CN109854446B - 一种保证风电机组安全的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保证风电机组安全的控制系统，包括控制单元、变桨距单元、风机制动单元以及偏航控制单元；控制单元预设安全转速值，当变桨距系统处于故障下，控制单元检测转速值小于安全转速值时，控制单元给风机制动单元传输指令，对风轮机制动动作；当控制单元检测转速值大于安全转速值时，控制单元给偏航控制单元传输指令，对风轮机进行偏航动作；风轮机偏航后，控制单元检测数值小于安全转速值时，控制单元给风机制动单元传输指令，对风轮机再次制动动作。本发明解决传统技术中的风机叶片发生故常无法顺桨的情况下，风电机组发生飞车导致损坏风电机组的问题。

Description

一种保证风电机组安全的控制系统

技术领域

本发明涉及一种保证风电机组安全的控制系统，属于风力发电机设备技术领域。

背景技术

目前的大功率风力发电机组在运行过程中，都是运行在无人值守状态下，风力发电机组本地控制系统对各种运行工况自动控制，根据风速大小自动调整发电功率、风轮转速，自动对风，自动控制并网、脱网等，并且可以远程监控风力发电机组，远程监控采集风力发电机组的各种数据、人工操作风力发电机组；

风力发电机组具有完善的保护功能，如有故障自动报警停机，通常风力发电机组的保护功能有超速、发电机过载和故障、过振动、电网或负载丢失、脱网时停机失败、变桨故障等。保护环节为多级安全链互锁，在控制过程中具有“逻辑与”的功能，而在达到控制目标方面可实现“逻辑或”的结果。保护环节以失效保护为原则进行设计，即当控制失败，风电机组内部或外部故障引起机组不能正常运行时，系统安全保护系统动作；

现在的大功率风力发电机组的变桨一般采用三个叶片分别独立变桨，风力发电机组出现故障后，三个叶片自动顺桨到停机状态。当一个或者两个叶片的变桨出现故障时，不能有效返回停机位置，有一个叶片的变桨能够返回到停机位置，风力发电机组即可安全停机。

但是有一个概率极低的故障状态，即风力发电机组出现故障，三个叶片全部出现故障，都不能返回停机位置，这时风力发电机组的负载甩掉，叶片又在运行位置，风轮会越转越快，形成飞车，当转速超过一定数值后，振动加强，超越了叶片的强度、各个部件的强度，叶片、各个部件的连接出现断裂，如果其中一个叶片断裂，叶片旋转振动会更加强烈，最后导致风力发电机组倒塌，产生巨大损失，其中国内发生了多起风力发电机组倒塌的恶性事件。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种保证风电机组安全的控制系统，用以解决传统技术中的风机叶片发生故常无法顺桨的情况下，风电机组发生飞车导致损坏风电机组的问题；

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种保证风电机组安全的控制系统，包括控制单元、变桨距单元、风机制动单元以及偏航控制单元；所述控制单元预设安全转速值，当所述变桨距系统处于故障下，控制单元检测转速值小于安全转速值时，控制单元给所述风机制动单元传输指令，对风轮机制动动作；

当控制单元检测转速值大于安全转速值时，控制单元给所述偏航控制单元传输指令，对风轮机进行偏航动作；风轮机偏航后，控制单元检测数值小于安全转速值时，控制单元给所述风机制动单元传输指令，对风轮机再次制动动作。

作为一种改进的方案，所述控制单元包括主控制器与风轮转速检测器，所述风轮转速检测器检测风轮机转速值，并将转速值传输给所述主控制器。

作为一种改进的方案，偏航控制单元包括偏航控制器、偏航电机、偏航执行机构、偏航计数器以及偏航制动器，所述偏航电机接收所述偏航控制器发送的90°偏航指令后，启动所述偏航执行机构，所述偏航计数器检测所述偏航执行机构偏航90°后，所述偏航制动器对偏航执行机构进行制动动作。

作为一种改进的方案，所述风机制动单元包括刹车继电器以及机械刹车机构，所述刹车继电器接收所述主控制器发送的闭合指令后，所述机械刹车机构对所述风轮机进行制动动作。

作为一种改进的方案，所述偏航控制单元还包括驱动机、偏航轴承以及制动器，所述驱动机动力驱动所述偏航轴承，所述制动器用以对所述偏航轴承制动。

作为一种改进的方案，所述驱动机沿所述偏航轴承中心围设有四个，所述驱动机包括驱动电机以及多级减速齿轮箱，所述驱动电机动力连接所述多级减速齿轮箱的输入级，所述多级减速齿轮箱的输出级动力连接所述偏航轴承。

作为一种改进的方案，所述偏航轴承的外圈围设有外齿，并通过所述外齿与所述多级减速齿轮箱的输出级动力连接。

作为一种改进的方案，所述制动器包括制动盘与制动体，所述制动盘固接于所述偏航轴承的下端部，所述制动体与所述制动盘摩擦接触。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明在风电机组发生故障并且三个叶片顺桨全部故障的这种极端情况下，如果风轮机的转速高于风轮转速监测器预设安全值，启动90°侧风偏航使风力发电机组的叶轮迎风方向变为与风向垂直，即叶片的旋转平面与风向平行，使风从侧面吹到叶片上，三个叶片产生大小相同方向相反的两个力矩，这两个力矩互相抵消，使风电机组的叶轮转速会逐渐降低，直至停机，防止发生飞车，极大保护风电机组各个设备，增加风电机组的安全性；偏航系统组件运行稳定，保证指令发出后，迅速进行偏航工作；实现对偏航系统的制动，保证偏航的稳定性。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明原理图；

