CN104597893A - 一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，滤波单元、开关电源模块均连接电网三相交流电源，PLC控制器与开关电源模块、伺服驱动器相连接，伺服驱动器与加载伺服电机相连，待测风电机组的变桨电机的变桨控制柜与电网模拟器相连，扭矩传感器两端分别连接加载伺服电机和待测变桨电机，扭矩传感器的信号反馈线路接入PLC控制器模块。本发明PLC控制器的风机桨叶载荷等参数的输入，由伺服驱动器控制加载伺服电机施以一定数值的反扭矩，模拟风场桨叶载荷对待测变桨电机输出转矩的影响，有效解决大型风机电动变桨系统地面调试的现场工况模拟问题，提高变桨系统的调试真实度和可靠度。

Description

一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统及方法，属于新能源智能发电技术领域。

背景技术

电动变桨控制系统安装在风机轮毂内部，通过驱动电机转动调节风机叶片桨距角来改变桨叶对风的受力情况，从而调节风力发电机的转速，用于保障风机桨叶安全稳定的运行，避免当风场风速过大对风机造成较大冲击的风机设备，已广泛应用于兆瓦级风电机组。

电动变桨控制系统主要由三个轴控制系统、后备电源模块和三个伺服电机组成，实现了三桨叶的独立变桨控制。在正常运行时，风机主控根据即时风速计算桨距角，电动变桨控制系统驱动桨叶转至该角度。当出现电网失电或电压跌落、安全链断开、与主控通讯失联等危及风机安全运行的严重故障时，电动变桨控制系统会切换到紧急顺桨模式，伺服电机驱动桨叶快速顺桨到90°位置，实现安全停机。

由于电动变桨控制系统的稳定可靠对风机安全运行至关重要，故而对其生产成品后的地面模拟测试作用也凸显出来。以往电动变桨设备调试工作多是针对设备中的各器件做电气测试，而在静态调试中无法模拟电网故障、安全链断开和与主控通讯失联等意外故障发生时变桨设备的动作情况；针对变桨电机的测试由于条件所限只能静态空转，而风电现场的工作实况中，变桨电机将带动自重较大且承受风力的桨叶转动，变桨电机的机械性能成为保证电动变桨设备可靠运行的重要指标，静态空转无法真实体现的。

发明内容

为克服上述测试缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统及方法。

本发明技术方案如下：

一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，包括PLC控制器、扭矩传感器、电网模拟器、滤波单元、开关电源模块、伺服驱动器和加载伺服电机；

滤波单元、开关电源模块均连接电网三相交流电源，PLC控制器与开关电源模块、伺服驱动器相连接，伺服驱动器与滤波单元、加载伺服电机相连，待测风电机组的变桨电机的变桨控制柜与电网模拟器相连，扭矩传感器两端分别连接加载伺服电机和待测变桨电机，扭矩传感器的信号反馈线路接入PLC控制器模块。

PLC控制器用于输出模拟负载转矩信号和采集加载电机实时状态数值；扭矩传感器用于反馈实时扭矩和转速信息；电网模拟器用于电网故障模拟；滤波单元用于滤除加载控制柜的电网谐波；开关电源模块用于提供直流电(一般为DC24V)供PLC控制器使用；伺服驱动器用于闭环控制永磁同步电机和反馈转矩信号；加载伺服电机(M)用于提供模拟负载转矩。

PLC控制器、滤波单元、开关电源模块、伺服驱动器设置在测试系统的控制柜内，控制柜外设有加载电机平台和电网模拟器，扭矩传感器连接待测风电机组的变桨电机，电网模拟器连接待测风电机组的变桨控制柜，通过PLC控制器输出设定扭矩信号，通过伺服驱动器驱动加载伺服电机以设定扭矩转动，由于加载伺服电机与待测变桨电机通过同轴对接并安装在金属支撑台上，故加载电机此时的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，以此模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。

加载伺服电机与待测变桨电机通过扭矩传感器同轴对接。并安装在支撑台上，故加载电机此时的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，以此模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。

PLC控制器包括CPU、开入模块、开出模块、模入模块、模出模块、通讯模块及SSI模块，开入模块、开出模块、模入模块、模出模块、通讯模块及SSI模块均与CPU相连接，PLC控制器具有输出模拟负载转矩信号、采集加载电机实时转速、转矩等功能。

