CN113969862B - 一种风力发电机的变桨制动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机的变桨制动控制系统，其中，主控系统，包括变桨控制模块以及连接于变桨控制模块上的执行模块、监控模块和反馈模块，反馈模块与执行模块和监控模块电性相连；驱动单元，包括设置于风机轮毂端部的支撑组件和设置于支撑组件中的驱动组件，驱动组件中的驱动杆与执行模块电性相连；缓冲单元，设置于支撑组件内，其包括缓冲杆以及配合设置于缓冲杆端部的缓冲组件；本发明中的主控系统用于风力发电机变桨的整体监测和控制，通过控制驱动单元对风力叶片进行偏转驱动，并监测角度数据，修正最佳的变桨角度，通过在驱动单元中设置缓冲单元，对变桨驱动的过程进行缓冲控制，并通过控制液压油的通断实现对变桨过程的稳定制动。

Description

一种风力发电机的变桨制动控制系统

技术领域

本发明涉及风力发电变桨控制系统技术领域，尤其涉及一种风力发电机的变桨制动控制系统。

背景技术

风力发电机是一种将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备，随着环保意识的增加，风能这种清洁能源得到了广泛的推广。而风力发电机中，变桨系统作为风电机组控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。稳定的变桨控制已成为当前大型风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一。

但是对于当前风力发电机的变桨控制系统中，存在风力叶片变桨的驱动及制动困难，当前的变桨驱动一般通过电机齿轮的组合驱动，但是在变桨后，由于叶片的质量巨大，在其惯性作用下，会带动电机齿轮组合偏转，造成变桨偏差增大；虽辅以制动系统，但是两系统的结合，明显增加了现有变桨驱动及制动的控制难度，也增加了整体的控制成本。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有风力发电机的变桨制动控制系统存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种风力发电机的变桨制动控制系统，其目的在于解决现有风力发电机变桨驱动和制动的控制难度大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种风力发电机的变桨制动控制系统，此变桨制动控制系统包括主控系统、驱动单元和缓冲单元，其中，主控系统，其包括变桨控制模块以及连接于所述变桨控制模块上的执行模块、监控模块和反馈模块，所述反馈模块与所述执行模块和监控模块电性相连；驱动单元，其包括设置于风机轮毂端部的支撑组件和设置于所述支撑组件中的驱动组件，所述驱动组件中的驱动杆与执行模块电性相连；以及，缓冲单元，设置于所述支撑组件内，其包括缓冲杆以及配合设置于所述缓冲杆端部的缓冲组件。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述监控模块包括角度传感器和转速传感器，所述角度传感器监测各风机叶片变桨驱动时的角度信号，所述转速传感器获取各风机叶片变桨前后的转速信号；所述角度传感器和转速传感器通过模数转换器将电信号传输给所述反馈模块。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述主控系统还包括主控模块，所述变桨控制模块通过通讯模块与所述主控模块相连，进行信号交互；所述通讯模块包括通讯接口、信号回路和以太网接口，分别传输不同的数据信号。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述支撑组件面向所述风机轮毂的一端具有配合槽和装配槽，所述装配槽位于所述配合槽的外侧。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述装配槽的一端侧壁上还开设有不少于1组的限位槽，所述限位槽于所述支撑组件的中心轴线均匀分布；所述限位槽通过连通弧槽与所述配合槽相通。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述驱动组件包括驱动齿盘、设置于所述驱动齿盘侧壁上端的限位柱，以及铰接于所述限位柱上的驱动杆；所述驱动齿盘配合安装于所述装配槽内；所述限位柱的数量与所述限位槽的数量相同，且均匀分布，所述限位柱配合滑动于所述限位槽内；所述驱动杆远离所述限位柱的一端铰接于所述配合槽的槽腔内。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述缓冲杆包括限位套管和连接于所述限位套管侧壁上的弧形杆；其中，所述限位套管套设于所述限位柱上；所述弧形杆远离所述限位套管的一端穿过所述限位槽的侧壁，并延伸于所述支撑组件内的缓冲腔中。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述缓冲组件还包括滑动于所述缓冲腔内的活塞块，与所述缓冲腔通过单向阀组相通的回流腔；所述缓冲腔和回流腔内均容置有液压油。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述单向阀组包括第一单向阀和第二单向阀，其中，所述第一单向阀由所述缓冲腔向所述回流腔单向流通；所述第二单向阀由所述回流腔向所述缓冲腔单向流通；所述第一单向阀和第二单向阀均为电控磁阀。

