CN102620937B - 风力发电机及其参数采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机及其参数采集系统。该采集系统包括：至少一个传感器，设置在风力发电机的轮毂中，用于采集轮毂的环境运行参数；数据处理模块，包括参数采集单元、参数读取单元和存储单元，其中，所述参数采集单元与各传感器相连，用于获取各传感器采集到的环境运行参数；所述参数读取单元与风力发电机中的变桨驱动器相连，用于读取变桨驱动器的负载特性参数；所述存储单元与所述参数采集单元和参数读取单元相连，用于存储所述环境运行参数和负载特性参数。本发明通过设置在风力发电机中的采集系统，能够实时地采集轮毂环境与变桨负载特性的相关数据，从而可改进车间内的变桨系统模拟测试环境。

Description

风力发电机及其参数采集系统
技术领域
本发明实施例涉及风力发电机测试技术，尤其涉及一种风力发电机及其参数采集系统。
背景技术
风力发电机的发电原理，是通过风力带动叶片转动，叶片驱动轮毂转动，进而将轮毂转动传递至发电机进行发电。在大型风力发电机组中，一般设置有变桨系统，通过变桨系统调整轮毂上的叶片桨距角来改变其叶片气动特性，变桨系统可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。
在风力发电机中，每个叶片的根部通过具有内部齿轮的轴承连接在轮毂上，变桨电机通过法兰连接到固定在轮毂上的齿轮箱。变桨电机通过主动齿轮与叶片轮毂内齿图相啮合，直接对叶片进行变桨控制。
通常风力发电机运行的环境比较恶劣，同时受到气压、温度、湿度及振动等各方面因素的影响，那就需要针对各种工况的特性设计符合条件的变桨系统。因此，为了保证风力发电机变桨系统在各种工况下都能稳定可靠的运行，需要对其进行各种工况测试。然而，在车间测试变桨系统时，一般由于条件有限，并不能模拟出变桨系统的所有实际工况，这就需要在风力发电机运行现场进行测试以便考察风力发电机变桨系统的实际运行状况。但是，显然在风力发电机运行现场进行测试会显著提高测试成本，也难以普遍推广。
发明内容
本发明提供一种风力发电机及其参数采集系统，以优化变桨系统的测试环境从而改善测试效果，并且降低测试成本。
本发明实施例提供了一种风力发电机参数采集系统，包括：
至少一个传感器，设置在风力发电机的轮毂中，用于采集轮毂的环境运行参数；
数据处理模块，包括参数采集单元、参数读取单元和存储单元，其中，
所述参数采集单元与各传感器相连，用于获取各传感器采集到的环境运行参数；
所述参数读取单元与风力发电机中的变桨驱动器相连，用于读取变桨驱动器的负载特性参数；
所述存储单元与所述参数采集单元和参数读取单元相连，用于存储所述环境运行参数和负载特性参数。
本发明实施例还提供了一种风力发电机，包括发电机、轮毂、多个叶片和变桨系统，所述变桨系统包括设置在轮毂中的主控制器以及与叶片连接的变桨驱动器，所述主控制器与各变桨驱动器之间通过现场总线相连，其特征在于：还包括本发明所提供的风力发电机参数采集系统。
本发明提供的风力发电机及其参数采集系统，通过设置在风力发电机中的采集系统，能够实时地采集轮毂环境与变桨负载特性的相关数据，从而可改进车间内的变桨系统模拟测试环境，改善测试效果，并且上述采集系统，能够以较低的成本得到实际运行工况的数据，相比于在实际风力发电机中对每个变桨系统进行测试可显著降低成本，也易于推广实现。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的风力发电机参数采集系统的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的风力发电机参数采集系统的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的风力发电机参数采集系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的风力发电机参数采集系统的结构示意图，该采集系统包括：数据处理模块100和至少一个传感器200。其中，各传感器200设置在风力发电机的轮毂中，用于采集轮毂的环境运行参数；数据处理模块100具体包括参数采集单元110、参数读取单元120和存储单元130。其中，参数采集单元110与各传感器200相连，用于获取各传感器200采集到的环境运行参数；参数读取单元120与风力发电机中的变桨驱动器300相连，用于读取变桨驱动器300的负载特性参数；存储单元130与参数采集单元110和参数读取单元120相连，用于存储环境运行参数和负载特性参数。
本实施例的技术方案，通过设置在风力发电机中的采集系统，能够实时地采集轮毂环境与变桨负载特性的相关数据，从而可改进车间内变桨系统的模拟测试环境，改善测试效果，并且上述实时的采集系统，能够以较低的成本得到实际运行工况的数据，相比于在实际风力发电机中对每个变桨系统进行测试可显著降低成本。
