模式切換到發電模式，進行風力發電。
[0010]風力發電系統啟動的條件包括風力發電系統接收到就地或者遠程并網命令，或者垂直軸風力發電機滿足啟動條件。
[0011]當垂直軸風力發電機的工作模式切換到發電模式之后，垂直軸風力發電機以最大功率跟蹤模式進行風力發電。
[0012]當垂直軸風力發電機的轉速大于或者等于額定轉速時，垂直軸風力發電機的工作模式切換至恒轉速模式。
[0013]當垂直軸風力發電機輸出功率超過最大功率時，垂直軸風力發電機制動停機。
[0014]當風力發電系統接收到停機命令或者風速低于啟動風速時，垂直軸風力發電機通過能量回饋制動方式進行停機，而且集中并網控制器退出并網。
[0015]一種實施上述垂直軸風力發電系統啟動控制方法的垂直軸風力發電系統，包括至少一個垂直軸風力發電機，以及與垂直軸風力發電機對應的機側控制器，垂直軸風力發電機的電能輸出端輸出連接對應機側控制器的一端，所有的機側控制器的另一端均連接到一個集中并網控制器的一端，所述集中并網控制器的另一端用于連接交流電網；每個垂直軸風力發電機的電能輸出端與對應的機側控制器之間的輸電線路上或者每個機側控制器與集中并網控制器之間的輸電線路上均串設有控制開關，所述集中并網控制器控制連接所有的控制開關。
[0016]機側控制器包括整流模塊，集中并網控制器包括逆變模塊，每個機側控制器的另一端均對應輸出連接一條直流母線，所有的直流母線連接一條總母線，所述集中并網控制器的一端連接所述總母線;所述控制開關對應串設在所述直流母線上。
[0017]所述垂直軸風力發電機為H型垂直軸風力發電機。
[0018]所述發電系統還包括不間斷電源系統，所述不間斷電源系統供電連接所述集中并網控制器和所有的機側控制器。
[0019]本發明中的垂直軸風力發電系統啟動控制方法中，根據需求進行并網，首先控制風力發電機為電動模式，拖動風力發電機至一定的轉速，然后將垂直軸風力發電機的工作模式切換到發電模式，進行風力發電。這種控制方式將發電過程分為了前后兩部分，第一部分中，由于風力發電機剛啟動時，轉速較低，所以風力發電機為被動模式，被拖動使轉速逐漸增大，當轉速到達一定值時，控制風力發電機切換為主動發電模式，進行風力發電。通過該啟動方法能夠控制垂直軸風力發電機有效地啟動，解決了垂直軸風力發電機啟動困難的問題。
[0020]并且，由于轉速過低時發出電能的電能質量很差，所以，這種控制方式舍棄了轉速較低時發出的電能，提升了電能質量。并且能夠使風力發電機的轉速迅速提升，減小了發電機的啟動時間，提升了發電效率。
[0021]另外，垂直軸風力發電機與機側控制器一一對應，一個機側控制器對應控制一個風力發電機，實現風力發電機的工作模式的切換以及啟動和停機等控制，機側控制器采用獨立控制垂直軸風力發電機的方式，依據不同風機風況進行獨立控制，控制靈活。并且，整個發電系統中只涉及一個集中并網控制器，該并網控制器實現整個風力發電系統的并網控制，所以，該風力發電系統中并沒有設置多個控制系統，只是設置多個機側控制器以及一個并網控制器，所以，該系統結構簡單，降低了控制的復雜程度。而且，通過一個并網控制器進行集中并網控制相較于多個子風機系統獨立并網而言，這種集中并網方式解決了風電系統并網協調控制難和電能質量差的弊端，降低了并網控制難度，提升了電能質量。所以，該風力發電系統具有實施方便和系統結構簡單的優點，能夠保證風電場每臺風機運行安全、風力發電高效并網、并能統一協調控制。
[0022]而且，當風力發電系統內有任何一臺風力發電機出現故障時，只需切掉其與集中控制器之間的控制開關，將該故障發電機切除掉，而其他正常運行的發電機不受影響，仍舊正常工作，所以，該系統可靠性強，控制靈活，實現了能量匯集、單臺發電機故障切出功能，便于擴展應用。
【附圖說明】
[0023]圖1是垂直軸風力發電系統的結構示意圖；
