CN105041566B - 风力发电机及其液压偏航装置控制系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机及其液压偏航装置控制系统、方法。该控制系统包括：区域检测装置，用于检测所述油缸位于第一区域还是第二区域；偏航方向检测装置，用于检测当前偏航方向；换向电磁阀和控制器，所述换向电磁阀用于控制所述油缸换向，所述控制器连接所述区域检测装置及偏航方向检测装置，并根据检测结果向所述换向电磁阀发送控制信号。本发明还可包括最大行程检测装置和最小行程检测装置。本发明控制简单，对位精准，此外还可降低系统冲击。

Description

风力发电机及其液压偏航装置控制系统、方法

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，具体地说，涉及一种风力发电机液压偏航装置控制系统、方法，以及设置有该系统的风力发电机。

背景技术

风力发电机是利用风能发电的设备，风力发电机组通常由叶轮、传动系统、发电机、偏航与变桨控制系统等主要部分组成。其中偏航系统是风力发电机组的核心部分，其性能好坏直接影响风机效率。

目前市场上风机偏航系统以电机驱动方式为主，由于电机自身的特点，不能频繁进行启动与停止，因此当风向发生变化时，通常需等机舱位置与风向偏差达到一定角度后才启动电机实现偏航，风能利用效率低。

针对电机驱动偏航系统的弱点，相关领域内的技术人员开始研究液压偏航驱动方式。传统的液压偏航系统采用液压马达的驱动方式，通过液压站为马达提供动力源，根据机舱与风向的偏差控制换向阀，使马达正转或反转，从而驱动机架偏航。由于液压马达无法直接驱动偏航系统，通常需与减速机配合驱动，减速机的成本较高，维护性较差，因此相关领域内技术人员开始考虑油缸驱动方式的液压偏航系统。

图1是一种常见的油缸驱动偏航装置的结构示意图。在回转支撑的大齿轮1圆周上均匀布置与之啮合的小齿轮2(数量为四个或其它可能)，小齿轮2的中心轴连接一曲柄3，曲柄3与油缸4的一端(如活塞杆端)连接，油缸4的另一端设置在机架上。通过控制油缸4的伸缩动作，将油缸4的直线往复运动转化为曲柄3、齿轮机构的圆周运动，进而实现偏航。

前述油缸驱动偏航装置的优点是结构简单，可靠性强，驱动力大，成本低，维护性好，但控制系统比马达方式复杂，在偏航过程中需控制各油缸准确的伸缩与换向，保证各油缸动作的协同匹配，减少油缸动作对机组的冲击。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种风力发电机液压偏航装置的控制系统，以解决现有技术中油缸协同控制困难的难题。

本发明的风力发电机液压偏航装置的控制系统，用于包括油缸、曲柄、齿轮的液压偏航装置中，所述曲柄连接于所述油缸与所述齿轮之间，所述油缸的轴线与所述齿轮的中心线对齐时作为分界线，所述分界线二侧分别为第一区域和第二区域，所述控制系统包括：

区域检测装置，用于检测所述油缸位于第一区域还是第二区域；

偏航方向检测装置，用于检测当前偏航方向；

换向电磁阀和控制器，所述换向电磁阀用于控制所述油缸换向，所述控制器连接所述区域检测装置及偏航方向检测装置，并根据检测结果向所述换向电磁阀发送控制信号。

进一步地，所述控制系统还包括：

最大行程检测装置，用于检测所述油缸是否位于最大行程；

最小行程检测装置，用于检测所述油缸是否位于最小行程；

所述控制器还连接所述最大行程检测装置和最小行程检测装置。

进一步地，所述换向电磁阀包括三个工作位，分别为使油缸伸出的第一位，使油缸缩回的第二位，以及使油缸的有杆腔和无杆腔连通的中位。

进一步地，所述区域检测装置包括：区域位置开关，以及与所述区域位置开关配合工作的感应盘，所述区域位置开关位于所述第一区域或第二区域，并与所述齿轮的中心线对齐，所述感应盘为半圆形并设置于所述曲柄上。

进一步地，所述最大行程检测装置包括第一位置开关，所述最小行程检测装置包括第二位置开关，所述第一位置开关和第二位置开关与第一感应块配合工作，所述第一位置开关和第二位置开关位于所述分界线上，所述第一感应块位于所述曲柄上与油缸连接的一端。

进一步地，所述最大行程检测装置包括第三位置开关，所述最小行程检测装置包括第四位置开关，所述第三位置开关和第四位置开关设置于油缸的缸筒上，且所述第三位置开关和第四位置开关与设置于活塞上的第二感应块配合工作。

