CN108869144B - 一种用于潮流能发电机组的变桨控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种潮流能发电机组变桨控制系统,其包括至少两个并联的变桨控制单元。各个所述变桨控制单元相互独立地控制各自对应的永磁同步电机,并分别接收来自外部的潮流能发电机组主控装置的指令和根据所述指令执行相应的变桨操作。其中一个所述变桨控制单元中设置有以太网交换机,所述以太网交换机能与所述潮流能发电机组主控装置通信,其他的所述变桨控制单元以能通信的方式连接到所述以太网交换机。本发明可以在不升出水面的情况下对变桨系统进行控制程序升级、故障诊断与复位等远程维护,避免机组升出水面等大量的工作量和故障停机时间;实现0°‑90°和180°‑270°大范围变桨动作,使机组涨潮落潮均可发电;实现独立变桨,减少塔影效应的影响。
Description
技术领域
本发明属于海洋潮流能发电技术领域,尤其涉及一种水平轴潮流能发电机组变桨控制系统。
背景技术
海洋潮流能资源是可再生清洁能源之一,我国沿岸海岛附近蕴藏丰富。随着潮流能发电机组的装机容量从小到大,小桨叶向大桨叶逐渐发展,定桨距系统已经很难满足潮流能发电机组的控制要求。
潮流能发电机组变桨系统是一种安装于潮流能发电机组轮毂内的伺服驱动系统,通过接受机组主控的位置指令来改变桨叶的角距,以达到使叶轮更好地捕获海流动能的目的。潮流能发电机组平时在水下运行,且水平轴潮流能发电机组不能偏航。由于其特殊性,若发生不可复位故障,需要升出水面拆开密封盖后进行维修、维护,维护完后对端盖进行密封后才能再次下水。
现有技术中潮流能发电机组轮毂空间通常较小,应用于水平轴潮流能发电机组的变桨机构仅有液压型变桨系统,即采用液压马达作为驱动机构,执行机构包括多个齿轮、齿轮轴、蜗杆等,机械传动结构复杂,并且存在以下问题:①液压油的管路容易发生泄漏;②不能远程进行维护;③液压系统由于受液压油黏温特性的影响,对环境温度的要求比较高。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种可靠性高、体积小且可以进行远程简易维护的潮流能发电机组变桨控制系统。
本发明的潮流能发电机组变桨控制系统包括:包括至少两个并联的变桨控制单元。各个所述变桨控制单元相互独立地控制各自对应的永磁同步电机,并分别接收来自外部的潮流能发电机组主控装置的指令和根据所述指令执行相应的变桨操作。其中一个所述变桨控制单元中设置有以太网交换机,所述以太网交换机能与所述潮流能发电机组主控装置通信,其他的所述变桨控制单元以能通信的方式连接到所述以太网交换机。
优选地,每个所述变桨控制单元中设置有电抗器、变桨控制驱动器和超级电容组,所述电抗器的出线与所述变桨控制驱动器的电源端相连,所述超级电容组与所述变桨控制驱动器的电容端口相连,所述变桨控制驱动器用于控制变桨操作。
优选地,所述变桨控制驱动器包括功率部分和控制部分。所述功率部分集成有交流永磁同步电机驱动系统、开关电源和超级电容充电器。所述控制部分集成有驱动控制器和PLC系统,所述驱动控制器用于控制对所述功率部分的驱动。所述控制部分能连接到所述以太网交换机和所述潮流能发电机组主控装置,当其中一个所述变桨控制单元通过其所述控制部分连接到所述潮流能发电机组主控装置时,其他的所述变桨控制单元以与所述其中一个所述变桨控制单元并联的方式布置。
优选地,各个所述变桨控制单元能通过其所述PLC系统的AI端口与外部的压力传感器相连接并通信,所述压力传感器用于测量所述潮流能发电机组的桨叶轴承处的泄漏压力。
优选地,各个所述变桨控制单元能通过其所述PLC系统的DI端口连接所述潮流能发电机组中对应的接近开关,其中一个所述接近开关设置在所述潮流能发电机组轮毂桨叶法兰的12°位置,另一个所述接近开关设置在所述潮流能发电机组轮毂桨叶法兰的192°位置。
