CN102235303A - 具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统。它包括：发电机、变流器、三个独立桨叶控制单元、采样模块单元、冗余控制模块单元；冗余控制模块单元的信号输入端接采样模块单元各类相应的采集器，冗余控制模块单元的信号输出端分别接三个独立桨叶控制单元的比例阀控制器。本发明具有如下优点：1)采用硬接线的方式，无延迟的接收到变流器发出的低电压穿越信号，配合变流器一起进入低电压穿越运行模式。2)系统无需配置振动传感器，由专家数据库微处理器依据桨叶角度和油缸行程信号经计算得到。3)系统在低电压穿越和独立变桨工作模式之间切换。4)冗余控制模块单元的采用可以提高整个系统的可靠性，降低维护成本。

Description

具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统

技术领域：

本发明涉及一种风力发电机技术领域，更具体地说涉及一种具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统。

背景技术：

在现有技术中，兆瓦级风力发电机组使用的变桨控制系统为统一变桨距技术，它通过在发电机或转速箱上设置的编码器，在风力发电机中或变流器设置电压电流信号传感器来实时测定轮毂转速及风机功率，当风机功率达到额定功率以上时，可通过风机功率模块直接输出的信号来控制轮毂上叶片的攻角，从而限制风力发电机的输入功率，以维持风力发电机功率输出的稳定和转速的稳定，保护风力发电机组。但自然界的实际风况存在：风切变、湍流、扰动效应，加上叶片的重力、离心力等因素，叶片的载荷会发生不规则变化，包括周期性不均匀载荷和瞬间冲击载荷。这些载荷的不规则变化加剧了叶片的疲劳损害，并且引起轮毂、传动链、塔架等部件的疲劳损害。现有变桨控制系统不能满足要求。

与此同时，随着风力发电技术的发展，有两个趋势：

一是风力发电机单机容量不断增大，单机的可靠性要求更加高。

二是风电在电网中的占比越来越多，风电电能的不稳定性对电网系统稳定性的负面影响变得不容忽视，因此具有低电压穿越功能的风电机组成为满足电网调度的必须。目前为满足电网公司对风电的低电压穿越的要求，通常把全部的低电压穿越责任全部交由变流器来完成，整个风机电控系统中的主控和变桨系统，没有发挥应有的作用，特别是变桨和变流之间的数据交换采取通讯的方式，而且必须经过主控系统进行转发交换，就造成了数据的延迟5～20ms，甚至更长，这样变桨系统在较短时间(不超过625ms)内就没有机会配合变流器来协调完成低电压穿越功能。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术不足之处而提供一种能进行风电机组功率调节和载荷优化控制的具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统。

本发明的目的是通过以下措施来实现：一种具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统，它包括发电机、变流器、三个独立桨叶控制单元，其特征在于：还有采样模块单元、控制模块单元；其中：

所述采样模块单元有风机功率采集器、轮毂转速采集器、低电压穿越信号采集端、叶轮位置采集器、桨叶角度采集器、油缸行程采集器组成；风机功率采集器接风力发电机的发电机或变流器，轮毂转速采集器接风力发电机组的发电机或齿轮箱上的转速编码器，低电压穿越信号采集端接变流器，叶轮位置采集器接安装在轮毂内的编码器，桨叶角度采集器接安装在轮毂内的桨叶绝对值编码器，油缸行程采集器接驱动桨叶转动的油缸外部磁致伸缩传感器；

所述控制模块单元有信号预处理器、专家数据库、功率控制器、低电压穿越控制器、载荷优化控制器、加权累加器；所述采样模块单元风机功率采集器、轮毂转速采集器输出端经信号预处理器模数转换接专家数据库和功率控制器，所述采样模块单元低电压穿越信号输出端经信号预处理器模数转换并接专家数据库、功率控制器、低电压穿越控制器，所述采样模块单元叶轮位置采集器、桨叶角度采集器、油缸行程采集器输出端经信号预处理器模数转换接专家数据库微处理器、载荷优化控制器输入端，所述功率控制器输出端、载荷优化控制器输出端、低电压穿越控制器经模式选择器接入加权累加器输入端；

