CN102619683A

CN102619683A - 一种风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统

Info

Publication number: CN102619683A
Application number: CN2011100334564A
Authority: CN
Inventors: 李磊; 严博涛; 路计庄
Original assignee: Sinovel Wind Group Co Ltd
Current assignee: Sinovel Wind Group Co Ltd
Priority date: 2011-01-30
Filing date: 2011-01-30
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明提供一种风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其包括一主控制器主站、至少一台变桨系统从站及至少一台偏航系统从站，所述的主控制器主站通过一通信系统与所述的变桨系统从站及所述的偏航系统从站进行通信。本发明可对各类传感器和信号进行采集、控制与处理，然后通过通信网络上传到主控制器，避免了主控制器与各类传感器和信号之间的连接，这种模块化的设计现场适应性强，便于现场调试及在机组运行时的控制。

Description

一种风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电机变桨与偏航控制系统，尤其涉及基于分布式控制的风力发电机变桨与偏航控制系统。

背景技术

在大型风力发电机组中，通过变桨系统调整轮毂的叶片桨距角来改变其叶片气动特性，依据风速的变化随时调节桨距角来控制风力发电机吸收的风能，一方面保证风力发电机的输出功率和转速稳定，另一方面能够减少风对风力发电机的冲击载荷。

同样，在大型风力发电机组中，根据风向检测装置反馈信号通过偏航系统来实现机舱的对风功能，一方面使风中的能量能够最大限度的控制在风轮转子区域内流动，另一方面能够减少风机的疲劳载荷。

目前在大型风力发电机中较为流行的变桨和偏航系统都使用电机作为执行器。在变桨系统中采用变频器作为驱动器来控制变桨电机实现风机叶片的变桨，机舱中的主控制器实现对变桨变频器的控制和监测；在偏航系统中并没有应用变频器来驱动偏航电机，而是将偏航电机直接连接到三相交流电源上，主要原因是风机制造厂家认为偏航速度是恒定值无需使用变频器，同时也是为了节省成本。

现有的风力发电机变桨系统与偏航系统的结构示意图如图1所示。

然而随着风机控制技术的不断发展，始终恒定的偏航速度是不能满足风机控制要求的。例如风机处于发电状态和待风状态时偏航速度是不同的，台风风况时和一般风况时偏航速度也是有所不同的。而且将偏航电机直接连接到三相交流电源上，偏航动作在启动和停止状态时没有上升和下降斜坡，这会造成冲击电流对电机的伤害，也会产生机械冲击使机舱产生振动，这些都将对风机的寿命造成影响。同时，主控制器也无法得到偏航电机运行的状态。

分布式控制技术是通过集中管理的分散控制，它是计算机技术、数字通讯技术和现代控制技术结合的产物，目的是实现实时控制和信息管理的最优化。分布式控制系统按照预先的设计方案根据不同的控制任务分别控制不同的控制站，同时各个控制站之间通过通信网络连接，上层控制站则又通过通信网络连接下层控制站，实现对现场情况的控制和监测。

目前变桨系统多采用分布式控制，而偏航系统没有通过通信系统集成到分布式控制体系中，这将不利于今后风机控制技术信息化的发展。

因此，如何将上述问题加以解决，即为本领域技术人员的研究方向所在。

发明内容

本发明的主要目的是在于提供一种风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，能够通过通信网络同时实现对风机变桨系统和偏航系统的控制，在偏航系统中增加了变频器来驱动偏航电机，为实现更先进的风机控制策略提供更好的操作平台。

为了达到上述目的，本发明提供一种风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，其包括一主控制器主站、至少一台变桨系统从站及至少一台偏航系统从站，所述的主控制器主站通过一通信系统与所述的变桨系统从站及所述的偏航系统从站进行通信。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，所述的主控制器主站采用PLC作为主控制器。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，所述的变桨系统从站为轮毂中的变桨控制器。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，所述的变桨控制器为一变桨变频器。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，所述的偏航系统从站为机舱中的偏航控制器。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，所述的偏航控制器为一偏航变频器。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，所述的通信系统采用CAN总线。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，其包括三个变桨系统从站，每一变桨系统从站控制一套电机驱动系统，该电机驱动系统采用含有位置反馈的伺服电机作为变桨电机来实现变桨。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，所述的偏航系统从站采用一台偏航变频器，其用于拖动四台偏航电机。