本发明的另一个方面，还提供一种风力发电机，包括液压偏航装置，所述风力发电机还包括前述任一项的控制系统。

本发明的又一个方面，还提供一种风力发电机液压偏航装置的控制方法，用于包括油缸、曲柄、齿轮的液压偏航装置中，所述曲柄连接于所述油缸与所述齿轮之间，所述油缸的轴线与所述齿轮的中心线对齐时作为分界线，所述分界线二侧分别为第一区域和第二区域，所述控制方法包括以下步骤：

检测所述油缸位于第一区域还是第二区域；

检测当前偏航方向；

根据检测结果控制换向电磁阀的动作。

进一步地，所述控制方法还包括以下步骤：

检测所述油缸是否位于最大行程或最小行程；

如果检测结果为是，控制换向电磁阀切换至使油缸的有杆腔和无杆腔连通的工作位。

进一步地，先检测所述油缸是否位于最大行程或最小行程，再检测所述油缸位于第一区域还是第二区域。

本发明的风力发电机及其液压偏航装置的控制系统，将油缸相对于齿轮的位置分为第一区域和第二区域，通过检测油缸位于第一区域还是第二区域，并根据当前偏航方向，可控制换向电磁阀换向，进而实现油缸的伸缩以实现对风，整个过程控制简单，对位精准。

在进一步的技术方案中，本发明还检测油缸是否位于最大行程或最小行程，在最大与最小行程时，使油缸的有杆腔和无杆腔连通后浮动，在其它油缸驱动力下随动，避免了换向点的冲击力。

另外，本发明在偏航启动、停止及油缸换向时，可调节换向电磁阀的电流，进而控制油缸动作速度，能减小系统冲击，使系统平稳运行，并可大大提高机组的零部件使用寿命。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是一种常见的油缸驱动偏航装置的结构示意图；

图2a是本发明一实施例的控制系统在第一位置的状态图；

图2b是本发明一实施例的控制系统在第二位置的状态图；

图2c是本发明一实施例的控制系统在第三位置的状态图；

图3是本发明一实施例的控制系统的结构框图；

图4是本发明另一实施例的控制系统的结构示意图；

图5是本发明一实施例的控制方法的流程图。

附图标记说明：

大齿轮-1 小齿轮-2

曲柄-3 油缸-4

区域检测装置-5 偏航方向检测装置-6

换向电磁阀-7 控制器-8

最大行程检测装置-9 最小行程检测装置-10

区域位置开关-51 感应盘-52

第一感应块-80 第一位置开关-81

第二位置开关-82 第三位置开关-83

第四位置开关-84 第二感应块-85

分界线-L

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”主要用于区分不同的部件，但不对部件进行具体限制。鉴于油缸与气缸结构上的类似性，如有可能，气缸可作为本申请油缸的等同特征。本申请所指各处位置的限定，如“位于分界线上”，“与中心线对齐”等实际上是指包含本领域技术人员理解的偏差范围内的位置。

图2a-2c所示是本发明一实施例的控制系统的工作状态图，其中图2a所示为第一位置，图2b所示为第二位置，图2c所示为第三位置。图3是本发明一实施例的控制系统的结构框图。

参考以上各图，本发明实施例的控制系统用于液压偏航装置中，该偏航装置不同于现有的电机驱动偏航系统，也不同于现有的液压马达驱动偏航系统，其采用油缸4驱动的方式，主要包括油缸4、曲柄3及齿轮，该曲柄3连接于油缸4与齿轮之间。

齿轮的数量可以为四个或其它可能，可均匀布置在回转支撑的大齿轮1圆周上。齿轮的中心轴连接曲柄3，曲柄3与油缸4的一端(如活塞杆端)连接，油缸4的另一端设置在机架上。通过控制油缸4的伸缩动作，将油缸4的直线往复运动转化为曲柄3、齿轮机构的圆周运动，进而实现偏航。

该实施例将油缸4的轴线与齿轮的中心线对齐时作为分界线L，分界线L二侧分别为第一区域和第二区域。就图2a-2c所示的方位而言，可将分界线L上侧定义为第一区域，分界线L下侧定义为第二区域。图2a所示的第一位置时，油缸4位于第一区域；图2b所示的第二位置时，油缸4位于分界线L上；图2c所示的第三位置时，油缸4位于第二区域。

