CN201953562U - 一种风力发电机变桨距控制系统 - Google Patents

一种风力发电机变桨距控制系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机变桨距控制系统，涉及风力发电控制领域。本实用新型公开的系统包括三个轴柜，三个轴柜中有两个轴柜均包括通讯单元和变桨驱动单元，有一个轴柜包括PLC单元、通讯单元和变桨驱动单元，其中：通讯单元，进行本轴柜与其他两个轴柜的通信；变桨驱动单元，根据接收到的变桨操作指令以及本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态控制该桨叶电动机的工作状态以实现变桨距操作；PLC单元，根据风力发电主控系统下发的变桨距控制命令向本轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令，并通过本轴柜的通讯单元向其他两个轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令。本实用新型中至少一个实施例实现风力发电机发电波形的稳定和理想。

Description

一种风力发电机变桨距控制系统
技术领域
本实用新型涉及风力发电控制领域，具体涉及一种风力发电机变桨距控制系统。
背景技术
在风力发电过程中，风能是实时变化的，为了使风力机在达到额定功率之前能捕获最大风能，同时在达到额定功率后，能尽可能地稳定在额定功率值，需要对风机进行变桨，同时搭配变流技术，实现对风力机捕获的风能进行有效管理。有些情况下，还需要根据实现风况和风力机设备的状态对风力机进行一定的实时保护。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种风力发电机变桨距控制系统，可在风力发电过程中在风力发电机达到额定功率后，能尽可能地稳定在额定功率值，实现风力发电机发电波形的稳定和理想。
为了解决上述问题，本实用新型公开了一种风力发电机变桨距控制系统，包括三个轴柜，各轴柜分别控制一个桨叶电动机，三个轴柜中有两个轴柜均包括通讯单元和变桨驱动单元，有一个轴柜包括可编程控制PLC单元、通讯单元和变桨驱动单元，其中：
所述通讯单元，进行本轴柜与其他两个轴柜的通信；
所述变桨驱动单元，根据接收到的变桨操作指令以及本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态控制该桨叶电动机的工作状态以实现变桨距操作；
所述PLC单元，根据风力发电主控系统下发的变桨距控制命令向本轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令，并通过本轴柜的通讯单元向其他两个轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令。
较佳地，上述系统中，所述PLC单元包括：
第一处理模块，根据风力发电主控系统下发的变桨距控制命令向本轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令，并通过本轴柜的通讯单元向其他两个轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令；
第二处理模块，实时获取三个轴柜的工作状态，当有轴柜发生设定故障，则控制三个轴柜的变桨驱动单元发起顺桨操作指令。
较佳地，上述变桨驱动单元包括变桨驱动模块、变桨驱动输入模块、变桨驱动输出模块和桨叶电动机控制模块，其中：
所述变桨驱动模块，根据接收到的变桨操作指令以及本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态向所述桨叶电动机控制模块发起变桨操作指令，以及在收到所述PLC单元发起的顺桨操作时，向所述变桨驱动输出模块发送顺桨操作指令；
所述变桨驱动输入模块，将本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态发送给所述变桨驱动模块；
所述变桨驱动输出模块，将所述变桨驱动模块发起的变桨操作指令以及顺桨操作指令发送给所述桨叶电动机控制模块，以及在电网断电或所述变桨驱动模块异常时自动切断与所述桨叶电动机控制模块的连接；
所述桨叶电动机控制模块，按照收到的变桨操作指令控制本轴柜所控制的桨叶电动机进行变桨距，按照收到的顺桨操作指令控制该桨叶电动机进行顺桨。
较佳地，各轴柜还包括市电顺桨单元，在变桨驱动输出模块自动切断与所述桨叶电动机控制模块的连接时，将市电切入到所述桨叶电动机控制模块，通过工频信号和限位开关控制本轴柜所控制的桨叶电动机进行顺桨。
