CN101975142A - 具备特殊工况处理逻辑的风力发电变桨距控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电机的变桨距控制系统，在变桨控制系统底层的电机驱动器中实现特殊工况处理逻辑，对桨叶角度直接控制，对于风力发电机现场运行可能出现的多种特殊工作状况，变桨距控制系统须采取一系列动作措施，以保障风力发电机的安全停机、故障检修和正常发电生产。具备特殊工况处理逻辑的风力发电变桨距控制系统，具有可靠的安全性和显著的经济效益。

Description

具备特殊工况处理逻辑的风力发电变桨距控制系统
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，尤属风力发电变桨距控制技术领域。
背景技术
风力发电变桨距控制技术的发展和应用，使风力发电机组向着变速、变桨距机型发展，风机机组容量、运行可靠性、电能质量相对于定桨距机组有了大幅提高。正常工况下，变桨距系统作为位置随动系统，跟随主控位置指令，对提高风力发电机组的发电效率和改善电能质量有着重要意义。
风机出现故障时，涉及到风机安全停机、检修维护、检修完成后复位启机等特殊工况的处理，变桨距控制系统须处于不同的工作模式，包括：
(1)在复位启机过程中，驱动桨叶至89度位置，等待主控桨距角位置指令；
(2)在桨叶96度限位开关动作时，驱动桨叶至89度位置；
(3)安全链断开时，驱动桨叶至91度限位开关位置，实现风机的安全停机；
(4)在人工进入轮毂检修时，执行桨叶的手动正反转操作；
(5)在相邻轴电机驱动器紧急顺桨失败时，由本轴电机驱动器对其桨叶完成顺桨。
具备上述特殊工况处理逻辑的变桨距控制系统，才能满足风力发电机现场运行的实际需求。目前从国外厂商购买或引进的变桨距控制系统产品大多只集成有上述前四项特殊工况处理逻辑，并无第五项逻辑，且其特殊工况处理的内部控制逻辑都集成于变桨距控制系统的较上层的变桨PLC控制器中，并不在其底层的执行机构——电机驱动器中实现，其实际上是对桨叶角度的间接控制。如果变桨PLC出现故障，即使电机驱动器正常，也难以保证桨叶顺桨动作的顺利执行，而桨叶的能否成功顺桨又关系到整个风电机组的安全。
基于对风机整机厂商的反复、深入需求分析与风机现场的实际调试经验，本发明深度掌握变桨距控制系统的特殊工况的特点与要求，开发、制定出严密的逻辑控制方案，并在底层的电机驱动器中加以实现，完成了特殊工况处理的多种工作模式之间的可靠和有效切换，现场应用效果良好。
变桨距控制系统仅仅实现简单的角度控制功能并不能满足现场实际需要。目前变桨距控制系统在实际应用时，涉及到特殊工况中多种工作模式的可靠、有效切换问题，其原因在于：
(1)不可能同时处于两种或两种以上的特殊工况逻辑；
(2)基于系统安全性设计的考虑，五种特殊工况逻辑，其是有优先级高低之分的。
发明内容
针对现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一个新的包含特殊工况处理逻辑的风力发电变桨电机驱动器。本发明的目的之一是在变桨控制系统底层的电机驱动器中实现特殊工况处理逻辑，对桨叶角度直接控制，减轻变桨PLC的逻辑复杂程度和PLC内部运算开销，提高整个系统的安全性、可靠性和容错能力。本发明进一步的目的是变桨距控制系统在实现常规的桨叶角度控制功能的前提下，能实现五种特殊工况逻辑之间的安全、可靠切换。保证了在任意时刻只可能处于一种特殊工况逻辑，且针对变桨距控制系统在风机中的实际运行需要，以保障风电机组的安全性作为最高标准设计了五种特殊工况的优先级，逻辑严谨可靠，真正满足了现场的实际需求。
本发明具体采用以下技术方案：
一种具备特殊工况处理逻辑的风力发电变桨距控制系统，包括变桨PLC、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第三电机驱动器；其特征在于：
所述变桨PLC控制第一至第三轴，每个轴分别包括一个所述电机驱动器、一个所述电机和一个所述编码器，每个轴对应一个风机桨叶，三个轴之间彼此独立；