作为本发明所述风力发电机的变桨制动控制系统的一种优选方案，其中：所述回流腔还通过注油管与位于所述支撑组件外侧壁上的注油嘴相连。

本发明的有益效果：

本发明中的主控系统用于风力发电机变桨的整体监测和控制，通过控制驱动单元对风力叶片进行偏转驱动，并通过监测的角度数据，修正最佳的变桨角度，通过在驱动单元中设置缓冲单元，对变桨驱动的过程进行缓冲控制，并通过控制液压油的通断实现对变桨过程的稳定制动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的变桨控制系统局部示意图。

图2为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的变桨制动控制系统整体控制示意图。

图3为风力发电机轮毂装设整体示意图。

图4为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的驱动单元安装结构示意图。

图5为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的驱动单元与轮毂分离结构示意图。

图6为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的驱动单元组成结构示意图。

图7为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的驱动组件X-X剖面结构示意图。

图8为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的驱动组件剖面结构具体示意图。

图9为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的驱动杆伸长动作示意图。

图10为本发明风力发电机的变桨制动控制系统的驱动杆缩短动作示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1和5～7，为本发明第一个实施例，提供了一种风力发电机的变桨制动控制系统，此变桨制动控制系统包括主控系统100、驱动单元200和缓冲单元300。其中，主控系统100(附图中未标出)为整个风力发电机的控制系统，实际中可集成为电力控制柜；驱动单元200为用于风机叶片F变桨的驱动结构，而缓冲单元300则用于风机叶片F变桨时的惯性缓冲和平稳制动。

具体的，主控系统100，其包括变桨控制模块102以及连接于变桨控制模块102上的执行模块103、监控模块104和反馈模块105，反馈模块105与执行模块103和监控模块104电性相连；其中，变桨控制模块102为用于实现变桨操作的控制单元，为主控系统100中的一个下属控制模块；执行模块103用于变桨控制模块102的控制信号输出，用于实现信号监测，驱动控制等操作；监控模块104用于变桨过程中的信号监测，所得监测信号用于修正变桨控制；反馈模块105用于监测信号和执行信号的收集，以此形成反馈信号，输出至变桨控制模块102中对变桨过程进行修改。

驱动单元200，其包括设置于风机轮毂G端部的支撑组件201和设置于支撑组件201中的驱动组件202，驱动组件202中的驱动杆202c与执行模块103电性相连；其中，支撑组件201为驱动单元200的外部结构体，安装在风机轮毂G的端部外侧壁上；驱动单元200为风机叶片F的驱动结构，其配合设置在支撑组件201内，需要说明的是，驱动组件202中的驱动杆202c为电控器件，由执行模块103电性控制。

缓冲单元300，设置于支撑组件201内，其包括缓冲杆301以及配合设置于缓冲杆301端部的缓冲组件302。其中，缓冲杆301延伸于驱动组件202中，并配合同步驱动组件202的运动；而缓冲组件302用于缓冲杆301的运动缓冲，通过缓冲杆301间接对驱动组件202缓冲控制。

实施例2

参照图1和2，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是：监控模块104包括角度传感器104a和转速传感器104b，角度传感器104a监测各风机叶片F变桨驱动时的角度信号，转速传感器104b获取各风机叶片F变桨前后的转速信号；角度传感器104a和转速传感器104b通过模数转换器104c将电信号传输给反馈模块105。

主控系统100还包括主控模块101，变桨控制模块102通过通讯模块106与主控模块101相连，进行信号交互；通讯模块106包括CANopen通讯接口106a、信号回路106b和以太网接口106c，分别传输不同的数据信号。

相较于实施例1，进一步的，监控模块104中的角度传感器104a用于监测风机叶片F的偏转角度信息，而需要说明的是，风机叶片F有三个，则角度传感器104a也设置有三个，每一风机叶片F对应通过一角度传感器104a监控，三个角度传感器104a测得的角度信号在反馈模块105进行对比，产生反馈信号；转速传感器104b监测各风机叶片F变桨前后的转速信号，通过配合主控系统100中的风向监测系统，实现在实时风速情况下，风力发电机满足额定转速范围内的最佳转速。模数转换器104c用于角度传感器104a和转速传感器104b中数字信号与电信号之间的转换，以通过反馈模块105将监测信息输送给变桨控制模块102。

