CN109058042A - 一种集成式风电主控变桨*** - Google Patents
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Abstract
本发明适用于风力发电机组电控领域,具体是一种集成式风电主控变桨***,包括一个集成式主控变桨控制柜、三个变桨驱动柜、三个后备电源柜和三个变桨电机,所述集成式主控变桨控制柜通过滑环与各个变桨驱动柜相连,每个变桨驱动柜分别与后备电源柜和变桨电机相连;变桨驱动柜与传统方案相比,省去了传统的变桨控制器,将传统的变桨控制柜与后备电源柜合并成一个柜体变桨驱动柜的重量和尺寸进一步缩小,将主控***的控制器与变桨***的控制器集成在一个控制器里,有效减轻机组轴系负荷。
Description
技术领域
本发明适用于风力发电机组电控领域,具体是一种集成式风电主控变桨***。
背景技术
风力发电机组电控***主要主控***、变桨距***、变流器***组成。其中,主控***是整个风机电控***的主体,主要完成机舱数据采集、判断和处理,检测每个部分传感器是否有故障,通过各类传感器对电网、风况及风机运行参数进行监控,并与变频器控制***、变桨控制***保持数据通讯,根据各方面的情况做出综合分析后,发出各种控制指令,实现***的启动停止、并网脱网,叶片的转动,机舱的对风,运行数据的统计,以及将数据传输风场中央控制室进行显示和控制。变桨***,与主控***配合,通过接收主控指令对叶片桨距角的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行,它由3套变桨柜与3套电池柜组成,其中每个变桨控制柜中都含有独立的变桨控制器和变桨驱动器。
风电电控***的现有主流技术中,主控***与变桨***是两套独立的***,主控柜置于机舱或塔底,变桨柜置于机组轮毂。每个变桨柜内都含有变桨控制器,主控***与变桨控制器之前通过各种总线进行通信,然后变桨控制器再通过RS485或者CANopen接口与变桨驱动器进行信息交互。近年来也有技术提出,集成式电控***。
相关的主要有如下专利:专利号为CN201611210392.X,名称为《一种含有集成PLC功能的变桨伺服驱动器的低压变桨***》的发明专利,将变桨控制器的PLC功能集成在了变桨驱动器内部,节约了一定的变桨柜空间,但是没有解决主控***与变桨***集成的问题,变桨***维护时,仍需将三个变桨柜逐个维护。专利号为CN201620611357.8,名称为《一种集成化风电控制***》的实用新型专利,提出将整个电控***(包含主控***与变桨***)集成在一个集成控制器中,但是必须依赖于实时工业以太网才能对变桨执行机构进行信息交互,并且没有说明变桨***内部关于信号采集职责归属的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,现在特别提出一种高度集成化风电主控变桨***。
为达到上述目的,本发明采用以下方案予以实现:
一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:包括一个集成式主控变桨控制柜、三个变桨驱动柜、三个后备电源柜和三个变桨电机,所述集成式主控变桨控制柜通过滑环与各个变桨驱动柜相连,每个变桨驱动柜分别与后备电源柜和变桨电机相连;
所述集成式主控变桨控制柜包括电源接口模块、集成式主控变桨控制器、电量测量模块、I/O接口模块、CANopen通信模块、交换机、安全链***和人机界面,人机界面包括显示屏等;所述集成式主控变桨控制器与交换机、CANopen通信模块和安全链***单向信号相连,所述I/O接口模块与集成式主控变桨控制器单向信号相连,所述电源接口模块分别对集成式主控变桨控制器、电量测量模块、I/O接口模块和交换机供电。集成式主控变桨控制器自带有以太网接口模块。
所述交换机包括风场通讯交换机和柜内通讯交换机。
所述I/O接口模块接收风速风向仪、温度传感器、振动传感器、振动开关、偏航计数器、偏航极限开关、转速传感器和叶轮转速开关的数据信息。