[0024]圖2是集中并網控制器的控制原理示意圖；
[0025]圖3是風機側控制器的控制原理示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0027]本發明提供的垂直軸風力發電系統中包括至少一個垂直軸風力發電機，其中，風力發電機的具體個數是根據發電系統的輸出功率或者其他的需求進行設定的。并且，垂直軸風力發電機可以是H型垂直軸風力發電機，也可以是其他類型的垂直軸風力發電機。由于H型垂直軸風力發電機兼顧了垂直軸風力發電機的優點，齒輪箱、發電機軸承設計成熟，且采用永磁同步電機作為發電機解決了風機自啟動難題，所以，在本實施例中，為了便于說明，以H型垂直軸風力發電機為例，以下簡稱風機。
[0028]在本實施例中，以風力發電系統中包括η個(η多2)H型垂直軸風力發電機為例，如圖1所示，分別是H型垂直軸風力發電機11、H型垂直軸風力發電機12、......、H型垂直軸風力發電機IN，這η個發電機構成發電機系統I，并且這η個發電機之間獨立設置，相互之間不受影響。該風力發電系統還包括η個風機側控制器，分別是風機側控制器21、風機側控制器22、……、風機側控制器2Ν，這η個風機側控制器構成風機側控制器系統2，所以，H型垂直軸風力發電機與風機側控制器的個數相同，并且是一一對應的關系。
[0029]H型垂直軸風力發電機的電能輸出端對應輸出連接風機側控制器一端，如圖1所示，H型垂直軸風力發電機11的電能輸出端連接風機側控制器21的一端，H型垂直軸風力發電機12的電能輸出端連接風機側控制器22的一端，……，Η型垂直軸風力發電機IN的電能輸出端連接風機側控制器2Ν的一端。
[0030]風機側控制器用于控制對應的風機，其中，包括對風機的運行狀態進行控制。而且，由于風機輸出的電能為交流電，所以，風機側控制器中設置有整流模塊，風機輸出的交流電通過整流模塊之后輸出為直流電。由于風機側控制器屬于現有技術，那么，關于其結構以及具體的工作原理等均不再詳細描述。
[0031]所有的風機側控制器的另一端均對應輸出直流母線7，直流母線7分為η條直流母線以及一條總母線，其中，風機側控制器21的另一端輸出連接第一直流母線，風機側控制器22的另一端輸出連接第二直流母線，……，風機側控制器2Ν的另一端輸出連接第N直流母線。并且，每條直流母線上均串設有控制開關，在本實施例中，以接觸器為例。其中，第一直流母線上串設接觸器71，第二直流母線上串設接觸器72，……，第N直流母線上串設有接觸器7Ν。
[0032]這η條直流母線均與總母線連接，總母線連接一個集中并網控制器的一端，該集中并網控制器的另一端用于連接三相交流電網12。由于該集中并網控制器需要將直流電轉化為交流電，所以，該集中并網控制器中需要設置有逆變模塊，因此，為了直觀體現該控制器的主要功能，可以將該集中并網控制器稱為集中并網逆變器。雖然，該集中并網控制器也稱為集中并網逆變器，但是，該集中并網逆變器除了具備逆變功能之外，還具備控制器的相關控制功能。
[0033]集中并網逆變器3控制連接所有的接觸器。
[0034]集中并網逆變器3為現場控制中樞，通過穩定直流母線電壓的方式進行并網控制和電能質量控制。集中并網逆變器3通過控制器系統2接收發電機系統I的運行數據，并下發控制命令。所有的直流母線均連接總母線，將所有的風機發出的電能匯入總母線中，并借助集中并網逆變器3饋入三相交流電網12。另外，各個直流母線上的接觸器能夠實現故障風機單獨切出的功能。
[0035]由于每臺風機機位處的風況不同，所以，獨立的風機側控制器是有必要的，依據不同風機的風況進行獨立控制。并且，如果假設集中式并網逆變器的容量為P，風機的功率為Pi(i = l，2，……，N)，為了便于風機的擴展，需要滿足PSPdP2+……+Pn0