较佳地，该系统的各轴柜中还包括备用电源装置，该备用电源装置，在所述变桨驱动单元断电时进行供电。
较佳地，所述备用电源装置包括备用电源和备用电源充电机。
较佳地，该系统的各轴柜中还包括柜内温度检测单元，检测本轴柜内的工作环境温度，并在工作环境温度异常时通过变桨驱动单元上报给PLC单元。
较佳地，所述通讯单元包括桨叶编码器。
较佳地，所述桨叶编码器选用绝对位置编码器。
本实用新型中至少一个实施例可以使风力机在达到额定功率之前能捕获最大风能，同时在达到额定功率后，可以稳定在额定功率值，从而实现风力发电机发电波形的稳定和理想。在优选实施例中，变桨驱动器发生故障时，仍能对三个桨进行顺桨操作。
附图说明
图1为本实用新型提供的风力发电机变桨距控制系统结构框图；
图2为实施例1中主轴柜的结构示意框图；
图3为实施例1中主轴柜的变桨驱动输入模块示意图；
图4为实施例1中主轴柜的变桨驱动输出模块示意图；
图5为实施例1中主轴柜的桨叶电动机控制模块示意图；
图6为实施例1中主轴柜的供电电源电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本实用新型申请人新提出一种风力发电机变桨距控制系统，如图1所示，可包括三个互连的轴柜，每个轴柜连接有一组桨叶电动机及传动装置，即每个轴柜单独控制一组桨叶电动机及及传动装置。其中，三个轴柜中两个轴柜均包括通讯单元和变桨驱动单元，另一个轴柜则包括通讯单元、变桨驱动单元和可编程控制(PLC)单元。包括有PLC单元的轴柜也可以称为主轴柜。
通讯单元，进行本轴柜与其他两个轴柜的通信；
变桨驱动单元，根据接收到的变桨操作指令以及本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态控制该桨叶电动机的工作状态以实现变桨距操作；
PLC单元，根据风力发电主控系统下发的变桨距控制命令向本轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令，并通过本轴柜的通讯单元向其他两个轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令。
实施例1
本实施例1基于上述思想，提供一种风力发电机变桨距控制系统的优选方案。该优选方案中，各轴柜中除了包括基本的通讯单元和变桨驱动单元外，还可包括市电顺桨单元、备用电源装置、安全链以及PT100柜内温度检测单元等。如图2所示即为本实施例中主轴柜内的结构。其中，变桨驱动单元由变桨驱动模块、变桨驱动器输入模块、变桨驱动器输出模块和桨叶电动机控制模块组成，备用电源装置由备用电源和备用电源充电机组成，通讯单元则采用桨叶编码器来实现。
下面介绍各部分功能。
PLC单元，主要负责与风力发电主控系统的通讯，以及三个轴柜之间的通讯，主要通过PROFIBUS-DP实现三个轴柜内安全链控制、手持操作器以及与变桨驱动单元的通讯。
在本实施例中，PLC单元可分为第一处理模块和第二处理模块。
第一处理模块，根据风力发电主控系统下发的变桨距控制命令向本轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令，并通过本轴柜的通讯单元向其他两个轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令；
第二处理模块，实时获取三个轴柜的工作状态，当有轴柜发生设定故障，则控制三个轴柜的变桨驱动单元发起顺桨操作指令。
其中，第二处理模块实时获取三个轴柜的工作状态，包括三个轴柜内的变桨驱动单元的工作状态、三个轴柜内温度状态、安全链状态等。根据所获取的三个轴柜的工作状态，发现的设定故障包括电网断电和变桨驱动单元异常，其中，变桨驱动单元异常包括如下一种或几种：
IGBT温度异常、逆变器过压、逆变器过流、逆变器欠压、EEPROM异常。
优选方案中，设定故障除了电网断电和变桨驱动单元异常以外、设定故障还可以包括风力发电机温度异常。
变桨驱动单元，根据接收到的变桨操作指令以及本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态控制该桨叶电动机的工作状态以实现变桨距操作，以及在收到顺桨操作时，向所述变桨驱动输出模块发送顺桨操作指令；
其中，变桨驱动模块(本实施例中变桨驱动模块采用变桨驱动器实现)是整个风力发电变桨距控制系统的控制核心。变桨驱动模块通过变桨驱动输入模块获取桨叶电动机的实际工作状态，并根据桨叶电动机的实际工作状态通过桨驱动输出模块发起变桨操作指令给桨叶电动机控制模块，由桨叶电动机控制模块控制桨叶电动机的工作状态以实现变桨距。当电网断电或者变桨驱动模块异常时，变桨驱动输出模块将自动切断与桨叶电动机控制模块的链路。