所述电量测量模块接收电压信号、电流信号、有功功率、无功功率和相角信息。
所述集成式主控变桨控制器通过选配支持CANopen,RS485, ARC-net,光纤ARC-net, USB, 以太网等通讯接口,它通过I/O模块等接收风速、风向、气温、发电机转速、偏航计数器、机组振动等信号,然后根据设定的算法给出启动、停机、偏航指令、桨距角信号等。
所述电源接口模块,将集成式变桨控制柜的输入电源(220VAC,或者220VDC,110VDC)通过AC/DC转换或DC/DC转换为24V DC电源等为集成式变桨控制器、交换机、人机界面提供电源。
所述集成式变桨控制器是风机主控***和变桨***的算法设计的载体,存储着主控与变桨***的应用程序。
所述电量测量模块可直接测量最高690V AC 相电压的六路电压(发电机侧和电网侧的),三相电流可通过次级为1A 或5A 的电流互感器接入所述模块。
所述I/O接口模块可计入多路的PT-100 温度信号、电压和电流模拟量输入信号、正反逻辑的开关量输入信号、具有频率测量能力的开关量输入信号、模拟量电流输出和开关量输出信号。
所述CANopen通信模块承担集成式主控变桨控制器与驱动器之间的数据交互,用于传输集成式主控变桨控制器下达的各项指令和驱动器的状态反馈。
所述交换机分别设置在机舱控制柜和变频器控制柜中,操作面板和主控制器通过该交换机进行通讯,变频控制柜中也配置了相同型号的该交换机,两台交换机通过单模光纤进行通讯。
所述安全链***独立于软件,由一系列常闭触点串联而成并接有24VDC,安全链中的每个常闭触点用于监视一种安全限制条件,只有每个触点都处在闭合状态时才能使安全链接触器处于激活状态;安全链中任何一个触点断开即使是短暂的断开也会使安全链继电器断开,从而使安全链处于一直断开的状态;即使只有一个触点处于断开状态,整个安全链将处于断开状态并且不能被复位;桨叶由此执行安全变桨运行,并且故障没有复位之前,无法再自动启动风机。
所述人机界面位于机舱主控柜,通过该面板对风机进行操作,浏览风机运行状态及设置各项参数。
所述变桨驱动柜包括电源接口模块,后备电源(电池)、充电机、充电机CANopen通信模块、伺服驱动器、伺服驱动器CANopen通信模块、***I/O电路、加热***、照明***,安全链***;所述伺服驱动器与伺服驱动器CANopen通信模块单向信号相连,所诉后充电机与充电机CANopen通信模块单向信号相连,所述伺服驱动器CANopen通信模块与充电机CANopen通信模块单向信号相连,所述***I/O电路与伺服驱动器单向信号相连,所述电源接口模块对充电机、伺服驱动器、加热***和照明***供电,所述充电机与充电机CANopen通信模块信号相连。
所述电源接口模块将220VAC转换为24VDC电源,为各类模块,继电器等供电。
所述后备电源(电池)是锂电池或者超级电容,当主电网掉电后,由其为驱动器提供电源,进行紧急收桨保护。
所述充电机,当后备电源容量不足时,由其通过获取电网的电源为后备电源充电,直至充到设定值为止。
所述充电机CANopen通信模块承担充电机与集成主控变桨控制器之间的数据交互,向集成式主控变桨控制器反馈电池电压,容量,温度以及充电机状态。
所述伺服驱动器主要接收来自电网的电源以及后备电池的直流电源,并为变桨电机提供电源,主要承担变桨电机的伺服驱动任务,控制变桨电机正转,反转,加速,减速,启停等功能来实现对开桨,收桨,紧急收桨等功能。
所述伺服驱动器CANopen通信模块承担伺服驱动器与集成式主机变桨控制器之间的信号交互。
所述***I/O电路是桨叶位置开关(92度以及95度位置)、温度信号、紧急停机信号、使能信号,安全链回路信号等输入接口,以及变桨驱动器故障,电源故障、后备电源状态输出信号的输出接口;可将此信号反馈至驱动器以及集成式主控变桨控制器。
所述加热***由温度开关和加热器组成,设置在变桨控制柜内电池附近,温度开关测量到柜内温度较低或者电池温度过低时,启动加热器,为变桨柜内元件,或者后备电源提供一个正常工作的环境温度。
所述照明***设置在变桨控制柜柜门外,为变桨运行维护人员的作业提供照明。
