CN102621980A - 一种用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台，包括包含有上位机和下位机的平台主控制系统、包含多轴伺服驱动器的负载模拟变频器柜、负载电机及与上位机连接的人机交互模块，平台主控制系统包括风机主控系统、变桨控制系统、气动力模块、结构动力模块、负载力矩模拟模块，变桨控制系统与风机主控系统间通过CAN总线实现通信。该测试平台可有效测试风速激励下电动变桨距系统的响应特性，减低风电机组变桨距系统的调试和维护成本，大大缩短开发时间周期，提高测试效率。

Description

一种用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台。
背景技术
变速恒频风力发电机组作为主流机型，其风轮转速可在比较宽的范围内随风速变化，能更有效地利用风能，其优点已得到风力机生产厂家和研究机构的普遍认可。但仅通过发电机自身调节，很难有效减小由于风速波动引起的冲击。尤其在额定风速以上时，风力机极有可能受到很大的静态或动态冲击。当风电机组出现紧急情况时，变桨距系统可调节桨叶至90°位置，让风向与桨叶平行，使桨叶失去迎风面而实现气动刹车，从而实现安全停机的目的。由此可见，变桨距系统作为大型风电机组控制系统的核心部件之一，变桨距系统通过改变安装在风力机轮毂上叶片的节距角，从而改变叶片的气动特性，使桨叶和整个风电机组的受力状况大为改善。有效地保证风电机组在额定风速以上安全、稳定、高效地运行。因此变桨距系统的稳定性和可靠性测试是非常重要的环节。
国内在变桨距控制系统测试技术方面的研究起步较晚。专利200810119118公开了一种风力发电机组中变桨轴承的测试平台，主要应用于对变桨轴承的工况进行模拟。专利201020104046提出一种风力发电机组变桨控制系统的测试装置，包括PC机、PLC模块、配电柜和开关电源。主要用于测试变桨PLC的通讯、变桨控制回路的控制算法，以及在接受到指令后，变桨电机、限位开关、电池柜、编码器及润滑泵等硬件是否能够响应指令，以达到检测变桨控制系统性能的目的，未涉及对变桨执行机构的测试。专利201120199085提出一种风电机组的变桨系统测试平台，包括控制变桨系统的主控制器，人机交互模块和供电模块。主要测试变桨控制器和供电模式。未涉及变桨的执行机构。从现有情况看，在理论上对变桨距控制算法验证的较多，而对实际变桨距执行机构进行地面测试的较少。由于变桨距执行机构在风力机轮毂内工作，并随之转动，条件非常严苛，因此对变桨距系统的调节性能及其可靠性进行硬件在环的实时仿真测试很有必要，尤其是对变桨执行机构的测试。
发明内容
由于现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提出一种用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台，该测试平台可有效测试风速激励下电动变桨距系统的响应特性，减低风电机组变桨距系统的调试和维护成本，大大缩短开发时间周期，提高测试效率。
为实现上述目的，本发明的一种用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台，包括包含有上位机和下位机的平台主控制系统、包含多轴伺服驱动器的负载模拟变频器柜、负载电机及与上位机连接的人机交互模块，平台主控制系统包括风机主控系统、变桨控制系统、气动力模块、结构动力模块、负载力矩模拟模块，变桨控制系统与风机主控系统间通过CAN总线实现通信。
作为本发明的进一步特征，所述变桨控制系统包括变桨控制器和变桨执行机构，所述变桨执行机构包括变桨电机、伺服驱动器、不间断电源、减速机构，该变桨距控制器控制所述伺服驱动器驱动所述变桨电机。
作为本发明的进一步特征，所述该平台主控制系统与伺服驱动器之间通过CAN总线和SSI信号进行数据传输。
作为本发明的进一步特征，所述负载模拟电机通过联轴器连接变桨驱动电机。
作为本发明的进一步特征，所述联轴器上设有扭矩传感器，其将测到的信号传递到所述上位机
由于采用以上技术方案，本发明的用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台，主要优势有：
(1)实现系统同步开发，缩短开发周期；
(2)可快速重复再现，系统地评价控制策略；
(3)无损和安全的极限测试和破坏性试验；
(4)开放性平台，具有可扩展性。
(5)降低开发成本，提高变桨系统上机运行的安全性与可靠性。
(6)辅助变桨系统开发：完善变桨系统的功能，利用精确采样设备和复杂数据分析设备，进行数据比对和分析，对控制算法进行优化。
附图说明
下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明中风力发电机电动变桨控制系统的原理图；
