CN204646533U - 风力发电机组的安全链系统和风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电机组的安全链系统和风力发电机组。该风力发电机组的安全链系统包括：一个主控制器(10)；一个塔底急停按钮(211)；一个机舱柜急停按钮(311)；一个机舱操作盒急停按钮(312)；一个轮毂超速检测模块(411)；至少一个变桨系统检测模块(412)；和与主控制器(10)电连接的复数个分布式安全型输入输出模块(20、30、40)，分别位于塔底、机舱和轮毂。采用分布式安全型输入输出模块作为安全信号的输入和输出，能够快速识别故障。

Description

风力发电机组的安全链系统和风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及风力发电机组的安全领域，尤其涉及风力发电机组的安全链系统和风力发电机组。

背景技术

风能作为一种清洁可再生能源，已经成为当前重点发展的能源。风力发电技术是将风能转换为机械能，进而再将机械能转化为电能的技术。随着风力发电技术不断发展，风力发电机组得到了越来越多的应用。

常见的风力发电机组包括塔筒、机舱、轮毂、转子叶片、发电机以及变桨系统、刹车系统、变流器等。塔筒设置于地基上，机舱设置于塔顶，发电机设置于机舱，转子叶片通过轮毂连接在一起，轮毂与发电机连接。这样当风力发电机组运转进行发电时，转子叶片被风力带动旋转，进而带动发电机进行发电。

为了确保安全运行，风力发电机组通常配置安全链系统。安全链系统可对风力发电机组起保护作用，用于当风力发电机组控制功能失效、内外部损伤或危险事件导致风力发电机组不能保持正常运行时，安全链系统可使风力发电机组安全停机，以实现对风力发电机组的保护。安全链作为风力发电机组安全运行的最后一道保障，是风力发电机组的一个重要组成部分。

目前常见的风力发电机组的安全链系统有以下两种设计方案：

1.安全链保护点硬连线串联模式

它是由24V直流电源以及关键设备的检测保护点串联构成的安全链回路。正常情况下，安全链回路上的所有检测保护点均处于闭合状态。安全链回路上任意一个安全保护点断开，该回路将会失电，安全链系统通过收桨和机械刹车等实现风力发电机组停机。

2.安全链保护点安全继电器(安全CPU)串联模式

使用安全继电器(安全CPU)实现对风力发电机组重要设备的保护监控。安全继电器(安全CPU)具有多路接点输入和输出功能。

实用新型内容

本实用新型的目的之一是提供一种快速识别故障的风力发电机组的安全链系统和风力发电机组。

本实用新型的一个方面提供了风力发电机组的安全链系统，包括：一个主控制器；一个塔底急停按钮；一个机舱柜急停按钮；一个机舱操作盒急停按钮；一个轮毂超速检测模块；至少一个变桨系统检测模块；和

与主控制器电连接的复数个分布式安全型输入输出模块，包括：

一个位于塔底的第一安全型输入输出模块，包括：

一个第一安全型输入模块，与塔底急停按钮电连接；和

一个第一安全型输出模块，用于控制风力发电机组执行安全操作；

一个位于机舱的第二安全型输入输出模块，包括：

一个第二安全型输入模块，与机舱柜急停按钮和机舱操作盒急停按钮电连接；和

一个第二安全型输出模块，用于控制风力发电机组执行安全操作；以及，

一个位于轮毂的第三安全型输入输出模块，包括：

一个第三安全型输入模块，与轮毂超速检测模块和至少一变桨系统检测模块电连接；和

一个第三安全型输出模块，用于控制风力发电机组执行安全操作。

采用分布式安全型输入输出模块作为安全信号的输入和输出，能够快速识别故障。

在风力发电机组的安全链系统的另一种示意性的实施方式中，还包括：一个位于塔底的第一安全链复位按钮，与第一安全型输入模块电连接；和一个位于机舱的第二安全链复位按钮，与第二安全型输入模块电连接。分别在塔底和机舱设置安全链复位按钮能够很方便地实现安全链复位。

在风力发电机组的安全链系统的再一种示意性的实施方式中，还包括下列中的一个或复数个：变流器检测模块，与第一安全型输入模块电连接；扭缆检测模块，与第二安全型输入模块电连接；和振动检测模块，与第二安全型输入模块电连接。对变流器、扭缆、振动其中的一个或复数个进行安全保护。

