CN206785554U - 一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统，属于风力发电机的控制技术领域。本实用新型包括变距风轮、变桨距执行机构和智能控制系统，变距风轮包括轮毂和可转动的桨叶；变桨距执行机构包括伺服电机、滚珠丝杠及丝杠母、与丝杠母连为一体的同步盘、拉杆；变桨距执行机构集中安装在轮毂，结构紧凑，机构简约，零件数目减少构件质量减轻，便于制造、安装、调试和维护；智能控制系统包括智能控制器、信息采集和传感器。采用本实用新型的风电机组当自然风吹来时风轮转动并稳定在塔顶的下风方向，方案简单易行；其工作风速范围3～25m/s，能抗御飓风60m/s，全程智能控制无需人员值守机组运行平稳，使用安全可靠。

Description

一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统，属于风力发电机组的控制技术领域。

背景技术

风力发电机组运行在自然风场中，一是其桨叶要跟随风向变化保持正对迎风以利更多的捕获风能；二是在工作风速范围内须具备转速、功率等调节控制确保运行稳定以及运行中遇灾害性大风和突发故障时具有完善的安全保护技术。

风电机组的迎风技术有尾舵迎风，舵轮迎风和偏航系统迎风。采用尾舵迎风，构造比较简单，多用于桨叶直径较小的风电机组，当桨叶直径超过6m时，为避开前方桨叶对风向的干扰尾杆尺寸设置较长，舵板面积较大，造成整体尾舵质量偏重，已不便采用；舵轮迎风在六十年代曾经采用过，因从舵轮到风力机主体回转之间的机械传动比较繁杂，结构松散且零件多，近年已不再沿用；偏航系统迎风是由风向仪，微处理器或PLC，驱动电机，蜗杆涡轮传动箱，制动器和转角位置传感器等组成，其技术比较完善，但系统构造较复杂，电力电子元器件配套成本偏高，若应用在桨叶直径12～20m的风电机组其销售价格高，在市场竞争中处于劣势。

风电机组转速、功率调控方式有桨叶偏离风向、定桨距失速和改变桨距角度等。分别叙述如下：①桨叶偏离风向的调控方式构造简单制造成本较低，但由于在风速增大时桨叶须偏离风向才能调控转速和功率，桨叶在高速旋转的同时又要作偏离风向的频繁的回转摆动，由此必然产生不可低估的陀螺力矩，由陀螺力矩产生的动载荷造成风力机的剧烈振动，缩短其使用寿命甚至当即损坏；②定桨距失速调控方式其优点是结构简单、加工精度要求不高、制造成本较低，它的缺点是调节、控制精度低、运行中桨叶推力随风速的增大而增大，在叶片根部形成较大的弯曲应力及动载荷，运行条件恶劣导致关键零部件损伤，风力机使用寿命缩短；③改变桨距角度是一种控制技术完善，比较先进合理的调控方式，其中利用风速仪采集风速信息，以微处理器或PLC作为控制核心部件，通过气动、电力或液力执行机构实时改变桨叶桨距角的调控方式已在兆瓦级风电机组广泛应用。但若将其照搬用于桨叶直径22m，功率100KW以内的风电机组，则存在控制策略繁琐、电力电子元器件冗余、配套费昂贵、设备制造成本高的问题，为此尚待统筹技术、经济指标，权衡效能，简约配置进一步通过优化设计降低制造成本。

另外，功率100KW风电机组的变桨距机构多见安装在机舱内，机构运动须经过传动轴中的孔道长距离传递，且同时传递旋转和往复运动，其变桨距机构布局松散机构复杂，难于装配，容易磨损，维修困难。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提出了一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统。

本实用新型是采用以下的技术实现的：本实用新型所述的包括变距风轮、变桨距执行机构和智能控制系统，变距风轮包括轮毂和可转动的桨叶，轮毂为球形壳体，外部具有左端面、右端面和外缘均布的若干个空心盘状圆端面，每个圆端面上固定一个轮辐套筒，轮辐套筒内安装桨叶轴，桨叶轴外端有连接桨叶的桨叶法兰，桨叶轴内端安装摇臂，桨叶连同桨叶轴在轮辐套筒内灵活转动；轮毂空心盘状圆端面、轮辐套筒、桨叶轴连同摇臂与法兰盘和桨叶可设置3～6组；