变桨PLC通过CAN总线分别与所述第一电机驱动器、第二电机驱动器、第三电机驱动器相连；
变桨PLC向第一至第三电机驱动器发送位置指令，第一至第三电机驱动器分别驱动第一至第三电机转动，第一至第三电机分别耦合第一至第三桨叶轴承转动，实现桨叶角度的跟随与定位控制，桨叶的角度反馈由分别安装在第一至第三电机端部的第一至第三编码器获得。
风力发电变桨距控制系统的特殊工况处理逻辑集成在变桨距控制系统底层的第一至第三电机驱动器中，所述特殊工况处理逻辑如下：
复位时，驱动桨叶至89度位置，其优先级为最低；
旁路时，驱动桨叶离开96度限位开关至89度位置，其优先级为低；
冗余顺桨时，由本轴电机驱动器驱动相邻轴桨叶至91度限位开关位置，其优先级为中。
紧急顺桨时，驱动桨叶至91度限位开关位置，其优先级为高；
手动时，检修人员进入轮毂手动操作桨叶的开桨和顺桨，其优先级为最高。
即上述复位、旁路、冗余顺桨、紧急顺桨和手动5种特殊工况工作模式的优先级别依次升高。
本发明提出的变桨距控制系统在底层的电机驱动器中加以实现，减轻变桨PLC的逻辑复杂程度和PLC内部运算开销，提高整个系统的安全性、可靠性和容错能力。同时，五种特殊工况处理逻辑，从根本上解决了五种特殊工况对应的工作模式之间的切换带来的可靠性问题，逻辑严谨，在满足了现场实际需求的同时，系统稳定性、可靠性均有大幅度的提高。
附图说明
图1为变桨距控制系统的结构示意图；
图2为变桨距控制系统与主控PLC的连接示意图；
图3为特殊工况处理逻辑的原理图；
图4为特殊工况的五种工作模式的优先级示意图；
图5为特殊工况处理逻辑的软件流程图。
具体实施方式
下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细说明。
应用本发明的具备特殊工况处理逻辑的变桨距控制系统的典型结构见附图1，变桨PLC通过CAN总线与第一至第三电机驱动器相连。第一至第三电机驱动器分别驱动第一至第三电机。所述第一电机至第三电机分别驱动第一至第三桨叶轴承，通过三个桨叶轴承的转动，来实现三个桨叶角度的变化。正常工况下，变桨PLC通过CAN总线向电机驱动器发送角度指令，电机驱动器驱动电机进而带动桨叶轴承转动，实现桨叶角度的跟随与定位控制，第一至第三桨叶角度反馈分别由安装在第一至第三电机端部的第一至第三编码器获得。
如图2表示为变桨距控制系统与主控PLC的连接示意图，主控PLC通过PROFIBUS-DP通信线路与变桨PLC相连，主控PLC通过内部计算产生风机桨叶角度指令，并将此位置指令传送给变桨PLC，再由变桨PLC下发至三个电机驱动器。
如图3表示特殊工况处理逻辑的原理图。五种特殊工况分别是复位、旁路、紧急顺桨、冗余顺桨和手动。以下所述的89度位置、91度限位开关位置、96度限位开关位置皆是桨叶的安全位置，都实现了风机的安全停机；桨叶开桨指的是桨叶往小角度方向转动，桨叶顺桨指的是桨叶往大角度方向转动，桨叶角度变化范围是0度至100度。
复位的触发判断通过变桨电机驱动器的CAN通信控制字获得，执行复位动作是指在复位启机过程中，驱动桨叶至89度位置，等待主控桨距角位置指令；
旁路的触发判断通过变桨电机驱动器的DI输入获得，执行旁路动作是指在桨叶96度限位开关动作时，驱动桨叶归位至89度位置；
紧急顺桨的触发判断通过变桨电机驱动器的DI输入获得，执行紧急顺桨是指在安全链断开时，驱动桨叶至91度限位开关位置，实现风机的安全停机；
冗余顺桨的触发判断通过变桨电机驱动器的DI输入获得，执行冗余顺桨是指在相邻轴电机驱动器紧急顺桨失败时，由本轴的电机驱动器驱动其桨叶至91度限位开关位置；
手动的触发判断通过变桨电机驱动器的CAN通信控制字获得，执行手动操作是指在人工进入轮毂检修时，手动操作桨叶的开桨或顺桨。
通过初始触发判断，进入特殊工况逻辑判断处理单元，再根据所述复位、旁路、紧急顺桨、冗余顺桨和手动等五种特殊工况的优先级高低，确定电机驱动器所应执行的动作。
如图4表示的是复位、旁路、紧急顺桨、冗余顺桨和手动等五种特殊工况的优先级，其是基于保障风电机组的安全性要求来设计的。手动时，由于检修人员会进入风机轮毂来手动操作桨叶，其优先级为最高，往下依次紧急顺桨优先级为高，冗余顺桨优先级为中，旁路优先级为低，复位优先级为最低。