优选地,各个所述变桨控制单元能通过其所述PLC系统的DI端口连接所述潮流能发电机组中对应的限位开关,其中一个限位开关设置在所述潮流能发电机组轮毂桨叶法兰的92°位置,另一个所述限位开关设置在所述潮流能发电机组轮毂桨叶法兰的272°位置。
优选地,所述变桨控制单元中还设置有用于与所述以太网交换机相连的网络防浪涌保护器,所述网络防浪涌保护器设置成能连接到所述发电机组以太网络。
优选地,所述变桨控制系统还设置有用于与所述潮流能发电机组上滑环的400V电源通道相连的电源防浪涌保护器,所述电源防浪涌保护设置成与所述电抗器并联。
优选地,所述永磁同步电机包括至少一个旋转变压器和/或至少一个编码器。
本发明的变桨控制系统在结构上具有高度集成紧凑的特点,可以在不升出水面的情况下进行控制程序升级、故障诊断与复位等远程维护,从而避免由于潮流能发电机组升出水面等原因导致的大量工作量和故障停机时间。该变桨控制系统能够控制潮流能发电机组实现0°~90°和180°~270°的大范围变桨动作,使得潮流能发电机组在涨潮和落潮时均可进行发电。此外,变桨控制装置中的各个变桨控制单元以并联方式布置,各自独立地控制对应桨叶的变桨动作,从而减少了塔影效应的影响。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中一种用于潮流能发电机组的变桨控制系统的结构示意图。
图2为图1的变桨控制系统中的永磁同步电机的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。附图和具体实施方式仅用于说明本发明,并不用来限制本发明和权利要求的范围。
图1示出了具体实施方式中一种用于潮流能发电机组的变桨控制系统的结构示意图,其中具体示出了并联的两个变桨控制单元A、B,可以用于对两桨叶的潮流能发电机组(下文简称为发电机组)的变桨距操作进行控制。
变桨控制单元A、B相互独立地控制各自对应的永磁同步电机8,各自分别接收来自潮流能发电机组主控装置(下文简称为发电机组主控装置)的指令并根据指令执行相应的操作。发电机组主控装置可以是任何能与变桨控制系统进行通信的装置或设备,例如,计算机。
虽然图1中具体示出了两个变桨控制单元,但是在实践中,变桨控制单元的数量并不限于两个,可以是多于两个。各个变桨控制单元的结构组成大体相同。下面将结合图1,以变桨控制单元A为例对变桨控制单元的结构和功能进行详细说明。
变桨控制单元A中安装有电抗器A1、变桨控制驱动器A2以及超级电容组A3。电抗器A1的进线与滑环1的400V电源通道相连。变桨控制驱动器A2包括功率部分A21和控制部分A22。电抗器A1的出线与功率部分A21的电源端相连。超级电容组A3与功率部分A21的电容端口相连。变桨控制驱动器A2可以通过控制超级电容组从DC400V到DC420V之间的充放电,计算超级电容组A3的实时容量。
功率部分A21的驱动输出端口与永磁同步电机8相连。永磁同步电机8通过减速器(未示出)连接桨叶轴承来控制桨叶角度。如图2所示,永磁同步电机8包括旋转变压器81和制动器82,可选地包括编码器(未示出),其中制动器82位于永磁同步电机8的前端,旋转变压器81或编码器位于永磁同步电机8的后端。旋转变压器81或编码器可以是一个或多个。旋转变压器81或者编码器与控制部分A22的编码器接口相连,制动器82与控制部分A22的制动器接口相连。
控制部分A22从发电机组主控装置接收指令,然后基于所接收到的指令对功率部分A21进行控制以驱动永磁同步电机8的运动。永磁同步电机8通过减速器(未示出)带动所连接着的桨叶转动,从而实现变桨操作。旋转变压器81记录桨叶的相对位置,制动器82能在桨叶处于安全位置或失电等情况下将永磁同步电机8固定住,限制其旋转。旋转变压器81和制动器82可以集成于永磁同步电机8内。
功率部分A21集成有交流永磁同步电机驱动系统、开关电源和超级电容充电器。
控制部分A22集成有驱动控制器和PLC系统。驱动控制器对功率部分A21的驱动进行控制,PLC系统对相应的变桨控制单元的运行进行控制。此外,控制部分A22设置有作为机组主控装置接口的CANopen接口和作为远程维护端口的以太网接口。变桨控制单元可以通过控制部分A22上的CANopen接口经由滑环1的CANopen信号通道连接到发电机组主控装置,以便接收来自发电机组主控装置的运行指令。