变桨距执行机构包括伺服电机、减速齿轮箱、滚珠丝杠、丝杠母、与丝杠母固定在一起的同步盘、拉杆和摇臂，变桨距执行机构集中安装在轮毂中，结构紧凑，机构简约，零件数目减少构件质量减轻，便于制造、安装、调试和维护；当控制器发出变桨距指令时由伺服电机驱动滚珠丝杠正或反旋转从而带动同步盘沿滚珠丝杠往复运动，拉杆的一端与同步盘铰接，另一端与桨叶轴内端的摇臂绞接，同步盘往复运动时牵推拉杆使摇臂或正或反转动，驱使桨叶轴外端的桨叶转动，随即改变桨距角；伺服电机内置或外置编码器；

智能控制系统包括以DSP或PLC为核心的控制器和传感器，其中传感器包括位于机舱顶部的风速仪，风速仪采集风速信息经过控制器运算得出某一时段的标称风速，以此标称风速为依据发出指令通过变桨距执行机构使桨叶实时调节到智能控制系统预先设定的目标桨距角，当风电机组运行状态出现异常时控制器即令变桨距执行机构把桨叶桨距角调至顺桨。

本实用新型还包括安全保护机构，安全保护机构配置了安全链、以及检测电流、电压、振动、转速、发电机温度的风电机组运行状态信息的传感器，当检测到控制器失电、安全链断开、振动传感器出现异常时，控制器确认为一级安全保护，此时由蓄电池供电给变桨距执行机构驱动桨叶顺桨关机，停机后进入发电机三相短路制动状态；检测到超出工作风速、超电压、超电流、温升超限、转速传感器故障时，控制器确认为二级安全保护，智能控制系统将驱使桨叶自动顺桨，进入临时顺桨待运行状态，待风速减弱或经延时故障消失后智能控制系统自动恢复运行状态。本实用新型的智能控制系统将升级为选用DSP(数字信号处理器)作为控制核心，外围配置齐全完备的信息采集模块、信息反馈器件、由功率驱动开关管和安保开关器件等组成一个控制策略严密，信息传递流畅，执行动作灵敏，以线路板、功能集成和模块化结构而定制的体积超小质量超轻控制箱。为利于检修，可把故障易发的线路及元器件分离，单独设置成插件，以便于现场插拔快捷更换维修。由急停按钮、行程限位开关、振动开关和控制器的输出点组合成安全链，风速仪、及风电机组运行状态信息传感器反馈信号实时输入到控制器数据采集端，诸如发生安全链断开及蓄电池亏电、UPS故障、开关电源失灵等故障将对风电机组造成致命性伤害时控制器确认为一级安全保护，此时立即由蓄电池组供电给变桨距执行机构驱动桨叶顺桨关机，停机后进入发电机三相短路制动状态。如需要开机，必须在排除故障消除安全隐患之后将安全链闭环，然后人为按压复位按钮重新开机运行。运行中诸如出现超过切出风速、超转速、超电压、超电流、超温升等故障时，控制器确认为二级安全保护，智能控制系统也将驱使桨叶自动顺桨，进入临时顺桨待运行状态，待风速减弱或经延时故障消失后智能控制系自动投入运行状态。风电机组运行时，利用风速仪采集风速信息，传输到控制器，控制器对采集的数据进行处理，运算出标称风速，依据标称风速的变化，按程序通过伺服电机驱动器启动伺服电机或正或反旋转，再由其内置或外置的编码器将当前的桨叶桨距角信息反馈至控制器，在桨叶转动到达智能控制系统预先设定的与标称风速对应的目标桨距角时即定位。桨距角调节范围是0度到90度。

进一步地，所述轮毂和桨叶采取下风向布置，风电机组主体安装在塔杆顶端并在风力作用下绕塔杆顶端水平回转，直至桨叶稳定正对风。

进一步地，轮毂的空心盘状圆端面、轮辐套筒、桨叶轴连同摇臂与桨叶法兰盘和桨叶设置为三、四或六套。

进一步地，还包括控制箱，智能控制系统的控制箱内设置有线路板、功能集成和模块化结构，控制箱为定制的体积小、质量轻的控制箱，为利于检修，把故障易发的线路及元器件分离单独设置成插件，以便于插拔更换现场维修，控制箱置于塔基悬挂在塔杆内。以风轮直直径20m，功率100kW发电机组为例，控制箱体积30×30×18cm，质量约10～12kg手提便携置于塔基悬挂在塔杆内。

