CN201507394U - 风力发电机组变桨距控制装置 - Google Patents

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卢强
吴明
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鲁斌
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Abstract

本实用新型涉及一种风力发电机组变桨距控制装置，属于风力发电机组变桨距控制技术领域，其组成包括：桨距控制器以及三个变桨控制单元，每个变桨控制单元具有伺服控制器、驱动电机、桨叶执行机构、桨距角位置传感器和电源模块，桨距控制器与三个伺服空制器之间通过工业实时以太网通讯。桨距控制器与变桨控制单元之间采用EthernetPOWERLINK工业实时以太网通讯，Ethernet POWERLINK是建立在100Mbps的标准快速以太网的基础上，并满足了真正的实时性需求，它使用一个基本的等时的时间槽来分配发送的许可，能成功地预防在网络上数据冲突，Ethernet POWERLINK所支持的最快网络循环时间是400μs，因此可以和伺服驱动周期保持同步。

Description

风力发电机组变桨距控制装置
技术领域
本实用新型涉及一种风力发电机组变桨距控制装置，属于风力发电机组变桨距控制技术领域。
背景技术
与定桨距风力发电机组相比，采用变桨距技术风力发电机组具有以下优势：1，额定功率点以上输出功率平稳，通过调节桨叶桨距角，可减小气流密度变化、温度变化等因素对功率输出造成的影响；2，在低风速时，通过调节桨叶桨距角，可以获得更大的起动力矩，从而更容易起动风机；3，风力发电机组脱网时，通过调节桨叶桨距角，可先使功率降到零后再脱网，从而避免了定桨距机组脱网时所要经历的突甩负荷的过程；4，依靠变桨距控制来实现紧急制动，每个叶片均可独立制动，而且所有叶片都满足“失败-安全”运行要求。
常用变桨距控制装置系统内部通讯通常采用485总线通讯，该通讯方式具有线路简单、成本低的优势，但缺点是：抗干扰能力差、通讯速率低，实际使用过程中故障率高，不适宜对可靠性要求极高的风电控制领域。此外，驱动电机与伺服控制器通常还存在参数匹配的问题，更换电机时需要重新匹配参数，增加了变桨距控制装置维护工作的难度与工作量。
发明内容
本实用新型的目的在于：针对以上现有技术的不足，提出一种基于工业实时以太网通讯的风力发电机组变桨距控制装置。
为了达到以上的目的：本实用新型提供风力发电机组变桨距控制装置，其组成包括：桨距控制器、以及三个变桨控制单元，每个变桨控制单元具有伺服控制器、驱动电机、桨叶执行机构、桨距角位置传感器和电源模块，其特征在于，所述桨距控制器与三个变桨控制单元的伺服控制器之间通过工业实时以太网通讯。
桨距控制器与变桨控制单元之间采用Ethernet POWERLINK工业实时以太网通讯，Ethernet POWERLINK是建立在100Mbps的标准快速以太网的基础上，并满足了真正的实时性需求，它使用一个基本的等时的时间槽来分配发送的许可，能成功地预防在网络上数据冲突，EthernetPOWERLINK所支持的最快网络循环时间是400μs，因此可以和伺服驱动周期保持同步。
另外，本实用新型采用高可靠性一体化的伺服控制器，伺服控制器主要包括主电源单元、辅助电源单元、逆变单元、通信单元、电机编码器等。伺服控制器带有摆动限制和转矩限制功能，在实现快速精确伺服控制的同时，最大限度的减少系统的震动并确保驱动电机的安全。此外，伺服控制器为穿墙式安装，散热器置于柜外，自然冷却或外罩风扇冷却，极大地改善了散热效果。
选用专为适用于旋转状态等恶劣工况而设计的驱动电机。驱动电机为三相交流永磁同步电机，内置嵌入式参数芯片，更换电机后，伺服控制器能自动从驱动电机中读取参数，不需要用户重新匹配参数。采用正弦EnDat编码器或旋变作为反馈单元，惯量小、扭矩脉动低、高速时保证高动态扭矩，防护等级为IP65。
电源模块中含有备用电源、外部电源监视器、备用电源控制器。备用电源可选用铅酸蓄电池或超级电容器，带充电监视管理功能。当外部电源监视器检测到外部供电消失时，在线投入备用电源，当风机桨叶可靠顺桨后，备用电源控制器切断备用电源输出，防止备用电源过度放电，既保证风电机组安全，又有效保护备用电源。
每个桨叶均采用两组位置开关和桨距角越限监视器组成安全保护装置，其中一组位置开关信号送入桨距控制器，另一组位置开关信号送入桨距角越限监视器，确保桨叶在规定范围内安全调节，保证风力发电机组的安全运行。
每个桨叶均有独立的变桨控制单元，包括伺服控制器、驱动电机、桨叶执行机构和备用电源等，这样风力发电机组就有三个独立的气动刹车系统，当三个桨叶中某一个出现故障，不能正常工作时，只要另两个能安全顺桨，亦能保证风力发电机组安全停机。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
图1为本实用新型风力发电机组变桨距控制装置的组成框图。
具体实施方式
本实施例的风力发电机组变桨距控制装置如图1所示，其组成包括：桨距控制器、以及三个变桨控制单元，每个变桨控制单元具有伺服控制器、驱动电机、桨叶执行机构、桨距角位置传感器和电源模块，如图中所示变桨控制单元A具有依次连接的伺服控制器A、驱动电机A、桨叶执行机构A，其桨距角位置传感器A与桨距控制器连接，桨距控制器与三个伺服控制器之间通过工业实时以太网(Ethernet POWERLINK)通讯。本例中，桨距控制器与伺服控制器A通过工业实时以太网连接，伺服控制器A与伺服控制器B通过工业实时以太网连接，伺服控制器B与伺服控制器C通过工业实时以太网连接，这样就实现了桨距控制器与三个伺服控制器之间通过工业实时以太网通讯。
如图1所示，每个变桨控制单元具有由两组位置开关和桨距角越限监视器组成的安全保护装置，其中，一组位置开关与桨距角越限监视器连接，另一组位置开关与桨距控制器连接。这样一组位置开关信号送入桨距控制器，另一组位置开关信号送入桨距角越限监视器，确保桨叶在规定范围内安全调节，保证风力发电机组的安全运行。
本例的伺服控制器为穿墙式安装，散热器置于柜外，自然冷却或外罩风扇冷却，极大地改善了散热效果。驱动电机是专为适用于轮毂中处于旋转状态的恶劣工况而设计的三相交流永磁同步电机。
如图1所示，电源模块中含有外部电源处理电路和备用电源，外部电源处理电路包括整流器、与该整流器串联的直流滤波电路，后备电源为蓄电池或超级电容器中的一种，后备电源的电源输出端口接直流滤波电路的电源输入端口。所述电源模块还具有与变桨控制器连接的外部供电监视器、备用电源监视器，所述外部供电监视器的信号输入端接外部电源，所述备用电源监视器的控制信号输出端连接置于后备电源输出端的继电器开关。
正常情况下，风机控制系统通过通讯将控制命令发给桨距控制器，桨距控制器经过计算将控制信号输出给伺服控制器，伺服控制器控制驱动电机，并通过变桨距执行机构带动桨叶旋转，改变桨距角。变桨过程中，驱动电机通过编码器系统将电机位置信号反馈给伺服控制器，伺服控制器根据电机位置反馈信号实现对驱动电机的闭环控制。桨距角传感器将桨距角信号反馈给桨距控制器，桨距控制器通过桨距角反馈信号实现对桨叶的闭环控制。通过上述两级闭环控制，本实用新型可实现精确可靠变桨。
当外部供电消失时，本实用新型在线切换到备用电源供电，同时控制驱动电机朝关桨方向旋转，直到桨叶可靠顺桨，保证风电机组安全停机。当桨叶顺桨至安全位置后，备用电源控制器切除备用电源，防止备用电源过度放电而影响其使用寿命。
当桨距控制器与风机控制系统之间通讯故障时，本实用新型控制驱动电机朝关桨方向旋转，直到风机桨叶顺桨完成，保证风电机组安全停机。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (6)