风力发电机中所设置的变桨系统，典型结构是采用分布式控制系统，包括可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)实现的主控制器，作为主站，还包括变桨驱动器作为从站，变桨驱动器的数量与叶片数量一致，一般是三个。主控制器和变桨驱动器之间通过现场总线相连，以实现通信，例如通常控制器局部网(CONTROLLER AREA NETWORK，简称CAN)总线相连。由于采用了很多新技术及独特的设计，CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性。变桨驱动器能够控制变桨电机的运行，通常变桨驱动器还连接有后备电源，以保证变桨驱动器的可靠工作。
在本实施例的技术方案中，参数读取单元120优选是与变桨驱动器300的现场总线相连，通过现场总线读取变桨电机的转速、转矩和温度，驱动器的电压、电流和散热器温度，以及后备电源的电压和温度中的任意一项或多项。采集系统与风力发电机变桨系统中的变桨驱动器300之间是相互独立的，只有参数读取单元120通过现场总线从变桨驱动器300中读取变桨系统的负载特性参数。
在本实施例中，传感器的数量为多个，至少包括气压传感器、温度传感器、湿度传感器和振动传感器，能够定时地测量轮毂所处的环境运行参数，至少包括气压、温度、湿度和振动等因素。
变桨系统进行测试时需要气压、温度、湿度及振动等信息，并且要有变桨系统运行时的各种负载特性参数，如电机的转速、转矩、温度，驱动器的电压、电流、散热器温度，以及后备电源的电压、温度等。本实施例的采集系统通过采集上述数据，可以辅助车间的测试系统进行改进。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的风力发电机参数采集系统的结构示意图，本实施例的采集系统可以以实施例一的技术方案为基础，进一步还包括：状态监测模块400、无线通信模块500和状态调整模块600。其中，状态监测模块400与数据处理模块100相连，用于监测数据处理模块100的运行状态；无线通信模块500与状态监测模块400相连，用于将运行状态以无线通信方式发送至控制室，并接收控制室发送的控制指令；状态调整模块600与数据处理模块100相连，用于根据控制指令调整数据处理模块100的运行状态。
本实施例的技术方案，可以基于无线通信技术对采集系统数据处理模块的状态进行实时监测和恢复。无线通信模块可以采用多种无线通信手段来实现，例如射频，或者通用通信网络，如全球移动通讯系统(Global System forMobile Communications，简称GSM)等。
采用本实施例的技术方案，能够对数据处理模块的工作状态进行无线监控。当数据处理模块出现故障，不能正常运行，例如不能正常的采集和读取参数，不能正常存储时，即通过无线通信模块上报故障运行状态给控制室。控制室可以自动或经操作人员手动发送控制指令，例如控制数据处理模块执行重启、恢复等操作。
实施例三
图3为本发明实施例三提供的风力发电机参数采集系统的结构示意图，本实施例可以以上述任意技术方案为基础，优选的是，数据处理模块的参数采集单元和存储单元，以及状态监测模块和状态调整模块集成在工业控制机(工业PC机)10中，参数采集单元为工业控制机10中的采集卡，存储单元为工业控制机10中的硬盘；参数读取单元为与工业控制机10相连的CAN通信控制卡50，工业控制机10、CAN通信控制卡50与无线通信模块500设置在测试箱体20中，测试箱体20安装在轮毂中。
在轮毂内部安装测量各种环境参数的传感器，具体为压力传感器、温度传感器、湿度传感器和振动传感器，并通过测试箱体20内的工业控制机10进行数据采集，同时通过测试箱体20内的CAN通信控制卡50对变桨系统的各种运行数据进行采集，最后将数据保存在工业控制机10的固定硬盘中，以便针对数据进行分析。
在本实施例的采集系统中，还可以进一步设置一加热器30，设置在测试箱体20中，用于加热以维持测试箱体20中的温度。当风力发电机所处的恶劣环境中温度较低时，加热器30能够维持测试箱体20内的控制部件处于正常工作的温度，测试箱体20也可以隔离内部控制部件与外部轮毂和传感器200，保证传感器200能够检测实际的环境参数。加热器30可以由工业控制机进行控制，例如当检测到环境温度低于设定温度时启动加热器30进行加热。
采集系统中优选设置的电源40包括不间断电源(Uninterruptible PowerSupply，简称UPS)，设置在测试箱体20中，用于向各传感器200、工业控制机10和无线通信模块500供电，从而保证采集系统能够持续作业，且电源40独立于风力发电机的供电系统，不受风力发电机工作状态的影响，能够实时采集实际运行工况的数据。