本实施例中，变桨驱动输入模块采用多点采集法，将各桨叶的位置的状态开关接入变桨驱动输入模块，以准确判断桨叶电动机的运行状态，以便变桨驱动模块实时发出操作指令。考虑到变桨驱动模块内部输出电路驱动能力有限，因此，可将变桨驱动模块输出信号通过24VDC继电器接入负载。其中，变桨驱动输入模块与外部信号连接如图3所示，变桨驱动输出模块与外部信号连接如图4所示。
而桨叶电动机控制模块，还可配合市电顺桨单元实现顺桨操作。在本实施例中，桨叶电动机控制模块可采用如图5所示的电路实现。当变桨距控制系统正常运行时，采用变桨驱动器3A1驱动桨叶电动机旋转，桨叶电动机为角接运行。当电网断电或变桨驱动模块异常时，配合市电顺桨单元实现顺桨操作。此外，实际应用中，桨叶电动机控制模块还可包括桨叶电动机风扇、加热控制电路、温度检测电路、刹车单元以及电机编码器SSI接口。
市电顺桨单元，在变桨驱动输出模块自动切断与桨叶电动机控制模块的连接时，将市电切入到桨叶电动机控制模块，通过工频信号和限位开关控制本轴柜所控制的桨叶电动机进行顺桨。
在本实施例中，如图5所示，市电接入桨叶电动机控制模块时，图中6K1和6K2断开(即变桨驱动器输出模块断开)，6K3和6K4闭合(即380V市电接入)，桨叶电动机将以工频速度(50Hz)向90度限位开关即停止工作，即实现顺桨操作。
备用电源装置，在变桨驱动模块断电时，为变桨驱动模块供电。
本实施例中，各轴柜内的供电采用三相四线制供电，额定电流为32A，通过滑环进入轴柜供电。优选地，还采用了TN-S系统的电涌保护器。由断路器与负荷开关组成轴柜电源供电的保护与操作，方便随时根据需要手动断开电源。而轴柜内供电电源的控制电路全部采用24VDC，如图6所示，电网电压通过备用电源充电机2G1给备用电源充电，同时DC/DC24V电源与AC/DC24V电源构成带有备用电源供电的电源供电系统，从而提高了系统的可靠性。2G2与2G3轮换供电，通过二极管2V3与2V4进行切换，当电网电压正常时，采用2V3进行供电，一旦电网电压不正常或断电，立刻切换备用电源采用2V4供电，并用通过2V3自带的一个干触点将电网断电信号发给变桨驱动模块。还有一些优选方案中，还可以通过图6中二极管2V1，2V2将备用电源送入到变桨驱动模块变频主电路直流母线，即如图6所示，ZK+/ZK-接到变桨驱动器的直流母线上，以完成顺桨工作。
桨叶编码器，实现PLC与三个变桨驱动单元的通讯，即PLC通过桨叶编码器将变桨操作指令以及顺桨操作指令发送给变桨驱动单元，变桨驱动单元也可以通过桨叶编码器将自身的工作状态反馈给PLC单元，PLC即可根据所收到桨叶编码器接收其他柜内变桨驱动单元的工作状态以便PLC单元判断风力发电机变桨距控制系统是否发生设定故障。优选地，桨叶编码器可选位绝对位置编码器，以提高定位精度。
安全链，是变桨轴柜安全运行的保障之一。本实施例中，安全链采用信号电涌保护器对其进行浪涌保护。再采用PLC与变桨驱动模块双重处理器对安全链加以控制，从而增加了电路的可靠性。
柜内温度检测单元，采用PT100实时对轴柜温度进行采集，温控器调节柜内温度，保证轴柜温度恒定。
本实施例中，其他两个轴柜内的结构与主轴柜内的结构基本相同，唯一不同仅在于主轴柜多包括了一个PLC单元，故在此对其他两个轴柜内的结构不再赘述。
下面介绍上述系统的工作过程。
上述系统上电后，三轴柜中变桨驱动模块按照PLC下发的变桨操作指令分别通过各自的桨叶电动机控制模块控制各自对应的桨叶电动机开始工作。同时，各轴柜中变桨驱动输入模块通过桨叶电动机控制模块实时检测桨叶电动机的实际工作状态，并将检测结果传送到变桨驱动模块，变桨驱动模块即可根据收到桨叶电动机的实时工作状态，通过变桨驱动输出模块发起桨叶电动机变桨操作指令给桨叶电动机控制模块，由桨叶电动机控制模块实现对桨叶电动机的控制实现变桨距。同时，其他两个轴柜的变桨驱动模块通过桨叶编码器实时地将本轴柜的工作状态发送给主轴柜的PLC，主轴柜的变桨驱动器直接将本轴柜的工作状态发送给主轴柜的PLC，当PLC根据获取的各轴柜的工作状态，发现不符合既定逻辑的情况(即发生设定故障)，则控制三个轴柜的变桨驱动模块进行顺桨操作。
在优选实施例中，若发生的设定故障为市电断电或变桨驱动模块异常，则可实现市电顺桨，即PLC发现任一或多个轴柜中变桨驱动模块异常，则变桨驱动输出模块自动切断与桨叶电动机控制模块的链路，由市电顺桨单元将380V市电接入桨叶电动机控制模块，通过工频信号和限位开关控制桨叶电动机进行顺桨。
