CN102278278A - 一种风力发电机组安全控制系统及安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机组安全控制系统及安全控制方法，系统包括安全链控制回路及各桨叶对应的变桨系统伺服驱动器的安全信号接入回路，还设有一个过速监测回路，该过速监测回路包括一个防过速继电器的线圈与一个用于响应风轮转速的开关，该开关与所述防过速继电器的线圈串联，接在电源上；该防过速继电器的各组触头分别串接在各伺服驱动器对应的安全信号接入回路中。变桨系统识别风轮转速，当转速大于允许值时，变桨系统主动执行停机操作，从而避免因控制系统异常不能将安全系统信息正确传递给变桨系统，致使风力发电机组不能停机而导致风机安全事故发生和扩大。

Description

一种风力发电机组安全控制系统及安全控制方法

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级风力发电机组的安全控制领域，特别是风力发电机组安全控制系统及其安全控制方法。

背景技术

随着国家发展规划对环保的要求越来越高，风电作为一种环保无污染的清洁能源，得到国家相关部门的大力支持。风经过桨叶时会带动风轮转动，将风能转化为机械能，风轮带动发电机再将机械能转化为电能，从而实现了风力发电。目前，风力发电机组的样式很多，可分为垂直轴和水平轴风力机组，根据桨叶数目又可分为单桨叶风力发电机、三桨叶风力发电机等。桨叶位置对风能的吸收具有重要作用，当桨叶位置处于顺桨位置时，叶片作为气动刹车阻止风轮转动，叶片处于工作位置时则吸收风能。根据桨叶位置是否能够变化，风力发电机组又分为定桨距风力发电机组和变桨距风力发电机组。

风力发电机组控制系统可分为主控系统、变桨系统、及变流系统。当风速变化时，对变桨距风力发电机组来说，风力发电机组控制系统通过调桨等措施使风力发电机组的运行参数保持在它们的正常运行范围内，使机组运行最佳化和转化风能，保证风力发电机组稳定、高效、安全运行。

变桨系统不仅是风力发电机组安全运行的气动刹车保障，而且也是改变桨叶位置的执行结构，接受主控系统下发的桨叶位置调节命令并执行。变桨系统可采用电子驱动的液压机构来驱动桨叶位置变化，也可采用电动机构来驱动桨叶位置变化。电动变桨系统采用伺服驱动器控制电机，电机通过减速齿轮与叶片齿轮连接在一起。在正常运行状态，主控系统通过通讯方式将桨叶位置目标值传送给变桨系统，变桨系统使用电动机控制桨叶位置从而达到控制风轮转速的目的。

为了确保风力发电机组的安全，风力发电机组还提供一套独立于风力发电机组控制系统的风力发电机组安全系统来保护风力发电机组，当发生严重故障时，安全系统将闭锁控制系统，直接向变桨系统下发紧急停机命令，变桨系统将迅速调桨至顺桨位置，阻止风机叶片旋转。风力发电机组安全系统主要有两种形式，一种为总线方式，一种为硬接线方式。总线方式采用安全控制模块，硬接线方式采用安全继电器模块，两种方案都提供一路24V安全信号给变桨系统，当24V信号丢失时变桨系统执行紧急顺桨，将桨叶位置调节到顺桨位置。

如图1所示为一种安全链控制系统，24V为安全信号，K1、K2…Kn，为风力发电机组重要参数监测点，24V到地之间串联K1、K2…Kn的各常闭开关，自锁继电器KM1的线圈与主触头，形成一个安全链控制回路。S1为安全链复位按钮，与自锁继电器KM1的主触头并联。C1、C2、C3为三个桨叶对应的变桨系统伺服驱动器，均通过自锁继电器KM1的对应辅助触头连接24V安全信号。在正常情况下，安全链各节点开关K1、K2…Kn闭合，安全链自锁继电器KM1吸合，安全链正常信号通过KM1辅助触头分别传送给三个变桨驱动器，此时变桨系统将接受主控系统命令进行正常调桨。当安全链中任意一个接点出现异常，常闭接点断开，从而KM1线圈失电，辅助触头断开，驱动器将检测不到24V安全信号，一旦检测不到24V安全信号，驱动器或急停回路将驱动变桨电机紧急向停机方向调桨，实现紧急顺桨。当故障消失后，各监测点常闭开关复位闭合，点击安全链复归按钮S1，自锁继电器KM1复位，KM1各触头重新闭合，驱动器检测到安全信号后将重新响应主控系统变桨命令。

