CN104460656A - 一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台及其测试方法，测试平台包括PC机、待测试系统、加载系统、转矩转速测试仪；待测试系统包括变桨距控制器单元、变桨电机、联轴器；加载系统包括加载控制器单元、负载电机、联轴器；变桨距控制器单元包括变桨距控制PLC和伺服驱动器，加载控制器单元包括加载控制PLC和伺服驱动器。PC机通过工业以太网实现与变桨距控制PLC和加载控制PLC的通信，变桨距控制PLC和加载控制PLC通过CAN总线实现与伺服驱动器的通信。PC机完成对整个变桨距控制系统测试平台的监控和参数给定。本发明的测试平台能完整的对待测试系统实际工作环境中所受载荷情况，缩短检验周期，提高生产效率。

Description

一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台及其测试方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组测试领域，具体的说，是涉及一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台及其测试方法。

背景技术

随着石油、煤炭等一次能源的大量消耗，风能作为一种清洁能源日益得到人们的关注。兆瓦级风力发电机组研究的主要方向为风力发电机组的控制技术，特别是风力发电机组的变桨距控制技术，在外界风速低于额定风速，需保持桨距角在一定数值，保持最佳叶尖速比；当外界风速高于额定风速时，由于变流器功率和电压等级的限制，必需调节桨距角的大小，减少风力机抽取的风功率，使机组发出的功率维持在额定功率附近，因此进行变桨距控制系统的研究具有重要意义。

由于变桨距控制系统执行机构在风力发电机组的轮毂内，并随轮毂转动，工作人员进行现场调试非常困难。因此，建立变桨距控制系统的综合测试平台显得非常重要，虽然国内变桨距控制系统测试平台已经开始应用，但是由于起步较晚，测试平台性能还不是十分完善。大多数平台只针对变桨距控制系统中某一部分性能进行测试，没有涵盖变桨距控制系统各性能测试的综合平台，因此也阻碍了变桨距控制算法的完善以及变桨距控制策略在工程中的应用，而且大多数的变桨距控制系统测试平台智能化水平低，增加了公司的劳动成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种能对变桨距控制系统性能进行模拟测试、检测和调试的风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台及其测试方法。

为实现所述目的，本发明的风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台，包括PC机、待测试系统、加载系统、转矩转速测试仪；所述待测试系统包括变桨距控制器单元、变桨电机、联轴器；所述加载系统包括加载控制器单元、负载电机、联轴器；所述PC机经变桨距控制器单元与所述变桨电机相连，所述PC机经加载控制器单元与所述负载电机相连，所述转矩转速测试仪一端经联轴器与所述变桨电机相连，所述转矩转速测试仪另一端经联轴器与所述负载电机相连。

所述加载控制器单元包括加载控制PLC和伺服驱动器。

所述变桨距控制器单元包括整流器、后备电源模块、变桨距控制PLC、DC/DC直流斩波模块、伺服驱动器；380V交流电源经所述整流器与所述变桨距控制PLC相连，所述变桨距控制PLC经所述DC/DC直流斩波模块、后备电源模块与所述伺服驱动器相连，所述伺服驱动器的另一端与所述380V交流电源相连，所述伺服驱动器的输出端与所述变桨电机相连。

所述后备电源模块包括充电机和超级电容模块组。

所述整流器将380V交流电压整流成24V直流电压，为所述变桨距控制PLC提供工作电压；所述DC/DC直流斩波模块与后备电源连接，在电路出现紧急断电故障时，为所述变桨距控制PLC提供工作电压；所述伺服驱动器能够实现频率0-1000Hz和电压0-400/500V输出，为所述变桨电机提供所需频率的电压，变桨电机通过联轴器与转矩转速测试仪相连。

