CN215907996U - 风力发电机组变桨控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机组变桨控制系统，涉及风力发电技术领域，尤其是一种风力发电机组变桨控制系统。该装置包括变桨液压系统、控制器、校准开关、校准块、光栅编码器以及三位四通电磁阀，该变桨控制系统通过三位四通阀对变桨液压系统执行机构进行控制，实现变桨动作。该变桨控制系统还设有光栅编码器，光栅编码器用于采集变桨转动角度信息，光栅编码器采集转动信号密集度高，采集精度高，进而实现控制精度更为精准。校准开关用于确定预定位置，防止因异常情况如控制器出现复位、短暂死机或者光栅编码器与控制器传输信号过程中产生干扰，进而导致控制器获取的绝对角度不准确的问题。

Description

风力发电机组变桨控制系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其是一种风力发电机组变桨控制系统。

背景技术

风力发电机组变桨系统用于调节叶片桨距角，使得风力发电机组能处于最佳的工作状态，同时也是风力发电机组上安全系统的重要组成部分，能够保证风力发电机组能够正常启停机和特殊情况的紧急停机。风力发电机组约70％的工作时间处于小角度变桨，需要变桨系统精度高，变桨机构执行行程短；风力发电机组约30％的工作时间处于大变桨角度，需要变桨系统响应快，变桨机构执行行程长。

现代风机（双馈、直驱、半直驱）几乎都采用变桨距的风机，变桨距是说叶片垂直投影发生变化。简单说就是叶片与地面垂直时为0°，水平时为90°。90°至0°叫做开桨，反之叫做顺桨。

风机的输出功率随着风速增加而增加，当风速过大时，如果风机桨叶不收回对整个风机的载荷会非常大，最严重的事故就是飞车倒塔。风速在3-8米/秒左右时叶片是完全展开的；当风速超过8米/秒时（部分机组可能会10米/秒左右）开始变桨，当叶片顺桨，整体叶片受力减少，风机载荷也减小，但是输出功率因为风速的原因并不会减少，所以能够在保障机组安全的前提下保证额定的输出功率。大部分风机在风速超过20米/秒时会完全顺桨，同时风机停止运行，并进行偏航保证机组载荷最小。

现有技术中变桨系统要么采用液压式变桨方式，要么采用所有叶片同时变桨的控制方式，要么采用每片叶片独立变桨的控制方式；独立变桨方式因为可以根据风场均匀度、风力机组受理及时作出相应调整而越来越受到追捧。

独立变桨在实现上通常驱动轮为外齿，变桨轴承为内齿，叶片通过螺栓、轮毂与变桨轴承固定。在独立变桨安装以及使用过程中，变桨机构会因为各种使用因素，使得各个独立的叶片变桨角度出现不一致的情况，久之使得风力发电机组产生震颤、发电机组轴承异常磨损，甚至出现发电机组损坏的情况。而对于变桨角度精度调整，目前一般手段是人工定期检查维护，需要耗费较多的人力物力，且因风力发电机组安装位置较高，给操作带来了一定的不便以及安全性问题。

发明内容

本实用新型提供了一种风力发电机组变桨控制系统，用于解决人力调整变桨精度费时费力的问题。

本实用新型采用如下技术方案：

一种风力发电机组变桨控制系统，包括：变桨液压系统、控制器、校准开关、校准块、光栅编码器以及三位四通电磁阀；

风力发电机组设有变桨轴承，所述变桨轴承包括动圈以及静圈，所述校准开关设置在所述静圈上，所述校准块设置在所述动圈上，所述校准开关用于采集预定变桨角度信息，所述光栅编码器用于采集所述轮毂转动信息，所述三位四通阀用于控制所述变桨液压系统实施变桨动作；所述控制器用于接收所述预定变桨角度信息以及所述轮毂转动信息，所述控制器还用于控制所述三位四通阀通过所述变桨液压系统实施变桨动作；

所述校准开关、所述光栅编码器以及所述三位四通电磁阀分别与所述控制器电连接。

进一步地，所述动圈设有滑槽以及紧定螺钉，所述滑槽与所述动圈固定连接，所述校准块与所述滑槽滑动连接，所述紧定螺钉用于将所述校准块紧定在所述滑槽上。

进一步地，还包括：GPRS通信模块以及服务器，所述服务器用于监测变桨角度信息，所述服务器还用于向所述控制器下达变桨角度指令，所述GPRS通信模块用于在所述控制器以及所述服务器间建立通信连接，所述GPRS通信模块分别与所述控制器以及所述服务器通信连接。