进一步地，所述控制箱由直流组合电源供电，直流组合电源包括蓄电池组、太阳能板及充电模块、开关电源和UPS。

进一步地，所述桨叶包括五种运行状态：

a、待机状态：当风速小于3m/s桨叶为顺桨；

b、高效率运行状态：当风速在4m/s～12m/s范围内，桨叶桨距角设置在最佳位置；

c、调节控制运行状态：当风速在12m/s～25m/s范围内，桨叶桨距角在0度～30度范围内调节；

d、临时停机待运行状态：当控制器确认为二级安全保护，桨叶自动顺桨；

e、顺桨关机状态：当控制器确认为一级安全保护，顺桨关机待停机后发电机三相短路制动状态。

本实用新型的有益效果是：

(1)采取桨叶下风向布置，当自然风吹来时桨叶转动并稳定在塔顶的下风方向，实用新型简单易行，不需任何机械机构和电力电子器件即可实现桨叶正对迎风，对风过程灵敏平稳，结构简单，制作成本低；

(2)变桨距执行机构集中安装在轮毂，结构紧凑，机构简约，零件数目减少，构件质量减轻，便于制造、安装、调试和维护；

(3)智能控制系统选电力系统控制广泛应用，技术成熟，可靠性高的DSP或者PLC作为控制核心，控制器由直流组合电源不间断供电，外围配置了齐全完备的的信息采集模块、信息反馈器件、由功率驱动开关管组成的功能集成模块(包含安全保护)以及电动滚珠丝杠变桨距执行机构，组成一个控制策略严密，信息传递流畅，执行动作灵敏的智能控制系统；

(4)本实用新型适用于桨叶直径22m，功率100kW以下的风电机组，凡装备本专利所述带有安全保护机构的风电机组智能变桨距控制系统的风电机组其工作风速范围3～25m/s，能抗御飓风60m/s；智能控制具备最佳尖速比运行和最大功率跟踪的功能，因而总机效率高，年发电量更多；无需人员值守机组运行平稳，使用安全可靠。

附图说明

图1桨叶下风向布置结构示意图；

图2本实用新型的结构原理图；

图3变桨距执行机构结构图；

图4智能变桨距控制流程图；

图5控制器监控功能示意图。

图中：1、轮毂；2、机舱；3、风速仪；4、塔杆；5、桨叶；6、伺服电机；7、减速齿轮箱；8、滚珠丝杠；9、编码器；10、发电机；11、主轴；12、滑环；13、行程开关；14、转速传感器；15、振动开关；16、信息输出滑环；17、电力输出滑环；18、电量采集模块；19、控制器；20、UPS；21、蓄电池；22、太阳能板。

具体实施方式

为了使本实用新型目的、技术实用新型更加清楚明白，下面结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

如图1至图5所示，桨叶正对迎风问题的技术方案是将风电机组主体安装在塔杆4顶端可在塔顶灵活的水平回转，桨叶采取下风向布置。在塔架顶端与桨叶回转盘面之间设置一定的距离，距离以风从塔杆4吹过到达飞轮盘面时塔影效应已消失为宜，经验估算：L＝4～4.5d，塔杆4顶端钢管直径为d＝0.3m，距离L＝4.5×0.3＝1.35m，塔杆4与桨叶回转盘面之间的距离取1.35m。当自然风吹来时桨叶被风力吹动必然转动并稳定在塔顶的下风方向，以此实现桨叶正对迎风。

风电机组转速、功率调节控制以及遭遇灾害性大风、突发故障时的安全保护问题所采用的技术方案是采用带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统。本实用新型包括轮毂1与可转动的桨叶5、变桨距执行机构和智能控制系统。

轮毂1为球形壳体，外部具有左端面、右端面和外缘均布的若干个空心盘状圆端面，每个圆端面上固定一个轮辐套筒，轮辐套筒内安装桨叶轴，桨叶轴外端有连接桨叶5的桨叶法兰，桨叶轴内端安装摇臂，桨叶轴与轮辐套筒共轴线，桨叶5连同桨叶轴可在轮辐套筒内灵活转动，轮毂1右端面通过连接盘与传动轴紧固成一体，桨叶旋转带动发电机10旋转发出电能。行程开关13置于轮毂1左端变桨距执行机构的滚珠丝杠8旁。在机舱2内有置于机架邻近桨叶处的振动传感器、安装在传动轴码盘旁的转速传感器14、固定在发电机10外壳的温度传感器、安装在回转立轴上端电力传出滑环17和信息输出滑环16、安装在主轴11中段的滑环12。

轮毂1的空心盘状圆端面、轮辐套筒、桨叶轴连同摇臂与桨叶法兰盘和桨叶5设置为三套；

变桨距执行机构安装于轮毂1，它包括直流24V/750W，3000r/min伺服电机6和内置编码器9或滚珠丝杠8端头的增量编码器9、伺服电机6经50比1行星减速齿轮箱7带动直径40mm螺距5mm的滚珠丝杠8正或反旋转、套在丝杠上的丝杠母与同步盘连为一体、同步盘沿滚珠丝杠8作往复运动，拉或推动拉杆。拉杆的一端与同步盘铰接，另一端与桨叶轴内端的摇臂绞接，拉杆往复运动驱使摇臂正或反转动，其连接在外端的桨叶5即正或反转动，从而或正或反，以3.6°～4.8°/s的速度改变桨叶5的桨距角；