进一步的，此主控系统100中还包括主控模块101，即风力发电机整体控制系统的主控模块，变桨控制模块102通过通讯模块106与主控模块101进行信息交互；而具体的，此通讯模块106中至少包括有三路接口：其中，一路接口是CANopen通讯接口106a，经过CANopen通信与主控模块101相连，接收主控指令并上传变桨控制系统状态故障等信息；一路是信号回路106b，包括安全链和EFC等信号，经过继电器与主控模块101相连，监视变桨控制系统运行状态；最后一路是以太网接口106c，经过以太网交换机与主控模块101相连，用于程序更新。

其余结构与实施例1的结构相同。

实施例3

参照图5～7，为本发明的第三个实施例，该实施例不同于第二个实施例的是：支撑组件201面向风机轮毂G的一端具有配合槽201a和装配槽201b，装配槽201b位于配合槽201a的外侧。

装配槽201b的一端侧壁上还开设有不少于1组的限位槽201b-1，限位槽201b-1于支撑组件201的中心轴线均匀分布；限位槽201b-1通过连通弧槽201b-2与配合槽201a相通。

驱动组件202包括驱动齿盘202a、设置于驱动齿盘202a侧壁上端的限位柱202b，以及铰接于限位柱202b上的驱动杆202c；驱动齿盘202a配合安装于装配槽201b内；限位柱202b的数量与限位槽201b-1的数量相同，且均匀分布，限位柱202b配合滑动于限位槽201b-1内；驱动杆202c远离限位柱202b的一端铰接于配合槽201a的槽腔内。

相较于实施例2，进一步的，支撑组件201为套装在风机轮毂G端部的管状结构，其面向风机轮毂G的一端的轴向侧壁上开设配合槽201a和装配槽201b，其中配合槽201a能够收纳风机轮毂G的端部外侧壁，装配槽201b位于配合槽201a的外环侧，用于安装驱动组件202中的驱动齿盘202a。

进一步的，沿着装配槽201b的径向侧壁，还开设有限位槽201b-1，此限位槽201b-1呈90度大小的圆弧状，本实施例中开设有至少2组，关于支撑组件201的中心轴线对称分布，限位槽201b-1用于驱动齿盘202a的安装。还需要说明的是，限位槽201b-1的槽腔通过开设的连通弧槽201b-2与配合槽201a相通。此连通弧槽201b-2用于驱动杆202c的连接，而弧形设置的目的在于适配驱动杆202c的偏转范围。

驱动组件202用于同步驱动三根风机叶片F，其具体包括驱动齿盘202a、限位柱202b和驱动杆202c；其中，驱动齿盘202a通过限位柱202b配合插接在限位槽201b-1内，驱动齿盘202a的内径大小与装配槽201b的内径大小相同，而限位柱202b也对称分布在驱动齿盘202a的径向端部侧壁上，限位柱202b及限位槽201b-1的配合限制了驱动齿盘202a可形成90度的偏转范围，可驱动风机叶片F与吹来的风面形成0～90度的可变角变化范围。

驱动齿盘202a远离限位柱202b的一侧，分布有环状的齿槽C，而在风机叶片F的连接端，设置有与齿槽C相啮合的驱动齿槽S，需要说明的是，风机叶片F可保留原有的驱动组合方式，驱动齿槽S位于风机叶片F与轮毂G的转动配合处。此驱动齿槽S与齿槽C的驱动用于三个风机叶片F偏转同步。

进一步的，驱动杆202c用于提供偏转驱动力，进而推动驱动齿盘202a的旋转，需要说明的是，驱动杆202c具有伸缩端和连接端，连接端铰接于配合槽201a的槽腔内，而其伸缩端穿过连通弧槽201b-2连接在限位柱202b上。每一限位柱202b由一驱动杆202c推动。在此，驱动杆202c连接端的安装位置可有以下限制：可在配合槽201a的槽腔内安装铰接座，而铰接座的位置位于配合槽201a径向截面圆形的M点和N点处，以截面圆的半径为R；其中，M点和N点关于配合槽201a的中心轴线镜像对称，以M点的位置为例，其在水平方向的1/2R处，在竖直方向为1/4R处。验证表面，此位置为驱动杆202c的最佳驱动位置。