[0036]而且，為了保證風機側控制器21、22……、2N以及集中并網逆變器3的可靠工作，該發電系統還包括不間斷電源系統4，如圖1所示，不間斷電源系統4從交流電網取電，經過電能處理之后生成各個控制器所需電能，并通過供電回路8供電連接所有的風機側控制器和集中并網逆變器。另外，不間斷電源系統4為系統公用的UPS系統，在電網掉電的情況下仍然能夠保證可靠供電。而且，只使用一個UPS系統，即采用集中式UPS設計，相較于現有系統中的每臺風機子控制系統均配套一個獨立的UPS，系統設計更加簡單、可靠。
[0037]為了實現各個風機側控制器之間的通信，以及集中并網逆變器與風機側控制器之間的通信，各個風機側控制器依次連接，并且，集中并網逆變器與風機側控制器之間通過通信總線9連接。上述給出的通信方式能夠實現集中并網逆變器與各個風機側控制器之間的通信連接。當然，集中并網逆變器還可以分別與各個風機側控制器進行通信連接，以實現集中并網逆變器與各個風機側控制器之間的通信。
[0038]而且，該發電系統還包括人機界面5和監控系統6，人機界面屬于就地控制，監控系統設置在遠端，屬于遠程控制，人機界面5通過就地通信線路10與集中并網逆變器3連接，監控系統6通過遠程通信線路11與集中并網逆變器3連接。
[0039]通信線路9、10和11構成了發電系統的通信回路，在本實施例中，通信線路9可以使用Prof ibus或者CAN總線，通信速率快，技術成熟，接線方式簡單且便于擴展應用。并且，采用一主多從通信機制，所有的風機側控制器將風機運行數據及狀態實時上送集中并網逆變器3，集中并網逆變器3響應人機界面5或者監控系統6的命令并依據各風機狀態向各個風機側控制器下發相應的控制命令。總之，以集中并網逆變器作為發電系統通信的主站，與系統內每個風機側控制器進行信息交互，人機界面及監控系統分別作為系統就地及遠程控制部分與集中并網逆變器進行數據交互，這種通信方式簡化了系統通信設計，保證了系統數據交互的實時和有效性。將風機側控制器系統2當作機側控制子站，接收發電機系統I的相關傳感器信息，實現對發電機系統I的實時有效控制;集中并網逆變器3作為現場控制的中樞，與風機側控制器系統2數據交互，信息交互量大，實時控制機側控制子站運行;人機界面5和監控系統6均用于監控，通過風機側控制器系統2接收用戶關心的系統運行重要參數，回路簡單，信息交互高效。
[0040]另外，通信線路9構成現場數據交互回路，為底層通信回路，通信線路10和11為頂層通信回路。通信分層設計使得通信系統更簡單、高效。而且，人機界面5與集中并網逆變器3之間的通信線路10的通信距離較短，可以使用RS485通信協議，進行系統整體運行數據的交互以及就地控制命令的下發，特別適用于現場調試;并且，就地通信使用較短的通信線路能夠方便系統集成。監控系統6與集中并網逆變器3之間的通信線路11的通信距離長，可以使用以太網通信協議，進行系統整體運行數據的交互以及遠程控制命令的下發，特別適用于后臺監視。
[0041]三相交流電網12在正常發電時接收風力發電系統轉換的電能，并能在風機啟動階段為系統提供能量。
[0042]針對上述垂直軸風力發電系統，本發明提供一種垂直軸風力發電系統啟動控制方法，具體包括如下步驟:
[0043]當風力發電系統啟動時，集中并網逆變器啟動并網，穩定系統中的直流母線的電壓，向所有的風機側控制器下發啟機命令，并且，集中并網逆變器控制閉合風機各個直流母線上的接觸器。
[0044]風力發電系統啟動的條件可以有以下兩大類:一種是接收到外界的啟動命令，還有一種是滿足啟動條件，其中，接收到外界的啟動命令包括接收到就地并網命令，比如人機界面發出的并網命令，以及接收到遠程并網命令，比如監控系統發出的并網命令;滿足啟動條件為滿足發電系統啟動的條件，比如實際的風速滿足風力發電機啟動條件(一般要求30s內平均風速要大于2.5m/s且小于最大設定風速)。
