CN109611272A - 一种易更换无箱式变桨控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种易更换无箱式变桨控制系统，其包括供电和接口单元以及至少一组用于执行变桨操作的执行机构，每组执行机构包括超级电容模组、驱动电机一体机和至少一个限位开关。供电和接口单元、驱动电机一体机和超级电容模组分别被配置成单独的模块化部分，它们之间能进行组合装配。供电和接口单元配置成能连接滑环并从主控装置接收指令和将所述指令下达给驱动电机一体机以便执行相应的变桨操作，限位开关配置成将桨叶位置到达限位开关的信号传输给驱动电机一体机，并用于限定桨叶到达位置。超级电容模组作为相应执行机构的后备电源，在电网电源故障或丢失时为驱动电机一体机提供能量以便把对应桨叶顺到安全位置。
Description
技术领域
本发明属于兆瓦级风电机组变桨控制领域，具体涉及一种易更换无箱式变桨控制系统。
背景技术
变桨控制系统是兆瓦级以上风力发电机组控制和保护的重要装置，是风机停机的主刹车系统，对整机的运行安全至关重要。随着近十多年风电市场技术的更新和发展，风电资源开发的深入发展不断对风电装备制造业持续提出新的需求，变桨控制系统正朝着一个更高集成度的方向发展。
目前风场在运行的大部分风机电动变桨控制系统采用三柜结构或七柜结构，约有2000至3000个部件，构成复杂，故障点多。早期部分进口的国外变桨控制系统逐渐退出中国市场，无人维护，更换变桨控制系统需要吊下整个轮毂进行更换，施工工作量大、费用高，工期长。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种易更换无箱式变桨控制系统，其包括供电和接口单元、驱动电机一体机和超级电容模组，它们都配置成单独的模块化部分，它们之间能进行组合装配，这样能够极大地减少离散器件之间的外部接线，进而减少故障点，方便快速检修和更换。
本发明所提供一种易更换无箱式变桨控制系统，其配置成能通过滑环接入400V的AC电源、CANopen通讯、Ethernet通讯和安全链信号，以CANopen通讯方式从主控装置接收指令并根据指令执行相应的变桨距操作，以及配置成能接入风力发电机组局域网，使得能够通过远程的方式对所述易更换无箱式变桨控制系统进行控制程序升级、故障诊断等操作。
优选地，所述易更换无箱式变桨控制系统包括供电和接口单元以及至少一组用于执行变桨操作的执行机构，每组执行机构包括超级电容模组、驱动电机一体机和至少一个限位开关，所述供电和接口单元、所述驱动电机一体机和所述超级电容模组分别被配置成单独的模块化部分，它们之间能进行组合装配。所述供电和接口单元配置成能连接所述滑环并从所述主控装置接收指令和将所述指令下达给所述驱动电机一体机以便执行相应的变桨操作，所述限位开关配置成将桨叶位置到达所述限位开关的信号传输给所述驱动电机一体机，并用于限定桨叶到达位置。所述超级电容模组作为相应执行机构的后备电源，在电网电源故障或丢失时为所述驱动电机一体机提供能量以便把对应桨叶顺到安全位置。
优选地，所述供电和接口单元、所述超级电容模块和所述驱动电机一体机之间通过预制的带有航空插头或重载连接器的线缆进行组合连接。
优选地，所述驱动电机一体机配置有驱动器和电动机。所述驱动器集成有驱动电路和控制电路，其中所述控制电路包括至少一个DI接口和至少一个DO接口，所述电动机是永磁同步电机，其集成有电机制动器、用于记录桨叶的相对位置和变桨速度的位置/速度传感器以及用于检测所述永磁同步电机的运行温度的KTY温度传感器，所述控制电路的驱动信号输出端连接到所述驱动电路的驱动信号输入端，所述驱动电路的驱动信号输出端连接到所述永磁同步电机的驱动信号输入端，所述电机制动器连接到所述控制电路的制动器接口，所述位置/速度传感器连接到所述控制电路的编码器接口，所述KTY温度传感器连接到所述控制电路的温度传感器接口。
