CN102536659A - 一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统及叶轮锁定自动控制方法 - Google Patents

一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统及叶轮锁定自动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统及叶轮锁定自动控制方法，叶轮锁定自动控制系统包括主从制动装置、叶轮锁定装置、控制元件和控制器，以及结合上述元件的编程而得的本发明的自动控制方法；本发明的目的是提供一种实现风机在停机过程中对叶轮的自动制动及锁定的自动控制系统及自动控制方法。

Description

一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统及叶轮锁定自动控制方法
[技术领域]
本发明涉及大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统及叶轮的锁定方法，叶轮锁定自动控制系统将风电机组中的多个子系统联合起来，建立一套可以实现叶轮自动锁定的控制系统。
[背景技术]
大型风力发电机组按结构可以分两类：垂直轴风力发电机组和水平轴风力发电机组。对于水平轴风力发电机组，其按空间结构可以分为：轮毂、机舱、塔筒和塔基四部分。
对于现阶段常见的变桨距风力发电机组，桨叶及驱动装置都安装在轮毂里面。作为连接桨叶与机舱的部件，轮毂随桨叶而旋转。桨叶及其驱动装置是风力发电机组最重要的部件之一，而作为旋转部件，它也是比较容易出故障而且难以维护的设备之一。出现故障时，修理和维护人员需要进入轮毂对其进行修理及其维护。
此外，对于水平轴的两叶片风机来讲，其所承受的载荷直接取决于两个叶片的停留的空间位置：在大风或故障长期停机情况下，为减小风机承受的载荷，叶轮必须可靠锁定在水平位置。
国外设计的风力发电机组中，关于叶轮自动锁定方法的相关描述都没有形成翔实并可应用于实际操作的文档。例如，在已公开的发明专利“风轮机的自动制动和锁定”(国内申请号/专利号：200580015653)对叶轮的锁定方法进行了讲解，其中不乏新意，但内容较泛，实际可操作性不强。
国内现阶段所设计的风力发电机组中，涉及对叶轮锁定的装置及方法需要维护人员在机舱里面手动操作实现叶轮制动及锁定。这样的情况下，维护人员采用的一般方式是依靠人力来推动转子，进而挪动叶轮来使得叶轮低速旋转至锁定位置，再依靠转子端制动夹来制动叶轮，并释放叶轮锁定装置实现叶轮锁定。
显然，这种依靠维护人员团队参与，耗费大量劳动力，增加劳动风险的手动锁定叶轮方式是迫切需要改进的。尤其对于两叶片风机来说，风机每次在停机后靠维护人员手动操作来实现叶轮锁定在水平位置是不现实的。
[发明内容]
针对上述情况，本发明提供了一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统，该系统实现了风机在停机过程中对叶轮的自动制动及锁定，在节约维护成本、减少劳动风险的同时，保证了风机安全。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统，包括主制动装置100，从制动装置200，叶轮锁定装置300，控制元件400，控制器500，所述叶轮锁定装置300包括叶轮锁定元件320和被锁定元件310，所述控制元件400包括设置在主制动装置100上的变桨元件410，设置在从制动装置200上的从制动压力元件430，驱动叶轮锁定元件320进行锁定的驱动元件460及设置在主制动装置100、从制动装置200、叶轮锁定装置300上的传感器；其特征在于，所述控制器500包括风电机组主控制器510以及连接主控制器510的输入输出接口单元520；当风机进入停机模式后，所述主控制器510顺次进行如下控制实现叶轮锁定：首先驱动主制动装置100中的变桨元件410保证叶轮转速低于设定转速；然后调节从制动装置200中的从制动压力元件430保证叶轮转速以恒速或减速接近于锁定位置，并在允许的锁定范围内对转子刹车；最后，主控制器510通过传感器检测叶轮的位置，当叶轮在主、从制动装置作用下成功停止在允许锁定范围内，控制驱动元件460来驱动叶轮锁定元件320动作，使得叶轮锁定元件320锁定被锁定元件310，完成叶轮自动锁定。