其余结构与实施例2的结构相同。

实施例4

参照图7～10，为本发明的第四个实施例，该实施例不同于第三个实施例的是：缓冲杆301包括限位套管301a和连接于限位套管301a侧壁上的弧形杆301b；其中，限位套管301a套设于限位柱202b上；弧形杆301b远离限位套管301a的一端穿过限位槽201b-1的侧壁，并延伸于支撑组件201内的缓冲腔302a中。

缓冲组件302还包括滑动于缓冲腔302a内的活塞块302b，与缓冲腔302a通过单向阀组302c相通的回流腔302d；缓冲腔302a和回流腔302d内均容置有液压油。

单向阀组302c包括第一单向阀302c-1和第二单向阀302c-1，其中，第一单向阀302c-1由缓冲腔302a向回流腔302d单向流通；第二单向阀302c-1由回流腔302d向缓冲腔302a单向流通；第一单向阀302c-1和第二单向阀302c-1均为电控磁阀。

回流腔302d还通过注油管T与位于支撑组件201外侧壁上的注油嘴201c相连。

相较于实施例3，进一步的，缓冲杆301为一弧形的杆体构件，其圆心与限位槽201b-1的圆心重合，具体的，其包括限位套管301a和弧形杆301b，其中限位套管301a套接在限位柱202c的外侧壁上，保持与限位柱202c同步运动。弧形杆301b的另一端延伸在位于支撑组件201侧壁内的缓冲腔302a中，并与活塞块302b相连，通过在缓冲腔302a内容置的液压油对活塞块302b的运动进行缓冲。进而对限位柱202b减速缓冲。

进一步的，缓冲组件302包括缓冲腔302a、活塞块302b、单向阀组302c和回流腔302d；其中，活塞块302b滑动于缓冲腔302a内，液压油位于缓冲腔302a和回流腔302d内，且单向阀组302c保持缓冲腔302a和回流腔302d内的液压油单向流通，活塞块302b滑动，造成缓冲腔302a内的容积大小变化，进而在缓冲腔302a与回流腔302d之间形成压力差，单向阀组302c在压力差的作用下单向开启，实现液压油在两腔体内的流动。

单向阀组302c至少包括两组，即由缓冲腔302a向回流腔302d单向流通的第一单向阀302c-1和由回流腔302d向缓冲腔302a单向流通的第二单向阀302c-1。二者为电控磁阀的目的在于，可通过执行模块103电性控制的方式控制阀组的通断，以实现对变桨过程的平稳制动。

更进一步的，回流腔302d内的液压油可通过注油嘴201c向腔内加注，以弥补可能存在的液压油泄露，导致压力不足的问题。

其余结构与实施例3的结构相同。

结合附图3～10中所示，在本变桨制动控制系统的使用过程中，通过主控系统100中的风向模块确定风向，并由主控模块101处理得出风机叶片F的迎风面与风向的夹角，主控模块101下发变桨指令至变桨控制模块102，由变桨控制模块102进行具体的变桨控制操作。

变桨操作过程中，变桨控制模块102通过执行模块103下发驱动指令，使得驱动杆202c伸长或缩短，以驱动杆202c的伸长过程为例；当驱动杆202c伸长时，其伸缩端推动限位柱202b在限位槽202b-1内滑动，此时驱动齿盘202a转动，并与风机叶片F外的齿槽C啮合转动，驱动三根叶片同步旋转，而在风机叶片F的旋转过程中，角度传感器104a监测各叶片的旋转角度，而转速传感器104b则监测各叶片在偏转前后的转速变化，二者监测的数据经模数转换器104c转换后传输给反馈模块105得到反馈数据，进而变桨控制模块102通过此反馈数据对变桨过程修正。

而在驱动杆202c推动限位柱202b移动过程中，由于限位套管301a套装在限位柱202b上，当限位柱202b移动时，弧形杆301b同样进行偏转移动，其推动端部的活塞块302b在缓冲腔302a移动，造成缓冲腔302a的腔体容积减小，压力增大，并大于回流腔302d内的压力，使得第一单向阀302c-1开启，第二单向阀302c-1保持关闭，缓冲腔302a内的液压油逐渐向回流腔302d中流动，此过程减缓了活塞头302b的运动速度，即对限位柱202b及驱动齿盘202a的运动进行了减缓，降低了风机叶片F在惯性作用下的偏转，造成变桨误差增大的问题。

