CN102536649A - 比例阀控液压马达独立变桨距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变桨距风力发电领域，特别涉及一种用于控制风力机桨叶桨距角的变桨距控制系统，包括：检测单元，用以检测桨叶桨距角、风轮转速和发电机转子转速；独立变桨距控制单元，用以根据检测单元检测到的桨叶桨距角和风轮转速和发电机转子转速信号，判断风速与切入风速关系，并根据各桨叶的叶根载荷，获得各个桨叶所需的桨距角，并输出相应的控制信号；以及变桨距执行单元，根据独立变桨距控制单元输出的控制信号，通过分别独立调节各桨叶的桨距角。本发明通过独立的液压系统来控制各个桨叶的桨距角，结构简单便于同步控制，可避免现有的独立变桨距系统的控制机构复杂和可维护性差等缺点，具有桨距角控制精度高、响应快、扭矩大的优点。

Description

比例阀控液压马达独立变桨距系统

技术领域

本发明涉及变桨距风力发电领域，特别涉及一种用于控制风力机桨叶桨距角的变桨距控制系统。

背景技术

当代各大公司新设计的大功率风力机都在采用变桨距控制方式进行风轮控制。在不同的风速、风轮转速的情况下，风力机对风能的吸收都是不同的，当风速变化时，理论上桨叶桨距角必须做出相应的变化，使得气流对叶片的攻角能够保持最佳，才能使得风力机对风能的利用达到最佳，并在超过额定风速的时候达到减小风能捕获的效果。当风速小于切入风速时，风力机不产生电能，桨距角保持在90°；当风速高于切入风速时，桨距角转到0°，风力机开始并网发电，并通过不断改变桨距角来控制风轮转速，使风能利用系数保持最大，从而捕获最大风能；当风速超过额定值后，变桨距机构开始动作，增大桨距角，减小风轮的风能捕获，使发电机的输出功率稳定在额定值；当风速大于切出风速时，风力机刹车停机，桨距角变到90°以保护风力机不被大风损坏。大型的风力机的变桨距机构主要有两种实施方案，分别是电气伺服变桨距控制和液压伺服变桨距控制。

电气伺服变桨距控制系统由伺服电机、减速器和齿轮副组成。该系统由驱动电机输出转矩，经过传动轴和减速器，最后传动到桨叶轮毂的内齿圈上从而实现桨距角的调节。这种变桨距系统的动态特性较差，并且该结构需要的变桨扭矩大，控制策略复杂，电气布线困难，成本高。由于电动机、减速器、齿轮等部件均在轮毂内，增加了风轮重量和轮毂制造的难度，而且维护也不方便。

液压伺服变桨距系统有两种方式，一种是由直线型液压缸驱动，另一种由回转型液压缸驱动。直线型液压缸驱动的变桨距系统由直线液压缸和曲柄滑块机构组成，该系统通过曲柄滑块机构将液压缸的直线运动转换为旋转运动来实现变桨距控制；另一种是采用回转型液压缸的变桨距系统，该系统取消了曲柄滑块机构，具有传动力矩大、刚度大、定位精确、动态响应快的特点，但是其最大回转角度小。当前风力发电机组所采用的液压伺服变桨距系统由于其频响快、输出力大，变距机构可以做得很紧凑，但传动结构相对复杂，存在非线性，泄漏、卡涩现象。

目前大型的风力机的变桨距控制方式可以分为两种：统一变桨距方式和独立变桨距方式。

统一变桨距方式下，变桨距系统采用同一套变桨距机构来同步推动每个桨叶进行桨距角调节，这种结构电气布线方便，维护比较方便，但该结构要求传动机构的强度和刚度比较高，在刹车制动和准确调桨上不易控制，对桨叶和并网冲击较大，并且需要较大扭矩，而且处在不同高度上的桨叶由于受到的外部载荷不同会对风机主轴产生偏载，降低了主轴的寿命。