扭矩传感器的两端通过同轴对接，扭矩传感器的两端分别与加载伺服电机和待测变桨电机相连接，由扭矩传感器的信号转换器将扭矩信号和转速信号转换为电压信号，并反馈到PLC控制器的模入模块，从而显示模拟负载扭矩的实时信息。

电网模拟器的输入端接电网三相电，输出端输出三相四线交流电信号。

电网模拟器的输出端的交流电作为变桨控制柜的输入电源，通过电网模拟器的参数设置实现电网电压偏差、电力系统频率偏差、电网电压波动和闪变、电网谐波电压、三相电压不平衡和低电压穿越。

滤波单元设置在电网三相交流(AC230V)回路，用于滤除电网谐波，保证伺服驱动器和开关电源的用电安全。

较优地，开关电源模块输出电压为24VDC、输出电流12A、功率为250W，为PLC控制器供电。

一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试方法，包括以下步骤，

S1，扭矩传感器连接待测风电机组的变桨电机，电网模拟器连接待测风电机组的变桨控制柜；

S2，将待测变桨电机与加载伺服电机通过扭矩传感器同轴对接，变桨控制柜由电网模拟器供电；

S3，扭矩传感器的信号输出接到PLC控制器的模入模块，PLC控制器的开出模块和模出模块引出接线接入伺服驱动器；

S4，伺服驱动器的输出端输出三相400V电压，伺服驱动器6的驱动信号由航空插头接到加载伺服电机接口处；

S5，滤波单元将电网电源的谐波滤除后，将滤波后的的电源输送给伺服驱动器和开关电源模块；

S6，开关电源模块将交流电整流为直流电源(24VDC)供PLC控制器使用；

S7，电网模拟器输入电压为三相交流电(电网电压380VAC)，电网模拟器3直接接入电网；

S8，PLC控制器输出设定扭矩信号，通过伺服驱动器驱动加载伺服电机以此设定扭矩转动；

S9，加载伺服电机上的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，实现模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。由于加载伺服电机与待测变桨电机通过同轴对接并安装在金属支撑台上，故加载电机此时的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，以此模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。

相比与现有技术，本发明具有以下优点，

本发明提供一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，通过系统中PLC控制器的风机桨叶载荷等参数的输入，由伺服驱动器控制加载伺服电机施以一定数值的反扭矩，从而模拟风场桨叶载荷对待测变桨电机输出转矩的影响，可有效解决大型风机电动变桨系统地面调试的现场工况模拟问题，提高变桨系统的调试真实度和可靠度。

进一步地，通过电网模拟器的参数设置，可以模拟电网供电电压偏差、电力系统频率偏差、电网电压波动和闪变、电网谐波电压、三项电压不平衡等电网故障，有效检测变桨系统的应变能力。

附图说明

图1为本发明一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，包括：用于输出模拟负载转矩信号和采集加载电机实时状态数值的PLC控制器1；用于反馈实时扭矩和转速信息的扭矩传感器2；用于电网故障模拟的电网模拟器3；用于滤除加载控制柜电网谐波的(进线)滤波单元4；用于提供DC24V供PLC使用的开关电源模块5；用于闭环控制永磁同步电机和反馈转矩信号的伺服驱动器6；用于提供模拟负载转矩的加载伺服电机(M)7。

滤波单元4、开关电源模块5均连接电网三相交流电源，PLC控制器1与开关电源模块5、伺服驱动器6相连接，伺服驱动器6与滤波单元4、加载伺服电机7相连，待测风电机组的变桨电机的变桨控制柜与电网模拟器3相连，扭矩传感器2两端分别连接加载伺服电机7和待测变桨电机，扭矩传感器2的信号反馈线路接入PLC控制器1模块。

PLC控制器1、滤波单元4、开关电源模块5、伺服驱动器6设置在测试系统的控制柜内，控制柜外设有加载电机平台和电网模拟器3，扭矩传感器2连接待测风电机组的变桨电机，电网模拟器3连接待测风电机组的变桨控制柜，通过PLC控制器1输出设定扭矩信号，通过伺服驱动器6驱动加载伺服电机7以设定扭矩转动，由于加载伺服电机与待测变桨电机通过同轴对接并安装在金属支撑台上，故加载电机此时的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，以此模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。