所述控制元件400的传感器包括设置在主制动装置100上的桨叶角度传感器420，设置在从制动装置200上的制动压力传感器440，设置在叶轮锁定装置300上的锁定位移传感器450，设置在叶轮上的叶轮位置数字量传感器470、叶轮位置模拟量传感器480、叶轮转速传感器490。
所述驱动元件460顺次连接有延时继电器610和中间继电器620，所述继电器610/620同时导通时驱动元件460进而驱动锁定元件320完成锁定；在所述延时继电器610上连接有触发其导通的叶轮位置数字量传感器470的常开触点，当叶轮可靠停止在允许锁定位置时，叶轮位置数字量传感器470的常开触点闭合而使得继电器610延时导通；所述中间继电器620通过输入输出接口单元520与主控制器510连接，所述主控制器510从输入输出接口单元520接收到叶轮位置数字量传感器的信息后使中间继电器620导通。
如上所述，当风机进入停机模式后，叶轮锁定的顺序控制包括如下三个步骤：
首先，主控制器510驱动主制动装置100中的变桨元件410保证叶轮转速低于设定转速；
然后，主控制器510调节从制动装置200中的从制动压力元件430保证叶轮转速以恒速或减速接近于锁定位置，并在允许的锁定范围内对转子刹车；
最后，主控制器510通过传感器检测叶轮的位置，当叶轮在主、从制动装置作用下成功停止在允许锁定范围内，主控制器510控制驱动元件460来驱动叶轮锁定元件320动作，使得叶轮锁定元件320锁定被锁定元件310，完成叶轮自动锁定。
所述三个步骤的完成过程中都设置了计时步骤，当在设定时间内，任一步骤没有完成设定目标时，系统都将跳出风轮自动锁定程序切换到故障报警。
在步骤一中，当叶轮转速滤波值高于叶轮转速设定值时，驱动变桨元件410增加桨叶角度，降低叶轮转速。
在步骤二中，通过转速-刹车压力的闭环控制保证叶轮转速以恒速或减速接近于锁定位置，在允许的锁定范围内全压刹车，使叶轮停止在锁定位置
在步骤三中，对叶轮位置信号的采集至少设置两类传感器，采用不少于一路的叶轮位置数字量传感器480实时采集叶轮位置，用于主、从制动装置的控制；另外采用不少于一路的叶轮位置数字量传感器470采集叶轮允许锁定位置信息，用于叶轮锁定元件320的控制。
在步骤三中，将制动引起的机组振动作为参考，设置允许带压制动的叶轮位置范围以及全压刹车的叶轮转速。
在步骤三中，是否完成叶轮锁定由锁定装置中的锁定元件320与被锁定元件310之间的锁定位移传感器450来判断确定，锁定位移传感器450用于测量锁定元件320动作过程中与被锁定元件310的耦合程度。
本发明的有益效果是：1、本发明利用机械锁定装置与自动控制相结合，实现精准的控制要求。2、节约了维护成本，减少劳动风险的同时，也保证了风机的安全。
[附图说明]
图1为叶轮锁定自动控制系统的硬件结构组成示意图，由主从制动装置、叶轮锁定装置、控制元件和控制器组成；
图2为叶轮锁定自动控制系统中叶轮锁定装置的电路结构示意图；
图3为叶轮锁定自动控制系统的控制流程结构框图；
[具体实施方式]
根据多数风力发电机组实际应用场景，当风电机组需要修理或维护时，风机在其控制器的作用下从运行模式切换到停机模式。风机进入停机模式后，叶轮在变桨装置作用下快速减速，然后在制动夹强制作用下静止。如果叶轮里面的设备出现问题，则需要释放制动夹，靠人力来挪动转子从而锁定叶轮。基于此机理的风力发电机组已经基本具备了能实现自动锁定的硬件结构：叶轮制动装置(包括变桨和转子制动装置)和锁定装置，只需在此基础上升级部分硬件，编写适当的控制软件即可建立一套叶轮锁定的自动控制系统。
参见图1，一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统，包括主制动装置100，从制动装置200，叶轮锁定装置300，控制元件400，控制器500。
所述从制动装置200包括制动夹210和制动盘220。
所述叶轮锁定装置300包括叶轮锁定元件320和被锁定元件310，
