CN103452755B - 一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨控制方法，可结合变桨距控制系统进行阶段式的收桨控制，该收桨控制方法可使能量储蓄模组（C）所储电能按控制需要输出，从而可更大效率地、更加合理地使用能量储蓄模组（C）所储电能，在电能一定的情况下，获得更大的收桨角度，增加风力发电机组的安全性；避免了直接收桨时的大电流对变桨电机（M）的冲击损伤，有效地保护了变桨电机（M）和延长了变桨电机（M）的使用寿命。

Description

一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域的变桨距控制系统，尤其涉及一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨控制方法，该控制方法可主要用于主电源与风力发电机组脱离的情况下的紧急收桨。

背景技术

在风力发电系统中，电控部分包含下面几个部分：主控系统、变桨距控制系统和变流器。变桨距控制系统，用来控制并变换叶片的角度以在不同的风速下达到最优的风力发电功率。具体地，即通过在叶片和轮毂之间安装的变桨驱动电机带动回转轴承转动从而改变叶片迎角，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨控制系统是风力发电机组的基本控制系统。

在风电场运行过程中，有时会出现风力发电机组与主电源脱离，同时叶片尚未由变桨距控制系统收桨回到顺桨位置的情况，而该种情况下出现时，通常做法是：风力发电机组变桨距控制系统通常是直接通过能量存储模组源，直接驱动变桨电机进行紧急收桨动作，以避免叶片未收桨到顺桨位置而造成的风机风险。

然而，在能量存储模组源在直接启动变桨电机的瞬间，加载在变桨电机上的电流值往往达到变桨电机的额定电流的数十倍，通常的直接紧急收桨方式不仅对变桨电机的冲击很大，极其容易引起风力发电机组的安全事故，而且影响变桨电机的使用寿命。如何设计一种在克服上述缺陷的控制系统及其方法是摆在我们面前必须要解决的技术问题，本发明通过提出一种阶段式的变桨距控制系统的收桨控制策略，可有效地解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种在主电源与风力发电机组脱离状况下，可进行阶段式快速收桨的控制方法。

为实现上述目的，本发明提出一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨控制方法，其包括：

步骤1：变桨距控制系统检测是否有收桨命令，如无，正常运行，如有，变桨距控制系统启动收桨程序进行收桨，并执行步骤2；

步骤2：侦测叶片是否在顺桨位置并反馈给变桨距控制系统，如不在，继续检测变桨距控制系统的主电源是否掉电并执行步骤3，

如在，执行步骤7；

步骤3：如掉电，启动后备电源，变桨距控制电路（CR1）激活伺服驱动器（P1）、回路（PF），切断回路（DF），同时伺服驱动器（P1）根据实时负载和设定收桨速度进行阶段式收桨，即先以设定收桨转速（V1）收桨到小于或等于桨角（W1）的位置，再切换到设定收桨转速（V2），收桨到安全桨角（W2），同时在变桨距控制电路（CR1）的控制下，监测设定收桨转速（V1）和设定收桨转速（V2）的总收桨时间是否超过设定收桨时间（S1）并执行步骤4，

如未掉电，变桨距控制电路（CR1）激活伺服驱动器（P1）、回路（PF），切断回路（DF），同时伺服驱动器（P1）根据实时负载和设定收桨速度进行阶段式收桨，即先以设定收桨转速（V1）收桨到小于或等于桨角（W1）的位置，再切换到设定收桨转速（V2），收桨到安全桨角（W2），同时在变桨距控制电路（CR1）的控制下，监测设定收桨转速（V1）和设定收桨转速（V2）的总收桨时间是否超过设定收桨时间（S1）并执行步骤4；

步骤4：监测伺服驱动器是否正常，如正常，执行步骤5，如不正常，执行步骤6；

步骤5：在设定收桨时间（S1）内，即时侦测并反馈叶片的桨角信号，检测叶片是否达到安全桨角（W2），如到达安全桨角（W2），变桨距控制电路（CR1）切断伺服驱动器（P1）使能，叶片回到安全桨角，风力发电机组处于安全状态，执行步骤7；