在风力发电机组的安全链系统的又一种示意性的实施方式中，第一安全型输出模块与机舱电源开关和变流器电连接，分别用于控制机舱电源开关的通断，和控制变流器执行安全操作；第二安全型输出模块与偏航系统电连接，用于控制偏航系统执行安全操作；第三安全型输出模块与变桨系统电连接，用于控制变桨系统执行安全操作。第一安全输出模块、第二安全输出模块、第三安全输出模块分别控制不同的安全执行机构进行安全操作，可并行操作、效率高，相互不影响、安全性高。

在风力发电机组的安全链系统的又一种示意性的实施方式中，变桨系统检测模块有三个，三个变桨系统检测模块串联后接入第三安全型输入模块。三个变桨系统检测模块串联，任何一个检测到故障都会使得安全链起作用，更好地保护变桨系统。

在风力发电机组的安全链系统的又一种示意性的实施方式中，第一安全型输入输出模块与主控制器连接，第三安全型输入输出模块通过第二安全型输入输出模块与主控制器连接。轮毂与机舱距离近但均远离塔底，这样做简化通讯缆线的布设。

本实用新型的另一个方面提供了风力发电机组，包括上述的风力发电机组的安全链系统。采用分布式安全型输入输出模块作为安全信号的输入和输出，能够快速识别故障。

附图说明

下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本实用新型上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明，其中：

图1是本实用新型的一个实施例提供的风力发电机组的安全链系统结构示意图；

图2是本实用新型的另一个实施例提供的风力发电机组的安全链系统结构示意图。

标号说明：

10  主控制器

20  第一安全型输入输出模块

21  第一安全型输入模块

210 第一安全链复位按钮

211 塔底急停按钮

212 变流器检测模块

22  第一安全型输出模块

221 变流器

222 机舱电源开关

23  第一常规PLC模块

30  第二安全型输入输出模块

31  第二安全型输入模块

310 第二安全链复位按钮

311 机舱柜急停按钮

312 机舱操作盒急停按钮

313 扭缆检测模块

314 振动检测模块

32  第二安全型输出模块

321 偏航系统

33  第二常规PLC模块

40  第三安全型输入输出模块

41  第三安全型输入模块

411 轮毂超速检测模块

412、412a、412b、412c 变桨系统检测模块

42  第三安全型输出模块

421  变桨系统

43  第三常规PLC模块

具体实施方式

为了对实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

下面讨论的各图以及被用来描述在该专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅以说明的方式并且无论如何不应该被解释成限制本公开的范围。本领域技术人员将会理解，可以在任何适当布置的设备中实施本公开的原理。将参考示例性非限制实施例来描述本申请的各种创新教导。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地示出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

图1是本实用新型的一个实施例提供的风力发电机组的安全链系统结构示意图。从图1中可以看出，该风力发电机组的安全链系统，包括：

一个主控制器10；

一个塔底急停按钮211；

一个机舱柜急停按钮311；

一个机舱操作盒急停按钮312；

一个轮毂超速检测模块411；

至少一个变桨系统检测模块412；和

与主控制器10电连接的复数个分布式安全型输入输出模块，包括：

一个位于塔底的第一安全型输入输出模块20，包括：

一个第一安全型输入模块21，与塔底急停按钮211电连接；和

一个第一安全型输出模块22，用于控制风力发电机组执行安全操作；

一个位于机舱的第二安全型输入输出模块30，包括：

一个第二安全型输入模块31，与机舱柜急停按钮311和机舱操作盒急停按钮312电连接；和

一个第二安全型输出模块32，用于控制风力发电机组执行安全操作；以及，

一个位于轮毂的第三安全型输入输出模块40，包括：

一个第三安全型输入模块41，与轮毂超速检测模块411和至少一变桨系统检测模块电连接412；和

一个第三安全型输出模块42，用于控制风力发电机组执行安全操作。

该主控制器10为风力发电机组的一个重要核心部件，其中运行有控制风力发电机组常规运行的主控程序以及控制风力发电机组安全运行的安全程序。在一个示意性的实施方式中，该主控制器10为西门子SIMATIC WinAC RTX F软PLC(Programmable LogicController,可编程逻辑控制器)，安装在西门子工控机(Industrial Personal Computer，IPC)，如IPC427C系列上。安全程序由F功能块构成，会对输入数据进行一次编码，然后经过两个独立的计算过程分别对编码前的数据和编码后的数据进行运算，最后将两个数据进行比较。如果两个计算过程均准确，则认为计算结果有效，否则产生故障，使风力发电机组进入自我保护状态。主控制器的具体功能以及其中的主控程序、安全程序的具体过程请参照其中的帮助文件、操作手册和使用说明，在此不再赘述。