在本发明的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统中，所述的偏航电机为异步电机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的风力发电机变桨与偏航分布式控制系统就地对各类传感器和信号进行采集、控制与处理，然后通过通信网络上传到主控制器，避免了主控制器与各类传感器和信号之间的连接，这种模块化的设计现场适应性强，便于现场调试及在机组运行时的控制。

2、本发明通过通信系统将变桨系统和偏航系统与主控制器有机统一起来，并能够实现偏航系统的角速度控制，使风机能够达到更好的控制效果。

附图说明

图1为现有的风力发电机变桨系统与偏航系统的结构示意图；

图2为本发明风力发电机变桨系统与偏航系统的组成框图；

图3为本发明风力发电机变桨系统与偏航系统的一实施例组成框图。

附图标记说明：1、10-主控制器主站；2、20-变桨系统从站；3、30-偏航系统从站；4、40-通信系统。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图2所示，为本发明风力发电机变桨系统与偏航系统的组成框图，本发明包括一主控制器主站1、至少一变桨系统从站2、至少一偏航系统从站3及一通信系统4，所述的主控制器主站1通过通信系统4与所述的变桨系统2及所述的偏航系统3进行通信。

所述的主控制器主站1位于风力发电机机舱中，主要负责采集、处理数据并主动发送指令；所述的至少一变桨系统从站2设于轮毂中，其只是被动的执行命令；所述的至少一偏航系统从站3设置于机舱中，其也只是被动地执行命令，各变桨系统从站及偏航系统从站之间没有直接联系。

所述主控制器主站1根据风速、发电机功率和转速等信息计算出叶片的变桨期望值，然后将变桨期望值通过通信系统4发送到轮毂中的至少一变桨系统从站2，最后控制变桨系统从站2中的变桨电机来达到桨叶变桨的目的，并且变桨系统从站2将当前变桨系统的运行状况反馈到主控制器主站1。同时，主控制器主站1通过机舱位置与风向检测装置的风向信号进行比较以及当前的风机运行状态计算出机舱的偏航期望值，然后将偏航期望值通过通信系统4发送到机舱中的至少一偏航系统从站3，最后控制偏航系统从站3中的偏航电机来达到机舱偏航的目的，并且偏航系统从站3将当前偏航系统的运行状况反馈到主控制器主站1。

本发明的风力发电机变桨与偏航分布式控制系统可以通信系统4实现主控制器主站1对变桨系统从站2和偏航系统从站3的同时控制，所述的主控制器主站1可采用PLC(Programmable Logic Controller)作为主控制器，PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，其实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。所述的变桨系统从站2可采用变桨变频器作为从站，该变桨变频器可作为驱动器来控制变桨电机实现风机叶片的变桨，机舱中的PLC实现对变桨变频器的控制和监测。所述的偏航系统从站3可采用偏航变频器作为从站，该偏航变频器可作为驱动器来驱动偏航电机。通信系统4采用CAN总线，CAN总线最初应用在汽车领域，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。目前已经应用到工业控制的各个领域，因此在本案的风力发电机中是通过CAN总线作为主站和各个从站之间的通信系统。

如图3所示，为本发明风力发电机变桨系统与偏航系统的一实施例组成框图。如图所示，本实施例中，所述的风力发电机变桨系统与偏航系统包括一主控制器主站10、三个变桨系统从站20、一偏航系统从站30，所述的主控制器主站10通过通信系统40与所述的三个变桨系统从站20及所述的偏航系统从站30进行通信，在本实施例中所述的三个变桨系统从站20控制三套电机驱动系统，即采用三叶片的方式，其中每套电机驱动系统采用含有位置反馈的伺服电机作为变桨电机来实现精确变桨的目的，其中所述的变桨电机具有与PLC进行通讯的接口，即CAN总线通信接口。

所述的主控制器主站10位于风力发电机的机舱中，其内部的主控制器计算出叶片的变桨期望值，然后将此变桨期望值通过通信系统4发送到变桨系统从站20中的变桨控制器，此变桨控制器控制电机来达到桨叶变桨的目的。同时主控制器主站10内部的主控制器根据目前的风况和风机状态计算出机舱的期望偏航值，然后将此偏航期望值通过通信系统4发送到偏航系统从站30中的偏航控制器，该偏航控制器控制电机来达到机舱偏航的目的。在本实施例中，所述的主控制器主站10中的主控制器采用PLC，所述的变桨系统从站20中的变桨控制器采用变桨变频器，所述的偏航系统从站30中的偏航控制器采用偏航变频器，通信系统40采用CAN总线。此种方式通过就地对各类传感器和信号进行采集、控制与处理，然后通过通信网络上传到主控制器，避免了主控制器与各类传感器和信号之间的连接，并且各个从站之间也没有直接的联系。这种模块化的设计现场适应性强，便于现场调试及在机组运行时的控制。