如图5表示的是集成在变桨电机驱动器内部的特殊工况处理逻辑的软件流程图。系统每隔1毫秒定时采样DI或CAN通信控制字，即特殊工况初始触发条件，如同时满足两种或两种以上的特殊工况触发条件，则进入特殊工况逻辑判断处理单元，根据五种特殊工况的优先级高低，确定所优先执行的特殊工况功能模块，电机驱动器驱动电机完成相应的动作。其中一种特殊工况功能模块对应一种特殊工况工作模式，。
以复位为例，如满足执行复位动作条件，软件跳转至执行复位动作模块，电机驱动器驱动电机执行复位动作。如在执行复位动作过程中且此过程尚未完成，同时其它特殊工况触发条件满足，进入特殊工况逻辑判断处理单元，由于复位的优先级是最低的，软件跳转至执行新的特殊工况功能模块；
以旁路为例，如满足执行旁路动作条件，软件跳转至执行旁路动作模块，电机驱动器驱动电机执行旁路动作。如在执行旁路动作过程中且此过程尚未完成，同时其它特殊工况触发条件满足，则进入特殊工况逻辑判断处理单元，以确定是继续执行旁路功能模块或跳转至执行新的特殊工况功能模块；
以紧急顺桨为例，如满足执行紧急顺桨条件，软件跳转至执行紧急顺桨模块，电机驱动器驱动电机执行紧急顺桨。如在执行紧急顺桨过程中且此过程尚未完成，同时其它特殊工况触发条件满足，则进入特殊工况逻辑判断处理单元，以确定是继续执行紧急顺桨模块或跳转至执行新的特殊工况功能模块；
以冗余顺桨为例，如满足执行冗余顺桨条件，软件跳转至执行冗余顺桨模块，电机驱动器驱动电机执行冗余顺桨。如在执行冗余顺桨过程中且此过程尚未完成，同时其它特殊工况触发条件满足，则进入特殊工况逻辑判断处理单元，以确定是继续执行冗余顺桨模块或跳转至执行新的特殊工况功能模块；
以手动为例，如满足执行手动操作条件，软件跳转至执行手动操作模块，电机驱动器驱动电机执行手动操作。如在执行手动操作过程中且此过程尚未完成，同时其它特殊工况触发条件满足，则进入特殊工况逻辑判断处理单元，由于手动的优先级是最高的，软件继续执行手动操作模块。
任一时刻，变桨电机驱动器只执行一种特殊工况的相应动作，不会造成5种特殊工况工作模式之间的冲突。

Claims (3)

1.一种具备特殊工况处理逻辑的风力发电变桨距控制系统，包括变桨PLC、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第三电机驱动器；其特征在于：
所述变桨PLC控制第一至第三轴，每个轴分别包括一个所述电机驱动器、一个所述电机和一个所述编码器，每个轴对应一个风机桨叶，三个轴之间彼此独立；
变桨PLC通过CAN总线分别与所述第一电机驱动器、第二电机驱动器、第三电机驱动器相连；
变桨PLC向第一至第三电机驱动器发送位置指令，第一至第三电机驱动器分别驱动第一至第三电机转动，第一至第三电机分别耦合第一至第三桨叶轴承转动，实现桨叶角度的跟随与定位控制，桨叶的角度反馈由分别安装在第一至第三电机端部的第一至第三编码器获得；
所述风力发电变桨距控制系统的特殊工况处理逻辑集成在变桨距控制系统底层的第一至第三电机驱动器中。
2.根据权利要求1所述的风力发电变桨距控制系统，其特征在于：所述特殊工况处理逻辑优选如下：
复位时，驱动桨叶至89度位置，其优先级为最低；
旁路时，驱动桨叶离开96度限位开关至89度位置，其优先级为低；
冗余顺桨时，由本轴电机驱动器驱动相邻轴桨叶至91度限位开关位置，其优先级为中；
紧急顺桨时，驱动桨叶至91度限位开关位置，其优先级为高；
手动时，检修人员进入轮毂手动操作桨叶的开桨和顺桨，其优先级为最高；
即上述复位、旁路、冗余顺桨、紧急顺桨和手动5种特殊工况工作模式的优先级别依次升高。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电变桨距控制系统，其特征在于：所述变桨距控制系统具有冗余顺桨功能，当相邻轴的电机驱动器紧急顺桨失败时，由本轴电机驱动器驱动相邻轴桨叶至91度限位开关位置。
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