CN107781106B - 一种无独立控制器的风力发电机组变桨距系统故障保护方法 - Google Patents

Abstract

一种无独立控制器的风力发电机组变桨距系统故障保护方法。风力发电机组变桨距系统三轴桨叶分别由独立的伺服驱动器控制，三轴伺服驱动器和风力发电机组主控系统通过CANopen网络建立通讯，实现数据交互。三轴桨叶伺服驱动器采集各轴信息判断器件的运行状态，当器件状态异常时触发故障，并将故障标志位上传给主控系统。风力发电机组主控系统发送的紧急顺桨指令后控制各自桨叶执行。

Description

一种无独立控制器的风力发电机组变桨距系统故障保护方法

技术领域

本发明涉及一种无独立控制器风力发电机组变桨距系统故障保护方法。

背景技术

随着经济发展，人口增长，人们生活逐渐趋于现代化，人们对能源的需求量在大幅度增加。目前能源来源主要是石油、煤炭、天然气，而这些能源属于不可再生能源，这些能源的过度使用造成了环境的重度污染，近几年全国各个城市已经出现严重雾霾，这个问题已经引起各地政府和人民的高度重视，而解决环境污染问题的根本就在于找到清洁的可再生能源。

风能作为一种高效、清洁、可再生的能源，越来越受到世界各国的重视，中国新能源战略把大力发展风力发电设为重点。近几年，由于风能的诸多优点以及国家政策的大力支持，国内风力发电行业得到了快速的发展。

风力发电变桨距系统是风力发电机组的执行系统，变桨距系统根据风力发电机组控制指令实时调节叶片和风向之间的角度来实现控制风轮的转速，使得风轮保持恒定转速，进而稳定风机的输出功率。风力发电机一般是在空旷的平原或海上，由于风能的不确定性，风力发电机组受力比较复杂，而变桨距系统内部部件集成度高，结构复杂，在恶劣环境下难免会发生故障，一旦变桨距存在严重故障，而系统不能及时执行安全保护动作时或安全保护机制不完善时，可能会引发灾难性后果，比如风力发电机组倒机，因此变桨距系统具备一个完善的故障检测和故障安全保护机制是非常重要的。

目前传统变桨距系统的结构和电气设计复杂、故障点多且成本较高，软件中对故障的判定和故障保护控制策略较单一，具体分析如下：

传统风力发电机组变桨距系统除了三轴桨叶驱动器外还有一个独立的控制器，该控制器作为风力发电机组主控系统和三轴桨叶伺服驱动器的中转机构，三轴桨叶伺服驱动器信息上传至该控制器，再由该控制器上传至风力发电机组主控系统，风力发电机组主控系统控制指令也先发送给变桨距系统独立控制器，再由变桨距独立控制器发送至三轴桨叶驱动器。

