CN101311527B - 一种风力发电机变桨距控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种风力发电机变桨距控制系统，其特征在于，它由中控柜、由中控柜控制的若干个并联的轴柜、以及由每一个轴柜单独控制的一组直流电机及传动装置构成；所述的中控柜包括PLC控制单元和控制接口。本发明系统的PLC控制单元实现包括了桨叶转角位置闭环、电池充电控制、箱体温度控制和故障处理等多项功能；上位机发送给PLC控制单元的为单一的位置信号，当位置信号未发生或出现错误时，PLC控制单元则认为是故障，并适时作出命令将风叶调整到安全位置即顺桨位置，从而使其控制程序更简单化，增加了其运行的可靠性；桨叶的驱动由直流电机实现，由于是线性控制，控制特性较稳定。

Description

一种风力发电机变桨距控制系统
技术领域
本发明涉及一种风力发电机的控制系统，尤其涉及一种风力发电机变桨距控制系统。
背景技术
采用变桨技术的风力发电机组通过变距系统可以调整叶片的桨距角，优化风轮的出力，改善风力机的输出功率特性，并消除因空气密度变化和叶片表面粗糙度对功率输出的影响。变桨距风力发电机组能主动以全顺桨方式来减少叶轮所承受的风压，具有机组起动性能好、输出功率稳定、机组结构受力小、停机方便安全和运输起吊难度小等优点。另外，通过变桨系统可以使叶片处于顺桨状态，这样在机组出现故障等情况下，极大地减小制动工况下作用在传动系统中的载荷，同时在极端风速工况下通过顺桨减小风轮上承受的推力，从而降低塔架所承受的极限载荷。为了保证在电网失电等意外情况下叶片可靠顺桨，需要给变桨距系统提供可靠的后备电源，在系统断电情况下给变桨距机构提供足够的能量，使叶片顺桨，保证机组的安全。专利号为02144809.4的中国专利公开了一种“兆瓦级风电机组变速、变距控制系统”，其缺点是液压装置漏油无法避免，造成一定的污染，而且结构复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、能保障变桨安全的一种风力发电机变桨距控制系统。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种风力发电机变桨距控制系统，其特点是，
它由中控柜、由中控柜控制的若干个并联的轴柜、以及由每一个轴柜单独控制的一组直流电机及传动装置构成；
所述的中控柜包括PLC(可编程控制器)控制单元和控制接口；
所述的轴柜设有电机驱动器，电机驱动器联接保护电路驱动直流电机及传动装置；轴柜内还设有与电机驱动器并联的充电电路，充电电路一端与中控柜联接，另一端联接充电电池组，充电电池组再与保护电路联接，充电电路在PLC控制单元给出指令后，控制充电电池组充电；
所述的直流电机输出齿轮上设有位置传感器1，直流电机上还设有热保护开关、温度传感器和加热器，温度传感器、加热器和热保护开关与PLC控制单元联接，在低温工作条件时，提供直流电机电枢辅助加热；
所述的传动机构包括减速器和驱动齿轮；
上位机(风力发电机主机)通过控制接口将位置信号发送至中控柜，经PLC控制单元的位置调节器处理后，给出以-10V～+10V电压形式输出的υ信号，υ信号经电机驱动器的速度调节器处理后，给出以电压形式输出的U信号驱动直流电机，直流电机输出的ω角速度信号经减速器减速后，输出ω1角速度信号，减速后的转轴联接驱动齿轮带动桨叶进行转动，桨叶则按得到的ω1角速度信号进行变桨运转；
设置在桨叶转动齿轮上的位置传感器2适时将桨叶转动的位置信号通过编码器选择反馈给PLC控制单元进行处理；位置传感器1将电机轴转动的位置信号通过编码器选择反馈给PLC控制单元进行处理，形成位置闭环。
本发明所要解决的技术问题还可以通以以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特点是，所述的位置传感器1为编码器1，所述的位置传感器2为编码器2。
本发明所要解决的技术问题还可以通以以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特点是，所述的直流电机输出齿轮上还设有速度传感器，速度传感器将直流电机输出的ω角速度信号反馈给电机驱动器进行处理，形成速度环。