优选地，所述供电和接口单元集成有防雷保护功能、可控AC/DC电源、为所述执行机构供电的DC/DC电源、24V系统电源和主控制器PLC系统。所述主控制器PLC系统内置有陀螺仪传感器感知轮毂转速和轮毂位置，用于进行失速自动停机保护和补偿桨叶叶片位置偏差。
优选地，所述主控制器PLC系统配置成能通过对所述超级电容模组进行容值测量、内阻测量、多端电压检测以及剩余寿命预判来对所述超级电容模组进行管理。
优选地，所述容值测量通过按下式对充电电流进行积分计算的方式来进行：
其中，C是以法拉为单位的电容容值，I(t)是以安培为单位的充电电流，t是以秒为单位的充电时间，Δt是以秒为单位的充电电流采样间隔，ΔU是充电结束时电压与开始时的电压差，以伏特为单位。
优选地，所述内阻测量通过以下公式进行：
R＝(U1-U2)/I，
其中：R是以欧姆为单位的内阻；I是对超级电容进行充电的电流，单位是安培；U1和U2分别是停止充电时刻充电电流由I变为0时超级电容电压发生突变之前和之后的电压，单位为伏特。
优选地，所述超级电容模组由多块超级电容模块串联和/或并联组成，通过采集所述超级电容模组中的多个电压点的电压来进行多端电压检测并判断超容电压平衡度。
优选地，所述变桨控制系统配置成根据桨叶动力失衡信息分析变桨传动系统的健康状况，所述桨叶动力失衡信息包括桨叶在给定位置的驱动扭矩与先前位于所述给定位置时的驱动扭矩相比存在偏差。
在本发明的变桨控制系统中，将防雷保护功能、可控AC/DC电源、为执行机构供电的DC/DC电源、24V系统电源、主控制器PLC系统等模块化配置成为供电和接口单元，驱动器和电动机模块化配置成为驱动电机一体机，超级电容模组配置成为模块化的后备电源，上述三个模块化的部分能够进行组合装配构成本发明的变桨控制系统，而无需构造成柜子或箱子形式。上述模块化的各个部分之间借助航空插头电缆进行连接，这样便于组合安装，且在维修和保养时易于进行模块化部分的更换配置。
本发明的变桨控制系统总体上具有部件少，结构简单，接线少，故障点少等优点。对于早期部分进口的国外变桨的后续维护提供了新的解决方案，并且施工工作量小、施工工期短，费用低。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中一种易更换无箱式变桨控制系统的结构组成示意图；
图2是图1的易更换无箱式变桨控制系统中的驱动电机一体机的结构示意图。
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。
本发明的易更换无箱式变桨控制系统可对具有多个桨叶的风力发电机组进行变桨距控制。本发明所提供的易更换无箱式变桨控制系统包括一个供电和接口单元2和至少一组执行机构。每组执行机构包括超级电容模组3、驱动电机一体机5和至少一个限位开关4(参见图1)。
供电和接口单元2、驱动电机一体机5和超级电容模组3分别被配置成单独的模块化部分，将这些模块化部分进行组合装配成本发明的变桨控制系统，从而无需构造成柜子或箱子形式。各模块化部分之间通过例如预制的带有航空插头或重载连接器的线缆进行组合连接，这种构造便于组合安装，且在维修和保养时易于进行更换配置。
图1示出了能对具有三个桨叶的风力发电机组进行变桨距控制的变桨控制系统，该变桨控制系统包括一个供电和接口单元2和三组执行机构。一方面，该变桨控制系统通过滑环1接入400V的AC电源、CANopen通讯、Ethernet通讯和安全链信号，以CANopen通讯方式从主控装置接收指令并根据指令执行相应的变桨距操作。另一方面，该变桨控制系统接入风力发电机组局域网，使得能够通过远程的方式对变桨控制系统进行控制程序升级、故障诊断等操作。
供电和接口单元2接收来自外部的风力发电机组主控装置的指令并将指令下达给驱动电机一体机5，驱动电机一体机5基于指令执行相应的变桨操作。
在每组执行机构中，超级电容模组3作为相应执行机构的后备电源，例如在电网电源故障或丢失时为驱动电机一体机5提供能量以便把对应桨叶顺到安全位置。限位开关4配置成将桨叶位置到达限位开关4的信号传输给驱动电机一体机5，并用于限定桨叶到达位置。虽然在图1中针对每组执行机构仅示出了一个限位开关4，但是在实践中限位开关并不限于一个，另外还可以包括一个或多个接近开关。