变桨距系统的故障统计、分类以及故障保护控制策略由独立控制器，故障分为断开安全链和不断安全链两类，故障保护方法和策略根据这两类故障设定，具体方法及步骤如下：

断开安全链故障：变桨距系统断开机组安全链，各轴桨叶驱动器选择速度闭环控制模式按照预设的顺桨速度控制桨叶顺桨，直到触发限位开关后通过信号反馈控制电机抱闸停机；

不断安全链故障：变桨系统根据主控发送目标角度，采用位置闭环控制方式控制桨叶达到主控给定停机位置，并控制电机抱闸停机；

以上保护方法的保护策略较单一，在特殊故障，如驱动器故障、编码器故障、电机超速等故障发生时，保护策略有可能失效，失效原因分析如下：

驱动器故障：驱动器发生故障后将封锁IGBT脉冲并停止转矩输出，此时该驱动器控制的桨叶无法执行顺桨。

编码器故障：当编码器故障时，无法执行位置或速度闭环控制，常规顺桨方式失效，这种状态下桨叶状态不可预测，同样，机组处于危险状态，存在很大的隐患；

电机超速故障：当电机超速时，桨叶处于非可控状态，若采用常规方式继续顺桨将有可能导致桨叶飞车。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种无独立控制器风力发电机组变桨距系统及其故障保护方法。本发明可精确定位风力发电机组变桨距系统故障，对故障进行分类，按照故障类别选择不同安全保护策略，使变桨距系统在机组故障或其本身故障情况下安全顺桨。此外，本发明省去了传统变桨距系统的独立控制器，降低了变桨距系统的成本、简化了结构和电气设计，减少了故障点，进而降低了风力发电机组的故障率，使风力发电机组的运行更加稳定。

本发明无独立控制器风力发电机组变桨距系统省去了传统变桨距系统的独立控制器，变桨距三轴桨叶由独立的伺服驱动器控制。三轴桨叶伺服驱动器以CANopen网络建立通讯，实现数据交互。其中风力发电控制系统为主站，变桨距系统三轴桨叶伺服驱动器为从站。

三轴桨叶伺服驱动器采集各自轴状态信息，根据获取的状态信息判断各部件的运行状态，当状态异常时触发故障，并将故障进行归类，设置不同级别故障标志位，上传风力发电机组主控系统。

无独立变桨距系统的故障划分为三类：正常顺桨故障、紧急顺桨故障和停机故障。

当任意一轴桨叶伺服驱动器检测到正常顺桨故障时，向风力发电机组主控系统发送一级故障标志位，风力发电机组主控系统检测到该标志位后，向三轴桨叶伺服驱动器发送控制命令，三轴桨叶伺服驱动器控制各自桨叶到达风力发电机组主控系统给定停机位置，完成机组安全保护。当任意一轴桨叶伺服驱动器检测到紧急顺桨故障时，断开自身故障继电器，使机组安全链断开，同时向风力发电机组主控系统发送二级故障标志。风力发电机组主控系统接收到紧急顺桨故障标志位后，向三轴发送紧急顺桨指令，当其他轴桨叶伺服驱动器检测到机组安全链断开或收到风力发电机组主控系统发送的紧急顺桨指令后，控制各自桨叶执行紧急顺桨。当任意一轴桨叶伺服驱动器检测到停机故障时，断开自身故障继电器，使机组安全链断开，同时向风力发电机组主控系统发送停机故障标志位，风力发电主控系统接收到故障标志位后，向该故障轴桨叶伺服驱动器发送故障复位指令。当故障复位后该故障轴桨叶驱动器执行紧急顺桨，若无法复位时该轴桨叶电机抱闸停机。风力发电主控系统接受到故障标志位后，并向其他两轴桨叶伺服驱动器发送紧急顺桨指令，当其他轴桨叶伺服驱动器检测到机组安全链断开或收到风力发电机组主控系统发送的紧急顺桨指令后，控制各自桨叶执行紧急顺桨。

附图说明

图1是风力发电机组主控系统、变桨距系统硬件架构；

图2是变桨距系统的故障判断及故障保护策略执行流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图所示，风力发电控制系统和无独立控制器变桨距系统三轴桨叶独立由伺服驱动器控制，三轴桨叶伺服驱动器以CANopen网络建立通讯，实现数据交互。其中风力发电控制系统为主站，变桨距系统三轴桨叶伺服驱动器为从站。

变桨距系统桨叶伺服驱动器采集各自轴的状态信息，并完成故障判断和分类，将故障标志位上传给风力发电控制系统，并结合风力发电控制系统发送指令执行故障安全保护。

如图2所示，本发明无独立控制器风力发电机组变桨距系统故障保护方法包括以下步骤：

1)三轴桨叶伺服驱动器采集各轴数字量：断路器、继电器、开关电源、充电器状态等，以及模拟量信号：电机温度、电机转速、电机电流、电机编码器、桨叶编码器角度值等。当信号状态异常时触发故障，并将故障归类，设置不同级别故障标志位，上传风力发电机组主控系统；