独立变桨距方式是通过各个轮毂内独立的变桨距机构来分别驱动各个桨叶，这种方案变桨距力矩大，能够比较灵敏的实现变桨操作，在准确变桨和减少桨叶震动方面都优于统一变桨距机构，并且对风电机组并网冲击小。但是由于采用了独立变桨距，所以存在各个变桨距机构同步控制难、电气布线复杂、轮毂制造难度加大、维护不便等问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种新的风力机液压变桨距控制系统，该系统具备液压变桨距系统和独立变桨距的全部优点，同时避免了现有的独立变桨距系统的控制机构复杂和可维护性差等缺点。

本发明的目的是这样实现的，比例阀控液压马达独立变桨距系统，包括：检测单元，用以检测桨叶桨距角、风轮转速和发电机转子转速；独立变桨距控制单元，用以根据检测单元检测到的桨叶桨距角和风轮转速和发电机转子转速信号，判断风速与切入风速关系，并根据各桨叶的叶根载荷，获得各个桨叶所需的桨距角，并输出相应的控制信号；以及变桨距执行单元，根据独立变桨距控制单元输出的控制信号，分别独立调节各桨叶的桨距角。

进一步，所述变桨距执行单元包括比例阀控液压系统，每一风轮对应的一套比例阀控液压系统，通过控制比例阀控液压系统中的液压马达的输出转矩和转角来驱动桨叶轮毂内齿圈转动，带动桨叶旋转达到所需的桨距角。

进一步，所述检测单元，包括风速仪，用于检测风速信号；角速度传感器，用于检测发电机转子转速与风轮转速；旋转编码器，用于检测比例阀控液压系统中液压马达的主轴转角；以及扭矩传感器，用于检测发电机主轴的扭矩。

进一步，当独立变桨距控制单元判知风速小于切入风速时，向变桨距执行单元发出不开启指令，使桨距角保持在90度位置。

进一步，当独立变桨距控制单元判知风速大于切入风速但小于额定风速时，向变桨距执行单元发出启动指令，控制桨距角到0度位置。

进一步，当独立变桨距控制单元判知风速大于额定风速但小于切出风速时，向变桨距执行单元发出启动指令，控制桨距角根据风况在0-90度间变化，使发电机输出功率在额定值。

进一步，当独立变桨距控制单元判知风速大于切出风速时，向独立变桨距执行单元发出关闭指令控制桨距角回到90度位置。

本发明提供的比例阀控马达独立变桨距系统，相对于现有技术，具有以下优势：

（1）变桨距风力机具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点；

（2）对于变桨距风力机，风速超过额定点后，由于叶片桨距角可以控制，仍可以使得额定功率点仍然具有较高的风能利用系数；

（3）对于变桨距风力机，它不受气流密度变化的影响，系统都能通过调整叶片桨距角，使之获得额定功率输出；

（4）变桨距风力机在低风速时，桨叶桨距可以转到合适的角度，使风轮具有较大的起动力矩；当风力机需要脱离电网时，变桨距系统可以先转动叶片减小输出功率，功率减小至零，避免风力机每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。

5）通过独立的液压系统来控制各个桨叶的桨距角，其结构简单，便于同步控制，可避免现有的独立变桨距系统的控制机构复杂和可维护性差等缺点，采用独立变桨距的方式，具有桨距角控制精度高、响应快、扭矩大的优点。

附图说明

图1示出了本发明比例阀控马达独立变桨距系统的结构示意图；

图2示出了本发明比例阀控马达独立变桨距系统的控制原理示意图；

图3示出了本发明中比例阀控液压系统的液压原理示意图。

 

具体实施方式

参见图1，本实施例的比例阀控液压马达独立变桨距系统，包括检测单元、独立变桨距控制单元和变桨距执行单元：

所述检测单元，用以检测桨叶桨距角、风轮转速和发电机转子转速，具体包括风速仪、角速度传感器、旋转编码器和扭矩传感器。所述风速仪，用于检测风速信号；所述角速度传感器，用于检测发电机转子转速与风轮转速；所述旋转编码器，用于检测比例阀控液压系统中液压马达的主轴转角；所述扭矩传感器，用于检测发电机主轴的扭矩，角速度传感器与扭矩传感器可实现发电机输出功率的检测。