如图2所示，驱动电机一体机5集成有驱动器51和电动机52。驱动器51调节和输出供给电动机52的电流，电动机52旋转带动桨叶进行变桨操作。驱动器51集成有驱动电路和控制电路(未示出)，其中控制电路含有DI接口和DO接口，且DI接口和DO接口不限于一个。DI接口包括限位开关通道、安全链输入通道和若干个用户可自定义的通道，DO接口包括安全链反馈通道和若干个用户可自定义的通道，限位开关通道、安全链输入通道和安全链反馈通道连接到控制电路的安全继电器接口。
作为优选方案，电动机52采用永磁同步电机，在电动机52上集成电机制动器(未示出)、用于记录桨叶的相对位置和变桨速度的位置/速度传感器(未示出)以及用于检测电动机52的运行温度的KTY温度传感器(未示出)，以便加强对电动机52的在线监测和控制。
驱动器51中控制电路的驱动信号输出端连接到驱动电路的驱动信号输入端，驱动电路的驱动信号输出端连接到电动机52的驱动信号输入端，电机制动器连接到控制电路的制动器接口，位置/速度传感器连接到控制电路的编码器接口，KTY温度传感器配置成连接到控制电路的温度传感器接口。
作为优选方案，供电和接口单元2集成有防雷保护功能、可控AC/DC电源、为执行机构供电的DC/DC电源、24V系统电源、主控制器PLC系统(未示出)。主控制器PLC系统内置有感知轮毂转速和轮毂位置的陀螺仪传感器，用于失速自动停机保护和补偿叶片位置偏差。24V系统电源用于给主控制器PLC系统和继电器、传感器等附属部件提供24V直流电。
作为优选方案，通过供电和接口单元2中的主控制器PLC系统对超级电容模组3进行容值测量、内阻测量、多端电压检测、剩余寿命预判进行后备电源精准管理。
超级电容模组3的容值测量通过按下式对充电电流进行积分计算的方式来进行：
其中，C是以法拉(F)为单位的电容容值，I(t)是以安培(A)为单位的充电电流，t是以秒(s)为单位的充电时间，Δt是以秒(s)为单位的充电电流采样间隔，ΔU是以伏特(V)为单位的充电结束时电压与开始时的电压差。
超级电容模组3的内阻通过公式R＝(U1-U2)/I计算获得，其中R是超级电容模组3的内阻(以欧姆为单位)，I是对超级电容模组3进行充电的电流(以安培为单位)，U1和U2分别是停止充电时刻充电电流由I变为0时超级电容模组3电压发生突变之前和之后的电压(以伏特为单位)。
超级电容模组3由多块超级电容模块串联和/或并联组成，主控制器PLC系统通过采集超级电容组串的多个电压点的电压来进行多端电压检测并判断超容电压平衡度。
供电和接口单元2中的主控制器PLC系统基于测量得到的超级电容模组3的容值和内阻信息以及初始值和运行平均温度，根据已有的寿命曲线来估算超级电容模组3的寿命。超级电容的出厂规格书中通常提供在室温、额定电压和电流下形成的寿命曲线，主控制器PLC系统可以根据超级电容的运行环境温度、电压和电流对寿命进行查表校正，从而估算出超级电容模组的寿命。
正常情况下，桨叶在某一特定位置或特定时刻的驱动扭矩基本保持不变，例如从风机停机状态下起机开桨时刻。若桨叶扭矩与往期该时刻有明显偏差，则说明在传动链上存在异常负载扭矩，即发生桨叶动力失衡。本申请的易更换无箱式变桨控制系统能根据桨叶动力失衡信息分析变桨传动系统健康状况，从而可以对主控的给定位置进行震荡抑制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种易更换无箱式变桨控制系统，其特征在于：
所述易更换无箱式变桨控制系统配置成能通过滑环(1)接入400V的AC电源、CANopen通讯、Ethernet通讯和安全链信号，以CANopen通讯方式从主控装置接收指令并根据指令执行相应的变桨距操作，以及配置成能接入风力发电机组局域网，使得能够通过远程的方式对所述易更换无箱式变桨控制系统进行控制程序升级、故障诊断等操作。