如未达到安全桨角（W2），执行步骤6；

步骤6：变桨距控制电路（CR1）切断伺服驱动器使能和回路（PF），同时激活回路(DF)直接驱动变桨电机（M）继续进行收桨，直至将叶片至少收到安全桨角（W2），变桨电机（M）断电，叶片回到安全桨角，风力发电机组处于安全状态；

步骤7：停止收桨动作，完成收桨。

综上所述，本发明一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨控制方法，可结合桨距控制系统进行阶段式的收桨控制，该收桨控制方法可使能量储蓄模组（C）所储电能按控制需要输出，从而可更大效率地、更加合理地使用能量储蓄模组（C）所储电能，在电能一定的情况下，获得更大的收桨角度，增加风力发电机组的安全性；避免了直接收桨时的大电流对变桨电机（M）的冲击损伤，有效地保护了变桨电机（M）和延长了变桨电机（M）的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种风力发电机组直流变桨距控制系统第一较佳实施例的电气结构示意图。

图2为本发明第一较佳实施例启动阶段式收桨控制时的电气结构示意图。

图3为本发明第一较佳实施例启动阶段式收桨控制时的流程示意图。

图4为本发明第一较佳实施例进行直接紧急收桨时的电气结构示意图。

图5为本发明一种风力发电机组变桨距控制系统第二较佳实施例的的电气结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下例举实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图5，其为本发明一种风力发电机组直流变桨距控制系统的第一较佳实施例。

本发明一种风力发电机组直流变桨距控制系统包括工业交流电源（L1、L2、L3、N）、电源转换模块（G1、G2、G3）、一能量储存模组（C）、一伺服驱动器（P1）、具有阶段式收桨功能的变桨距控制电路（CR1）、回路（DF）、回路（PF）。

工业用交流电源（L1、L2、L3及N）作为变桨距控制系统的主电源，能量储存模组（C）作为变桨距控制系统的后备电源。

在工业交流电源（L1、L2、L3及N）与伺服驱动器（P1）之间有两支路电路，一支路为以电源转换模块（G2）与变桨距控制电路（CR1）顺次连接组成的电路，另一支路为以电源转换模块（G1）与能量储存模组（C）顺次连接组成的电路。

电源转换模块（G3）输入端连接能量储存模组（C）与伺服驱动器（P1）直流电供电端之间，电源转换模块（G3）输出端连接在变桨距控制电路（CR1）的电能供应端上。在主电源与风力发电机组脱离的情况下，电源转换模块（G3）用于将转换能量储存模组（C）存储电能并输出给变桨距控制电路（CR1）。

伺服驱动器（P1）直流电供电端与能量储存模组（C）相连，交流电供电端与交流电源（L1、L2、L3）相连，控制端与变桨距控制电路（CR1）相连，输出端与回路（PF）输入端相连。

回路（PF）输入端连接在伺服驱动器（P1），输出端与变桨电机（M）相连。

回路（DF）输入端连接在能量储存模组（C）与伺服驱动器（P1）的电路之间，回路（DF）输出端连接在变桨电机（M）上。

本发明风力发电机变桨距控制系统通过伺服驱动器（P1）与变桨电机（M）相互电连接。

具体地，电源转换模块（G1、G2）均为交流/直流转换模组；电源转换模块（G3）为直流/直流转换模组。

能量储存模组（C）为超级电容与蓄电池中的任意一种。

回路（DF、PF）可为接触器、可控硅、集成通断器中的任意一种或至少两种的组合。

请参阅图1，电源转换模块（G1）输入端与工业用交流电源（L1及N）相连，电源转换模块（G1）输出端与能量储存模组（C）相连，用于向能量储存模组（C）充电。

工业用交流电源（L1、L2、L3及N）为正常情况下变桨距控制系统的供电电源。在主电源未与风力发电机组脱离的情况下，工业用交流电源（L1、N）可通过电源转换模块（G1）向能量存储模组（C）充电；工业用交流电源（L1、L2、L3）用于通过伺服驱动器（P1）向变桨电机（M）提供变桨用的电能。