参见图2，所述独立变桨距控制单元，包括一主控制器，所述主控制器用以根据检测单元检测到的桨叶桨距角和风轮转速和发电机转子转速信号，判断风速与切入风速关系，并根据各桨叶在同一时刻的不同叶根载荷，来获得各个桨叶所需的桨距角，并输出相应的控制信号；再经放大器将信号放大，通过电流传递到比例阀的比例电磁铁推动阀芯产生位移，控制液压马达的转动，并通过位移传感器反馈；液压马达通过桨叶的轮毂与桨叶相连，并通过液压马达轴上的齿轮与轮毂上的内齿圈啮合，控制桨叶的桨距角，进而控制风轮的转速；风轮的转速通过主传动系统将能量传递到发电机。

所述变桨距执行单元，根据独立变桨距控制单元输出的控制信号，通过分别独立调节各桨叶的桨距角。所述变桨距执行单元包括每一风轮对应的一套比例阀控液压系统，参见图3，所述比例阀控液压系统包括电机1、液压泵2、溢流阀3、单向阀4、三位四通电磁比例阀5、单向阀6、溢流阀7、压力继电器8、二位二通电磁换向阀9、液控换向阀10、单向阀11、溢流阀12、二位二通电磁换向阀13、蓄能器14、机动换向阀15、二位三通电磁换向阀16、液压缸17、液压马达18、梭阀19和油箱20；比例阀控液压系统的刹车功能由刹车系统包括蓄能器14、二位二通电磁换向阀9、二位二通电磁换向阀13、液控换向阀10、机动换向阀15、液压缸17和梭阀19实现，当系统停机刹车时，各电磁铁都失电，蓄能器与主系统连通，液压马达转动自动顺桨到90度桨距角附近，触动行程开关，蓄能器与主系统断开，液压缸在蓄能器压力油作用下抱死马达主轴。通过调节比例阀的阀芯，来控制液压马达的输出转矩和转角，驱动桨叶轮毂内齿圈转动，带动桨叶旋转达到所需的桨距角。

以下说明检测到风速与切入风速的各种状态时的处理方式：

（1）风速小于切入风速

检测单元的风速检测装置测出风速小于切入风速，检测出的信号传递到主控制器，主控制器发出独立变桨距执行单元不开启的指令，风力机不产生电能停机，各电磁铁失电，液压泵2油液通过泵口溢流阀3排回油箱20，桨距角保持在90度，叶片内齿轮触动机动换向阀15的行程开关，使机动换向阀15工作在上位，蓄能器14里面的油液经二位二通电磁换向阀9—机动换向阀15—二位三通电磁换向阀16—液压缸17，使液压缸17左腔通压力油，此时，液控换向阀10由于蓄能器14压力油作用工作在上位，使液压马达变桨距主系统与蓄能器14分开，溢流阀12控制油口也与蓄能器14压力油相通，使溢流阀12导通，主系统通过溢流阀12和二位二通电磁换向阀13与回油口连接，所以液压缸17右腔也泄压，活塞杆右移加紧液压马达主轴，防止叶片在风力作用下晃动。当蓄能器14压力不足时，压力继电器8产生信号，使液压泵2工作为蓄能器14充油。

（2）风速大于切入风速但小于额定风速

检测单元的风速检测装置测出风速大于切入风速但小于额定风速，检测出的信号传递到主控制器，主控制器发出独立变桨距执行单元启动的指令，风力机开始启动工作。YA3得电，二位二通电磁换向阀9工作在上位，将蓄能器14与主系统隔开，YA5得电，二位三通电磁换向阀16工作在右位，使液压缸17左腔回油口相连泄压，液控换向阀10也恢复到下位，YA4得电，二位二通电磁换向阀13工作在上位，使主系统不能经过溢流阀12与回油口连接。当YA1得电，液压马达18右边通高压油，左边通回油箱，压力油通过梭阀19推动液压缸17左移松开液压马达18主轴，液压马达18转动，带动叶片转到0度桨距角处，YA1失电，液压马达18停止转动，风机以定桨距的方式运行。