智能控制系统包括置于机舱2顶的风速仪3；置于轮毂1内的与伺服电机6同一体内置的编码器9，或外置在滚珠丝杠8端头的增量编码器9、置于轮毂1内的滚珠丝杠8旁的行程限位开关；置于机舱2内靠近轮毂1处的振动传感器、传动轴的码盘旁的霍尔传感器、发电机10外壳上的温度传感器、安装在塔顶回转立轴上端信息输出滑环16和电力输出滑环17、安装在传动轴中段的滑环12；于室外悬挂固定在塔杆4距地面2～2.5m处的控制柜中配置BST控制核心、伺服电机6驱动器、直流组合电源、电量采集模块18、由功率驱动开关管组成的功能集成模块等电力电子器件以及线路。控制柜体积40×40×20cm，质量约15kg；在控制柜面板上安装显示屏及各操作按钮。本实用新型的智能控制系统将升级为选用DSP(数字信号处理器)作为控制核心，外围配置齐全完备的信息采集模块、信息反馈器件、由功率驱动开关管和安保开关器件等组成一个控制策略严密，信息传递流畅，执行动作灵敏，以线路板、功能集成和模块化结构而定制的体积超小质量超轻控制箱。为利于检修，可把故障易发的线路及元器件分离，单独设置成插件，以便于现场插拔快捷更换维修。控制箱置于塔基悬挂在塔杆内。

如以上所述智能控制系统选工业上应用较多，技术成熟，可靠性高的DSP或PLC作为控制核心，由直流组合电源不间断供电，外围配置了齐全完备的信息采集模块、信息反馈器件、安全保护开关器件以及电动滚珠丝杠8变桨距执行机构，组成一个控制策略严密，信息传递流畅，执行动作灵敏的智能控制系统。

由急停按钮、行程限位开关、振动开关15和控制器19的输出点组合成安全链，启动、停止、风速仪3、电量采集模块18、霍尔传感器、振动开关15、安全链反馈信号实时输入到控制器19数据采集端，诸如发生安全链断开及蓄电池21亏电、UPS20故障、开关电源失灵等故障将对风电机组造成致命性伤害时控制器19确认为一级安全保护，此时由蓄电池21供电给变桨距执行机构驱动桨叶5顺桨关机，然后进入电磁制动状态。如需要开机，必须在排除故障消除安全隐患之后将安全链闭环，然后人为按压复位按钮重新开机运行。

运行中诸如出现超过切出风速、超转速、超电压、超电流、超温升等故障时，控制器19确认为二级安全保护，智能控制系统将驱使桨叶5自动顺桨，进入临时顺桨待运行状态，待风速减弱小于切出风速时或待延时后故障消失智能控制系统将使风电机组自动恢复运行发电。

风电机组运行时智能控制系统由风速仪3采集风速信息经过控制器19运算得出某一时段的标称风速，以此标称风速为依据发出指令通过变桨距执行机构使桨叶5达到智能控制系统预先设定的目标桨距角。它将应对抗御60m/s以下的飓风，智能化的呈现五种运行状态：a待机状态风速小于3m/s桨叶5为顺桨；b、高效率运行状态4m/s～12m/s额定风速范围内，桨叶5桨距角设置在最佳位置，在4～12m/s风速之间的任一风速下均按最佳《尖速比》运行，并实现最大功率跟踪，智能控制系统将持续保持高效率运行，从而获得最多的电能；c、调节控制运行状态12m/s额定～25m/s切出风速范围内，跟随风速变化，桨叶5桨距角在0度～30度范围内调节，风电机组机运行发电，使转速和输出功率在允许的范围内保持稳定；d、临时停机待运行状态，运行中诸如出现超过切出风速、超转速、超电压、超电流、超温升等故障时控制器19确认为二级安全保护，智能控制系统将驱使桨叶5自动顺桨，进入临时顺桨待运行状态，待风速减弱小于切出风速时或者机组发生故障或者延时后待故障消失智能控制系统将使风电机组自动恢复运行；e、顺桨关机状态运行中诸如发生安全链断开及蓄电池21亏电、UPS,故障、开关电源失灵等故障将对风电机组造成致命性伤害时控制器19确认为一级安全保护，则立即进入桨叶5顺桨关机停机后发电机三相短路制动状态。如需要开机，必须在排除故障消除安全隐患之后将安全链闭环，然后人为按压复位按钮重新开机运行。