图2为本发明驱动机的结构示意图；

图中：1-变桨距系统，2-主控制器，3-刹车继电器，4-机械刹车机构，5-风轮转速检测器，6-风轮机，7-偏航控制器，8-偏航电机，9-偏航执行机构，10-偏航制动器，11-偏航计数器，12-塔架，13-主机架，14-驱动电机，15-多级减速齿轮箱，16-偏航轴承，17-制动盘，18-制动体。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本发明提供一种保证风电机组安全的控制系统，包括控制单元、变桨距单元、风机制动单元以及偏航控制单元；所述控制单元预设安全转速值，当变桨距系统1处于故障下，控制单元检测转速值小于安全转速值时，控制单元给风机制动单元传输指令，对风轮机6制动动作；

当控制单元检测转速值大于安全转速值时，控制单元给偏航控制单元传输指令，对风轮机6进行偏航动作；风轮机6偏航后，控制单元检测数值小于安全转速值时，控制单元给风机制动单元传输指令，对风轮机6再次制动动作。

控制单元包括主控制器2与风轮转速检测器，风轮转速检测器检测风轮机6转速值，并将转速值传输给主控制器2。

偏航控制单元包括偏航控制器7、偏航电机8、偏航执行机构9、偏航计数器11以及偏航制动器10，偏航电机8接收偏航控制器7发送的90°偏航指令后，启动偏航执行机构9，偏航计数器11检测偏航执行机构9偏航90°后，偏航制动器10对偏航执行机构9进行制动动作，偏航控制单元用于进行90°侧风偏航以及正常运行对风正常运行对风。

风机制动单元包括刹车继电器3以及机械刹车机构4，刹车继电器3接收主控制器2发送的闭合指令后，机械刹车机构4对风轮机6进行制动动作。

偏航控制单元还包括驱动机、偏航轴承16以及制动器，驱动机动力驱动偏航轴承16，制动器用以对偏航轴承16制动。

驱动机沿偏航轴承16中心围设有四个，驱动机包括驱动电机14以及多级减速齿轮箱15，驱动电机14动力连接多级减速齿轮箱15的输入级，多级减速齿轮箱15的输出级动力连接偏航轴承16。

偏航轴承16的外圈围设有外齿，并通过外齿与多级减速齿轮箱15的输出级动力连接。

制动器包括制动盘17与制动体18，制动盘固接于偏航轴承16的下端部，制动体18与制动盘17摩擦接触，其中制动体18结构与传统市面中盆式刹车制动器的结构类似。

偏航系统位于塔架12与主机架13之间,由四组驱动机和偏航轴承16、制动盘17、制动体18等零部件组成。偏航轴承16外圈带有外齿并和制动盘17与塔架12紧固在一起，偏航驱动装置和制动器与主机架13连接，主机架13与偏航轴承16内圈连接在一起，当风向改变时,风向仪将信号传到控制系统,控制驱动机工作,带动主机架13旋转使得风轮对准风向，主机架13可以两个方向旋转。

风轮转速监测器5用于监测风轮机6的转速，风轮转速监测器5设置在风轮机6的转轴上，风轮转速监测器5预设安全转速值；风轮机6转速低于风轮转速监测器5预设安全转速值，风轮机6不会发生飞车现象；风轮机6转速高于风轮转速监测器5预设安全转速值，风轮机6存在发生飞车的危险；风轮转速监测器5与主控制器2、偏航系统之间分别用信号电缆连接；偏航系统用于进行90°侧风偏航；

偏航系统包括偏航控制器7、偏航电机8、偏航执行机构9、偏航制动器10、偏航计数器11；偏航控制器7与偏航电机8和偏航计数器11分别电连接；

偏航电机8设置在机舱内，偏航电机8数量优选为2的倍数，偏航电机8接收偏航控制器7发出指令开启或者关闭；偏航电机8开启时驱动偏航执行机构9进行偏航动作；偏航执行机构9上设置偏航制动器10；偏航制动器10用于停止偏航时机舱刹车；

偏航计数器11用于记录偏航角度，当偏航角度为90°时，偏航计数器11发出信号给偏航控制器7，偏航控制器7分析信号并发出停止偏航指令；刹车继电器3与风轮转速监测器5之间通过信号线缆连接；刹车继电器3为机械刹车机构4的启动开关；

主控制器2对整个系统有监督控制功能；主控制器2优选西门子S7-1200PLC，主控制器2的人机交换界面为触摸屏，主控制器2与触摸屏之间用Profi-bus-DP通讯；主控制器2与变桨距系统1电连接；变桨距系统1设置在风轮机6上，变桨距系统1控制风轮机6的叶片进行变桨；风轮机6出现变桨故障时，变桨距系统1将故障信息传递到主控制器2。