[0045]風機側控制器控制對應的垂直軸風力發電機的工作模式為電動模式，并且拖動對應的垂直軸風力發電機轉動，使垂直軸風力發電機的轉速從零逐漸上升。并且在此期間，風機側控制器實時檢測對應的垂直軸風力發電機的轉速，當對應垂直軸風力發電機的轉速達到設定的啟動轉速時，風機側控制器控制切換對應的垂直軸風力發電機的工作模式，將發電機的模式切換到發電模式，進行風力發電。在本實施例中，為了更加有效地利用風力發電，在垂直軸風力發電機運行在發電模式之后，風機側控制器控制對應的垂直軸風力發電機以最大功率跟蹤模式進行風力發電。
[0046]而且，進一步地，當風速很大時，垂直軸風力發電機的轉速在上述啟動轉速的基礎上逐漸上升，當轉速上升到大于或者等于設定的發電機額定轉速時，機側控制器控制對應的垂直軸風力發電機工作在恒轉速模式。而且，當垂直軸風力發電機輸出功率超過最大功率時，進入緊急停機模式，機側控制器控制對應的垂直軸風力發電機制動停機。其中，最大功率為風機正常運行時能夠輸出的最大功率。
[0047]當風力發電系統接收到正常停機命令或者風速低于啟動風速時，風機側控制器控制對應的垂直軸風力發電機通過能量回饋制動方式進行停機，而且集中并網控制器退出并網。其中，啟動風速為風機啟動所需的最小風速。
[0048]另外，在發電過程中，當發電系統內有任何一臺發電機出現故障時，集中并網逆變器控制斷開其與集中并網逆變器之間的接觸器，并且與該故障風機對應的風機側控制器控制該風機進入緊急停機模式，制動停機。
[0049]上述控制方法中涉及到幾個設定值，用于與實際的轉速或者風速進行比較，這些設定值并不是具體的數值，其可以根據實際所需進行設定。
[0050]上述對該控制方法進行了具體說明，通過上述描述可知，該控制方法主要是由各個風機側控制器與集中并網逆變器中的運行控制策略構成的。
[0051]本實施例中，給出一種具體的集中并網逆變器的控制原理流程，如圖2所示。開始時，集中并網逆變器上電啟動且初始化完成后進入上電設備自檢，自檢完成后進入并網模式，穩定母線電壓。在接收到就地或者遠程啟機命令后，判斷風機是否滿足啟機條件(一般要求30s內的平均風速要大于2.5m/s且小于最大風速)，如果滿足啟機條件則向風機側控制器下發啟機命令。在接收到就地或者遠程停機命令后，如果風機已經啟機則進入發電制動模式，直至風機停機完成后斷開直流母線接觸器并投入風機剎車制動。在并網過程中如果發現有風機出現故障，則切掉相應母線接觸器并對此風機進行剎車制動。在并網控制或者自檢過程中出現故障，進入故障狀態，系統制動停機。總之，集中并網逆變器向各個風機側控制器發送相應的控制命令，來使風機側控制器對對應的風機進行控制。
[0052]本實施例中，給出一種具體的風機側控制器的控制原理流程，如圖3所示。控制器上電啟動且初始化完成后進入上電設備自檢，自檢完成后進入待機模式，在接收到集中并網逆變器啟機命令后控制對應的風機進入電動模式，拖動風機至啟動轉速。風機在進入發電模式之后，即啟動完成后，風機中的風輪在風力作用下自由旋轉，風機側控制器控制對應的風機進入最大功率跟蹤模式，將風能以最大功率饋入直流母線。當檢測到風機的風輪轉速超過額定轉速時，控制風機恒轉速控制模式。當接收到制動命令時，進入制動模式，控制對應的風機制動停機，制動完成后進入待機模式。在以上任何模式下，當檢測到系統故障時立即進入故障模式。在故障模式下，故障解決且故障復位后進入待機模式。
[0053]另外，上述實施例中，風機轉速的檢測以及風速的檢測均是通過相應的檢測設備實現的，比如:通過轉速傳感器檢測風機的轉速，通過風速檢測裝置檢測風速，由于這些檢測設備均屬于現有技術，這里就不再對其進行詳細描述。