进一步的，所述变桨电机为永磁同步电机，带有编码器和刹车盘。所述编码器通过串口通信与伺服驱动器连接，检测所述变桨电机的速度和位置信号并反馈给所述伺服驱动器。

所述PC机通过工业以太网与所述变桨距控制PLC和加载控制PLC进行通信，所述变桨距控制PLC和加载控制PLC通过CAN总线与所述伺服驱动器进行通信。

所述加载系统可以提供不同工况下的负载力矩，为所述待测试系统实际应用中受到不同载荷情况下进行测试。所述负载电机与变桨电机之间通过联轴器、转矩转速测试仪连接，使两者保持统一转速。

一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台的测试方法，包括：

①进行变桨电机位置和转速测试：

所述加载控制PLC接收所述PC机给定的加载信号，通过所述伺服驱动器控制所述负载电机的转速，完成对所述变桨电机的加载；

所述变桨距控制PLC接收所述PC机给定的角度值，通过所述伺服驱动器控制所述变桨电机运转到给定的位置角度；

所述变桨距控制PLC接收所述PC机给定的速度值，通过所述伺服驱动器来控制所述变桨电机，通过所述转矩转速测试仪观察电机转速是否等于给定转速，进行变桨电机位置和转速的测试；

②进行后备电源模块能量测试：

所述充电机对超级电容充电，确认充满后所述超级电容电压为460V；

将待测试侧与电源开关断开，由后备电源模块供电；

确定待测试侧驱动器使能，合上负载侧使能微断；

按下待测试侧控制开关，计时开始，变桨电机开始运行，当电机停止时，立即断开负载端使能，记录电机运行时间，通过测试电机运行时间进行后备电源模块能量的测试；

③进行变桨距控制系统安全链测试：

所述变桨距控制PLC接收所述PC机给定的位置信号，通过所述伺服驱动器控制所述变桨电机运转到给定位置后停止；

按下安全链触发按钮，变桨电机能回到88度位置，进行变桨距控制系统安全链的测试。

相对于已有的风力发电机组变桨距控制系统的测试平台，本发明的测试平台和测试方法有以下优点：

1.可以模拟不同工况下变桨电机的动态和静态性能。

2.PC机通过工业以太网通信，工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟的优点。

3.人机交互界面简单明了，可以清晰方便的查看各个参数的变化。

4.具有较高的智能化水平，能够实现变桨距控制系统的快速检测，提高工作效率，降低生产成本。

本发明能对变桨距控制系统进行动态和静态检测，能完整的对待测试系统实际工作环境中所受载荷情况，缩短变桨距控制柜出厂检验周期，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明变桨距控制系统综合测试平台的结构示意图；

图2为本发明变桨距控制器单元的内部连接图；

图3为本发明变桨距控制系统综合测试平台的通信框图；

图4为PC机与下位机通信框图及PC机实现的测试功能；

图5为本发明第一种实施例所提供的变桨距控制系统的测试方法的流程图；

图6为本发明第二种实施例所提供的变桨距控制系统的测试方法的流程图；

图7为本发明第三种实施例所提供的变桨距控制系统的测试方法的流程图；

图8为本发明第四种实施例所提供的变桨距控制系统的测试方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台包括PC机1、待测试系统2、加载系统3、转矩转速测试仪4；待测试系统2包括变桨距控制器单元5、变桨电机6、联轴器7；加载系统3包括加载控制器单元8、负载电机9、联轴器10。

PC机1负责对整个待测试系统2的参数给定和对整个系统运行状态的监控，包括桨距角给定、PI参数的设定、变桨电机速度的给定、监控变量有驱动器温度、伺服电机温度、电机转速、电机位置信号。

变桨电机6带有编码器和刹车盘，编码器通过串行通信与伺服驱动器连接，检测变桨电机的速度和位置信号并反馈给伺服驱动器。变桨电机6经联轴器7、转矩转速测试仪4、联轴器10与负载电机9相连，变桨电机6和负载电机9保持同一转速。