本发明所述一种保证风电机组安全的控制系统的工作步骤：

步骤一：当风电机组发生故障时，所述主控制器2发送顺桨指令到变桨距系统1，如果风轮机6的三个叶片全部发生变桨故障，所述变桨距系统1将三个叶片全部变桨故障信号传递给主控制器2；

步骤二：所述主控制器2接收处理变桨故障信号后，发送信号指令到风轮转速监测器5，风轮转速监测器5接收主控制器2发送的指令监测分析风轮机6的转速是否超过预设安全值，若风轮机6的转速低于预设安全值，则风轮机6不存在飞车危险，此时风轮转速监测器5将信号传递回主控制器2，主控制器2发送信号指令到刹车继电器3，刹车继电器3闭合，启动机械刹车机构4，风轮机6机械刹车；

步骤三：若风轮机6的转速高于预设安全值，则风轮机6存在飞车危险，此时风轮转速监测器5将信号传递到偏航控制器7；

步骤四：所述偏航控制器7接收处理风轮转速监测器5的信号后自动屏蔽主动偏航对风系统，并发出90°侧风偏航指令到偏航电机8；

步骤五：所述偏航电机8接收偏航控制器7发来的度侧风偏航指令后，启动并驱动偏航执行机构9进行偏航动作；这时偏航计时器开始记录偏航角度，当偏航角度达到90°时停止偏航，同时偏航制动器10抱闸刹车；

本实施例，在风电机组发生故障并且三个叶片顺桨全部故障的这种极端情况下，如果风轮机6的转速高于风轮转速监测器5预设安全值，启动度侧风偏航使风力发电机组的叶轮迎风方向变为与风向垂直，即叶片的旋转平面与风向平行，使风从侧面吹到叶片上，三个叶片产生大小相同方向相反的两个力矩，这两个力矩互相抵消，使风电机组的叶轮转速会逐渐降低，直至停机，防止发生飞车，极大保护风电机组各个设备，增加风电机组的安全性。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种保证风电机组安全的控制系统，其特征在于：包括控制单元、变桨距单元、风机制动单元以及偏航控制单元；主控制器发送顺桨指令到变桨距系统，如果风轮机的三个叶片全部发生变桨故障，所述变桨距系统将三个叶片全部变桨故障信号传递给主控制器，

所述控制单元预设安全转速值，当所述变桨距系统(1)处于故障下，控制单元检测转速值小于安全转速值时，控制单元给所述风机制动单元传输指令，对风轮机(6)制动动作；

当控制单元检测转速值大于安全转速值时，控制单元给所述偏航控制单元传输指令，对风轮机(6)进行偏航动作；风轮机(6)偏航后，控制单元检测数值小于安全转速值时，控制单元给所述风机制动单元传输指令，对风轮机(6)再次制动动作；

所述控制单元包括主控制器(2)与风轮转速检测器(5)，所述风轮转速检测器(5)检测风轮机(6)转速值，并将转速值传输给所述主控制器(2)；

偏航控制单元包括偏航控制器(7)、偏航电机(8)、偏航执行机构(9)、偏航计数器(11)以及偏航制动器(10)，所述偏航电机(8)接收所述偏航控制器(7)发送的90°偏航指令后，启动所述偏航执行机构(9)，所述偏航计数器(11)检测所述偏航执行机构(9)偏航90°后，所述偏航制动器(10)对偏航执行机构(9)进行制动动作；

所述风机制动单元包括刹车继电器(3)以及机械刹车机构(4)，所述刹车继电器(3)接收所述主控制器(2)发送的闭合指令后，所述机械刹车机构(4)对所述风轮机(6)进行制动动作；

当风向改变时,风向仪将信号传到控制系统,控制驱动机工作,带动主机架旋转使得风轮对准风向，主机架两个方向旋转。

2.如权利要求1所述的一种保证风电机组安全的控制系统，其特征在于：所述偏航控制单元还包括驱动机、偏航轴承(16)以及偏航制动器，所述驱动机动力驱动所述偏航轴承(16)，所述偏航制动器用以对所述偏航轴承(16)制动。

3.如权利要求2所述的一种保证风电机组安全的控制系统，其特征在于：所述驱动机沿所述偏航轴承(16)中心围设有四个，所述驱动机包括驱动电机(14)以及多级减速齿轮箱(15)，所述驱动电机(14)动力连接所述多级减速齿轮箱(15)的输入级，所述多级减速齿轮箱(15)的输出级动力连接所述偏航轴承(16)。

4.如权利要求3所述的一种保证风电机组安全的控制系统，其特征在于：所述偏航轴承(16)的外圈围设有外齿，并通过所述外齿与所述多级减速齿轮箱(15)的输出级动力连接。

5.如权利要求4所述的一种保证风电机组安全的控制系统，其特征在于：所述偏航制动器包括制动盘(17)与制动体(18)，所述制动盘(17)固接于所述偏航轴承(16)的下端部，所述制动体(18)与所述制动盘(17)摩擦接触。

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