1.风力发电机组变桨距控制装置，其组成包括：桨距控制器、以及三个变桨控制单元，每个变桨控制单元具有伺服控制器、驱动电机、桨叶执行机构、桨距角位置传感器和电源模块，其特征在于，所述桨距控制器与三个伺服控制器之间通过工业实时以太网通讯。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨距控制装置，其特征在于：变桨控制单元具有由两组位置开关和桨距角越限监视器组成的安全保护装置，其中，一组位置开关与桨距角越限监视器连接，另一组位置开关与桨距控制器连接。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨距控制装置，其特征是所述伺服控制器为穿墙式安装，其散热器置于机柜外。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨距控制装置，其特征在于所述驱动电机是专为适用于轮毂中处于旋转状态的恶劣工况而设计的三相交流永磁同步电机。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨距控制装置，其特征在于电源模块中含有外部电源处理电路和备用电源，外部电源处理电路包括整流器、与该整流器串联的直流滤波电路，后备电源为蓄电池或超级电容器中的一种，后备电源的电源输出端口接直流滤波电路的电源输入端口。
6.根据权利要求5所述的风力发电机组变桨距控制装置，其特征在于电源模块还具有与变桨控制器连接的外部供电监视器、备用电源监视器，所述外部供电监视器的信号输入端接外部电源，所述备用电源监视器的控制信号输出端连接置于后备电源输出端的继电器开关。
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