本发明所要解决的技术问题还可以通以以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特点是，所述的速度传感器为测速发电机。
本发明所述的一种风力发电机变桨距控制系统中，所述的轴柜可以若干个，其个数一般与桨叶个数相对应，优选3个。
本发明所要解决的技术问题还可以通以以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特点是，所述的充电电池组为配备具有AGM技术的免维护充电电池，在紧急情况时，充电电池组通过保护电路，为直流电机及传动机构供电。
与现有技术相比，本发明控制系统具有以下优点：
1、PLC控制单元实现包括了桨叶转角位置闭环、电池充电控制、箱体温度控制和故障处理等多项功能；
2、上位机发送给PLC控制单元的为单一的位置信号，当位置信号未发生或出现错误时，PLC控制单元则认为是故障，并适时作出命令将风叶调整到安全位置即顺桨位置，从而使其控制程序更简单化，增加了其运行的可靠性；
3、本发明中若干个轴柜均采有相同结构设置，实现了轴柜的标准化和通用化，便于管理与维护；
4、桨叶的驱动由直流电机实现，由于是线性控制，控制特性较稳定，而以往的交流电机变频装置结构复杂，因此在很大程度上简化了电机驱动器；同时，电机在紧急情况需用备用电池电源供电，直流电机则省略了冗烦的交/直转换结构，即提高了系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的控制框图；
图3为本发明中直流电机及传动机构的组成框图。
具体实施方式
实施例1。参照图1-图3。一种风力发电机变桨距控制系统，
它由中控柜、由中控柜控制的若干个并联的轴柜、以及由每一个轴柜单独控制的一组直流电机及传动装置构成；
所述的中控柜包括PLC控制单元和控制接口；
所述的轴柜设有电机驱动器，电机驱动器联接保护电路驱动直流电机及传动装置；轴柜内还设有与电机驱动器并联的充电电路，充电电路一端与中控柜联接，另一端联接充电电池组，充电电池组再与保护电路联接，充电电路在PLC控制单元给出指令后，控制充电电池组充电；
所述的直流电机输出齿轮上设有位置传感器1，直流电机上还设有热保护开关、温度传感器和加热器，温度传感器、加热器和热保护开关与PLC控制单元联接，在低温工作条件时，提供直流电机电枢辅助加热；
所述的传动机构包括减速器和驱动齿轮；
上位机通过控制接口将位置信号发送至中控柜，经PLC控制单元的位置调节器处理后，给出以-10V～+10V电压形式输出的υ信号，υ信号经电机驱动器的速度调节器处理后，给出以电压形式输出的U信号驱动直流电机，直流电机输出的ω角速度信号经减速器减速后，输出ω1角速度信号，减速后的转轴联接驱动齿轮带动桨叶进行转动，桨叶则按得到的ω1角速度信号进行变桨运转；
设置在桨叶转动齿轮上的位置传感器2适时将桨叶转动的位置信号通过编码器选择反馈给PLC控制单元进行处理；位置传感器1将电机轴转动的位置信号通过编码器选择反馈给PLC控制单元进行处理，形成位置闭环。
在正常工作时，PLC控制单元通过控制接口，与充电电路、电机驱动器以及电机及传动装置等相联接，完成变桨控制。
变桨控制回路的位置闭环由PLC控制单元实现：PLC控制单元接受来自位置传感器2信号(另有位置传感器1作为冗余信号)，与上位机给定的变桨角度信号即位置命令进行比较，通过采用PID控制器方式的位置调节器向电机驱动器发出电机转速指令。
当电源及上位机任意一个或同时发生故障时，变桨系统以充电电池组供电，通过PLC控制单元，驱动直流电机，以固定速度开始转动叶片，一直到达安全位置，再由位置传感器反馈信号给PLC控制单元，从而发送指令通过制动齿轮制动。
实施例2。在实施例1中，所述的位置传感器1为编码器1，所述的位置传感器2为编码器2。
实施例3。在实施例1中，所述的直流电机输出齿轮上还设有速度传感器，速度传感器将直流电机输出的ω角速度信号反馈给电机驱动器进行处理，形成速度环。