所述控制元件400包括变桨元件410、桨叶角度传感器420、从制动器压力控制元件430、从制动压力传感器440、锁定位移传感器450、驱动元件460、叶轮位置数字量传感器470、叶轮位置模拟量传感器480、叶轮转速传感器490，以及未在图上绘出的机组振动传感器。变桨元件410设置在主制动装置100上，桨叶角度传感器420设置在主制动装置100上，从制动压力元件430设置在从制动装置200上，从制动压力传感器440设置在从制动装置200上，锁定位移传感器450、驱动元件460设置在叶轮锁定装置300上，叶轮位置数字量传感器470、叶轮位置模拟量传感器480、叶轮转速传感器490设置在叶轮上。驱动元件460驱动叶轮锁定元件320进行锁定。
所述控制器500包括风电机组主控制器510以及连接主控制器510的输入输出接口单元520；当风机进入停机模式后，所述主控制器510顺次进行如下控制实现叶轮锁定：首先驱动主制动装置100中的变桨元件410保证叶轮转速低于设定转速；然后调节从制动装置200中的从制动压力元件430保证叶轮转速以恒速或减速接近于锁定位置，并在允许的锁定范围内对制动盘220刹车；最后，主控制器510通过传感器检测叶轮的位置，当叶轮在主、从制动装置作用下成功停止在允许锁定范围内，控制驱动元件460来驱动叶轮锁定元件320动作，使得叶轮锁定元件320锁定被锁定元件310，完成叶轮自动锁定。本控制器具体控制方面详见下面的控制方法。
参见图2，为了保证风机安全，避免锁定元件320在叶轮其它位置上的误动作，在锁定装置的电路中加入了两个继电器，具体连接情况如下：所述驱动元件460顺次连接有延时继电器610和中间继电器620，所述继电器610、620同时导通时驱动元件460驱动锁定元件320完成锁定；在所述延时继电器610上连接有触发其导通的叶轮位置数字量传感器470的常开触点，当叶轮可靠停止在允许锁定位置时，叶轮位置数字量传感器470的常开触点闭合而使得继电器610延时导通；所述中间继电器620通过输入输出接口单元520与主控制器510连接，所述主控制器510从输入输出接口单元520接收到叶轮位置数字量传感器的信息后使中间继电器620导通。通过这两个继电器的作用，电路结构形成了由硬件和软件组合而成的“与门”，保证了叶轮只有可靠停止在允许锁定位置上时才能被锁定。
参见图3，一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制方法，，当风机进入停机模式后，叶轮锁定的顺序控制包括如下三个步骤：
首先，主控制器510驱动主制动装置100中的变桨元件410保证叶轮转速低于设定转速。对主制动装置100的控制过程中，被控对象是叶片，控制目标是叶轮转速，执行元件是变桨元件410。通常，风力发电机组中，当风速不是过小(低于1m/s)时，叶轮都将具有一定转速，并且转速随着桨叶角度的增加而减小。在大型风力发电机组中，通过驱动变桨元件410加大桨叶角度是降低叶轮转速的主要制动手段。本发明中，变桨装置控制的目标是保证叶轮转速低速旋转。在实际操作过程中，当风机切换到停机模式后，可以同时选取叶轮转速和桨叶角度作为控制给定，在使桨叶快速增加到一定角度后，然后缓慢驱动变桨元件410直到叶轮转速低于设定值。由于叶轮转速的实时采样值存在波动，可以将叶轮转速采样值进行低通或平均值滤波后与设定值相比较，当叶轮转速滤波值高于叶轮转速设定值时，驱动变桨元件410增加桨叶角度，降低叶轮转速。此步骤中，叶轮转速设定值的选取，主要从机组从制动装置200最大允许制动转速以及机组振动两方面来考虑：叶轮转速设定值应该远小于从制动装置的最大允许制动转速(一般小于1/5)；在此转速下，从制动装置制动时导致的机组振动有效值一般不大于0.02g。
然后，主控制器510调节从制动装置200中的从制动压力元件430保证叶轮转速以恒速或减速接近于锁定位置，并在允许的锁定范围内对制动盘220刹车。对从制动装置200的控制过程中，被控对象是制动夹210，控制目标是叶轮转速及叶轮位置，执行元件是控制制动夹210压力的制动压力元件430。制动夹210的制动压力大小由制动压力元件430来调节，叶轮位置由不少于一路的叶轮位置模拟量传感器480来测量。本发明中，从制动装置200控制的目标是保证叶轮以较低的转速接近于并可靠停止在允许锁定位置上。