进一步地，还包括：加速度传感器，所述加速度传感器与风力发电机组固定连接，所述加速度传感器用于采集风力发电机组震动信息，所述控制器还用于将接收到的风力发电机组震动信息通过所述GPRS通信模块传送至所述服务器，所述加速度传感器与所述控制器电连接。

进一步地，还包括电动机以及压力表，所述变桨液压系统设有蓄能器，所述电动机用于为所述变桨液压控制系统提供动能，所述压力表用于采集所述变桨液压系统压力，所述控制器还用于在所述变桨液压系统压力达到阈值时控制所述电动机启动或停止，所述压力表以及所述电动机分别与所述控制器电连接。

进一步地，还包括超级电容，所述超级电容用于为所述控制器、所述GPRS通信模块以及所述电动机提供电能。

进一步地，所述校准开关为霍尔开关，所述校准块为磁铁。

本实用新型的积极效果如下：

一种风力发电机组变桨控制系统，该变桨控制系统通过三位四通阀对变桨液压系统执行机构进行控制，实现变桨动作，该控制方式简单可靠，对于中位机能为O形的三位四通阀，中位机能能够实现锁定变桨后的叶片。该变桨控制系统还设有光栅编码器，光栅编码器用于采集变桨转动角度信息，光栅编码器采集转动信号密集度高，通常能够实现旋转一周发出上千次信号，故采集精度高，进而实现控制精度更为精准。校准开关用于确定预定位置，防止因异常情况如控制器出现复位、短暂死机或者光栅编码器与控制器传输信号过程中产生干扰，进而导致控制器获取的绝对角度不准确的问题。

变桨控制系统的校准块通过滑槽与动圈滑动连接，需要对变桨系统进行调整时，仅需要调整校准块与动圈的相对位置，相比现有技术对变桨系统进行机械调整，调整更省力，调整效率高，精度高。

风力发电机组变桨控制系统还设有服务器以及GPRS模块，工作人员可以远程监控风力发电机组的变桨角度信息，还能通过服务器以及GPRS模块向控制器发送远程控制指令，要求风力发电机组按指令指定的角度进行变桨，从而应对诸如突如其来的恶劣天气、抢修性维护保养，紧急测试，无需到风力发电机组现场进行操作。

加速度传感器用于采集风发电机组的震动信息，该信息被送入控制器，当震动信息超过阈值时，控制器控制变桨系统进行顺桨变桨动作，从而避免不必要的损失，该震动信息还被通过GPRS模块发送到服务器，服务器端工作人员接收到该信息，会进行简单分析判断，必要时派出人员现场调查产生震动的问题根源，如确定问题原因后，还会针对该问题进行解决。

变桨液压系统设有蓄能器，液压压力平稳，波纹小，变桨控制系统控制变桨液压系统的电动机，实现在不需要提供额外压力的时候电动机停转，实现电动机卸荷，免得液压系统的液压油发热、老化变质，且节省电能。蓄能器还就有在外部停止供电时，依旧能够为实现变桨提供动能。

该风力发电机组变桨控制系统还设有超级电容，超级电容用于外部停止供电时为控制器、GPRS通信模块以及电动机提供电能，超级电容与蓄能器双保险，保证了紧急情况下，依然能够保证设备安全运行。

用于校准基准角度的校准开关为霍尔开关，与之配套的校准块为磁铁，校准块与校准开关之间无接触，故不产生磨损，使用寿命长，适合恶劣工况下、户外工况下使用。

附图说明

图1为本实用新型实施方式变桨液压系统原理示意图；

图2为本实用新型实施方式变桨系统结构示意图；

图3为本实用新型实施方式控制系统示意图。

图中：

校准开关1；

校准块2；

光栅编码器3；

三位四通电磁阀4；

动圈5；

静圈6；

滑槽5-1；

紧定螺钉7；

电动机8；

压力表9；

蓄能器10。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-3所示，一种风力发电机组变桨控制系统，包括：变桨液压系统、控制器、校准开关1、校准块2、光栅编码器3以及三位四通电磁阀4；

风力发电机组设有变桨轴承，所述变桨轴承包括动圈5以及静圈6，所述校准开关1设置在所述静圈6上，所述校准块2设置在所述动圈5上，所述校准开关1用于采集预定变桨角度信息，所述光栅编码器3用于采集所述轮毂转动信息，所述三位四通阀用于控制所述变桨液压系统实施变桨动作；所述控制器用于接收所述预定变桨角度信息以及所述轮毂转动信息，所述控制器还用于控制所述三位四通阀通过所述变桨液压系统实施变桨动作；