能量储存模组（C）与电源转换模块（G1）的输出端、伺服驱动器（P1）直流供电端、回路PF的输入端相连。

电源转换模块（G2）连接在工业用交流电源（L1及N）与变桨距控制电路（CR1）电能供电端之间，用于在主电源未与风力发电机组脱离的情况下，将工业用交流电源（L1及N）提供的交流电转换成变桨距控制电路（CR1）工作时的直流电，在具体实施例中，电源转换模块（G2）向变桨距控制电路（CR1）提供工作电压为24V直流电。

请参阅图5，其作为本发明一种风力发电机组变桨距控制系统第二较佳实施例。

本发明风力发电机组变桨距控制系统包括工业用交流电源（L1、L2、L3及N）、电源转换模块（G1、G3）、一能量储存模组（C）、一伺服驱动器（P1）、一变桨距控制电路（CR1）及回路（PF、DF）。

第一较佳实施例与第二较佳实施例区别在于：减少了电源转换模块（G2）。

无论主电源与风力发电机组是否与脱离，变桨距控制电路（CR1）正常工作时的电能均由能量储存模组（C）供给。能量储存模组（C）输出的电能由电源转换模块（G3）转换后供应给变桨距控制电路（CR1）。

请续参阅图2，本发明一种风力发电机组变桨距控制系统的工作原理如下：

当主电源未与风力发电机组脱离状况下：

本发明风力发电机组变桨距控制系统可进行正常的变桨和收桨动作，即利用工业用交流电源（L1、L2、L3）正常经由伺服驱动器（P1）的控制向变桨电机（M）供应电能；同时电源转换模块（G2）将工业用交流电源（L1、N）供应的交流电转换成24V的直流电供应给变桨距控制电路（CR1），籍以实现变桨距控制电路（CR1）与伺服驱动器（P1）共同配合下而完成常规的变桨和收桨动作，此时，回路（PF）接通，回路（DF）断开。

当主电源与风力发电机组脱离状况下，存在两种紧急收桨模式：（一）阶段式紧急收桨模式；（二）直接紧急收桨模式。

请参阅图3，因能量储存模组（C）在主电源与风力发电机组脱离前已经通过电源转换模块（G1）完成充电动作。

当判定主电源与风力发电机组脱离，且启动了变桨距功能时，变桨距触发信号触发变桨距控制电路（CR1）情况下，能量储存模组（C）在变桨距控制电路（CR1）控制下与伺服驱动器（P1）共同配合下前后通过两次转速不同的收桨动作进行阶段式收桨；与此同时，变桨距控制电路（CR1）正常工作时的电能由存储在能量储存模组（C）里的电能以放电形式输出并由电源转换模块（G3）进行直流/直流转换后供应给变桨距控制电路。

当主电源与风力发电机组脱离，需要紧急收桨时，还存在一种不通过变桨距阶段式收桨控制策略进行收桨的方式，直接快速收桨方式，即变桨距电路控制回路（PF）断开，回路（DF）接通，与此同时，变桨距控制电路（CR1）控制能量储存模组（C）放电并直接通过回路（DF）向变桨电机（M）供应收桨动作时所需的电能以达到紧急收桨的目的。在收桨控制方法中也同时一并做了相应的阐述。

请参阅图3，下面详细描述风力发电机组变桨距控制系统进行收桨动作的详细控制方法：

步骤1：变桨距控制系统检测是否有收桨命令，如无，正常运行，如有，变桨距控制系统启动收桨程序进行收桨，并执行步骤2；

步骤2：侦测叶片是否在顺桨位置（即叶片回到安全位置时的桨角，也可称为安全桨角）并反馈给变桨距控制系统，如不在，继续检测变桨距控制系统的主电源是否掉电并执行步骤3，