而当进行变桨制动时，只需通过执行模块105控制单向阀组302c保持关闭，保持缓冲腔302a容积大小不变，活塞头302b虽在限位柱202b的推动作用下挤压液压油，但是在行程最大处会反向推动活塞头302b返回至缓冲腔302a压力平衡的位置。由此在整体变桨过程时，可提前限定制动位置，有利于变桨的准确性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种风力发电机的变桨制动控制系统，其特征在于：包括，

主控系统（100），其包括变桨控制模块（102）以及连接于所述变桨控制模块（102）上的执行模块（103）、监控模块（104）和反馈模块（105），所述反馈模块（105）与所述执行模块（103）和监控模块（104）电性相连；

驱动单元（200），其包括设置于风机轮毂（G）端部的支撑组件（201）和设置于所述支撑组件（201）中的驱动组件（202），所述驱动组件（202）中的驱动杆（202c）与执行模块（103）电性相连；

所述支撑组件（201）面向所述风机轮毂（G）的一端具有配合槽（201a）和装配槽（201b），所述装配槽（201b）位于所述配合槽（201a）的外侧；所述装配槽（201b）的一端侧壁上还开设有不少于1组的限位槽（201b-1），所述限位槽（201b-1）于所述支撑组件（201）的中心轴线均匀分布；所述限位槽（201b-1）通过连通弧槽（201b-2）与所述配合槽（201a）相通；

所述驱动组件（202）包括驱动齿盘（202a）、设置于所述驱动齿盘（202a）侧壁上端的限位柱（202b），以及铰接于所述限位柱（202b）上的驱动杆（202c）；所述驱动齿盘（202a）配合安装于所述装配槽（201b）内；所述限位柱（202b）的数量与所述限位槽（201b-1）的数量相同，且均匀分布，所述限位柱（202b）配合滑动于所述限位槽（201b-1）内；所述驱动杆（202c）远离所述限位柱（202b）的一端铰接于所述配合槽（201a）的槽腔内；以及，

缓冲单元（300），设置于所述支撑组件（201）内，其包括缓冲杆（301）以及配合设置于所述缓冲杆（301）端部的缓冲组件（302）；

所述缓冲杆（301）包括限位套管（301a）和连接于所述限位套管（301a）侧壁上的弧形杆（301b）；其中，所述限位套管（301a）套设于所述限位柱（202b）上；所述弧形杆（301b）远离所述限位套管（301a）的一端穿过所述限位槽（201b-1）的侧壁，并延伸于所述支撑组件（201）内的缓冲腔（302a）中；

所述缓冲组件（302）还包括滑动于所述缓冲腔（302a）内的活塞块（302b），与所述缓冲腔（302a）通过单向阀组（302c）相通的回流腔（302d）；所述缓冲腔（302a）和回流腔（302d）内均容置有液压油；所述单向阀组（302c）包括第一单向阀（302c-1）和第二单向阀（302c-2），其中，所述第一单向阀（302c-1）由所述缓冲腔（302a）向所述回流腔（302d）单向流通；所述第二单向阀（302c-2）由所述回流腔（302d）向所述缓冲腔（302a）单向流通；所述第一单向阀（302c-1）和第二单向阀（302c-2）均为电控磁阀；所述回流腔（302d）还通过注油管（T）与位于所述支撑组件（201）外侧壁上的注油嘴（201c）相连。

2.根据权利要求1所述的风力发电机的变桨制动控制系统，其特征在于：所述监控模块（104）包括角度传感器（104a）和转速传感器（104b），所述角度传感器（104a）监测各风机叶片（F）变桨驱动时的角度信号，所述转速传感器（104b）获取各风机叶片（F）变桨前后的转速信号；

所述角度传感器（104a）和转速传感器（104b）通过模数转换器（104c）将电信号传输给所述反馈模块（105）。

3.根据权利要求2所述的风力发电机的变桨制动控制系统，其特征在于：所述主控系统（100）还包括主控模块（101），所述变桨控制模块（102）通过通讯模块（106）与所述主控模块（101）相连，进行信号交互；

所述通讯模块（106）包括CANopen通讯接口（106a）、信号回路（106b）和以太网接口（106c），分别传输不同的数据信号。

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