在实际操作过程中，可以通过转速-制车压力的闭环控制来调节制动压力元件430实现带压(部分压力)制动，保证叶轮转速以较低的转速(恒速或减速)接近于锁定位置，在允许的锁定范围内(由叶轮位置模拟量传感器480确定)使制动压力元件430全压刹车，使叶轮停止在锁定位置。此步骤中，将制动时引起的机组振动作为参考，设置允许带压制动的叶轮位置，以及全压刹车的叶轮转速范围：缩短制动时间可以减小对机组的振动，当叶轮位置距离允许锁定位置较远时，设置不制动，反之，则根据转速-制动压力的闭环来施加带压制动压力；当叶轮进入允许锁定范围时，制动压力元件430的压力由带压增加到全压，转换过程中机组振动将迅速加大，通过降低全压刹车允许的叶轮转速可以降低机组振动，全压刹车的机组振动一般不大于带压制动时的两倍。
最后，主控制器510通过传感器检测叶轮的位置，当叶轮在主、从制动装置作用下成功停止在允许锁定范围内，主控制器510控制驱动元件460来驱动叶轮锁定元件320动作，使得叶轮锁定元件320锁定被锁定元件310，完成叶轮自动锁定。对叶轮位置信号的采集至少设置两类传感器，采用不少于一路的叶轮位置数字量传感器480实时采集叶轮位置，用于主、从制动装置的控制；另外采用不少于一路的叶轮位置数字量传感器470采集叶轮允许锁定位置信息，用于叶轮锁定元件320的控制。将制动引起的机组振动作为参考，设置允许带压制动的叶轮位置范围以及全压刹车的叶轮转速。是否完成叶轮锁定由锁定装置中的锁定元件320与被锁定元件310之间的锁定位移传感器450来判断确定，锁定位移传感器450用于测量锁定元件320动作过程中与被锁定元件310的耦合程度。
对叶片锁定装置300的控制过程中，被控对象是锁定元件320，控制目标是锁定元件320完成锁定动作，执行元件是锁定元件320的驱动元件460。此步骤中，系统是否完成叶轮锁定由锁定装置中用于测量锁定元件320动作过程中与被锁定元件310的耦合程度的位移传感器450来确定，叶轮位置信息由叶轮位置数字量传感器470和模拟量传感器480来确定。当叶轮位置数字量传感器470和模拟量传感器480都显示叶轮停止在允许锁定位置时，控制器510控制输出接口单元520，使能中间继电器620，锁定元件320的驱动元件460在两个中间继电器610、620的同时选通下被使能，驱动锁定元件320完成锁定。锁定过程中，从制动器200中的制动夹210保持全压刹车状态，当锁定完成时其压力才能得以释放。
上述三个子系统之间的顺序控制中的三个步骤不可逆，下一步骤需要等上一步骤达到给定目标后才能被执行。由于系统采用的是顺序控制方式，考虑当子系统故障时会导致其不能完成所设定目标，本发明对上述三个子系统的控制都设置了计时单元，当在设定时间内，子系统没有完成设定目标时，系统将跳出风轮自动锁定程序切入到故障报警程序。

Claims (10)

1.一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统，包括主制动装置(100)，从制动装置(200)，叶轮锁定装置(300)，控制元件(400)，控制器(500)，所述叶轮锁定装置(300)包括叶轮锁定元件(320)和被锁定元件(310)，所述控制元件(400)包括设置在主制动装置(100)上的变桨元件(410)，设置在从制动装置(200)上的从制动压力元件(430)，驱动叶轮锁定元件(320)进行锁定的驱动元件(460)及设置在主制动装置(100)、从制动装置(200)、叶轮锁定装置(300)上的传感器；其特征在于，所述控制器(500)包括风电机组主控制器(510)以及连接主控制器(510)的输入输出接口单元(520)；当风机进入停机模式后，所述主控制器(510)顺次进行如下控制实现叶轮锁定：首先驱动主制动装置(100)中的变桨元件(410)保证叶轮转速低于设定转速；然后调节从制动装置(200)中的从制动压力元件(430)保证叶轮转速以恒速或减速接近于锁定位置，并在允许的锁定范围内对转子刹车；最后，主控制器(510)通过传感器检测叶轮的位置，当叶轮在主、从制动装置作用下成功停止在允许锁定范围内，控制驱动元件(460)来驱动叶轮锁定元件(320)动作，使得叶轮锁定元件(320)锁定被锁定元件(310)，完成叶轮自动锁定。
