CN106224161A - 带有控制器策略的独立变桨系统及变桨方法 - Google Patents
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Abstract
一种带有控制器策略的独立变桨系统及变桨方法，属于风电行业技术领域。包括风力发电机组主控控制器、变桨距控制器及对应叶片的三组伺服驱动器、备用电源、变桨电机、编码器及限位开关，变桨距控制器分别与风力发电机组主控控制器及三个伺服驱动器通讯，每个伺服驱动器分别连接变桨电机、电机编码器、备用电源和限位开关，电机编码器安装在变桨电机的尾端，角度编码器通过测量齿轮与叶片轴承内齿啮合联动。本发明通过变桨距控制器可实现独立变桨功能，对错误诊断、状态监测、防雷保护、电池管理实现安全保护，不仅能够适当的降低风机叶片的疲劳载荷，延长机组的使用寿命，而且控制简单可靠，不需要额外增设过多硬件，成本较低，安全性更高。
Description
技术领域
本发明属于风电行业技术领域，具体是涉及一种带有控制器策略的独立变桨系统及变桨方法。
背景技术
风力发电发展到，二十世纪八十年代，风力发电机装机还很少，技术也不够成熟，到九十年代中期，世界风力发电技术取得了突飞猛进的发展，设计，制造技术日趋成熟，产品进入商品化阶段，功率等级从几十千瓦到几百千瓦，逐渐发展为兆级。
国外最早的风力发电机主要采用电动定桨距系统。对于电动定桨距风力发电机组，在低风速段的风能利用系数高，而当风速接近额定点，风能利用系数开始人幅度下降，这时随着风速的升高，功率上升己趋缓，而过了额定点后，叶片已开始失速，风速升高，功率反而有所下降。所以电动定桨距风力发电机组对风能利用效率不高。
随着风力发电产业技术的不断成熟和发展，电动变桨距风力发电机的优越性越来越突出：风力机运行的可靠性有了大大的提高；目前，单机容量越来越大，兆瓦级别的机组占据了主力位置，独立变桨距技术已经成为了风电的发展趋势，独立变桨调速的方式对于捕获风能效率，获得最佳能量输出提出了较高的要求，这样才能占据风力发电机的主导地位。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种带有控制器策略的独立变桨系统及变桨方法。它采用变桨控制器控制三个叶片的变桨驱动器，变桨驱动器根据风速调节桨距角，能够保证叶轮捕获最大风能，每个叶片都是独立动作，保证叶片的安全。
本发明采用的技术方案如下：
一种带有控制器策略的独立变桨系统，包括风力发电机组主控控制器、变桨距控制器及对应叶片的三组伺服驱动器、备用电源、变桨电机、编码器及限位装置，变桨距控制器分别与风力发电机组主控控制器及三个伺服驱动器通讯，每个伺服驱动器分别连接变桨电机、电机编码器、备用电源和限位装置，电机编码器安装在变桨电机的尾端，角度编码器与叶片轴承连接。
进一步地，所述限位装置为三组限位开关，每组限位开关分别设置于每个叶片转轴的91度和94度位置，变桨系统执行紧急顺桨命令时控制叶片转到91度限位位置，当91度限位开关失效时，94度限位开关切断电池供电电源，确保叶片的安全停转。
进一步地，所述备用电源由储能元件和充电器组成，在主电源发生停电故障时为系统供电，使变桨系统将叶片从0°驱动到90°的顺桨位置。
进一步地，所述储能元件为蓄电池或者超级电容。
进一步地，所述角度编码器通过测量齿轮与叶片轴承内齿啮合联动。
进一步地，所述变桨电机为刷直流电机、感应异步电机、无刷直流电机或永磁同步电机。
本发明带有控制器策略的独立变桨系统的变桨方法，主控控制器根据发电机运行的实时功率和风机转速，把变桨位置和变桨速度发送到变桨距控制器，变桨控制器接收主控控制箱发送的位置指令和速度指令，并将位置和速度分别发送给三个伺服驱动器驱动执行机构进行变桨动作，调节变桨桨距角，电机编码器实时记录电机转动的位置发送至伺服驱动器，由伺服驱动器传送至变桨控制器，角度编码器记录风机叶片转动位置，并将该位置传送至变桨控制器，变桨控制器通过逻辑判断进行校验比较，对采集的电机编码器位置、角度编码器位置实时进行记录，并记录各个叶片轴的输入输出信号，各记录值超出原始设定故障值时，变桨控制器把故障信息传送至主控控制器，通过主控控制器保证变桨桨距角在0°～90°范围转动，变桨距控制器与主控制器实时通讯，监控变桨自身状态，变桨控制器把运行状况反馈到风机主控控制箱，出现故障执行紧急顺桨动作。