从上述实施例可以看出，本实用新型的实施例采用了便于安装维护的3柜结构，并且为了保证系统的可靠运行，在主轴柜中增加了PLC控制，从而实现变桨驱动单元与PLC双重冗余控制。优选实施方案中，还采用超级电容作为备用电源，以及自主研发的备电充电管理设备来管理系统的后备电源，从而提高了系统的可靠性。还有一些应用场景中，本系统还集成了市电顺桨功能，提高系统安全性。另外，桨叶编码器优选位绝对位置编码器，因此，定位精度更高。
当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种风力发电机变桨距控制系统，包括三个轴柜，各轴柜分别控制一个桨叶电动机，其特征在于，三个轴柜中有两个轴柜均包括通讯单元和变桨驱动单元，有一个轴柜包括可编程控制PLC单元、通讯单元和变桨驱动单元，其中：
所述通讯单元，进行本轴柜与其他两个轴柜的通信；
所述变桨驱动单元，根据接收到的变桨操作指令以及本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态控制该桨叶电动机的工作状态以实现变桨距操作；
所述PLC单元，根据风力发电主控系统下发的变桨距控制命令向本轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令，并通过本轴柜的通讯单元向其他两个轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PLC单元包括：
第一处理模块，根据风力发电主控系统下发的变桨距控制命令向本轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令，并通过本轴柜的通讯单元向其他两个轴柜的变桨驱动单元发起变桨操作指令；
第二处理模块，实时获取三个轴柜的工作状态，当有轴柜发生设定故障，则控制三个轴柜的变桨驱动单元发起顺桨操作指令。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述变桨驱动单元包括变桨驱动模块、变桨驱动输入模块、变桨驱动输出模块和桨叶电动机控制模块，其中：
所述变桨驱动模块，根据接收到的变桨操作指令以及本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态向所述桨叶电动机控制模块发起变桨操作指令，以及在收到所述PLC单元发起的顺桨操作时，向所述变桨驱动输出模块发送顺桨操作指令；
所述变桨驱动输入模块，将本轴柜所控制的桨叶电动机的实际工作状态发送给所述变桨驱动模块；
所述变桨驱动输出模块，将所述变桨驱动模块发起的变桨操作指令以及顺桨操作指令发送给所述桨叶电动机控制模块，以及在电网断电或所述变桨驱动模块异常时自动切断与所述桨叶电动机控制模块的连接；
所述桨叶电动机控制模块，按照收到的变桨操作指令控制本轴柜所控制的桨叶电动机进行变桨距，按照收到的顺桨操作指令控制该桨叶电动机进行顺桨。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，
各轴柜还包括市电顺桨单元，在变桨驱动输出模块自动切断与所述桨叶电动机控制模块的连接时，将市电切入到所述桨叶电动机控制模块，通过工频信号和限位开关控制本轴柜所控制的桨叶电动机进行顺桨。
5.如权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，
该系统的各轴柜中还包括备用电源装置，该备用电源装置，在所述变桨驱动单元断电时进行供电。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述备用电源装置包括备用电源和备用电源充电机。
7.如权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，该系统的各轴柜中还包括柜内温度检测单元，检测本轴柜内的工作环境温度，并在工作环境温度异常时通过变桨驱动单元上报给PLC单元。
8.如权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述通讯单元包括桨叶编码器。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述桨叶编码器选用绝对位置编码器。
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Granted publication date: 20110831

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