与主控制器10电连接的分布式安全型输入输出模块有复数个，图1中以三个安全型输入输出模块为例进行说明，但并不以此为限。该三个安全型输入输出模块分别为位于塔底的第一安全型输入输出模块20，位于机舱的第二安全型输入输出模块30和位于轮毂的第三安全型输入输出模块40。第一安全型输入输出模块20，包括一个第一安全型输入模块21和一个第一安全型输出模块22；第二安全型输入输出模块30，包括一个第二安全型输入模块31和一个第二安全型输出模块32；第三安全型输入输出模块40，包括一个第三安全型输入模块41和一个第三安全型输出模块42。

第一安全型输入模块21、第二安全型输入模块31和第三安全型输入模块41分别位于塔底、机舱和轮毂，用于接收对应的保护点的状态信号。这里“保护点”包括急停按钮、保护对象。在一个示意性的实施方式中，急停按钮包括塔底急停按钮，机舱柜急停按钮，机舱操作盒急停按钮等。保护对象可以根据实际的安全需求，对认为重要的设备、系统等进行保护。在一个示意性的实施方式中，保护对象包括轮毂超速、变桨系统、变流器、扭缆、振动等。保护对象的状态可以使用对应的检测模块检测得到。

第一安全型输入模块21、第二安全型输入模块31和第三安全型输入模块41将保护点的状态信号传输给主控制单元10。主控制单元10执行安全程序，判断是否发生故障，并将判断结果发送给第一安全型输出模块22、第二安全型输出模块32和第三安全型输出模块42。

第一安全型输出模块22、第二安全型输出模块32和第三安全型输出模块42分别位于塔底、机舱和轮毂，用于控制风力发电机组执行安全操作。第一安全型输出模块22、第二安全型输出模块32和第三安全型输出模块42分别与不同的安全执行机构电连接，在发生故障时控制对应的安全执行机构执行安全操作。

风力发电机组的安全链系统采用分布式安全型输入输出模块作为安全信号的输入和输出，能够快速识别故障。另外，没有采用“保护点硬连线”，提高安全链的可靠性。

下面结合图1阐述风力发电机组的安全链系统的工作过程。

第一安全型输入模块21与塔底急停按钮211电连接。在一个示意性的实施方式中，塔底急停按钮211采用双通道模式接入第一安全输入模块21。第二安全型输入模块31，与机舱柜急停按钮311和机舱操作盒急停按钮312电连接。在一个示意性的实施方式中，机舱柜急停按钮311和机舱操作盒急停按钮312串联在一起并采用双通道模式接入第二安全输入模块31。第三安全型输入模块41，与轮毂超速检测模块411和至少一变桨系统检测模块电连接412。在一个示意性的实施方式中，轮毂超速检测模块411通过单通道模式接入第三安全型输入模块41。在一个示意性的实施方式中，变桨系统检测模块412有三个。三个变桨系统检测模块412串联后采用单通道模式接入第三安全型输入模块41。三个变桨系统检测模块412串联，任何一个检测到故障都会使得安全链起作用，更好地保护变桨系统。

在一个示意性的实施方式中，轮毂超速检测模块411包括机组低速轴超速检测模块和/或机组高速轴检测模块。轮毂超速检测模块411采用编码器测量机组低速轴和/或机组高速轴的转速，并判断转速是否超限。

在一个示意性的实施方式中，变桨系统检测模块412通过主控制器10与变桨系统421之间的通信模块获得变桨系统421的故障状态。具体的说，主控制器10与变桨系统421相互监测对方的心跳脉冲，当变桨系统检测模块412检测到变桨系统421的心跳脉冲不正常时，判断变桨系统421出现故障。

在一个示意性的实施方式中，风力发电机组的安全链系统还包括下列中的一个或复数个：变流器检测模块212，与第一安全型输入模块21电连接；扭缆检测模块313，与第二安全型输入模块31电连接；和振动检测模块314，与第二安全型输入模块31电连接。这样能够对变流器、扭缆、振动其中的一个或复数个进行安全保护，提高风力发电机组的安全系数。