进一步地，所述变桨距控制器与主控控制器的实时通讯，是基于Canopen的通讯协议。
本发明的有益效果是：
本发明通过变桨距控制器可实现独立变桨功能，对错误诊断、状态监测、防雷保护、电池管理实现安全保护，不仅能够适当的降低风机叶片的疲劳载荷，延长机组的使用寿命，而且控制简单可靠，不需要额外增设过多硬件，成本较低，安全性更高。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图2为本发明控制流程图。
图中：1为主控控制箱，2为滑环，3为变桨距控制器，4,5,6为变桨伺服驱动器，7,8,9为超级电容模组，10,11,12为变桨电机，13,16,19为91度限位开关，14,17,20为94度限位开关，15,18,21为角度编码器，22、23、24为电机编码器。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例：如图1所示，本发明一种带有控制器策略的独立变桨系统，包括风力发电机组主控控制器、变桨距控制器及对应叶片的三组伺服驱动器、备用电源、变桨电机、编码器及限位装置，变桨距控制器分别与风力发电机组主控控制器及三个伺服驱动器通讯，每个伺服驱动器分别连接变桨电机、电机编码器、备用电源和限位装置，电机编码器安装在变桨电机的尾端，角度编码器与叶片轴承连接。
变桨距控制器是变桨系统的中枢，负责与风力发电机组主控控制器及伺服驱动器的通讯，以及温度检测与控制、配电管理、监控保护、安全链和人机交互等功能。对外通过滑环与风机主控控制箱进行通信连接，对内控制3个伺服驱动器(Pitch Master)进而控制叶片的转动。从安全考虑，变桨距控制器在逻辑上保证在维护或者修理状态下仅能有一个叶片离开顺桨位置。
如图2所示，伺服驱动器根据变桨控制器(PLC)发过来的指令，驱动电机旋转，通过减速机后带动叶片旋转，完成对叶片角度的随动控制。变桨系统通常采用位置环、速度环、电流环的三闭环控制方式。按照位置环闭环位置的不同，伺服驱动器功能可分为位置伺服控制和速度伺服控制两类。
备用电源由储能元件和充电器组成。备用电源需在主电源发生停电故障时为系统供电，使变桨系统将叶片从0°驱动到90°的顺桨位置。出于对工作环境的考虑，储能元件必须免维护、可倒置、随叶片旋转时无漏液，且必须满足变桨系统对温度范围、寿命等方面的要求，通常采用蓄电池或者超级电容作为储能元件。
变桨电机是变桨动作的最终执行元件，其特性对变桨系统的性能有着重要影响。在变桨系统中，可采用的电机主要有4种：有刷直流电机、感应异步电机、无刷直流电机和永磁同步电机。
电机编码器安装在变桨电机的尾端，所述角度编码器位于桨叶轴承内齿旁，通过测量齿轮与叶片轴承内齿啮合联动，均用来记录变桨位置数据。
所述限位装置为三组限位开关，每组限位开关分别设置于每个叶片转轴的91度和94度位置，变桨系统执行紧急顺桨命令时控制叶片转到91度限位位置，当91度限位开关失效时，94度限位开关(冗余限位开关)切断电池供电电源，确保叶片的安全停转。
所述带有控制器策略的独立变桨系统的控制方法，包括如下步骤：