所述校准开关1、所述光栅编码器3以及所述三位四通电磁阀4分别与所述控制器电连接。

更为具体地，风力发电机组的叶片安装在轮毂上，轮毂安装在变桨轴承的内圈或者外圈上，通过旋转变桨轴承，实现风力发电机组叶片的变桨动作，本实施方式轮毂与变桨轴承内圈固定连接。

变桨轴承内圈旋转的动力源有多种形式，如采用电动机8与减速机组合的方式、液压马达驱动的方式以及液压缸驱动的方式等等，本实施方式的技术方案为液压马达或液压缸驱动的方式，液压马达或者液压缸动力输出端带动变桨轴承内圈旋转，实现变桨动作。

对于液压马达或者液压缸而言，通常具有两个油口，两个油口互为进出有口，分别对应两个相对方向的动作，三位四通阀具有两个方向动作的控制能力，三位四通阀具有两个工作口，分别为工作口A和工作口B，工作口A与液压缸或液压马达的第一油口连通，工作口B与液压缸或液压马达的第二油口连通；三位四通阀还具有两个系统口，分别为压力口P以及回油口T，分别与液压压力管路以及液压回油管路连通。

当三位四通阀的压力口P口与工作口A连通，回油口T与工作口B连通时，液压马达或者液压缸实施第一个方向的动作，对于液压马达而言，液压马达输出轴向第一方向旋转，对于液压缸而言油缸杆执行第一方向的推拉动作，从而实现叶片向第一方向变桨。

当三位四通阀的压力口P口与工作口B连通，回油口T与工作口A连通时，液压马达或者液压缸实施第二个方向的动作，对于液压马达而言，液压马达输出轴向第二方向旋转，对于液压缸而言油缸杆执行第二方向的推拉动作，从而实现叶片向第一方向变桨。

很显然，风力发电机组叶片变桨是连续可变，且可以根据风力调整到指定的角度上的，故在变桨轴承的内圈或者外圈上设有与变桨轴承内圈或者外圈传动连接的光栅编码器3，光栅编码器3用来通过采集内圈或者外圈的旋转角度，确定液压马达或者液压缸应当停止动作的时机。光栅编码器3由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，当圆盘旋转一个节距时，在发光元件照射下，光敏元件得到A，B信号为具有90度相位差的正弦波，这组信号经放大器放大与整形，得到的输出方波，A相比B相导前90度，其电压幅值一般为5V。设A相导前B相时为正方向旋转，则B相导前A相时即为负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别编码器的的正转与反转，C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲，可获得编码器的零位参考位。AB相脉冲信号经频率—电压变换后，得到与转轴转速成比例的电压信号，便可测得速度值及位移量。

光栅编码器3采集的旋转角度信号被送入控制器，控制器根据角度信号以及预定值确定三位四通阀的切换时机。

光栅编码器3有通常有两种类型，分别是增量型编码器以及绝对型编码器，顾名思义，增量型编码器仅仅能够产生角度旋转的信号，不能确定其现有的角度；二绝对型编码器则能够给出当前编码器确定的绝对值。但就本实施方式而言，绝对型编码器设置似乎更适合一些，但是，由于编码器工作环境差，多次运行以后，得出的角度有时候并不见得是正确的，或者说因为某些因素出现错误的编码信息值，如控制器出现短暂死机，或者信号传输过程中产生了干扰，从而导致测得的绝对角度出现偏差，而对于风力发电机组，这种现象是绝对不允许出现的，轻则对机组产生损伤，重则出现重大安全事故。

故作为对角度测量值的补充，设置有校准开关1以及校准块2，校准开关1以及校准块2用于获取一个预定的角度值，校准开关1动作的角度为预定的角度。

变桨系统定期以及在出现异常如复位时，会通过校准开关1进行校准。校准开关1设置的预定角度通常为顺桨角度，也即叶片与地面平行的位置。需要校准时，控制器控制三位四通阀，使得液压马达或者液压缸持续向顺桨方向变桨，当到达预定角度时，校准开关1相对校准块2产生动作，控制器控制三位四通阀，锁定当前位置为绝对位置的全顺桨角度。

变桨时，根据预定值控制三位四通阀进行变桨，变桨过程中光栅编码器3持续给出旋转角度信号，控制器对接收到的旋转信号进行累加，直至到预定值时，控制器控制三位四通阀停止对叶片变桨，变桨结束。