（3）风速大于额定风速但小于切出风速

检测单元的风速检测装置测出风速大于额定风速但小于切出风速，检测出的信号传递到主控制器，主控制器发出独立变桨距执行单元、检测单元变桨距动作启动的指令， YA1，YA2根据风况得失电，控制液压马达18启停和旋转方向，使叶片桨距角根据风况在0-90度间变化，即变桨距机构开始动作，使发电机输出功率在额定值。

（4）风速大于切出风速

检测单元的风速检测装置测出风速大于切出风速，检测出的信号传递到主控制器，主控制器发出独立变桨距执行单元关闭的指令， YA2得电，液压马达18转动带动叶片重新回到90度桨距角位置，触动机动换向阀15行程开关，停机，液压缸17抱死液压马达18主轴。

系统停机，各电磁铁都失电，蓄能器14的压力油经二位二通电磁换向阀9—液控换向阀10—单向阀11进入主系统，液压马达18左边通压力油，液压马达18右边经溢流阀12和二位二通电磁换向阀13通油箱20，这时液压马达18转动自动顺桨到90度桨距角附近，触动机动换向阀15行程开关，机动换向阀15工作在上位，使液控换向阀10控制油口接蓄能器14压力油，工作在上位，蓄能器14与主系统断开，液压马达18继续转动微小角度，卸去主系统左边压力，液压缸17右腔也泄压，在蓄能器14压力油作用下，液压缸17右移抱死液压马达18主轴。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.比例阀控液压马达独立变桨距系统，包括：检测单元，用以检测桨叶桨距角、风轮转速和发电机转子转速；独立变桨距控制单元，用以根据检测单元检测到的桨叶桨距角和风轮转速和发电机转子转速信号，判断风速与切入风速关系，并根据各桨叶的叶根载荷，获得各个桨叶所需的桨距角，并输出相应的控制信号；以及变桨距执行单元，根据独立变桨距控制单元输出的控制信号，分别独立调节各桨叶的桨距角。

2.如权利要求1所述的比例阀控液压马达独立变桨距系统，其特征在于：所述变桨距执行单元包括比例阀控液压系统，每一风轮对应的一套比例阀控液压系统，通过控制比例阀控液压系统中的液压马达的输出转矩和转角来驱动桨叶轮毂内齿圈转动，带动桨叶旋转达到所需的桨距角。

3.如权利要求1或2所述的比例阀控液压马达独立变桨距系统，其特征在于：所述检测单元，包括：风速仪，用于检测风速信号；角速度传感器，用于检测发电机转子转速和风轮转速；旋转编码器，用于检测比例阀控液压系统中液压马达的主轴转角；以及扭矩传感器，用于检测发电机主轴的扭矩。

4.如权利要求1、2或3所述的比例阀控液压马达独立变桨距系统，其特征在于：当独立变桨距控制单元判知风速小于切入风速时，向变桨距执行单元发出不开启指令，使桨距角保持在90度位置。

5.如权利要求1、2或3所述的比例阀控液压马达独立变桨距系统，其特征在于：当独立变桨距控制单元判知风速大于切入风速但小于额定风速时，向变桨距执行单元发出启动指令，控制桨距角到0度位置。

6.如权利要求1、2或3所述的比例阀控液压马达独立变桨距系统，其特征在于：当独立变桨距控制单元判知风速大于额定风速但小于切出风速时，向变桨距执行单元发出启动指令，控制桨距角根据风况在0-90度间变化，使发电机输出功率在额定值。

7.如权利要求1、2或3所述的比例阀控液压马达独立变桨距系统，其特征在于：当独立变桨距控制单元判知风速大于切出风速时，向独立变桨距执行单元发出关闭指令控制桨距角回到90度位置。

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