所述控制模块单元的加权累加器输出端分别接三个独立桨叶控制单元的比例阀控制器。

所述控制模块单元为冗余控制模块单元，冗余控制模块单元的信号输入端接采样模块单元各类相应的采集器，冗余控制模块单元的信号输出端分别接三个独立桨叶控制单元的比例阀控制器。

所述变流器与低电压穿越采集端的连接线为屏蔽控制电缆。

与现有技术相比，本发明提出的具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统具有如下优点：1)采用硬接线的方式，避免变流器和变桨系统之间结过两次数据交换的延迟，无延迟的接收到变流器发出的低电压穿越信号，配合变流器一起进入低电压穿越运行模式。2)系统无需配置振动传感器，由专家数据库微处理器依据桨叶角度和油缸行程信号经计算得到。3)系统在低电压穿越和独立变桨工作模式之间切换，独立变桨工作模式为风机机组功率调节和载荷优化控制的结合。4)冗余控制模块单元的采用可以提高整个系统的可靠性，降低维护成本。

附图说明：

图1是本发明一个实施例控制系统原理图。

图2是图1实施例冗余控制模块单元设计原理图。

图3是图1实施例低电压穿越的原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对具体实施方式作详细说明：

图1是本发明专利的一个实施例控制系统原理图。图中，一种具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统，它包括叶片7、轮毂6、变流器5、发电机4、三个独立桨叶控制单元3、采样模块单元1、冗余控制模块单元2。冗余控制模块单元是控制模块单元的一对热备份，本实施例给出的是冗余控制模块单元。

所述采样模块单元1有风机功率采集器10、轮毂转速采集器11、低电压穿越信号采集端28、叶轮位置采集器12、桨叶角度采集器13、油缸行程采集器14组成；风机功率采集器10接风力发电机的发电机4或变流器5，轮毂转速采集器11接风力发电机组的发电机4或齿轮箱上的转速编码器，低电压穿越信号采集端28接变流器5，叶轮位置采集器12接安装在轮毂6内的编码器，桨叶角度采集器13接安装在轮毂6内的桨叶绝对值编码器，油缸行程采集器14接驱动桨叶转动的油缸外部磁致伸缩传感器；

所述冗余控制模块单元2有信号预处理器20、21、22，专家数据库27，功率控制器23，低电压穿越控制器24，载荷优化控制器25，加权累加器26。所述采样模块单元风机功率采集器10、轮毂转速采集器11输出端经信号预处理器20模数转换接专家数据库27和功率控制器23，通过对风力发电机发电机组进行实时功率和轮毂转速的监测，来改变桨角设定值以维持风力发电机的功率和电机转速在安全范围内运行。所述采样模块单元低电压穿越信号输出端28经信号预处理器21模数转换并接专家数据库27、功率控制器23、低电压穿越控制器24，当低电压穿越控制器24的输入端接有来自变流器5的低电压穿越指令，进行工作模式的切换。所述采样模块单元叶轮位置采集器12、桨叶角度采集器13、油缸行程采集器14输出端经信号预处理器22模数转换接专家数据库27、载荷优化控制器输入端25，专家数据库27通过对叶轮位置采集器12实时监测所得信号计算出包括位置不均匀载荷和由风切变引起的载荷交变；同时根据桨叶角度采集器13、油缸行程采集器14的信号计算叶轮的振动信号，得出叶轮幅面各处风力的各种波动。所述功率控制器输出端、载荷优化控制器输出端、低电压穿越控制器经模式选择器接入加权累加器输入端，独立变桨工作模式下，载荷优化控制器25根据载荷交变和振动信号，最后计算出载荷补偿值，与功率控制器23的控制输出经加权计算，发送控制信号。

为确保风力发电机运行的可靠性，本系统设有冗余控制模块单元，冗余控制模块单元的信号输入端接采样模块单元各类相应的采集器，冗余控制模块单元的信号输出端分别接三个独立桨叶控制单元的比例阀控制器。系统冗余控制模块单元的一对热备份之间的协调由系统计算机软件执行。