为了进行油缸4动作的控制，该控制系统至少包括区域检测装置5、偏航方向检测装置6、换向电磁阀7和控制器8。其中，区域检测装置5用于检测油缸4位于第一区域还是第二区域。如果需要控制齿轮逆时针转动，在图2a所示的第一位置时需将油缸4缩回，而在图2c所示的第三位置时则需将油缸4伸出。因而该区域检测装置5对油缸4换向动作的控制至关重要。

区域检测装置5可为多种可能结构，优选包括区域位置开关51，以及与该区域位置开关51配合工作的感应盘52，区域位置开关51位于第一区域或第二区域，并与齿轮的中心线对齐，感应盘52为半圆形并设置于曲柄3上。该区域位置开关51优选为非接触式的接近开关，感应盘52的圆周与其接近或远离时，该接近开关改变得失电状态。当然，该区域位置开关51也可以为接触式的行程开关，或者其它选择。

优选感应盘52的中心圆点位于齿轮的中心线上。在图2a-2c所示的实施例中，区域位置开关51位于第二区域，当油缸4位于第一区域时，感应盘52远离区域位置开关51，此时该开关失电；当油缸4位于第二区域时，感应盘52靠近区域位置开关51，此时该开关得电。

偏航方向检测装置6用于检测当前偏航方向，其可以检测机舱与风向，并根据二者的偏差确定偏航方向为顺时针还是逆时针。该偏航方向检测装置6可以采用多种可能的结构，具体可参考现有及改进的技术。

换向电磁阀7用于控制油缸4换向，其接收来自控制器8的控制信号。换向电磁阀7可为三位四通阀或其它可能结构，优选包括三个工作位，分别为使油缸4伸出的第一位，使油缸4缩回的第二位，以及使油缸4的有杆腔和无杆腔连通的中位。

此外，本发明还可调节换向电磁阀7的电流，进而控制油缸4动作速度，能减小系统冲击，使系统平稳运行，并可大大提高机组的零部件使用寿命。

控制器8连接区域检测装置5及偏航方向检测装置6，并根据检测结果向换向电磁阀7发送控制信号。根据区域检测及偏航方向的检测结果，控制器8可确定需要转动的方向和位移，进而转化为控制信号输出，从而实现油缸4的伸缩以实现对风，整个过程控制简单，对位精准。

在进一步的技术方案中，当油缸4运动到最大行程或最小行程时，要改变伸缩运动方向，否则该油缸4的推力或拉力与其它几个油缸4的驱动力方向相反，成为阻力。该实施例还包括最大行程检测装置9、最小行程检测装置10。该最大行程检测装置9用于检测油缸4是否位于最大行程，该最小行程检测装置10用于检测油缸4是否位于最小行程，它们也均与控制器8连接。

在检测到油缸4在最大或最小行程时，即油缸4位于分界线L上时，可控制换向电磁阀7使油缸4的有杆腔和无杆腔连通后浮动，在其它油缸4驱动力下随动，避免了换向点的冲击力。

最大行程检测装置9和最小行程检测装置10可为同一部件或为单独的部件，此外它们可以共用部分结构。作为一种优选实施例，参考图2a-2c，最大行程检测装置9包括第一位置开关81，最小行程检测装置10包括第二位置开关82，第一位置开关81和第二位置开关82与第一感应块80配合工作，第一位置开关81和第二位置开关82位于分界线L上，第一感应块80位于曲柄3上与油缸4连接的一端。该第一感应块80为共用部件，第一位置开关81和第二位置开关82可为非接触式的接近开关或接触式的行程开关，或者其它可能。为避免相互干涉，该第一感应块80可与前述感应盘52位于上下错开的位置。

作为另一种优选实施例，参考图4，最大行程检测装置9包括第三位置开关83，最小行程检测装置10包括第四位置开关84，第三位置开关83和第四位置开关84设置于油缸4的缸筒上，且第三位置开关83和第四位置开关84与设置于活塞上的第二感应块85配合工作，同样可以实现本发明的技术效果。前述第二感应块85可以为环状结构，并可直接或间接设置于活塞上。图4中其它部分的结构与前述实施例基本相同，具体可以参考前述说明。