该变桨控制系统通过三位四通阀对变桨液压系统执行机构进行控制，实现变桨动作，该控制方式简单可靠，对于中位机能为O形的三位四通阀，中位机能能够实现锁定变桨后的叶片。该变桨控制系统还设有光栅编码器3，光栅编码器3用于采集变桨转动角度信息，光栅编码器3采集转动信号密集度高，通常能够实现旋转一周发出上千次信号，故采集精度高，进而实现控制精度更为精准。校准开关1用于确定预定位置，防止因异常情况如控制器出现复位、短暂死机或者光栅编码器3与控制器传输信号过程中产生干扰，进而导致控制器获取的绝对角度不准确的问题。

进一步地，所述动圈5设有滑槽5-1以及紧定螺钉7，所述滑槽5-1与所述动圈5固定连接，所述校准块2与所述滑槽5-1滑动连接，所述紧定螺钉7用于将所述校准块2紧定在所述滑槽5-1上。

更为具体地，风力发电机组在安装调试或维修保养后，通常基准角度会产生一定的偏差，如顺桨角度应当为叶片与地面平行的角度，从而使得叶片对气流的阻力最小，如果基准角度产生偏差，则风力发电机组需要顺桨抵御强风时，叶片对气流的阻力作用到发电机组上，产生的破坏作用是巨大的。

因此，在安装调试或者维修保养后非常有必要对基准角度进行调校。

动圈5为与轮毂连接的变桨轴承圈，本实施方式轮毂为变桨轴承内圈，内圈上设有滑槽5-1，校准块2与滑槽5-1滑动连接，紧定螺钉7用于将校准块2与滑槽5-1固定连接在一起。在需要进行校准时，松开紧定螺钉7，然后通过变桨系统转动叶片，直至叶片角度达到理想的基准角度，然后拧紧紧定螺钉7，锁紧校准块2。

变桨控制系统的校准块2通过滑槽5-1与动圈5滑动连接，需要对变桨系统进行调整时，仅需要调整校准块2与动圈5的相对位置，相比现有技术对变桨系统进行机械调整，调整更省力，调整效率高，精度高。

进一步地，还包括：GPRS通信模块以及服务器，所述服务器用于监测变桨角度信息，所述服务器还用于向所述控制器下达变桨角度指令，所述GPRS通信模块用于在所述控制器以及所述服务器间建立通信连接，所述GPRS通信模块分别与所述控制器以及所述服务器通信连接。

更为具体地，GPRS模块用于在控制器与服务器之间建立通信连接，服务器是作为统一控制多个风力发电机组的控制核心以及记录运行数据的核心，对于本实施方式而言，服务器用于检测以及记录风力发电机组的变桨角度信息，还用于下达变桨角度信号。本实施方式中，GPRS通信模块为SIM800C，该通信模块是一款四频gsm/gprs模块。其性能稳定，外观小巧，性价比高，能满足客户的多种需求。SIM800C工作频率为gsm/gprs 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、短信、数据和传真信息的传输。

控制器通过光栅编码器3获取的角度信信，每隔一定周期，通过GPRS模块发送到服务器，服务器端予以显示，并予以记录。服务器还可以通过GPRS模块向控制器发送控制指令，要求控制器按其指令指定的角度进行变桨，该功能通常用于处理即将到来的恶劣天气，或者临时性维修保养，或者进行定期测试。

风力发电机组变桨控制系统还设有服务器以及GPRS模块，工作人员可以远程监控风力发电机组的变桨角度信息，还能通过服务器以及GPRS模块向控制器发送远程控制指令，要求风力发电机组按指令指定的角度进行变桨，从而应对诸如突如其来的恶劣天气、抢修性维护保养，紧急测试，无需到风力发电机组现场进行操作。

进一步地，还包括：加速度传感器，所述加速度传感器与风力发电机组固定连接，所述加速度传感器用于采集风力发电机组震动信息，所述控制器还用于将接收到的风力发电机组震动信息通过所述GPRS通信模块传送至所述服务器，所述加速度传感器与所述控制器电连接。

更为具体地，风力发电机组受外界影响会产生不正常的震动，如风场不均匀或风向急速变化，亦或叶片变桨角度不一致，该震动对风力发电机组危害较大，应当及时发现，并予以纠正。

加速度传感器用于采集风发电机组的震动信息，该信息被送入控制器，当震动信息超过阈值时，控制器控制变桨系统进行顺桨变桨动作，从而避免不必要的损失，该震动信息还被通过GPRS模块发送到服务器，服务器端工作人员接收到该信息，会进行简单分析判断，必要时派出人员现场调查产生震动的问题根源，如确定问题原因后，还会针对该问题进行解决。