上述安全链系统的方案中变桨系统对主控系统依赖性较高，只有在接收到主控系统停机命令或安全系统急停信号后才执行顺桨操作。如果在风机实际运行过程中，因现场接线错位、程序控制错误等问题导致主控系统不能下达命令，会造成安全系统不能启动——风力发电机组不能停机——事故不断扩大而不能受到控制——风力发电机组飞车，产生严重后果。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机组安全控制系统及其安全控制方法，用以解决现有技术中由于安全链控制系统对风电的主控系统依赖度过高而带来的安全隐患。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种风力发电机组安全控制系统，包括安全链控制回路及各桨叶对应的变桨系统伺服驱动器的安全信号接入回路，还设有一个过速监测回路，该过速监测回路包括一个防过速继电器的线圈与一个用于响应风轮转速的开关，该开关与所述防过速继电器的线圈串联，接在电源上；该防过速继电器的各组触头（12、13，14、15，16、17）分别串接在各伺服驱动器对应的安全信号接入回路中。

本发明的另一种方案是：一种风力发电机组安全控制方法，设置一个响应变桨系统的过速监测回路，当风轮速度过大时，所述过速监测回路输出信号，控制断开各伺服驱动器的安全信号接入回路。

变桨系统可识别风轮转速（通过离心开关或转速传感器与过速模块结合），当转速大于允许值时，变桨系统主动执行停机操作，为风机安全运行提供了又一道保障，从而避免因控制系统异常不能将安全系统信息正确传递给变桨系统，致使风力发电机组不能停机而导致风机安全事故发生和扩大；提高了系统的安全可靠性；能够保证避免风力发电机组主控系统与变桨系统连接错误导致事故发生。当主控安全系统与变桨系统连线错误时，主控系统不能正常切断安全信号，变桨系统本身可监测到故障并主动停机。

所述开关为一个过速模块，该过速模块接收用于监测风轮转速的传感器的输出信号，与其内部设定的转速阀值相比较，比较后的信号驱动其内部触头（10、11），该内部触头（10、11）与所述防过速继电器的线圈串联。所述用于监测风轮转速的传感器是编码器。

所述过速监测回路的电源采用安全信号接入回路的安全信号。

传感器提供转速脉冲信号给过速模块，过速模块将转速信号与设定阀值比较。若风轮转速超过设定阀值，过速模块的触头动作（或者当风轮速度低于设定阀值，触头动作），目的是变桨系统监测到风轮超速时，使防过速继电器触头动作，断开各伺服驱动器的安全信号接入回路，驱动器检测不到24V安全信号，从而实现紧急顺桨。

与现有技术比较，该系统还具有以下优点：

系统结构简单，成本较低，实际系统只需增加一个过速模块和一个防过速继电器就可实现，而且过速模块从变桨系统内部接线，不必到现场接线。采用过速模块的方案，增加的过速模块接线隶属于变桨系统内部接线，可以在场内调试检测，不必到现场接线，也不会引入现场接线故障隐患。

所述开关为一个离心开关，该离心开关的离心机构安装在风轮传动轴上，触头与所述防过速继电器的线圈串联。通过离心开关替代过速模块，也能起到上述效果。

附图说明

图1是现有的安全链控制系统；

图2是本发明的安全链控制系统的实施例1的原理图；

图3是一种现有过速模块的原理框图；

图4是图2系统的流程图；

图5是本发明的安全链控制系统的实施例2的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例

本发明的方法在于，设置一个响应变桨系统的过速监测回路，当风轮速度过大时，所述过速监测回路输出信号，断开各伺服驱动器的安全信号接入回路。采用本方法可以使变桨系统可直接对风机故障进行监测，改变了变桨系统对主控系统依赖性过高的问题，避免了现场误接线和设计缺陷引起风力发电机组不能停机，使故障影响受控，避免扩大，提高了风力发电机组的整体安全性能。

系统实施例

实施例1

如图2所示本发明的安全链控制系统的电路，其安全链控制回路与图1相同，24V安全信号端依次通过检测紧急停机开关K1、振动开关K2……看门狗开关Kn，安全链自锁继电器KM1的主触头1、2，KM1的线圈，直到电源地。KM1的主触头1、2与复归开关S1并联，当安全连接点断开需要复位时，S1闭合，使安全链自锁继电器KM1上电，其主触头1、 2闭合，安全链恢复正常。

安全信号接入回路：各伺服驱动器C1，C2，C3通过KM1的对应辅助触头（3、4，5、6，7、8）连接24V安全信号端。

各伺服驱动器C1，C2，C3连接对应变桨驱动电机。图示伺服驱动器对应三桨叶的风轮，根据桨叶数量不同，需相应增加驱动器。

本发明的改进在于，在上述安全信号接入回路中再对应增加一个防过速继电器KM2的触头12、13，14、15，16、17，及一个过速模块，一个过速监测回路。如图2所示，过速模块输入连接增量式编码器A相，接收A相脉冲信号，通过与设定的转身阀值比较，输出控制其内部触头10、11，其内部触头10、11与防过速继电器KM2的线圈串联在24V与地之间，形成所述的一个过速监测回路。