变流器是连接风力发电机组和电网的重要设备。在一个示意性的实施方式中，变流器检测模块212通过主控制器10与变流器221之间的通信模块获得变流器221的故障状态。具体的说，主控制器10与变流器221相互监测对方的心跳脉冲，当变流器检测模块212检测到变流器221的心跳脉冲不正常时，判断变流器221出现故障。

在一个示意性的实施方式中，扭缆检测模块313采用机械限位开关和/或偏航角度传感器获取扭缆状态。机械限位开关反应机组顺时针和逆时针扭缆的状态。偏航角度传感器测量机组的偏航角度大小，当机组扭缆达到或超过预先设定的扭缆极限值时，判断扭缆发生故障。

在一个示意性的实施方式中，振动检测模块314采用振动开关和/或振动传感器(加速度传感器)。振动开关反应振动是否超限。振动传感器测量机组的振动大小，当机组振动达到或超过预先设定的振动极限值时，判断振动发生故障。

上述任意一个保护点出现异常，也就是说上述任意一个或多个保护对象出现故障，或任意一个或多个急停按钮异常(如“断开”为异常)，第一安全型输入模块21、第二安全型输入模块31和第三安全型输入模块41中的一个或复数个将保护点的状态信号传输给主控制单元10。主控制单元10执行安全程序，判断是否发生故障，并将判断结果发送给第一安全型输出模块22、第二安全型输出模块32和第三安全型输出模块42，分别控制相应的安全执行机构在发生故障时执行安全操作。第一安全型输出模块22、第二安全型输出模块32和第三安全型输出模块42对应连接的安全执行机构不同，执行的安全操作也会不同。

在一个示意性的实施方式中，第一安全型输出模块22与机舱电源开关222和变流器221电连接，分别用于控制机舱电源开关的通断，控制变流器执行安全操作。机舱电源开关222通常为断路器。当有保护点出现异常时(如塔底急停按钮被按下和/或变流器故障等发生)，第一安全型输出模块22控制该断路器断开，使得机舱电源断电；通过继电器动作向变流器221发送安全链断开信号，变流器221执行安全操作(如停机等)。第二安全型输出模块32与偏航系统321电连接，用于控制偏航系统321执行安全操作。当有保护点出现异常时(如机舱柜急停按钮被按下、机舱操作盒急停按钮被按下、扭缆故障等其中的一个或复数个发生)，第二安全型输出模块32控制偏航系统321执行禁止偏航操作。第三安全型输出模块42与变桨系统421电连接，用于控制变桨系统421执行安全操作。当有保护点出现异常时(如轮毂超速、变桨系统故障、振动超限等其中的一个或复数个发生)，变桨系统421执行空气动力刹车。第一安全输出模块22、第二安全输出模块32、第三安全输出模块42分别控制不同的安全执行机构进行安全操作，可并行操作、效率高，相互不影响、安全性高。

在一个示意性的实施方式中，如图1所示第一安全型输入输出模块20与主控制器10连接，第三安全型输入输出模块40通过第二安全型输入输出模块30与主控制器10连接。轮毂与机舱距离近但均远离塔底，这样做简化通讯缆线的布设。主控制器10与第一安全型输入输出模块20之间的通讯、主控制器10与第二安全型输入输出模块30之间的通讯以及第二安全型输入输出模块30与第三安全型输入输出模块40之间的通讯均采用profisafe通讯。

在一个示意性的实施方式中，如图2所示第一安全型输入输出模块20、第二安全型输入输出模块30和第三安全型输入输出模块40分别并行连接至主控制器10。主控制器10与第一安全型输入输出模块20之间的通讯、主控制器10与第一安全型输入输出模块20之间的通讯，与第二安全型输入输出模块30之间的通讯以及与第三安全型输入输出模块40之间的通讯均采用profisafe通讯。profisafe通讯将信号采用两个不同的通道进行传输，传输完成了通过校验后判断通讯过程中是否有错误，如果出现通讯错误，则断开安全链。