2)无独立控制器变桨距系统各轴桨叶伺服驱动器检测的故障归为三类：正常顺桨故障、紧急顺桨故障、停机故障。当正常顺桨故障触发时，无独立控制器变桨距系统故障轴的桨叶伺服驱动器向风力发电机组主控系统发送一级故障标志位，风力发电机组主控系统检测到该标志位后，控制三轴桨叶伺服驱动器行正常顺桨，完成机组安全保护；当紧急顺桨故障触发时，无独立控制器变桨距系统故障轴的桨叶伺服驱动器向风力发电机组主控制系统发送二级故障标志，并断开机组安全链，机组安全链为无独立控制器变桨距系统和风力发电主控系统之间的24V信号回路，24V信号回路由无独立变桨距系统各轴桨叶伺服驱动器故障继电器及其他器件，如急停按钮、超速开关等串联组成，经过滑环到达风力发电机组主控系统，再返回至无独立控制器变桨距系统。

三轴桨叶由各自伺服驱动器独立控制执行紧急顺桨，完成机组安全保护；当停机故障触发时，无独立控制器变桨距系统故障轴桨叶伺服驱动器启动停机故障保护策略，并向风力发电机组主控系统发送当前故障码，同时断开机组安全链，使其他两轴桨叶伺服驱动器控制各自桨叶执行紧急顺桨，完成机组安全保护。

正常顺桨和紧急顺桨的控制策略如下：

正常顺桨：风力发电机组主控系统通过CANopen网络向无独立控制器变桨距系统三轴桨叶伺服驱动器发送目标角度，各轴桨叶伺服驱动器根据目标角度和自身采集的实际桨距角执行位置闭环PID运算控制，控制各自桨叶到达风力发电机组主控系统给定的停机位置，完成机组故障保护；

紧急顺桨：无独立控制器变桨距系统桨叶伺服驱动器通过CANopen网络向风力发电机组主控系统发送二级故障标志位，并断开自身故障继电器，使机组安全链断开，其他两轴桨叶伺服驱动器检测到机组安全链断开时也切换到紧急顺桨模式，在该工况下，三轴轴桨叶伺服驱动器进一步检测电机编码器状态，根据编码器状态选择不同的控制模式：

当电机编码器故障时，选择速度开环控制模式；当电机编码器无故障时，选择速度闭环控制模式；

这两种模式下的电机速度由桨叶伺服驱动器设定，不同之处在于：

速度闭环控制时采用恒速率控制；

速度开环控制时采用加速度启动，当电机实际速度达到软件设定值后，恒速率运行。

停机故障：桨叶伺服驱动器内部故障或电机超速故障触发时，桨叶伺服驱动器通过CANopen网络向风力发电机组主控系统发送当前故障码和电机超速故障标志，风力发电机组主控系统向故障桨叶伺服驱动器发送故障复位信号，故障复位信号模拟方法如下：

风力发电机组主控系统自收到故障桨叶伺服驱动器发送的故障码后，每隔2s产生一个100ms的脉冲，作为故障复位信号，并用脉冲上升沿触发计数器计数，当计数未达到5，故障被复位时，故障桨叶伺服驱动器执行紧急顺桨，当计数值达到5，故障桨叶伺服驱动器故障仍存在时，故障桨叶伺服驱动器控制桨叶电机抱闸停机，待人工检修。

Claims (4)

1.一种无独立控制器的风力发电机组变桨距系统故障保护方法，其特征在于：所述的无独立控制器的风力发电机组变桨距系统的三轴桨叶分别由独立的伺服驱动器控制，三轴桨叶伺服驱动器和风力发电机组主控系统通过CANopen网络建立通讯，实现数据交互；三轴桨叶伺服驱动器采集各自轴状态信息，根据获取的状态信息判断各部件的运行状态，当状态异常时触发故障，并将故障进行归类，设置不同级别故障标志位，上传风力发电机组主控系统；