2.如权利要求1所述的易更换无箱式变桨控制系统，其特征在于：
所述易更换无箱式变桨控制系统包括供电和接口单元(2)以及至少一组用于执行变桨操作的执行机构，每组执行机构包括超级电容模组(3)、驱动电机一体机(5)和至少一个限位开关(4)，所述供电和接口单元(2)、所述驱动电机一体机(5)和所述超级电容模组(3)分别被配置成单独的模块化部分，它们之间能进行组合装配，
所述供电和接口单元(2)配置成能连接所述滑环(1)并从所述主控装置接收指令和将所述指令下达给所述驱动电机一体机(5)以便执行相应的变桨操作，所述限位开关配置成将桨叶位置到达所述限位开关的信号传输给所述驱动电机一体机(5)，并用于限定桨叶到达位置；
所述超级电容模组(3)作为相应执行机构的后备电源，在电网电源故障或丢失时为所述驱动电机一体机(5)提供能量以便把对应桨叶顺到安全位置。
3.如权利要求1所述的易更换无箱式变桨控制系统，其特征在于：
所述供电和接口单元(2)、所述超级电容模块(3)和所述驱动电机一体机(5)之间通过预制的带有航空插头或重载连接器的线缆进行组合连接。
4.如权利要求1所述的变桨控制系统，其特征在于：
所述驱动电机一体机配置有驱动器(51)和电动机(52)，
所述驱动器(51)集成有驱动电路和控制电路，其中所述控制电路包括至少一个DI接口和至少一个DO接口，所述电动机(52)是永磁同步电机，其集成有电机制动器、用于记录桨叶的相对位置和变桨速度的位置/速度传感器以及用于检测所述永磁同步电机的运行温度的KTY温度传感器，所述控制电路的驱动信号输出端连接到所述驱动电路的驱动信号输入端，所述驱动电路的驱动信号输出端连接到所述永磁同步电机的驱动信号输入端，所述电机制动器连接到所述控制电路的制动器接口，所述位置/速度传感器连接到所述控制电路的编码器接口，所述KTY温度传感器连接到所述控制电路的温度传感器接口。
5.如权利要求1所述的变桨控制系统，其特征在于：
所述供电和接口单元(2)集成有防雷保护功能、可控AC/DC电源、为所述执行机构供电的DC/DC电源、24V系统电源和主控制器PLC系统，
所述主控制器PLC系统内置有陀螺仪传感器感知轮毂转速和轮毂位置，用于进行失速自动停机保护和补偿桨叶叶片位置偏差。
6.如权利要求5所述的变桨控制系统，其特征在于：
所述主控制器PLC系统配置成能通过对所述超级电容模组进行容值测量、内阻测量、多端电压检测以及剩余寿命预判来对所述超级电容模组进行管理。
7.如权利要求6所述的变桨控制系统，其特征在于：
所述容值测量通过按下式对充电电流进行积分计算的方式来进行：
其中，C是以法拉为单位的电容容值，I(t)是以安培为单位的充电电流，t是以秒为单位的充电时间，Δt是以秒为单位的充电电流采样间隔，ΔU是充电结束时电压与开始时的电压差，以伏特为单位。
8.如权利要求6所述的变桨控制系统，其特征在于：
所述内阻测量通过以下公式进行：
R＝(U1-U2)/I，
其中R是以欧姆为单位的内阻，I是对超级电容进行充电的电流，单位为安培；U1和U2分别是停止充电时刻充电电流由I变为0时超级电容电压发生突变之前和之后的电压，单位为伏特。
9.如权利要求6所述的变桨控制系统，其特征在于：
所述超级电容模组由多块超级电容模块串联和/或并联组成，所述主控制器PLC系统通过采集所述超级电容模组中的多个电压点的电压来进行多端电压检测并判断超容电压平衡度。
10.如权利要求6所述的变桨控制系统，其特征在于：
所述变桨控制系统配置成根据桨叶动力失衡信息分析变桨传动系统的健康状况，所述桨叶动力失衡信息包括桨叶在给定位置的驱动扭矩与先前位于所述给定位置时的驱动扭矩相比存在偏差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20190412 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |