CN204663764U - 一种应用超级电容的风力发电变桨控制系统 - Google Patents

一种应用超级电容的风力发电变桨控制系统 Download PDF

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李晓斌
王湛
王赟
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Abstract

本实用新型涉及一种应用超级电容的风力发电变桨控制系统，包含三个变桨电气柜，三个变桨电气柜可相互替换。每个电气柜都有PLC单元、通讯单元、电源储能单元以及变桨驱动器。PLC单元用于采集零部件状态信号并运算，得到运行指令；通讯单元保证三个变桨电气柜之间的信号交换和PLC单元与主控联络通讯，电源储能单元用于电网电压跌落时变桨系统紧急顺桨，另一方面在变桨电机刹车制动时用于能量回收；变桨驱动器接受PLC单元指令驱动变桨电机朝所需位置运动，用于改变桨叶角度。三个变桨电气柜组成一个整体，同时驱动三台变桨电机，改变三个桨叶的变桨角度，并可保证在变桨故障的情况下实施顺桨，最大程度保证风力发电机组的安全。

Description

一种应用超级电容的风力发电变桨控制系统
技术领域
本实用新型涉及到风力发电控制系统领域，具体涉及到风力发电桨叶变桨角度的控制。
背景技术
风力发电作为一种新型清洁能源已经有效投入商业开发阶段，并予以实施。但风力发电是动态变化的，为了最大限度的捕获风能，通过改变桨叶角度，让桨叶处于最佳叶尖速比获取最大风能；另一方面，在出现超额定风速的情况下，通过改变桨叶角度，限制风能的获取，以保证风力发电机组额定功率运行，避免风力发电机组超功率或超速运行，损坏机组。通过调整桨叶角可以有效地减小机组振动。
原有的风力发电变桨控制系统一般为6柜或者7柜系统，并且每个柜体都不能完全互换，安装和维护困难，影响风力发电机组正常工作。本发明不仅减少了柜体数量，使得轮毂维护空间增加，而且3个柜体可以完全互换，提高了安装和维护的效率。
发明内容
本实用新型的目的为了克服上述现有技术存在的不足，提供一种应用超级电容的风力发电变桨控制系统，本控制系统根据主控指令可靠地驱动变桨电机，改变桨叶的角度，保证桨叶最大限度的捕获风能；其次是在电网电压跌落时，如何保证变桨控制系统能安全顺桨，即将桨叶顺至91度的安全位置。
本实用新型的技术方案为：
风力发电机变桨控制系统，包括三台变桨电气柜、三台变桨电机、三台编码器、三个接近开关和三个位置开关；其特征在于：每台变桨电机柜都安装有PLC单元、通讯单元、电源储能单元以及变桨驱动器，三台变桨电气柜可完全互换使用；电源储能单元包括充电器、直流电源和超级电容，充电器与直流电源相连，充电器与外部交流电源相连；电源储能单元在电网故障时为变桨驱动器提供电源，以实现变桨电机紧急顺桨操作；
每台变桨电机柜内的PLC控制单元分别与直流电源、变桨驱动器相连，每台变桨驱动器与一台变桨电机相连，为交流变桨电机提供运行所需的变频交流电源，实现变桨电机的速度和位置调节；直流电源通过超级电容为变桨驱动器供电，每个接近开关和每个位置开关与一变桨驱动器相连；每台编码器安装在一台变桨电机尾端，变桨电机通过减速箱与桨叶相连；
每台变桨电气柜内部安全链继电器的常开触点串接在一起，形成唯一安全链干触点通过滑环接入主控；
三台变桨电机柜内的通讯单元实现三个桨叶之间以及主控和PLC单元之间的通讯联络。
PLC单元就是根据主控下发给PLC单元变桨的命令，向变桨驱动器下发变桨操作指令，以及在检测出变桨出现设定的故障时，控制电机执行桨叶顺桨操作。
所述PLC单元包含数字输入输出模块、温度采集模块、脉冲计数模块，数字输入输出模块实时采集变桨系统的数字DI和DO点状态，并将相关状态信息打包后传递给主控；温度采集模块实时采集变桨电机温度、环境温度、PLC单元温度以及变桨驱动器温度，为主控和变桨根据温度判断器件状态提供依据；脉冲计数模块用于采集变桨电机编码器信号，PLC单元根据所采集脉冲计数信号来计算变桨电机位置和速度。
所述的通讯单元包含通讯模块、充电器通讯接口、变桨驱动器通讯接口，通讯模块保证主控和PLC单元变桨之间发送和接收数据的正确性、实时性和可靠性；通讯模块、充电器通讯接口、变桨驱动器通讯接口组成变桨电气柜内部通讯网络，确保变桨驱动器和PLC单元之间信息交互。
所述直流电源接入范围为20VDC－100VDC，而不致于引起该电源模块发生故障或不能正常工作。
所述的接近开关由2度接近开关和88度接近开关组合而成。所述的位置开关由91度和96度位置开关组合而成。PLC单元变桨正常停机位置为触发88度接近开关位置，紧急停机位置为触发91度位置开关，96度位置开关作为变桨限位的二重保护使用。
变桨驱动器根据接受指令驱动变桨电机运行，或者在电网电压故障或者系统故障时，执行紧急顺桨操作，将桨叶顺至90度安全位置。
本实用新型的超级电容功率密度大，循环寿命长，能在短时间内释放大能量，并具有快速充电恢复的特性。
主控给PLC单元变桨24VDC电源用作主控安全链OK信号。主控安全链信号和变桨安全链信号交互对接，确保变桨系统正常运行。
所述编码器能提供2路编码器信号，1路编码器信号提供给脉冲计数模块使用，另1路编码器信号提供给变桨驱动器使用。
本实用新型根据主控指令进行变化，并主控故障时按照主控指令实施顺桨或者在变桨自身故障时自动实施顺桨。
本实用新型设有超级电容可以保证在电网电压跌落时，系统具有足够的能量实施变桨桨叶顺桨，保证机组处于安全位置，使整机具备低电压穿越功能。
本实用新型所需的各个单元和模块进行了均衡分布，并通过选型有效缩减了电气柜体体积和数量。3个电气柜可以完全互换，没有主从关系，减轻系统维护工作。
本实用新型设有91度位置开关和96度位置开关，有效地保证了变桨控制系统的安全性和可靠性。确保桨叶顺桨至安全位置，能够有效切断电源。
(文字要与附图上一致，故作了相应修改)
附图说明
图1为本实用新型的结构框图；
图2为本实用新型实施例中的电气原理框图；
图3为本实用新型实施例中通讯单元示意图；
图4为本实用新型实施例中安全链回路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施，对本实用新型作进一步说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意的方式说明本实用新型的基本结构，显示与本实用新型有关的构成。
如图1、图2、图3、图4所示，本实用新型由三个变桨电气柜(1，2，3)、三个电机M(4，5，6)、三个编码器(7，8，9)、三个接近开关(10，11，12)、三个位置开关(13，14，15)，每个变桨电气柜主要安装有变桨驱动器17、超级电容18、充电器19、直流电源20以及PLC单元21、通讯单元，
三台变桨电气柜可完全互换使用；电源储能单元包括充电器、直流电源和超级电容，充电器与直流电源相连，充电器与外部交流电源相连；电源储能单元在电网故障时为变桨驱动器提供电源，以实现变桨电机紧急顺桨操作；每台变桨电机柜内的PLC控制单元分别与直流电源、变桨驱动器相连，每台变桨驱动器与一台变桨电机相连，为交流变桨电机提供运行所需的变频交流电源，实现变桨电机的速度和位置调节；直流电源通过超级电容为变桨驱动器供电，每个接近开关和每个位置开关与一变桨驱动器相连；每台编码器安装在一台变桨电机尾端，变桨电机通过减速箱与桨叶相连；每台变桨电气柜内部安全链继电器的常开触点串接在一起，形成唯一安全链干触点通过滑环接入主控；三台变桨电机柜内的通讯单元实现三个桨叶之间以及主控和PLC单元之间的通讯联络。所述的接近开关由2度接近开关和88度接近开关组合而成。所述的位置开关由91度和96度位置开关组合而成。PLC单元变桨正常停机位置为触发88度接近开关位置，紧急停机位置为触发91度位置开关，96度位置开关作为变桨限位的二重保护使用。所述编码器能提供2路编码器信号，1路编码器信号提供给脉冲计数模块使用，另1路编码器信号提供给变桨驱动器使用。
所述PLC单元包含数字输入输出模块、温度采集模块、脉冲计数模块，数字输入输出模块实时采集变桨系统的数字DI和DO点状态，并将相关状态信息打包后传递给主控；温度采集模块实时采集变桨电机温度、环境温度、PLC单元温度以及变桨驱动器温度，为主控和变桨根据温度判断器件状态提供依据；脉冲计数模块用于采集变桨电机编码器信号，PLC单元根据所采集脉冲计数信号来计算变桨电机位置和速度。
如图3所示，所述的通讯单元包含通讯模块、充电器通讯接口、变桨驱动器通讯接口，通讯模块保证主控和PLC单元变桨之间发送和接收数据的正确性、实时性和可靠性；通讯模块、充电器通讯接口、变桨驱动器通讯接口组成变桨电气柜内部通讯网络，确保变桨驱动器和PLC单元之间信息交互。
所述直流电源接入范围为20VDC－100VDC，而不致于引起该电源模块发生故障或不能正常工作。
PLC单元向正常的变桨驱动单元下发顺桨操作指令；工作异常的变桨驱动单元自动切断输出，并接入市电单元实现该异常单元的顺桨操作。变桨控制系统会为变桨驱动单元提供备用电源装置。在市电出现异常或者变桨系统断电的时候，备用电源装置为变桨驱动单元供电。
2MW风机交流变桨控制系统还设计了独立于自身PLC控制的硬件保护措施，即硬件安全链。即使自身PLC单元发生异常，变桨硬件安全链会动作，将桨叶变桨至安全位置，实现机组的停机。安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的变桨系统超常故障串联成一个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，PLC单元在3秒左右，将机组平稳停止，从而最大限度地保证机组的安全。变桨安全链回路示意图如图4所示。柜内安全链继电器为K1，K2，K3，一旦任一柜内K1或K2或K3断开，则说明柜内安全链回路上出现故障，PLC单元变桨立即执行紧急停机命令。机舱安全链信号同时传送给1号柜内继电器K8，2号柜内继电器K9以及3号柜内继电器K10，信号正常时K8、K9、K10吸合，一旦机舱安全链出现故障，继电器K8、K9、K10断开，PLC单元变桨会立即执行紧急停机命令。
本实用新型的技术性范围并不局限于说明书上内容，作出相应修改均在本实用新型保护范围内。

Claims (7)

1.风力发电机变桨控制系统，包括三台变桨电气柜、三台变桨电机、三台编码器、三个接近开关和三个位置开关；其特征在于：每台变桨电机柜都安装有PLC单元、通讯单元、电源储能单元以及变桨驱动器，三台变桨电气柜可完全互换使用；电源储能单元包括充电器、直流电源和超级电容，充电器与直流电源相连，充电器与外部交流电源相连；
每台变桨电机柜内的PLC控制单元分别与直流电源、变桨驱动器相连，每台变桨驱动器与一台变桨电机相连；直流电源通过超级电容为变桨驱动器供电，每个接近开关和每个位置开关与一变桨驱动器相连；每台编码器安装在一台变桨电机尾端，变桨电机通过减速箱与桨叶相连；
每台变桨电气柜内部安全链继电器的常开触点串接在一起，形成唯一安全链干触点通过滑环接入主控；
三台变桨电机柜内的通讯单元实现三个桨叶之间以及主控和PLC单元之间的通讯联络。
2.如权利要求1所述的风力发电机变桨控制系统，其特征在于：所述PLC单元包含数字输入输出模块、温度采集模块、脉冲计数模块，
数字输入输出模块实时采集变桨系统的数字DI和DO点状态，并将相关状态信息打包后传递给主控；
温度采集模块实时采集变桨电机温度、环境温度、PLC单元温度以及变桨驱动器温度，为主控和变桨根据温度判断器件状态提供依据；
脉冲计数模块用于采集变桨电机编码器信号，PLC单元根据所采集脉冲计数信号来计算变桨电机位置和速度。
3.如权利要求1所述的风力发电机变桨控制系统，其特征在于：所述的通讯单元包含通讯模块、充电器通讯接口、变桨驱动器通讯接口，通讯模块保证主控和PLC单元变桨之间发送和接收数据；通讯模块、充电器通讯接口、变桨驱动器通讯接口组成变桨电气柜内部通讯网络，确保变桨驱动器和PLC单元之间信息交互。
4.如权利要求1所述的风力发电机变桨控制系统，其特征在于：所述直流电源接入范围为20VDC－100VDC。
5.如权利要求1所述的风力发电机变桨控制系统，其特征在于：所述的接近开关由2度接近开关和88度接近开关组合而成。
6.如权利要求1所述的风力发电机变桨控制系统，其特征在于：所述的位置开关由91度和96度位置开关组合而成。
7.如权利要求1所述的风力发电机变桨控制系统，其特征在于：所述编码器能提供2路编码器信号，1路编码器信号提供给脉冲计数模块使用，另1路编码器信号提供给变桨驱动器使用。
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