实施例4。在实施例2中，所述的直流电机输出齿轮上还设有速度传感器，速度传感器将直流电机输出的ω角速度信号反馈给电机驱动器进行处理，形成速度环。
在正常工作时，PLC控制单元通过控制接口，与充电电路、电机驱动器以及电机及传动装置等相联接，完成变桨控制。
变桨控制回路的位置闭环由PLC控制单元实现：PLC控制单元接受来自绝对值编码器2信号(另有绝对值编码器1作为冗余信号)，与上位机给定的变桨角度信号即位置命令进行比较，通过采用PID控制器方式的位置调节器向电机驱动器发出电机转速指令。
速度环由电机驱动器实现：电机驱动器接收PLC控制单元的转速命令，与电机轴上的速度传感器信号比较经采用PID控制器方式的速度调节器作用实现速度闭环，速度调节器输出经过脉宽调制功率放大环节，产生需要的电枢电压U，驱动直流电机转动，直流电机轴与减速器相连，减速后的转轴联接驱动齿轮带动桨叶进行转动。
当电源及上位机任意一个或同时发生故障时，变桨系统以充电电池组供电，通过PLC控制单元，驱动直流电机，以固定速度开始转动叶片，一直到达安全位置，再由位置传感器反馈信号给PLC控制单元，从而发送指令通过制动齿轮制动。
实施例5。在实施例4中，所述的速度传感器为测速发电机。
实施例6。在实施例1中，所述的轴柜为3个。
实施例7。在实施例1或3中，所述的充电电池组为配备具有AGM技术的免维护充电电池，在紧急情况时，充电电池组通过保护电路，为直流电机及传动机构供电。

Claims (6)

1.一种风力发电机变桨距控制系统，其特征在于，
它由中控柜、由中控柜控制的若干个并联的轴柜、以及由每一个轴柜单独控制的一组直流电机及传动装置构成；
所述的中控柜包括PLC控制单元和控制接口；
所述的轴柜设有电机驱动器，电机驱动器联接保护电路驱动直流电机及传动装置；轴柜内还设有与电机驱动器并联的充电电路，充电电路一端与中控柜联接，另一端联接充电电池组，充电电池组再与保护电路联接，充电电路在PLC控制单元给出指令后，控制充电电池组充电；
所述的直流电机输出齿轮上设有位置传感器I，直流电机上还设有热保护开关、温度传感器和加热器，温度传感器、加热器和热保护开关与PLC控制单元联接，在低温工作条件时，提供直流电机电枢辅助加热；
所述的传动机构包括减速器和驱动齿轮；
上位机通过控制接口将位置信号发送至中控柜，经PLC控制单元的位置调节器处理后，给出以-10V～+10V电压形式输出的υ信号，υ信号经电机驱动器的速度调节器处理后，给出以电压形式输出的U信号驱动直流电机，直流电机输出的ω角速度信号经减速器减速后，输出ω1角速度信号，减速后的转轴联接驱动齿轮带动桨叶进行转动，桨叶则按得到的ω1角速度信号进行变桨运转；
设置在桨叶转动齿轮上的位置传感器II适时将桨叶转动的位置信号通过编码器选择反馈给PLC控制单元进行处理；位置传感器I将电机轴转动的位置信号通过编码器选择反馈给PLC控制单元进行处理，形成位置闭环。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特征在于，所述的位置传感器I为编码器I，所述的位置传感器II为编码器II。
3.根据权利要求1或2所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特征在于，所述的直流电机输出齿轮上还设有速度传感器，速度传感器将直流电机输出的ω角速度信号反馈给电机驱动器进行处理，形成速度环。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特征在于，所述的速度传感器为测速发电机。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特征在于，所述的轴柜为3个。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电机变桨距控制系统，其特征在于，所述的充电电池组为配备AGM技术的免维护充电电池，在紧急情况时，充电电池组通过保护电路，为直流电机及传动机构供电。
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