当任意一轴桨叶伺服驱动器检测到正常顺桨故障时，向风力发电机组主控系统发送一级故障标志位，风力发电机组主控系统检测到该标志位后，向三轴桨叶伺服驱动器发送控制命令，三轴桨叶伺服驱动器控制各自桨叶到达风力发电机组主控系统给定停机位置，完成机组安全保护；当任意一轴桨叶伺服驱动器检测到紧急顺桨故障时，断开自身故障继电器使机组安全链断开，同时向风力发电机组主控系统发送二级故障标志，风力发电机组主控系统接收到紧急顺桨故障标志位后向三轴发送紧急顺桨指令，当其他轴桨叶伺服驱动器检测到机组安全链断开或收到风力发电机组主控系统发送的紧急顺桨指令后控制各自桨叶执行紧急顺桨；当任意一轴桨叶伺服驱动器检测到停机故障时，断开自身故障继电器，使机组安全链断开，同时向风力发电机组主控系统发送停机故障标志位，风力发电主控系统接收到故障标志位后向该故障轴桨叶伺服驱动器发送故障复位指令，向其他两轴桨叶伺服驱动器发送紧急顺桨指令，当故障复位后该故障轴桨叶驱动器执行紧急顺桨，若无法复位时该轴桨叶抱闸停机；当其他轴桨叶伺服驱动器检测到机组安全链断开或收到风力发电机组主控系统发送的紧急顺桨指令后控制各自桨叶执行紧急顺桨。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨距系统故障保护方法，其特征在于：所述的正常顺桨故障、紧急顺桨故障、停机故障发生时的控制策略如下：

正常顺桨故障：风力发电机组主控系统通过CANopen网络向无独立控制器变桨距系统各轴桨叶伺服驱动器发送目标角度，各轴桨叶伺服驱动器根据目标角度和实际桨距角执行位置闭环PID控制桨叶电机，使桨叶到达风力发电机组主控系统给定停机位置，完成机组故障保护；

紧急顺桨故障：无独立控制器变桨距系统桨叶伺服驱动器通过CANopen向风力发电机组主控系统发送二级故障标志位，并断开自身故障继电器使机组安全链断开，使其他两轴也进入到紧急顺桨模式，该模式下各轴桨叶伺服驱动器进一步检测电机编码器状态而选择不同的控制模式：

当电机编码器故障时，选择速度开环控制模式；当电机编码器无故障时，选择速度闭环控制模式；

停机故障：

1)桨叶伺服驱动器故障：伺服驱动器内部检测，报出故障码；桨叶伺服驱动器通过CANopen网络向风力发电机组主控系统发送故障码风力发电机组主控系统向故障桨叶伺服驱动器发送故障复位指令，向其他非故障轴桨叶伺服驱动器发送紧急顺桨指令；

2)电机超速故障：当桨叶电机运行速度超过设定最大速度的1.2倍时，触发电机超速故障；桨叶伺服驱动器通过CANopen网络向风力发电机组主控系统发送电机超速标志位，风力发电机组主控系统向电机超速轴桨叶伺服驱动器发送指令，控制该轴桨叶电机立刻抱闸停机，同时向其他非故障轴桨叶伺服驱动器发送紧急顺桨指令。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组变桨距系统故障保护方法，其特征在于：所述的速度闭环控制时采用恒速率控制；速度开环控制时采用加速度启动，当电机实际速度达到设定值后，恒速率运行。

4.根据权利要求2所述的风力发电机组变桨距系统故障保护方法，其特征在于：所述的故障复位指令发送方法如下：

风力发电机组主控系统检测到桨叶伺服驱动器故障时刻起每隔2s产生一个100ms的脉冲作为故障复位信号，并用脉冲上升沿触发计数器计数，故障被复位时停止复位，故障轴桨叶驱动器执行紧急顺桨，当故障复位次数大于5次故障仍存在时控制电机抱闸停机。