实施例2

轮毂1的空心盘状圆端面、轮辐套筒、桨叶轴连同摇臂与桨叶法兰盘和桨叶5设置为六套，其他与实施例一相同。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而己，并不以本实用新型为限制，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的专利涵盖范围内。

Claims (6)

1.一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统，包括变距风轮、变桨距执行机构和智能控制系统，其特征在于，

变距风轮包括轮毂(1)和可转动的桨叶(5)，轮毂(1)为球形壳体，外部具有左端面、右端面和外缘均布的若干个空心盘状圆端面，每个圆端面上固定一个轮辐套筒，轮辐套筒内安装桨叶轴，桨叶轴外端有连接桨叶(5)的桨叶法兰，桨叶轴内端安装摇臂，桨叶(5)连同桨叶轴在轮辐套筒内灵活转动；

变桨距执行机构包括伺服电机(6)、减速齿轮箱(7)、滚珠丝杠(8)、丝杠母、与丝杠母固定在一起的同步盘、拉杆和摇臂，变桨距执行机构集中安装在轮毂(1)中，当控制器(19)发出变桨距指令时由伺服电机(6)驱动滚珠丝杠(8)正或反旋转从而带动同步盘沿滚珠丝杠(8)往复运动，拉杆的一端与同步盘铰接，另一端与桨叶轴内端的摇臂铰接，同步盘往复运动时牵推拉杆使摇臂或正或反转动，驱使桨叶轴外端的桨叶(5)转动，随即改变桨距角；

智能控制系统包括以DSP或PLC为核心的控制器(19)和风速仪(3)，其中风速仪(3)位于机舱(2)顶部，风速仪(3)采集风速信息经过控制器(19)运算得出某一时段的标称风速，以此标称风速为依据发出指令通过变桨距执行机构使桨叶(5)实时调节到智能控制系统预先设定的目标桨距角，当风电机组运行状态出现异常时控制器(19)即令变桨距执行机构把桨叶(5)桨距角调至顺桨。

2.根据权利要求1所述的一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统，其特征在于，还包括安全保护机构，安全保护机构配置了安全链、以及检测电流、电压、振动、转速、发电机(10)温度的风电机组运行状态信息的传感器，当检测到控制器(19)失电、安全链断开、振动传感器出现异常时，控制器(19)确认为一级安全保护，此时由蓄电池(21)供电给变桨距执行机构驱动桨叶(5)顺桨关机，停机后进入发电机(10)三相短路制动状态；检测到超出工作风速、超电压、超电流、温升超限、转速传感器故障时，控制器(19)确认为二级安全保护，智能控制系统将驱使桨叶(5)自动顺桨，进入临时顺桨待运行状态，待风速减弱或经延时故障消失后智能控制系统自动恢复运行状态。

3.根据权利要求1所述的一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统，其特征在于，所述轮毂(1)和桨叶(5)采取下风向布置，风电机组主体安装在塔杆(4)顶端并在风力作用下绕塔杆(4)顶端水平回转，直至桨叶(5)稳定正对风。

4.根据权利要求1或2所述的一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统，其特征在于，还包括控制箱，智能控制系统的控制箱内设置有线路板、功能集成和模块化结构，控制箱为定制的体积小、质量轻的控制箱，为利于检修，把故障易发的线路及元器件分离单独设置成插件，以便于插拔更换现场维修，控制箱置于塔基悬挂在塔杆(4)内。

5.根据权利要求4所述的一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统，其特征在于，所述控制箱由直流组合电源供电，直流组合电源包括蓄电池(21)、太阳能板(22)及充电模块、开关电源和UPS(20)。

6.根据权利要求1所述的一种带有安全保护机构的风电机组变桨距智能控制系统，其特征在于，所述桨叶(5)包括五种运行状态：

a、待机状态：当风速小于3m/s桨叶(5)为顺桨；

b、高效率运行状态：当风速在4m/s～12m/s范围内，桨叶(5)桨距角设置在最佳位置；

c、调节控制运行状态：当风速在12m/s～25m/s范围内，桨叶(5)桨距角在0度～30度范围内调节；

d、临时停机待运行状态：如出现超过切出风速、超转速、超电压、超电流、超温升等故障时，控制器(19)确认为二级安全保护，桨叶(5)自动顺桨；

e、顺桨关机状态：将对风电机组造成致命性伤害时，控制器(19)确认为一级安全保护，桨叶(5)顺桨关机状态停机后进入发电机(10)三相短路制动状态。