主控控制箱根据发电机运行的实时功率和风机转速，把变桨位置和变桨速度发送到变桨距控制器，变桨控制器接收主控控制箱发送的位置指令和速度指令，并将位置和速度分别发送给三个伺服驱动器驱动执行机构进行变桨动作，调节变桨桨距角，电机编码器实时记录电机转动的位置发送至伺服驱动器，由伺服驱动器传送至变桨控制器，角度编码器记录风机叶片转动位置，并将该位置传送至变桨控制器，变桨控制器通过逻辑判断进行校验比较，对采集的电机编码器位置、角度编码器位置实时进行记录，并记录各个叶片轴的输入输出信号，如叶片轴柜内主电开关、充电机开关、防雷开关反馈，柜内温度等，各记录值超出原始设定故障值时，即：变桨控制器记录的电机编码器、角度编码器不在初始范围0°～90°运行，轴柜开关反馈不为初始值时，轴柜温度高于设定报警值等故障信息出现，变桨控制器把故障信息传送至主控控制器，通过主控控制器保证变桨桨距角在0°～90°范围转动，变桨距控制器与主控制器实时通讯，监控变桨自身状态，变桨控制器把运行状况反馈到风机主控控制器，出现故障执行紧急顺桨动作。
变桨距控制器与主控制器的实时通讯，是基于一种Canopen通讯协议，它把变桨内如电机编码器位置，角度编码器位置及各轴柜的一些状态信息传送至风机主控控制箱，主控控制箱对变桨控制器下发启动、运行、停机命令，如果变桨内出现故障，例如电机位置错误，变桨控制器将会把故障信息传回至主控箱，主控控制箱会给变桨控制器发送停机指令，变桨控制器接收到停机指令后将会对各轴柜伺服驱动器发送停机命令，伺服驱动器驱动电机将叶片顺桨至安全位置，执行紧急顺桨动作。
执行机构由变桨电机、减速机、主动齿轮、风机叶片组成，伺服驱动器驱动执行机构调节变桨桨距角，达到实现变桨目的。
Claims (8)
1.一种带有控制器策略的独立变桨系统，其特征在于：包括风力发电机组主控控制器、变桨距控制器及对应叶片的三组伺服驱动器、备用电源、变桨电机、编码器及限位装置，变桨距控制器分别与风力发电机组主控控制器及三个伺服驱动器通讯，每个伺服驱动器分别连接变桨电机、电机编码器、备用电源和限位装置，电机编码器安装在变桨电机的尾端，角度编码器与叶片轴承连接。
2.根据权利要求1所述带有控制器策略的独立变桨系统，其特征在于：所述限位装置为三组限位开关，每组限位开关分别设置于每个叶片转轴的91度和94度位置，变桨系统执行紧急顺桨命令时控制叶片转到91度限位位置，当91度限位开关失效时，94度限位开关切断电池供电电源，确保叶片的安全停转。
3.根据权利要求1所述带有控制器策略的独立变桨系统，其特征在于：所述备用电源由储能元件和充电器组成，在主电源发生停电故障时为系统供电，使变桨系统将叶片从0°驱动到90°的顺桨位置。
4.根据权利要求1所述带有控制器策略的独立变桨系统，其特征在于：所述储能元件为蓄电池或者超级电容。
5.根据权利要求1所述带有控制器策略的独立变桨系统，其特征在于：所述角度编码器通过测量齿轮与叶片轴承内齿啮合联动。
6.根据权利要求1所述带有控制器策略的独立变桨系统，其特征在于：所述变桨电机为刷直流电机、感应异步电机、无刷直流电机或永磁同步电机。
7.如权利要求1所述带有控制器策略的独立变桨系统的变桨方法，其特征在于：主控控制器根据发电机运行的实时功率和风机转速，把变桨位置和变桨速度发送到变桨距控制器，变桨控制器接收主控控制箱发送的位置指令和速度指令，并将位置和速度分别发送给三个伺服驱动器驱动执行机构进行变桨动作，调节变桨桨距角，电机编码器实时记录电机转动的位置发送至伺服驱动器，由伺服驱动器传送至变桨控制器，角度编码器记录风机叶片转动位置，并将该位置传送至变桨控制器，变桨控制器通过逻辑判断进行校验比较，对采集的电机编码器位置、角度编码器位置实时进行记录，并记录各个叶片轴的输入输出信号，各记录值超出原始设定故障值时，变桨控制器把故障信息传送至主控控制器，通过主控控制器保证变桨桨距角在0°～90°范围转动，变桨距控制器与主控制器实时通讯，监控变桨自身状态，变桨控制器把运行状况反馈到风机主控控制箱，出现故障执行紧急顺桨动作。
8.如权利要求7所述带有控制器策略的独立变桨系统的变桨方法，其特征在于：所述变桨距控制器与主控控制器的实时通讯，是基于Canopen的通讯协议。
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