加载伺服电机7与待测变桨电机通过扭矩传感器2同轴对接。并安装在支撑台上，故加载电机此时的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，以此模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。

PLC控制器1包括CPU、开入模块、开出模块、模入模块、模出模块、通讯模块及SSI模块，开入模块、开出模块、模入模块、模出模块、通讯模块及SSI模块均与CPU相连接，PLC控制器1具有输出模拟负载转矩信号、采集加载电机实时转速、转矩等功能。

扭矩传感器2的两端通过同轴对接，扭矩传感器2的两端分别与加载伺服电机7和待测变桨电机相连接，由扭矩传感器2的信号转换器将扭矩信号和转速信号转换为电压信号，并反馈到PLC控制器的模入模块，从而显示模拟负载扭矩的实时信息。

电网模拟器3的输入端接电网三相电，输出端输出三相四线交流电信号；电网模拟器3的具体参数为：A/B/C相为可调0-320V电压，频率45-99.999Hz，最大相电流140A，波峰因数3:1，延迟时间2ms；

电网模拟器3的输出端的交流电作为变桨控制柜的输入电源，通过电网模拟器3的参数设置实现电网电压偏差、电力系统频率偏差、电网电压波动和闪变、电网谐波电压、三相电压不平衡和低电压穿越。

滤波单元4设置在电网三相交流(AC230V)回路，用于滤除电网谐波，保证伺服驱动器和开关电源的用电安全。

开关电源模块5输出电压为24VDC、输出电流12A、功率为250W，为PLC控制器供电。

一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试方法，包括以下步骤，

S1，扭矩传感器2连接待测风电机组的变桨电机，电网模拟器3连接待测风电机组的变桨控制柜；

S2，将待测变桨电机与加载伺服电机7通过扭矩传感器2同轴对接，变桨控制柜由电网模拟器3供电；

S3，扭矩传感器2的信号输出接到PLC控制器1的模入模块，PLC控制器1的开出模块和模出模块引出接线接入伺服驱动器6；

S4，伺服驱动器6的输出端输出三相400V电压，伺服驱动器6的驱动信号由航空插头接到加载伺服电机7接口处；

S5，滤波单元4将电网电源的谐波滤除后，将滤波后的的电源输送给伺服驱动器6和开关电源模块5；

S6，开关电源模块5将220V交流电整流为24VDC电供PLC控制器使用；

S7，电网模拟器3输入电压为三相380VAC，电网模拟器3直接接入电网。

S8，PLC控制器1输出设定扭矩信号，通过伺服驱动器6驱动加载伺服电机7以此设定扭矩转动；

S9，加载伺服电机上的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，实现模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。由于加载伺服电机与待测变桨电机通过同轴对接并安装在金属支撑台上，故加载电机此时的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，以此模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。

即本发明的工作过程：

如图1所示，由变桨控制柜和待测变桨电机组成的变桨控制系统进行地面测试时，将待测变桨电机与加载伺服电机7通过扭矩传感器2同轴对接，变桨控制柜由电网模拟器3供电；扭矩传感器2的信号输出接到PLC控制器1的模入模块，而PLC控制器1的开出和模出模块引出接线接入伺服驱动器6，伺服驱动器6的输出端输出三相400V电压和驱动信号由航空插头接到加载伺服电机7接口处；滤波单元4将电网电源的谐波滤除后，将高质量的电源输送给伺服驱动器6和开关电源模块5；开关电源模块5将220VAC电整流为24VDC电供PLC控制器1使用；电网模拟器3输入电压为三相380VAC，可直接接入电网。

当需要测试待测变桨电机的工况性能时，通过外接PC机的人机界面设置加载伺服电机的转矩，设置数值可根据风场风机桨叶的具体参数计算得到，人机界面设置的参数通过PLC控制器1的以太网通讯接口输入，通过模出功能传输给伺服驱动器并驱动加载伺服电机以设定扭矩旋转，通过扭矩传感器同轴对接的待测变桨电机收到开桨或收桨等指令转动时，就会有与其转动方向相反的扭矩，从而实现模拟风电现场工况下工作的功能，此时待测变桨电机承受的实际扭矩和电机转速通过扭矩传感器反馈到PLC控制器1，并呈现在PC机的人机界面，用以比较设定值和实际值的误差。