在一个示意性的实施方式中，如图1所示，风力发电机组的安全链系统还包括位于塔底的至少一个第一常规PLC模块23(图1中以3个为例)，位于机舱的至少一个第二常规PLC模块33(图1中以3个为例)，和位于轮毂的至少一个第三常规PLC模块43(图1中以3个为例)。这里的常规PLC模块时相对安全型PLC模块而言，是非安全型的PLC模块，执行风力发电机组的常规运行操作。常规PLC模块可以是中央处理单元(CPU)模块、数字输入模块、模拟输入模块、数字输出模块、模拟输出模块、电源模块、通讯模块、存储模块、功能模块(如温度检测模块、PID控制模块等)。

在一个示意性的实施方式中，第一安全型输入模块21、第一安全型输出模块22、第二安全型输入模块31、第二安全型输出模块32、第三安全型输入模块41和第三安全型输出模块42均为西门子公司的ET200S系列安全模块。

在一个示意性的实施方式中，风力发电机组的安全链系统还包括：一个位于塔底的第一安全链复位按钮210，与第一安全型输入模块21电连接；和一个位于机舱的第二安全链复位按钮310，与第二安全型输入模块31电连接。第一安全链复位按钮210采用单通道模式接入接入第一安全型输入模块21，第二安全链复位按钮310采用单通道模式接入接入第二安全型输入模块31。第一安全链复位按钮210和第二安全链复位按钮310按下，通过执行复位程序实现各安全型输入输出模块的复位。分别在塔底和机舱设置安全链复位按钮能够很方便地实现安全链复位。

本实用新型的另一实施例还提供了一种风力发电机组，包括上述的风力发电机组的安全链系统。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.风力发电机组的安全链系统，其特征在于，包括：

一个主控制器(10)；

一个塔底急停按钮(211)；

一个机舱柜急停按钮(311)；

一个机舱操作盒急停按钮(312)；

一个轮毂超速检测模块(411)；

至少一个变桨系统检测模块(412)；和

与所述主控制器(10)电连接的复数个分布式安全型输入输出模块(20、30、40)，包括：

一个位于塔底的第一安全型输入输出模块(20)，包括：

一个第一安全型输入模块(21)，与所述塔底急停按钮(211)电连接；和

一个第一安全型输出模块(22)，用于控制所述风力发电机组执行安全操作；一个位于机舱的第二安全型输入输出模块(30)，包括：

一个第二安全型输入模块(31)，与所述机舱柜急停按钮(311)和所述机舱操作盒急停按钮(312)电连接；和

一个第二安全型输出模块(32)，用于控制所述风力发电机组执行安全操作；以及，一个位于轮毂的第三安全型输入输出模块(40)，包括：

一个第三安全型输入模块(41)，与所述轮毂超速检测模块(411)和所述至少一变桨系统检测模块(412)电连接；和

一个第三安全型输出模块(42)，用于控制所述风力发电机组执行安全操作。

2.如权利要求1所述的风力发电机组的安全链系统，其特征在于，还包括：一个位于塔底的第一安全链复位按钮(210)，与所述第一安全型输入模块(21)电连接；和一个位于机舱的第二安全链复位按钮(310)，与所述第二安全型输入模块(31)电连接。

3.如权利要求1所述的风力发电机组的安全链系统，其特征在于，还包括下列中的一个或复数个：变流器检测模块(212)，与所述第一安全型输入模块(21)电连接；扭缆检测模块(313)，与所述第二安全型输入模块(31)电连接；和振动检测模块(314)，与所述第二安全型输入模块(31)电连接。

4.如权利要求1所述的风力发电机组的安全链系统，其特征在于，所述第一安全型输出模块(22)与机舱电源开关(222)和变流器(221)电连接，分别用于控制机舱电源开关的通断，和控制变流器(221)执行安全操作；所述第二安全型输出模块(32)与偏航系统(321)电连接，用于控制偏航系统(321)执行安全操作；所述第三安全型输出模块(42)与变桨系统(421)电连接，用于控制变桨系统(421)执行安全操作。

5.如权利要求1所述的风力发电机组的安全链系统，其特征在于，所述变桨系统检测模块有三个，所述三个变桨系统检测模块(412a、412b、412c)串联后接入所述第三安全型输入模块(41)。

6.如权利要求1所述的风力发电机组的安全链系统，其特征在于，所述第一安全型输入输出模块(20)与所述主控制器(10)连接，所述第三安全型输入输出模块(40)通过所述第二安全型输入输出模块(30)与所述主控制器(10)连接。

7.风力发电机组，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的风力发电机组的安全链系统。