本发明的变桨控制系统中还设置有CANopen防浪涌保护器。图1示出了CANopen防浪涌保护器A4位于变桨控制单元A中,该CANopen防浪涌保护器A4一方面经由发电机组上滑环1的CANopen信号通道连接到发电机组主控装置,另一方面通过变桨控制单元A的控制部分A22上的CANopen接口连接到变桨控制单元A。其他的变桨控制单元中控制部分的CANopen接口并联在CANopen总线上,以便同时受到CANopen防浪涌保护器A4的保护。在确保能提供相应的安全防护情况下,CANopen防浪涌保护器A4也可以设置在变桨控制系统中的其他位置。
变桨控制单元A安装有以太网交换机A6,以太网交换机A6借助其一个网络接口经由发电机组上滑环1的网络信号通道而连接到发电机组以太网络。控制部分A22通过以太网接口连接到以太网交换机A6,进而连接到发电机组以太网络,以便能在需要时进行远程维护。
其他的变桨控制单元(例如,图1中所示的变桨控制单元B)可以以能通信的方式(例如,通过网线)连接到以太网交换机A6。以太网交换机A6也可以安装在变桨控制单元B中,变桨控制单元A以能通信的方式例如通过网线连接到以太网交换机A6。也就是说,只需在其中一个变桨控制单元中安装以太网交换机,其他的变桨控制单元以能通信的方式连接到该以太网交换机。这样既能实现对各个变桨控制单元单独进行远程维护,又简化了潮流能发电机组变桨系统的结构,进而节约了成本和安装空间。
可以在变桨控制单元A中设置用于与以太网交换机A6相连接的网络防浪涌保护器A5。值得注意的是,网络防浪涌保护器A5的设置位置可以取决于以太网交换机A6的设置位置。网络防浪涌保护器A5经由滑环1的网络信号通道接连到发电机组以太网络。变桨控制驱动器A2的控制部分A22上设置有用于与以太网交换机6的网口相连接的以太网接口。
以太网络连接线优选采用四芯网线,以便节省滑环1的滑道。
变桨控制单元A能连接到外部的压力传感器90。变桨控制单元A的控制部分A22包括PLC系统(未图示),压力传感器90连接到PLC系统的AI端口。压力传感器90安装在桨叶轴承上,用于测量桨叶轴承处海水向轮毂内的泄漏压力,当测得的压力值大于预定值时指示轮毂漏水,则发出泄漏警报以提示出现故障。
变桨控制单元A通过其PLC系统的DI端口与变桨控制单元A外部的接近开关91、93连接,优选接近开关91、93中的其中一个安装在轮毂桨叶法兰的12°位置,另一个安装在192°位置,用于校验桨叶位置的准确性。虽然图1示出了两个接近开关,但是在实践中接近开关的数量并不仅限于两个,可以多于两个。
变桨控制单元A还通过其PLC系统的DI端口与限位开关92、94相连接,优选限位开关92安装在92°位置,作为0~90°运行时旋转变压器失效的安全停机位置,限位开关94安装在272°位置,作为180~270°运行时旋转变压器失效的安全停机位置。虽然图1示出了两个限位开关,但是在实践中限位开关的数量并不仅限于两个,可以多于两个。
本发明的变桨控制系统中还可以设置有电源防浪涌保护器。如图1所示,电源防浪涌保护器A7设置成与电抗器A1并联,并与电抗器A1的进线端相连。
在潮流能发电机组运行的过程中,当发电机组主控装置向变桨控制系统发送0°~90°的位置和正向指令时,本发明的变桨控制系统执行变桨操作使得桨叶桨距角控制在0°~90°的对应位置。当发电机组主控装置向变桨控制系统发送0°~90°的位置和反向指令时,变桨控制系统执行变桨操作使得桨叶桨距角控制在180°~270°的对应位置。“正向”指的是海洋潮流方向相对于潮流能发电机组的方向为从轮毂到尾舱,“反向”指的是海洋潮流方向相对于潮流能发电机组的方向为从尾舱到轮毂。