2.根据权利要求1所述一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统，其特征在于所述控制元件(400)的传感器包括设置在主制动装置(100)上的桨叶角度传感器(420)，设置在从制动装置(200)上的制动压力传感器(440)，设置在叶轮锁定装置(300)上的锁定位移传感器(450)，设置在叶轮上的叶轮位置数字量传感器(470)、叶轮位置模拟量传感器(480)、叶轮转速传感器(490)。
3.根据权利要求1所述一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制系统，其特征在于，所述驱动元件(460)顺次连接有延时继电器(610)和中间继电器(620)，所述继电器(610)/(620)同时导通时驱动元件(460)进而驱动锁定元件(320)完成锁定；在所述延时继电器(610)上连接有触发其导通的叶轮位置数字量传感器(470)的常开触点，当叶轮可靠停止在允许锁定位置时，叶轮位置数字量传 感器(470)的常开触点闭合而使得继电器(610)延时导通；所述中间继电器(620)通过输入输出接口单元(520)与主控制器(510)连接，所述主控制器(510)从输入输出接口单元(520)接收到叶轮位置数字量传感器的信息后使中间继电器(620)导通。
4.一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制方法，其特征在于，当风机进入停机模式后，叶轮锁定的顺序控制包括如下三个步骤：
首先，主控制器(510)驱动主制动装置(100)中的变桨元件(410)保证叶轮转速低于设定转速；
然后，主控制器(510)调节从制动装置(200)中的从制动压力元件(430)保证叶轮转速以恒速或减速接近于锁定位置，并在允许的锁定范围内对转子刹车；
最后，主控制器(510)通过传感器检测叶轮的位置，当叶轮在主、从制动装置作用下成功停止在允许锁定范围内，主控制器(510)控制驱动元件(460)来驱动叶轮锁定元件(320)动作，使得叶轮锁定元件(320)锁定被锁定元件(310)，完成叶轮自动锁定。
5.根据权利要求4所述的一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制方法，其特征在于所述三个步骤的完成过程中都设置了计时步骤，当在设定时间内，任一步骤没有完成设定目标时，系统都将跳出风轮自动锁定程序切换到故障报警。
6.根据权利要求4所述的一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制方法，其特征在于在步骤一中，当叶轮转速值高于叶轮转速设定值时，驱动变桨元件(410)增加桨叶角度，降低叶轮转速。
7.根据权利要求4所述的一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制方法，其特征在于在步骤二中，通过转速-刹车压力的闭环控制保证叶轮转速以恒速或减速接近于锁定位置，在允许的锁定范围内全压刹车，使叶轮停止在锁定位置。
8.根据权利要求4所述的一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制方法，其特征在于在步骤三中，对叶轮位置信号的采集至少设置两类传感器，采用不少于一路的叶轮位置数字量传感器(480)实时采集叶轮位置，用于主、从制动装置的控制；另外采用不少于一路 的叶轮位置数字量传感器(470)采集叶轮允许锁定位置信息，用于叶轮锁定元件(320)的控制。
9.根据权利要求4所述的一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制方法，其特征在于在步骤三中，将制动引起的机组振动作为参考，设置允许带压制动的叶轮位置范围以及全压刹车的叶轮转速。
10.根据权利要求4所述的一种大型风力发电机组的叶轮锁定自动控制方法，其特征在于在步骤三中，是否完成叶轮锁定由锁定装置中的锁定元件(320)与被锁定元件(310)之间的锁定位移传感器(450)来判断确定，锁定位移传感器(450)用于测量锁定元件(320)动作过程中与被锁定元件(310)的耦合程度。 
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