[0054]上述實施例中，風機側控制器與集中并網逆變器之間的直流母線上串設有接觸器，這只是較為常用的設置方式，當然，作為其他的實施例，接觸器并不設置在上述位置，而是設置在對應的風機與風機側控制器之間的電能傳輸線路上。
[0055]以上給出了具體的實施方式，但本發明不局限于所描述的實施方式。本發明的基本思路在于風機的啟動控制方法，而不對實施該方法的發電系統做出限定性要求，作為其他的實施例，實施該方法的發電系統并不局限于該實施例。
【主權項】
1.一種垂直軸風力發電系統啟動控制方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)當風機發電系統啟動時，集中并網控制器啟動并網，垂直軸風力發電機的運行模式是電動模式，機側控制器拖動對應的垂直軸風力發電機轉動至設定的啟動轉速； (2)當垂直軸風力發電機轉速達到啟動轉速后，垂直軸風力發電機的工作模式切換到發電模式，進行風力發電。2.根據權利要求1所述的垂直軸風力發電系統啟動控制方法，其特征在于，風力發電系統啟動的條件包括風力發電系統接收到就地或者遠程并網命令，或者垂直軸風力發電機滿足啟動條件。3.根據權利要求1所述的垂直軸風力發電系統啟動控制方法，其特征在于，當垂直軸風力發電機的工作模式切換到發電模式之后，垂直軸風力發電機以最大功率跟蹤模式進行風力發電。4.根據權利要求1所述的垂直軸風力發電系統啟動控制方法，其特征在于，當垂直軸風力發電機的轉速大于或者等于額定轉速時，垂直軸風力發電機的工作模式切換至恒轉速模式。5.根據權利要求1所述的垂直軸風力發電系統啟動控制方法，其特征在于，當垂直軸風力發電機輸出功率超過最大功率時，垂直軸風力發電機制動停機。6.根據權利要求1所述的垂直軸風力發電系統啟動控制方法，其特征在于，當風力發電系統接收到停機命令或者風速低于啟動風速時，垂直軸風力發電機通過能量回饋制動方式進行停機，而且集中并網控制器退出并網。7.—種實施權利要求1所述垂直軸風力發電系統啟動控制方法的垂直軸風力發電系統，其特征在于，包括至少一個垂直軸風力發電機，以及與垂直軸風力發電機一一對應的機側控制器，垂直軸風力發電機的電能輸出端輸出連接對應機側控制器的一端，所有的機側控制器的另一端均連接到一個集中并網控制器的一端，所述集中并網控制器的另一端用于連接交流電網;每個垂直軸風力發電機的電能輸出端與對應的機側控制器之間的輸電線路上或者每個機側控制器與集中并網控制器之間的輸電線路上均串設有控制開關，所述集中并網控制器控制連接所有的控制開關。8.根據權利要求7所述的垂直軸風力發電系統，其特征在于，機側控制器包括整流模塊，集中并網控制器包括逆變模塊，每個機側控制器的另一端均對應輸出連接一條直流母線，所有的直流母線連接一條總母線，所述集中并網控制器的一端連接所述總母線;所述控制開關對應串設在所述直流母線上。9.根據權利要求7所述的垂直軸風力發電系統，其特征在于，所述垂直軸風力發電機為H型垂直軸風力發電機。10.根據權利要求7所述的垂直軸風力發電系統，其特征在于，所述發電系統還包括不間斷電源系統，所述不間斷電源系統供電連接所述集中并網控制器和所有的機側控制器。
【文檔編號】F03D7/06GK106089583SQ201610672026
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月15日 公開號201610672026.X, CN 106089583 A, CN 106089583A, CN 201610672026, CN-A-106089583, CN106089583 A, CN106089583A, CN201610672026, CN201610672026.X
【發明人】田素立, 趙瑞杰, 邢珊珊, 李朝鋒, 王艷領, 劉德林, 劉棟
【申請人】許繼集團有限公司, 許昌許繼風電科技有限公司, 國家電網公司