如在，执行步骤7；

步骤3：如掉电，启动后备电源，变桨距控制电路（CR1）激活伺服驱动器（P1）、回路（PF），切断回路（DF），同时伺服驱动器（P1）根据实时负载和设定收桨速度进行阶段式收桨，即先以设定收桨转速（V1）收桨到小于或等于桨角（W1）的位置，再切换到设定收桨转速（V2），收桨到安全桨角（W2），同时在变桨距控制电路（CR1）的控制下，监测设定收桨转速（V1）和设定收桨转速（V2）的总收桨时间是否超过设定收桨时间（S1）并执行步骤4，

如未掉电，变桨距控制电路（CR1）激活伺服驱动器（P1）、回路（PF），切断回路（DF），同时伺服驱动器（P1）根据实时负载和设定收桨速度进行阶段式收桨，即先以设定收桨转速（V1）收桨到小于或等于桨角（W1）的位置，再切换到设定收桨转速（V2），收桨到安全桨角（W2），同时在变桨距控制电路（CR1）的控制下，监测设定收桨转速（V1）和设定收桨转速（V2）的总收桨时间是否超过设定收桨时间（S1）并执行步骤4；

步骤4：监测伺服驱动器是否正常，如正常，执行步骤5，如不正常，执行步骤6；

步骤5：在设定收桨时间（S1）内，即时侦测并反馈叶片的桨角信号，检测叶片是否达到安全桨角（W2），如到达安全桨角（W2），变桨距控制电路（CR1）切断伺服驱动器（P1）使能，叶片回到安全桨角，风力发电机组处于安全状态，执行步骤7；

如未达到安全桨角（W2），执行步骤6；

步骤6：变桨距控制电路（CR1）切断伺服驱动器使能和回路（PF），同时激活回路(DF)以直接驱动变桨电机（M）继续进行收桨，直至将叶片至少收到安全桨角（W2），变桨电机（M）断电，叶片回到安全桨角，风力发电机组处于安全状态，此时91°限位开关（K1）甚至95°限位开关（K2）断开；

步骤7：停止收桨动作，完成收桨

步骤3中安全桨角（W2）为90°~92°中的任意一个桨角位置，即顺桨位置，此时风方向与叶片之间的夹角为零或者很小。具体实施例中，安全桨角（W2）为91°。

步骤3中，桨角（W1）可以为大于30°小于安全桨角（W2）内的任意一个桨角值。

其中，步骤3中设定收桨时间（S1）的时长为12s~18s中的任意一个时间，具体实施例中，设定收桨时间（S1）的时长为15s。

步骤3中的收桨转速（V1）可以以6°/秒~8°/秒的转速进行收桨。具体实施例中，收桨转速（V1）以7°/秒的转速进行收桨。

步骤5中如未达到安全桨角（W2）情况可以是在设定时间内，伺服驱动器（P1）发生严重故障的情况；也可以伺服驱动器（P1）正常工作时无法收桨到安全桨角（W2）的情况。

步骤3中的收桨转速（V2）小于收桨转速（V1）。

步骤5中叶片是否到达安全桨角（W2）的角度是通过91°限位开关（K1）判定确认，编码器（E1）侦测出具体值。步骤3中的安全桨角（W2）为顺桨位置时的安全桨角。

步骤7中完成收桨的标志之一是叶片到达安全桨角，91°限位开关（K1）由常闭状态变为断开。

关于本发明一种风力发电机组直流变桨距控制系统的第二较佳实施例的工作原理与第一较佳实施例基本相同，仅区别在于：无论主电源与风力发电机组是否脱离，均通过电源转换模块（G3）向变桨距控制电路（CR1）供应电能。在此不再赘述。