所述变流器与低电压穿越采集端的连接线为屏蔽控制电缆，这样能保护信号的传递。

图2是图1实施例冗余控制单元设计原理图。

冗余控制模块单元的硬件包括：电源PSA，PSB两块；CPU-A、CPU-B两块；网络A、网络B两套通讯网，达到1∶1热备份。当任何一个模块发生故障，第二个同类模块就可以勿扰的切换过来，既提高了系统的可靠性，又保证了系统的稳定性。无故障时间大于50万小时，相当于20年无故障运行。

检测单元采集到传感器的信号，经过数据总线同时送给CPU-A和CPU-B，同时运算，初始设置通常A为主，B为辅；当系统检测到CPU-A有故障时，就把系统的控制权交给CPU-B，同时把CPU-A的故障信号发送给远程控制中心；在合适的工作计划下统一安排故障处理，就大大减少了故障停机，提高了发电效率，降低了维护成本。

图3是图1实施例低电压穿越的原理图。

正常工况下，变桨系统接收主控系统的指令，并把变桨系统的工作状态反馈给主控系统；当变流器扑捉到低电压工况，就发出低电压指令；低电压指令经过屏蔽的电缆直接送给变桨系统，就避开正常工况下，变流器和主控系统经过通讯方式完成数据交换，再经过主控系统的指令通讯方式发送给变桨系统所引起的通讯延迟。变桨系统实时采集到变流器发出的低电压穿越指令，就能和变流器、主控系统协同完成低电压穿越的功能。

本发明中的控制系统特别适宜大型海上风电机组用的具有低电压穿越能力、液压驱动型的独立冗余控制系统，经各个部件的协调可以实现风力发电机组功率控制、低电压穿越和载荷优化控制功能，本系统的专家数据库还具自学习能力，通过长期收集运行数据，不断完善控制性能。本系统也适合老机组的改造，可在原来统一变桨的基础上升级为独立变桨系统。

以上结合实施例作了说明，上述实施例并不构成对本发明的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统，它包括发电机、变流器、三个独立桨叶控制单元，其特征在于：还有采样模块单元、控制模块单元；其中：

所述采样模块单元有风机功率采集器、轮毂转速采集器、低电压穿越信号采集端、叶轮位置采集器、桨叶角度采集器、油缸行程采集器组成；风机功率采集器接风力发电机的发电机或变流器，轮毂转速采集器接风力发电机组的发电机或齿轮箱上的转速编码器，低电压穿越信号采集端接变流器，叶轮位置采集器接安装在轮毂内的编码器，桨叶角度采集器接安装在轮毂内的桨叶绝对值编码器，油缸行程采集器接驱动桨叶转动的油缸外部磁致伸缩传感器；

所述控制模块单元有信号预处理器、专家数据库、功率控制器、低电压穿越控制器、载荷优化控制器、加权累加器；所述采样模块单元风机功率采集器、轮毂转速采集器输出端经信号预处理器模数转换接专家数据库和功率控制器，所述采样模块单元低电压穿越信号输出端经信号预处理器模数转换并接专家数据库、功率控制器、低电压穿越控制器，所述采样模块单元叶轮位置采集器、桨叶角度采集器、油缸行程采集器输出端经信号预处理器模数转换接专家数据库、载荷优化控制器输入端，所述功率控制器输出端、载荷优化控制器输出端、低电压穿越控制器经模式选择器接入加权累加器输入端；

所述控制模块单元的加权累加器输出端分别接三个独立桨叶控制单元的比例阀控制器。

2.根据权利要求1所述的具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统，其特征在于所述控制模块单元为冗余控制模块单元，冗余控制模块单元的信号输入端接采样模块单元各类相应的采集器，冗余控制模块单元的信号输出端分别接三个独立桨叶控制单元的比例阀控制器。

3.根据权利要求1或2所述的具有低电压穿越功能的液压驱动独立变桨冗余控制系统，其特征在于所述变流器与低电压穿越采集端的连接线为屏蔽控制电缆。

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