进行的改进中，增量式编码器可以使用A相信号，也可以使用其他相信号。过速模块内部触头10、11为常开触头，KM2的触头12、13，14、15，16、17为常开触头，也可以采用常闭的开关形式，但需要对应过速模块的比较结果，以达到发明目的。过速监测回路的电源端直接连接到了安全信号端24V，方便了接线。过速模块是现有技术内容，本发明所采用的过速模块其内部原理示意图如图3所示，代表转速的脉冲信号通过F/V（数模）转换为电压信号与设定值进行比较，比较输出驱动内部继电器。

改进后的变桨系统安全系统工作方法：当风轮转速低于设定值时，过速模块内部触头10、11闭合，KM2线圈带电，KM2的触头12、13，14、15，16、17闭合。当风轮转速过高时，过速模块内部触头10、11断开，KM2的触头12、13，14、15，16、17断开。伺服驱动器C1，C2，C3与安全信号端断开，使变桨系统监测到安全信号丢失将执行紧急顺桨。复位后，变桨系统检测到安全信号复归，变桨系统重新接受变桨命令。

原主控系统安全系统的工作方式：在风力发电机组正常情况下，K1、K2、……、Kn闭合，自锁继电器KM1吸合，当K1…Kn任意一个开关断开，自锁继电器KM1断开，驱动器监测到安全信号丢失将执行紧急停机。当K1…Kn及风轮转速传感器辅助开关都闭合，需要复位时，按下复归按钮S1，自锁继电器KM1重新吸合，且风力发电机组不过速时风力发电机组可以投入发电，变桨系统接收控制进行变桨。

通过分析可以看出，主控系统安全系统与改进后的变桨系统安全系统采用或的关系控制系统急停，变桨系统可对风机故障进行监测，改变了变桨系统对主控系统依赖性过高的问题，避免了现场误接线和设计缺陷引起风力发电机组不能停机，使故障影响受控，避免扩大，提高了风力发电机组的整体安全性能。

图4为安全系统控制流程图。系统上电后，检查急停开关、振动开关等状态，如果有故障则急停，如果没有故障时可点击复归按钮复归安全链。风力发电机组正常时，伺服驱动器检测到安全信号正常，驱动器将接受主控系统下发命令，驱动变桨电机进行变桨。如果K1…Kn任意故障，维护人员排查故障后，当K1…Kn都闭合时，可点击复归按钮进行复归。在系统工作过程中，将对安全信号进行持续监测。当安全链开关断开时，伺服驱动器执行紧急停机，停止处理主控下发变桨命令。此时需要维护人员排查故障，并点击复归按钮重新进入正常工作状态。当变桨系统检测到风轮过速时，将断开安全信号，驱动器驱动变桨电机执行紧急停机，当风轮转速正常时，且安全链复归后变桨进入正常工作状态。

实施例2

如图5所示，与实施例1的不同仅在于转速识别的方式，将编码器与过速模块用离心开关替代，离心力开关的离心机构安装在风轮转轴上，其触头20、21替代了图2中的过速模块的内部触头10、11。离心开关根据物体旋转时产生离心力动作，属于机械开关，抗干扰能力强。

Claims (6)

1.一种风力发电机组安全控制系统，包括安全链控制回路及各桨叶对应的变桨系统伺服驱动器的安全信号接入回路，其特征在于，还设有一个过速监测回路，该过速监测回路包括一个防过速继电器的线圈与一个用于响应风轮转速的开关，该开关与所述防过速继电器的线圈串联，接在电源上；该防过速继电器的各组触头（12、13，14、15，16、17）分别串接在各伺服驱动器对应的安全信号接入回路中。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组安全控制系统，其特征在于，所述开关为一个离心开关，该离心开关的离心机构安装在风轮传动轴上，触头与所述防过速继电器的线圈串联。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组安全控制系统，其特征在于，所述开关为一个过速模块，该过速模块接收用于监测风轮转速的传感器的输出信号，与其内部设定的转速阀值相比较，比较后的信号驱动其内部触头（10、11），该内部触头（10、11）与所述防过速继电器的线圈串联。

4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组安全控制系统，其特征在于，所述用于监测风轮转速的传感器是编码器。

5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组安全控制系统，其特征在于，所述过速监测回路的电源采用安全信号接入回路的安全信号。

6.一种如权利要求1所述系统的安全控制方法，其特征在于，设置一个响应变桨系统的过速监测回路，当风轮速度过大时，所述过速监测回路输出信号，控制断开各伺服驱动器的安全信号接入回路。

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