负载电机9和变桨电机6为同一型号电机，都为实际环境中应用的电机。加载控制器单元8用来接收PC机1给定转矩信号和转矩给定信号的输出。

如图2所示，变桨距控制器单元5包括整流器、后备电源模块、变桨距控制PLC、DC/DC直流斩波模块、伺服驱动器。变桨距控制PLC作为待测试系统的控制核心，负责完成对整个待测试系统的故障检测、控制工作和与PC机1的通信。后备电源模块包括充电机和超级电容模块组。整流器将380V交流电压整流成24V直流电压，为变桨距控制PLC提供工作电压，DC/DC直流斩波模块与后备电源连接，在电路出现紧急断电故障时，为变桨距控制PLC提供工作电压。超级电容模块作为变桨距控制系统的后备电源，当变桨距控制系统突然出现故障，掉电时可以提供紧急顺桨电压，保证机组安全运行。充电机在超级电容能量损耗完时给其充电。

图3为该变桨距控制系统综合测试平台的通信框图，PC机1与变桨距控制PLC和加载控制PLC采用工业以太网通信，工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟的优点，变桨距控制PLC和加载控制PLC通过CAN总线实现与伺服驱动器的通信，PC机通过工业以太网完成对整个测试系统的监控和参数给定，所述对拖装置包括联轴器7、联轴器10和转矩转速测试仪4，所述转矩转速测试仪通过自带的串行线接口，可以与PC机进行串口通信，实现对转矩和转速的检测和监控。

图4为PC机与下位机通信框图及其PC机实现的测试功能，PC机1包括PLC的程序编译环境软件和可视化编程软件，程序编译软件负责对整个变桨距控制系统进行开环测试，闭环测试，安全链检测以及加载控制器预设算法。变桨距控制单元接收PC机的开环测试，闭环测试，安全链检测信号，加载控制器单元8接收PC机1经加载控制算法输出的加载信号。程序编译软件根据预设的风速曲线，通过一定的算法生成加载信号，通过加载伺服驱动器输出所需控制负载电机电压频率信号，从而来控制负载力矩的大小。变桨距控制系统的各变量通过可视化编程软件进行可视化处理。

如图5所示，本发明一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试方法的第一种实施方式，该方法为变桨距控制系统综合测试的执行方法，该方法的步骤为：

步骤50：打开电源开关给变桨距控制系统测试平台供电，保证各部分模块工作电压正常。

步骤51：检测PC机与变桨距控制器单元和加载控制器单元工业以太网通信正常，变桨距控制PLC和加载控制PLC与伺服驱动器CAN通信正常。

步骤52：PC机通过变桨距控制器单元，给定变桨电机速度指令，变桨电机空载运行，监测变桨距控制系统的静态性能。

步骤53：PC机根据预设算法通过加载控制器单元给负载电机一定数值控制负载电机的转速，给变桨电机施加负载力矩。

步骤54：以实时气温为准，通过PC机可视化软件处理监控变桨距控制系统各项温度是否正常，包括：变桨距控制柜温度，后备电源柜温度，变桨电机温度，驱动器温度。

步骤55：验证后备电源是否正常，充电机开始给超级电容充电，通过PC机监控后备电源直流母线电压到450V。

步骤56：在PC机上首先设置位置模式，在“变桨电机位置设置”数值输入，观察变桨电机是否在给定位置，然后设置速度模式，在“变桨电机速度设置”数值输入框内，观察变桨电机速度数值大小。

步骤57：安全链测试，使变桨电机运行到一定角度，确认安全链触发，变桨电机能顺桨到88度。

步骤58：后备电源柜能量测试，确认充电机充满电后电容电压为450V，变桨距驱动器使能，负载驱动器端使能微断，监控变桨电机运转时间是否大于36s。

步骤59：断电前电容处理，断开电源模块与充电机连接开关，充电机停止充电，然后对超级电容通过电阻箱进行放电处理。

如图6所示，本发明一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试方法的第二种实施方式，该方法为模拟实际应用中变桨电机带桨叶运行时位置和转速控制，该方法的步骤为：