因此，上述的风力发电机变桨系统与偏航系统可以通过通信系统实现主控制器主站对变桨系统从站和偏航系统从站的同时控制，所述的主控制器主站既能实现变桨角度和角速度的控制，也能实现偏航角度和角速度的控制，为实现更先进的风机控制策略奠定了良好的基础，保证风机能够处于最佳的运行状态。

本发明的偏航系统从站30采用一台变频器拖动四台偏航电机的方式，偏航电机平均分配在偏航齿圈的四周，其中偏航电机采用异步电机。偏航变频器有与PLC的通讯接口，即CAN总线通信接口。

本发明的风力发电机变桨与偏航分布式控制系统中的主站和各个从站在上电时进行初始化环节，其中包括通信系统40的初始化，该通信系统40可采用CAN通信系统。CAN通信系统的初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器的设置等，同时设置主控制器主站10、三个变桨系统从站20和一个偏航系统从站30的节点地址分别为1、2、3、4和5。

接收环节采用中断接收的方式。在中断使能的条件下，如果报文通过验收滤波器并成功存储在相关的接收缓冲器中，那么会产生一个接收中断。此时处理器立刻作用，将收到的报文发送到自己的报文存储器中，并通过置位命令寄存器的相应标志发送一个释放接收缓冲器的命令。处理器会检查状态寄存器中的接收缓冲器状态是否有更多的报文，而所有有效的报文都会通过新的接收中断循环读出。处理接收报文的过程中同时要对诸如总线脱离错误报警、接收溢出等情况进行处理。

发送环节采用查询发送的方式。处理器必须首先将要发送的报文传送到发送缓冲器，然后将命令寄存器里的“发送请求”标志置位。此时处理器将周期查询状态寄存器，直到发送缓冲器被释放。一个已经请求的报文，可通过置位命令寄存器的相应位执行“中止发送命令”来中止发送，它用来发送一个已经写入发送缓冲区并且比现在更加紧急的报文。

变桨系统从站20和偏航系统从站30与主控制器主站10之间的数据传输包括期望给定、位置测量、温度测量、电压测量、开关量输入、开关量输出等信号。

本发明的主控制器主站根据风速、发电机功率和转速等信息计算出叶片的变桨期望值，然后将变桨期望值通过通信系统发送到轮毂中的至少一变桨系统从站，最后控制变桨电机来达到桨叶变桨的目的，并且变桨系统从站将当前变桨系统的运行状况反馈到主控制器主站。同时，主控制器主站通过机舱位置与风向检测装置的风向信号进行比较以及当前的风机运行状态计算出机舱的偏航期望值，然后将偏航期望值通过通信系统发送到机舱中的至少一偏航系统从站，最后控制偏航电机来达到机舱偏航的目的，并且偏航系统从站将当前偏航系统的运行状况反馈到主站。因此，本发明是通信系统将变桨系统和偏航系统与主控制器结合起来，实现了综合性控制，使风机能够达到更好的控制效果。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，其包括一主控制器主站、至少一台变桨系统从站及至少一台偏航系统从站，所述的主控制器主站通过一通信系统与所述的变桨系统从站及所述的偏航系统从站进行通信。

2.根据权利要求1所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，所述的主控制器主站采用PLC作为主控制器。

3.根据权利要求1所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，所述的变桨系统从站为轮毂中的变桨控制器。

4.根据权利要求3所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，所述的变桨控制器为一变桨变频器。

5.根据权利要求1所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，所述的偏航系统从站为机舱中的偏航控制器。

6.根据权利要求5所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，所述的偏航控制器为一偏航变频器。

7.根据权利要求1所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，所述的通信系统采用CAN总线。

8.根据权利要求1所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，其包括三个变桨系统从站，每一变桨系统从站控制一套电机驱动系统，该电机驱动系统采用含有位置反馈的伺服电机作为变桨电机来实现变桨。

9.根据权利要求1所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，所述的偏航系统从站采用一台偏航变频器，其用于拖动四台偏航电机。

10.根据权利要求9所述的风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统，其特征在于，所述的偏航电机为异步电机。