综上所述，本发明一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨控制方法，可结合桨距控制系统进行阶段式的收桨控制，该收桨控制方法可使能量储蓄模组（C）所储电能按控制需要输出，从而可更大效率地、更加合理地使用能量储蓄模组（C）所储电能，在电能一定的情况下，获得更大的收桨角度，增加风力发电机组的安全性；避免了直接收桨时的大电流对变桨电机（M）的冲击损伤，有效地保护了变桨电机（M）和延长了变桨电机（M）的使用寿命。

以上所述的技术方案仅为本发明一种风力发电机组变桨距控制系统的较佳实施例，任何在本发明一种风力发电机组变桨距控制系统基础上所作的等效变换或替换都包含在本专利的权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨控制方法，其包括：

步骤1：变桨距控制系统检测是否有收桨命令，如无，正常运行，如有，变桨距控制系统启动收桨程序进行收桨，并执行步骤2；

步骤2：侦测叶片是否在顺桨位置并反馈给变桨距控制系统，如不在，继续检测变桨距控制系统的主电源是否掉电并执行步骤3，

如在，执行步骤7；

步骤3：如掉电，启动后备电源，变桨距控制电路(CR1)激活伺服驱动器(P1)、回路(PF)，切断回路(DF)，同时伺服驱动器(P1)根据实时负载和设定收桨速度进行阶段式收桨，即先以设定收桨转速(V1)收桨到小于或等于桨角(W1)的位置，再切换到设定收桨转速(V2)，收桨到安全桨角(W2)，同时在变桨距控制电路(CR1)的控制下，监测设定收桨转速(V1)和设定收桨转速(V2)的总收桨时间是否超过设定收桨时间(S1)并执行步骤4，

如未掉电，变桨距控制电路(CR1)激活伺服驱动器(P1)、回路(PF)，切断回路(DF)，同时伺服驱动器(P1)根据实时负载和设定收桨速度进行阶段式收桨，即先以设定收桨转速(V1)收桨到小于或等于桨角(W1)的位置，再切换到设定收桨转速(V2)，收桨到安全桨角(W2)，同时在变桨距控制电路(CR1)的控制下，监测设定收桨转速(V1)和设定收桨转速(V2)的总收桨时间是否超过设定收桨时间(S1)并执行步骤4；

步骤4：监测伺服驱动器是否正常，如正常，执行步骤5，如不正常，执行步骤6；

步骤5：在设定收桨时间(S1)内，即时侦测并反馈叶片的桨角信号，检测叶片是否达到安全桨角(W2)，如到达安全桨角(W2)，变桨距控制电路(CR1)切断伺服驱动器(P1)使能，叶片回到安全桨角，风力发电机组处于安全状态，执行步骤7；

如未达到安全桨角(W2)，执行步骤6；

步骤6：变桨距控制电路(CR1)切断伺服驱动器使能和回路(PF)，同时激活回路(DF)直接驱动变桨电机(M)继续进行收桨，直至将叶片至少收到安全桨角(W2)，变桨电机(M)断电，叶片回到安全桨角，风力发电机组处于安全状态；

步骤7：停止收桨动作，完成收桨。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤3中，桨角(W1)由编码器(E1)侦测得到。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤3中，安全桨角(W2)为90°～92°中的任意一个桨角位置，即顺桨位置。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤3中，桨角(W1)为大于30°小于安全桨角(W2)内的任意一个桨角值。

5.根据权利要求3所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤3中设定收桨时间(S1)的时长为12s～18s中的任何一个时间。

6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤3中设定收桨时间(S1)的时长为15s。

7.根据权利要求1所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤3中的收桨转速(V1)以6°/秒～8°/秒进行收桨。

8.根据权利要求7所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤3中的收桨转速(V1)以7°/秒进行收桨。

9.根据权利要8所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤3中的收桨转速(V2)小于收桨转速(V1)。

10.根据权利要求1所述的一种风力发电机组直流变桨距控制系统的收桨方法，其特征在于：步骤5中叶片是否到达安全桨角(W2)的角度是通过91°限位开关(K1)判定确认，编码器(E1)侦测出具体值。