步骤60、加载控制PLC接收PC机给定加载信号，通过伺服驱动器控制负载电机转速，完成对变桨电机加载；

步骤61、变桨距控制PLC接收PC机给定角度值，通过伺服驱动器控制变桨电机运转到给定的位置角度；

步骤62、变桨距控制PLC接收PC机给定速度值，通过伺服驱动器控制来变桨电机，通过转矩转速测试仪观察电机转速是否等于给定转速。

如图7所示，本发明一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试方法的第三种实施方式，该方法测试当变桨距控制系统出现故障，发生掉电事故时后备电源模块能提供电源保证变桨电机安全回桨，并且通过计时对后备电源模块能量进行测试，进一步的，该测试方法中还包括：

步骤70、充电机给超级电容充电，确认充满后超级电容电压为460V；

步骤71、断开待测试侧与电源开关，由后备电源模块供电；

步骤72、确定待测试侧驱动器使能，合上负载侧使能微断；按下待测试侧控制开关，开始计时，变桨电机开始运行，当电机停止时，立即断开负载端使能，记录电机运行时间。

如图8所示，本发明一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试方法的第四种实施方式，进一步的，该测试方法中还包括：

步骤80、变桨距控制PLC接收PC机给定位置信号，通过伺服驱动器控制变桨电机运转到给定位置后停止；

步骤81、按下安全链触发按钮，变桨电机能回到88度位置。

Claims (6)

1.一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台，其特征在于，包括PC机、待测试系统、加载系统、转矩转速测试仪；所述待测试系统包括变桨距控制器单元、变桨电机、联轴器；所述加载系统包括加载控制器单元、负载电机、联轴器；所述PC机经变桨距控制器单元与所述变桨电机相连，所述PC机经加载控制器单元与所述负载电机相连，所述转矩转速测试仪一端经联轴器与所述变桨电机相连，所述转矩转速测试仪另一端经联轴器与所述负载电机相连。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台，其特征在于，所述变桨距控制器单元包括整流器、后备电源模块、变桨距控制PLC、DC/DC直流斩波模块、伺服驱动器；380V交流电源经所述整流器与所述变桨距控制PLC相连，所述变桨距控制PLC经所述DC/DC直流斩波模块、后备电源模块与所述伺服驱动器相连，所述伺服驱动器的另一端与所述380V交流电源相连，所述伺服驱动器的输出端与所述变桨电机相连。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台，其特征在于，所述加载控制器单元包括加载控制PLC和伺服驱动器。

4.根据权利要求2所述的一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台，其特征在于，所述后备电源模块包括充电机和超级电容模块组。

5.根据权利要求2所述的一种风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台，其特征在于，所述变桨电机为永磁同步电机，带有编码器和刹车盘。

6.一种如权利要求4所述风力发电机组变桨距控制系统综合测试平台的测试方法，其特征在于：

①进行变桨电机位置和转速测试：

所述加载控制PLC接收所述PC机给定的加载信号，通过所述伺服驱动器控制所述负载电机的转速，完成对所述变桨电机的加载；

所述变桨距控制PLC接收所述PC机给定的角度值，通过所述伺服驱动器控制所述变桨电机运转到给定的位置角度；

所述变桨距控制PLC接收所述PC机给定的速度值，通过所述伺服驱动器来控制所述变桨电机，通过所述转矩转速测试仪观察电机转速是否等于给定转速，进行变桨电机位置和转速的测试；

②进行后备电源模块能量测试：

所述充电机对超级电容充电，确认充满后所述超级电容电压为460V；

将待测试侧与电源开关断开，由后备电源模块供电；

确定待测试侧驱动器使能，合上负载侧使能微断；

按下待测试侧控制开关，计时开始，变桨电机开始运行，当电机停止时，立即断开负载端使能，记录电机运行时间，通过测试电机运行时间进行后备电源模块能量的测试；

③进行变桨距控制系统安全链测试：

所述变桨距控制PLC接收所述PC机给定的位置信号，通过所述伺服驱动器控制所述变桨电机运转到给定位置后停止；

按下安全链触发按钮，变桨电机能回到88度位置，进行变桨距控制系统安全链的测试。