本发明实施例的技术方案，将由工业控制机10、CAN通信控制卡50、带UPS的电源40、加热器30和无线通信模块500组成的测试箱体20安装在轮毂中，其中工业控制机10负责各种数据的采集和读取，电源40负责系统供电，加热器30负责保持测试箱体20的工作温度，无线通信模块500负责对测试箱体20的工作状态进行无线监控，CAN通信控制卡50负责读取各种变桨负载特性数据。
气压传感器、温度传感器、湿度传感器和振动传感器等传感器可安装在轮毂中，并与测试箱体内工业控制机的采集卡连接。将测试箱体中的CAN通信控制卡与每个变桨变频器的通信接口相连，通过CAN总线读取信息。在风力发电机上电后进行系统初始化，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3个变桨变频器和1个CAN通信控制卡的节点地址分别为1、2、3和4。工业控制机初始化后准备各种传感器数据的采集和记录，同时无线通信装置向操作人员发出采集系统开始工作的状态参数。测试箱体将自动进行定时的数据采集和记录，所有数据将保存在工业控制机的固态硬盘中。定期，例如一个月，由人工将数据一次性从工业控制机中读取出来，主要有气压、温度、湿度及振动等信息，以及变桨系统运行时的各种负载特性参数，如电机的转速、转矩、温度，驱动器的电压、电流、散热器温度，以及后备电源的电压、温度等。通过无线通信装置，操作人员可以远程监测数据采集系统是否正常工作，如发现不正常则可以实施重启、恢复等操作，保证采集系统的安全稳定运行。使用记录的各项数据可评估风机变桨系统的性能，实现对车间变桨测试系统的改进。
本发明实施例还提供了一种风力发电机，包括发电机、轮毂、多个叶片和变桨系统，变桨系统包括设置在轮毂中的主控制器以及与叶片连接的变桨驱动器，该主控制器与各变桨驱动器之间通过现场总线相连，该风力发电机中还包括本发明任意实施例中所提供的风力发电机参数采集系统。该风力发电机通过设置参数采集系统，形成了风力发电机轮毂环境与变桨负载特性综合测试系统，能够对风机变桨系统实际运行的轮毂环境和各种变桨负载特性参数进行实时记录，以便进行下一步的分析，深入了解风机变桨系统的运行特性，并能以实际运行数据为依据改进车间的变桨测试系统，以便更好的设计变桨系统。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种风力发电机参数采集系统，其特征在于，包括：
至少一个传感器，设置在风力发电机的轮毂中，用于实时地采集轮毂的环境运行参数；
数据处理模块，包括参数采集单元、参数读取单元和存储单元，其中，
所述参数采集单元与各传感器相连，用于获取各传感器采集到的环境运行参数；
所述参数读取单元与风力发电机中的变桨驱动器相连，用于实时地读取变桨驱动器的负载特性参数；
所述存储单元与所述参数采集单元和参数读取单元相连，用于存储所述环境运行参数和负载特性参数；
状态监测模块，与所述数据处理模块相连，用于实时地监测所述数据处理模块的运行状态；
无线通信模块，与所述状态监测模块相连，用于将所述运行状态以无线通信方式发送至控制室，并接收控制室发送的控制指令；
状态调整模块，与所述数据处理模块相连，用于根据所述控制指令实时地调整所述数据处理模块的运行状态。
2.根据权利要求1所述的风力发电机参数采集系统，其特征在于：所述参数读取单元与变桨驱动器的现场总线相连，以读取变桨电机的转速、转矩和温度，驱动器的电压、电流和散热器温度，以及后备电源的电压和温度中的任意一项或多项。
3.根据权利要求1所述的风力发电机参数采集系统，其特征在于：所述传感器的数量为多个，至少包括气压传感器、温度传感器、湿度传感器和振动传感器。
4.根据权利要求1所述的风力发电机参数采集系统，其特征在于：所述数据处理模块的参数采集单元和存储单元，以及所述状态监测模块和状态调整模块集成在工业控制机中，所述参数采集单元为工业控制机中的采集卡，所述存储单元为工业控制机中的硬盘；所述参数读取单元为与工业控制机相连的控制器局部网通信控制卡；所述工业控制机、控制器局部网通信控制卡与所述无线通信模块设置在测试箱体中，所述测试箱体安装在所述轮毂中。
5.根据权利要求4所述的风力发电机参数采集系统，其特征在于，还包括：加热器，设置在所述测试箱体中，用于加热以维持所述测试箱体中的温度。
6.根据权利要求4所述的风力发电机参数采集系统，其特征在于，还包括：不间断电源，设置在所述测试箱体中，用于向所述传感器、工业控制机和无线通信模块供电。
7.一种风力发电机，包括发电机、轮毂、多个叶片和变桨系统，所述变桨系统包括设置在轮毂中的主控制器以及与叶片连接的变桨驱动器，所述主控制器与各变桨驱动器之间通过现场总线相连，其特征在于：还包括权利要求1～6任一所述的风力发电机参数采集系统。
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