当需要测试变桨控制系统应对电网故障功能时，可通过电网模拟器触摸屏的人机界面设置实现，可满足电网电压偏差、电力系统频率偏差、电网电压波动和闪变、电网谐波电压、三相电压不平衡和低电压穿越等测试要求。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，包括PLC控制器、扭矩传感器、电网模拟器、滤波单元、开关电源模块、伺服驱动器和加载伺服电机；

所述滤波单元、开关电源模块均连接电网三相交流电源，PLC控制器与开关电源模块、伺服驱动器相连接，所述伺服驱动器与滤波单元、加载伺服电机相连，待测风电机组的变桨电机的变桨控制柜与电网模拟器相连，所述扭矩传感器两端分别连接加载伺服电机和待测变桨电机，扭矩传感器的信号反馈线路接入PLC控制器。

2.根据权利要求1所述的一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，

所述PLC控制器用于输出模拟负载转矩信号和采集加载电机实时状态数值；

扭矩传感器用于反馈实时扭矩和转速信息；

电网模拟器用于电网故障模拟；

滤波单元用于滤除加载控制柜的电网谐波；

开关电源模块用于提供电源供PLC控制器使用；

伺服驱动器用于闭环控制永磁同步电机和反馈转矩信号；

加载伺服电机用于提供模拟负载转矩。

3.根据权利要求1所述的一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，

所述PLC控制器、滤波单元、开关电源模块、伺服驱动器设置在测试系统的控制柜内，控制柜外设有加载电机平台和电网模拟器，所述扭矩传感器连接待测风电机组的变桨电机，所述电网模拟器连接待测风电机组的变桨控制柜，通过PLC控制器输出设定扭矩信号，伺服驱动器驱动加载伺服电机以所述设定扭矩转动。

4.根据权利要求1所述的一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，

所述加载伺服电机与待测变桨电机通过扭矩传感器同轴对接，并安装在支撑台上。

5.根据权利要求1所述的一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，

所述PLC控制器包括CPU、开入模块、开出模块、模入模块、模出模块、通讯模块及SSI模块，PLC控制器具有输出模拟负载转矩信号，采集加载电机实时转速、转矩功能。

6.根据权利要求1所述的一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，

所述扭矩传感器的两端通过同轴对接，所述扭矩传感器的两端分别与加载伺服电机和待测变桨电机相连接，扭矩传感器的信号转换器将扭矩信号和转速信号转换为电压信号，反馈到PLC控制器的模入模块，显示模拟负载扭矩的实时信息。

7.根据权利要求1所述的一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，

所述电网模拟器的输入端接电网三相电，输出端输出三相四线交流电信号；电网模拟器的输出端的交流电作为变桨控制柜的输入电源，通过电网模拟器的参数设置实现电网电压偏差、电力系统频率偏差、电网电压波动和闪变、电网谐波电压、三相电压不平衡和低电压穿越。

8.根据权利要求1所述的一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，

所述滤波单元设置在电网三相交流回路，用于滤除电网谐波，保证伺服驱动器和开关电源的用电安全。

9.根据权利要求1所述的一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试系统，其特征在于，

所述开关电源模块输出电压为24VDC、输出电流12A、功率为250W，为PLC控制器供电。

10.一种适用于兆瓦级风电机组电动变桨测试方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1，扭矩传感器连接待测风电机组的变桨电机，所述电网模拟器连接待测风电机组的变桨控制柜；

S2，将待测变桨电机与加载伺服电机通过扭矩传感器同轴对接，变桨控制柜由电网模拟器供电；

S3，扭矩传感器的信号输出接到PLC控制器的模入模块，PLC控制器的开出模块和模出模块引出接线接入伺服驱动器；

S4，伺服驱动器的输出端输出三相电压，伺服驱动器的驱动信号接到加载伺服电机接口处；

S5，滤波单元将电网电源的谐波滤除后，将滤波后的电源输送给伺服驱动器和开关电源模块；

S6，开关电源模块将交流电整流为直流电源供PLC控制器使用；

S7，电网模拟器接入电网；

S8，PLC控制器输出设定扭矩信号，通过伺服驱动器驱动加载伺服电机7以设定扭矩转动；

S9，加载伺服电机上的转矩形成对变桨电机转动方向的反向力矩，实现模拟工况下风机桨叶及其联动机构的负载力矩。