本发明的变桨控制系统由并联的两个或多个变桨控制单元构成,每个变桨控制单元的各组成部分高度集成,使得整个变桨控制系统的结构更为紧凑,同时更便于安装和维护。每个变桨控制单元独立地控制对应的永磁同步电机及其传动装置,进而控制对应的变桨操作,这样能减少塔影效应的影响。
在发电机组运行的过程中,变桨控制系统中每个变桨控制单元单独地进行变桨操作控制、故障诊断以及形成并存储故障文件。由于每个变桨控制单元都以能通信的方式与发电机组主控装置相连接,使得发电机组主控装置能远程读取故障文件,然后通过安装在发电机组主控装置上的调试工具发送相应的复位指令,从而可以在不将发电机组升出水面的情况下实现故障诊断和复位等远程维护,减少了发电机组维护时的工作量,进一步节约生产成本。此外,还可以通过发电机组主控装置对变桨控制系统进行远程的程序升级。
以上具体实施方式和附图仅仅是用来例示,用于帮助更好地理解本发明的思想,而并非对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以在不脱离本发明精神的情况下对本发明进行变化。在不脱离本发明精神的前提下所作出的任何改进或变化都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于潮流能发电机组的变桨控制系统,包括至少两个并联的变桨控制单元;其特征在于:
各个所述变桨控制单元相互独立地控制各自对应的永磁同步电机,并分别接收来自外部的潮流能发电机组主控装置的指令和根据所述指令执行相应的变桨操作,
其中一个所述变桨控制单元中设置有以太网交换机,所述以太网交换机能与所述潮流能发电机组主控装置通信,其他的所述变桨控制单元以能通信的方式连接到所述以太网交换机,
每个所述变桨控制单元中设置有电抗器、变桨控制驱动器和超级电容组,所述电抗器的出线与所述变桨控制驱动器的电源端相连,所述超级电容组与所述变桨控制驱动器的电容端口相连,所述变桨控制驱动器用于控制变桨操作,
所述变桨控制驱动器包括功率部分和控制部分,所述控制部分集成有驱动控制器和PLC系统,所述驱动控制器用于控制对所述功率部分的驱动,
各个所述变桨控制单元能通过其所述PLC系统的DI端口连接所述潮流能发电机组中对应的接近开关,其中一个所述接近开关设置在所述潮流能发电机组轮毂桨叶法兰的12°位置,另一个所述接近开关设置在所述潮流能发电机组轮毂桨叶法兰的192°位置,
各个所述变桨控制单元能通过其所述PLC系统的DI端口连接所述潮流能发电机组中对应的限位开关,其中一个限位开关设置在所述潮流能发电机组轮毂桨叶法兰的92°位置,另一个所述限位开关设置在所述潮流能发电机组轮毂桨叶法兰的272°位置。
2.如权利要求1所述的变桨控制系统,其特征在于:所述功率部分集成有交流永磁同步电机驱动系统、开关电源和超级电容充电器,所述控制部分能连接到所述以太网交换机和所述潮流能发电机组主控装置,当其中一个所述变桨控制单元通过其所述控制部分连接到所述潮流能发电机组主控装置时,其他的所述变桨控制单元以与所述其中一个所述变桨控制单元并联的方式布置,
所述变桨控制驱动器通过控制所述超级电容组从DC400V到DC420V之间的充放电,来计算所述超级电容组的实时容量。
3.如权利要求1所述的变桨控制系统,其特征在于:
每个所述变桨控制单元能通过所述PLC系统的AI端口与外部的压力传感器相连接并进行通信,所述压力传感器用于测量所述潮流能发电机组的桨叶轴承处的泄漏压力。
4.如权利要求1所述的变桨控制系统,其特征在于:
所述变桨控制单元中还设置有用于与所述以太网交换机相连的网络防浪涌保护器,所述网络防浪涌保护器设置成能连接到所述发电机组以太网络。
5.如权利要求1所述的变桨控制系统,其特征在于,还设置有用于与所述潮流能发电机组上滑环的400V电源通道相连的电源防浪涌保护器,所述电源防浪涌保护器设置成与所述电抗器并联。
6.如权利要求1所述的变桨控制系统,其特征在于:所述永磁同步电机包括至少一个旋转变压器和/或至少一个编码器。
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