图2为本发明用于风力发电电动变桨距系统硬件在环测试平台的逻辑图；
图3为本发明用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台的各部件的连接关系；
图4为本发明用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台的通讯方式图。
具体实施方式
如图3所示，本发明的一种用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台，包括包含有上位机1和下位机2(工业PC机)的平台主控制系统、包含多轴伺服驱动器的负载模拟变频器柜3、负载电机4及与上位机1连接的人机交互模块，平台主控制系统包括风机主控系统5、变桨控制系统6、气动力模块7、结构动力模块8、负载力矩模拟模块9。如图1所示，变桨控制系统6包括变桨控制器和变桨执行机构10，变桨执行机构(即图3中的变桨驱动柜部分)包括变桨电机、伺服驱动器、不间断电源(图中电池箱和充电器)、减速箱，该变桨距控制器控制伺服驱动器驱动变桨电机，该平台主控制系统与以上所述所有的伺服驱动器之间通过CAN总线和SSI信号进行数据传输，变桨控制系统6与风机主控系统5间通过CAN总线实现通信。
图2为本发明风力发电机电动变桨距系统的硬件在环测试平台的逻辑图，给出了平台主控制系统内各个模块之间的传递参数和逻辑关系风力机实际运行中，桨叶上受到的气动力总是在不断变化中，为了能更真实模拟风速扰动时桨叶载荷的变化，在测试台的平台主控制系统上将运行一个叶片的仿真模型，通过模拟真实叶片受到的气动力矩、重力矩和摩擦力矩准确计算变桨执行机构的负载力矩。气动力模块7用来计算叶片的气动性能，并将将计算得到的叶片在不同位置的气动载荷传递给结构动力模块8；结构动力模块8考虑气动载荷的切变，以及重力载荷，计算叶片的结构振动特性，一方面获得挥舞及摆振频率和振型，并传递给风机主控系统5与变桨控制系统6，由风机主控系统5和变桨控制系统6通过不同的策略计算出叶片的期望攻角和变桨速度，作为变桨指令下发给变桨执行机构10；另一方面计算变桨过程中产生的负载力矩，并传递给负载力矩模拟模块9，由伺服电机为变桨执行结构10提供一个叶片真实运行下的负载力矩。
图3、4所示，本发明中，上位机1主要完成测试状态参数的监测；下位机2完成测试过程中叶片仿真动力学模型的运行；计算得到的负载力矩通过SSI信号传递到负载驱动柜(图中的变桨驱动柜和负载模拟变频器柜3)；伺服驱动器通过接收的扭矩信号，驱动负载电机直至给定的扭矩；负载电机通过联轴器联接变桨电机(形成电机对拖)，给变桨电机加载；联轴器上装有安全保护的扭矩传感器，用来测试传递的扭矩，并上传到上位机1进行监视。变桨执行机构与风机主控系统5之间通过CAN总线实现通信，一方面接受变桨角度和速度的指令，一方面反馈当前的桨距角和变桨速度。
在本发明构建的测试平台中，无论变桨电机处于运动状态还是静止于某一位置，均能通过调节负载电机给定转矩的大小，让变桨电机响应其变化，以实现风速扰动下的电动变桨距系统的响应。
本发明提供了一种崭新的用于风力发电机变桨系统测试的硬件在环实验平台，主要优势有：
(1)实现系统同步开发，缩短开发周期；
(2)可快速重复再现，系统地评价控制策略；
(3)无损和安全的极限测试和破坏性试验；
(4)开放性平台，具有可扩展性。
(5)降低开发成本，提高变桨系统上机运行的安全性与可靠性。
(6)辅助变桨系统开发：完善变桨系统的功能，利用精确采样设备和复杂数据分析设备，进行数据比对和分析，对控制算法进行优化。
但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (5)

1.一种用于风力发电电动变桨距系统的硬件在环测试平台，其特征在于：包括包含有上位机和下位机的平台主控制系统、包含多轴伺服驱动器的负载模拟变频器柜、负载电机及与上位机连接的人机交互模块，平台主控制系统包括风机主控系统、变桨控制系统、气动力模块、结构动力模块、负载力矩模拟模块，变桨控制系统与风机主控系统间通过CAN总线实现通信。
2.根据权利要求1所述的硬件在环测试平台，其特征在于：所述变桨控制系统包括变桨控制器和变桨执行机构，所述变桨执行机构包括变桨电机、伺服驱动器、不间断电源、减速机构，该变桨距控制器控制所述伺服驱动器驱动所述变桨电机。
3.根据权利要求2所述的硬件在环测试平台，其特征在于：所述该平台主控制系统与伺服驱动器之间通过SSI信号进行数据传输。
4.根据权利要求3所述的硬件在环测试平台，其特征在于：所述负载电机通过联轴器连接变桨电机。
5.根据权利要求4所述的硬件在环测试平台，其特征在于：所述联轴器上设有扭矩传感器，其将测到的信号传递到所述上位机。
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