为了进一步说明本发明的控制系统，具体还可参考图5所示的控制方法流程图，包括以下步骤：

检测油缸4位于第一区域还是第二区域；

检测当前偏航方向；

根据检测结果控制换向电磁阀7的动作。

根据区域检测及偏航方向的检测结果，控制器8可确定需要转动的方向和位移，进而转化为控制信号输出，从而实现油缸4的伸缩以实现对风，整个过程控制简单，对位精准。

此外，为了在油缸4运动到最大行程或最小行程时，避免其对其它油缸4造成阻力，图5所示的控制方法还包括以下步骤：

检测油缸4是否位于最大行程或最小行程；

如果检测结果为是，控制换向电磁阀7切换至使油缸4的有杆腔和无杆腔连通的工作位。

在最大或最小行程时，油缸4位于分界线L上，通过使有杆腔和无杆腔连通后浮动，在其它油缸4驱动力下随动，避免了换向点的冲击力。

此外，优选前述控制方法中，先检测油缸4是否位于最大行程或最小行程，再检测油缸4位于第一区域还是第二区域，优先避免了油缸4在换向点对系统的冲击，使系统平稳运行，并可大大提高机组的零部件使用寿命。

除了前述实施例的控制系统外，本发明还提供了一种设置有前述控制系统的风力发电机。前述控制系统用于该风力发电机的液压偏航装置中。该风力发电机的其它结构可参考现有及改进的技术，本文对此不进行赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机液压偏航装置的控制系统，用于包括油缸(4)、曲柄(3)、齿轮的液压偏航装置中，所述曲柄(3)连接于所述油缸(4)与所述齿轮之间，所述油缸(4)的轴线与所述齿轮的中心线对齐时作为分界线(L)，所述分界线(L)二侧分别为第一区域和第二区域，其特征在于，所述控制系统包括：

区域检测装置(5)，用于检测所述油缸(4)位于第一区域还是第二区域；

偏航方向检测装置(6)，用于检测当前偏航方向；

换向电磁阀(7)和控制器(8)，所述换向电磁阀(7)用于控制所述油缸(4)换向，所述控制器(8)连接所述区域检测装置(5)及偏航方向检测装置(6)，并根据检测结果向所述换向电磁阀(7)发送控制信号。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：

最大行程检测装置(9)，用于检测所述油缸(4)是否位于最大行程；

最小行程检测装置(10)，用于检测所述油缸(4)是否位于最小行程；

所述控制器(8)还连接所述最大行程检测装置(9)和最小行程检测装置(10)。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述换向电磁阀(7)包括三个工作位，分别为使油缸(4)伸出的第一位，使油缸(4)缩回的第二位，以及使油缸(4)的有杆腔和无杆腔连通的中位。

4.根据权利要求1-3任一项所述的控制系统，其特征在于，所述区域检测装置(5)包括：区域位置开关(51)，以及与所述区域位置开关(51)配合工作的感应盘(52)，所述区域位置开关(51)位于所述第一区域或第二区域，并与所述齿轮的中心线对齐，所述感应盘(52)为半圆形并设置于所述曲柄(3)上。

5.根据权利要求2或3所述的控制系统，其特征在于，所述最大行程检测装置(9)包括第一位置开关(81)，所述最小行程检测装置(10)包括第二位置开关(82)，所述第一位置开关(81)和第二位置开关(82)与第一感应块(80)配合工作，所述第一位置开关(81)和第二位置开关(82)位于所述分界线(L)上，所述第一感应块(80)位于所述曲柄(3)上与油缸(4)连接的一端。

6.根据权利要求2或3所述的控制系统，其特征在于，所述最大行程检测装置(9)包括第三位置开关(83)，所述最小行程检测装置(10)包括第四位置开关(84)，所述第三位置开关(83)和第四位置开关(84)设置于油缸(4)的缸筒上，且所述第三位置开关(83)和第四位置开关(84)与设置于活塞上的第二感应块(85)配合工作。

7.一种风力发电机，包括液压偏航装置，其特征在于，所述风力发电机还包括权利要求1-6任一项所述的控制系统。

8.一种风力发电机液压偏航装置的控制方法，用于包括油缸(4)、曲柄(3)、齿轮的液压偏航装置中，所述曲柄(3)连接于所述油缸(4)与所述齿轮之间，所述油缸(4)的轴线与所述齿轮的中心线对齐时作为分界线(L)，所述分界线(L)二侧分别为第一区域和第二区域，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

检测所述油缸(4)位于第一区域还是第二区域；

检测当前偏航方向；

根据检测结果控制换向电磁阀(7)的动作。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括以下步骤：

检测所述油缸(4)是否位于最大行程或最小行程；

如果检测结果为是，控制换向电磁阀(7)切换至使油缸(4)的有杆腔和无杆腔连通的工作位。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，先检测所述油缸(4)是否位于最大行程或最小行程，再检测所述油缸(4)位于第一区域还是第二区域。