进一步地，还包括电动机8以及压力表9，所述变桨液压系统设有蓄能器10，所述电动机8用于为所述变桨液压控制系统提供动能，所述压力表9用于采集所述变桨液压系统压力，所述控制器还用于在所述变桨液压系统压力达到阈值时控制所述电动机8启动或停止，所述压力表9以及所述电动机8分别与所述控制器电连接。

进一步地，还包括超级电容，所述超级电容用于为所述控制器、所述GPRS通信模块以及所述电动机8提供电能。

更为具体地，变桨液压系统还设有蓄能器10以及压力表9，电动机8用于为液压系统提供动能，该电动机8受控制器控制，当高于液压系统的压力阈值时，控制器控制电动机8停止转动，由蓄能器10为液压系统提供压力，当液压系统的压力低于阈值时，控制器控制电动机8启动，向蓄能器10以及液压系统提供压力。

设有蓄能器10的液压系统，其液压压力平稳，波纹小，实现在不需要压力的时候电动机8停转，实现电动机8卸荷，免得液压系统的液压油发热、老化变质，且节省电能。蓄能器10还就有在外部停止供电时，依旧能够为实现变桨提供动能。

该风力发电机组变桨控制系统还设有超级电容，超级电容用于外部停止供电时为控制器、GPRS通信模块以及电动机8提供电能，超级电容与蓄能器10双保险，保证了紧急情况下，依然能够保证设备安全运行。

进一步地，所述校准开关1为霍尔开关，所述校准块2为磁铁。

更为具体地，校准开关1为霍尔开关，与之配套的校准块2为磁铁，校准块2与校准开关1之间无接触，故不产生磨损，使用寿命长，适合恶劣工况下、户外工况下使用。

以上所述实施方式仅为本实用新型的优选实施例，而并非本实用新型可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本实用新型原理和精神的前提下对其所做出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风力发电机组变桨控制系统，包括：变桨液压系统，其特征在于，还包括：控制器、校准开关（1）、校准块（2）、光栅编码器（3）以及三位四通电磁阀（4）；

风力发电机组设有变桨轴承，所述变桨轴承包括动圈（5）以及静圈（6），所述校准开关（1）设置在所述静圈（6）上，所述校准块（2）设置在所述动圈（5）上，所述校准开关（1）用于采集预定变桨角度信息，所述光栅编码器（3）用于采集风力发电机组的轮毂转动信息，所述三位四通电磁阀（4）用于控制所述变桨液压系统实施变桨动作；所述控制器用于接收所述预定变桨角度信息以及风力发电机组的轮毂转动信息，所述控制器还用于控制所述三位四通电磁阀（4）通过所述变桨液压系统实施变桨动作，所述校准开关（1）、所述光栅编码器（3）以及所述三位四通电磁阀（4）分别与所述控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨控制系统，其特征在于，所述动圈（5）设有滑槽（5-1）以及紧定螺钉（7），所述滑槽（5-1）与所述动圈（5）固定连接，所述校准块（2）与所述滑槽（5-1）滑动连接，所述紧定螺钉（7）用于将所述校准块（2）紧定在所述滑槽（5-1）上。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组变桨控制系统，其特征在于，还包括：GPRS通信模块以及服务器，所述服务器用于监测变桨角度信息，所述服务器还用于向所述控制器下达变桨角度指令，所述GPRS通信模块用于在所述控制器以及所述服务器间建立通信连接，所述GPRS通信模块分别与所述控制器以及所述服务器通信连接。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组变桨控制系统，其特征在于，还包括：加速度传感器，所述加速度传感器与风力发电机组固定连接，所述加速度传感器用于采集风力发电机组震动信息，所述控制器还用于将接收到的风力发电机组震动信息通过所述GPRS通信模块传送至所述服务器，所述加速度传感器与所述控制器电连接。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组变桨控制系统，其特征在于，还包括电动机（8）以及压力表（9），所述变桨液压系统设有蓄能器（10），所述电动机（8）用于为所述变桨液压控制系统提供动能，所述压力表（9）用于采集所述变桨液压系统压力，所述控制器还用于在所述变桨液压系统压力达到阈值时控制所述电动机（8）启动或停止，所述压力表（9）以及所述电动机（8）分别与所述控制器电连接。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组变桨控制系统，其特征在于，还包括超级电容，所述超级电容用于为所述控制器、所述GPRS通信模块以及所述电动机（8）提供电能。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组变桨控制系统，其特征在于，所述校准开关（1）为霍尔开关，所述校准块（2）为磁铁。

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