所述安全链***独立于软件,与集成式主控变桨控制柜内的安全链***串联而成并接有24VDC,柜内安全链中的每个常闭触点用于监视一种安全限制条件,只有每个触点都处在闭合状态时才能使安全链接触器处于激活状态;安全链中任何一个触点断开即使是短暂的断开也会使安全链继电器断开,从而使安全链处于一直断开的状态;这将触发驱动器自动紧急收桨。
所述伺服驱动器通过其CANopen通信模块接收来自集成主控变桨控制器的心跳信号、桨距角信等指令,同时向其反馈变桨电机温度、抱闸状态,运行状态、位置信号等。同时通过***I/O电路来监测***安全链回路状态,桨叶的不同位置信号反馈,手动变桨信号等。当该伺服驱动器接收到安全链回路断开信号或者接收到主控变桨控制器的CANopen心跳信号消失时,会触发安全模式,伺服驱动器自动安全收桨运行至92度位置。
本申请的优点如下:
1. 变桨驱动柜与传统方案相比,省去了传统的变桨控制器,将传统的变桨控制柜与后备电源柜合并成一个柜体变桨驱动柜的重量和尺寸进一步缩小,将主控***的控制器与变桨***的控制器集成在一个控制器里,有效减轻机组轴系负荷。
2. 整个主控变桨***总的节省了三个变桨控制器,大大节约了成本。
3. 变桨***的程序集成在主控变桨控制器后,根据配置情况,可实现变桨程序的远程维护。运维人员无需再上塔筒,去轮毂处就地维护,大大减轻维护成本和劳动强度。
4. 软件维护时,无需对三个变桨柜逐个去维护,一次即可完成对三个柜的维护。与传统方案相比,大大节省了风场服务人员的维护工作量。
附图说明
图1是集成式主控变桨***示意图。
图2是集成式主控变桨控制柜***框图。
图3是变桨驱动柜***框图。
具体实施方式
一种集成式风电主控变桨***包括一个集成式主控变桨控制柜、三个变桨驱动柜、三个后备电源柜和三个变桨电机,所述集成式主控变桨控制柜通过滑环与各个变桨驱动柜相连,每个变桨驱动柜分别与后备电源柜和变桨电机相连。
所述集成式主控变桨控制柜包括电源接口模块、集成式主控变桨控制器、电量测量模块、I/O接口模块、CANopen通信模块、交换机、安全链***和人机界面,人机界面包括显示屏等;所述集成式主控变桨控制器与交换机、CANopen通信模块和安全链***单向信号相连,所述I/O接口模块与集成式主控变桨控制器单向信号相连,所述电源接口模块分别对集成式主控变桨控制器、电量测量模块、I/O接口模块和交换机供电。集成式主控变桨控制器自带有以太网接口模块。
所述交换机包括风场通讯交换机和柜内通讯交换机。
所述I/O接口模块接收风速风向仪、温度传感器、振动传感器、振动开关、偏航计数器、偏航极限开关、转速传感器和叶轮转速开关的数据信息。
所述电量测量模块接收电压信号、电流信号、有功功率、无功功率和相角信息。
所述集成式主控变桨控制器通过选配支持CANopen,RS485, ARC-net,光纤ARC-net, USB, 以太网等通讯接口,它通过I/O模块等接收风速、风向、气温、发电机转速、偏航计数器、机组振动等信号,然后根据设定的算法给出启动、停机、偏航指令、桨距角信号等。
所述电源接口模块,将集成式变桨控制柜的输入电源(220VAC,或者220VDC,110VDC)通过AC/DC转换或DC/DC转换为24V DC电源等为集成式变桨控制器、交换机、人机界面提供电源。
所述集成式变桨控制器是风机主控***和变桨***的算法设计的载体,存储着主控与变桨***的应用程序。
所述电量测量模块可直接测量最高690V AC 相电压的六路电压(发电机侧和电网侧的),三相电流可通过次级为1A 或5A 的电流互感器接入所述模块。
所述I/O接口模块可计入多路的PT-100 温度信号、电压和电流模拟量输入信号、正反逻辑的开关量输入信号、具有频率测量能力的开关量输入信号、模拟量电流输出和开关量输出信号。
所述CANopen通信模块承担集成式主控变桨控制器与驱动器之间的数据交互,用于传输集成式主控变桨控制器下达的各项指令和驱动器的状态反馈。
所述交换机分别设置在机舱控制柜和变频器控制柜中,操作面板和主控制器通过该交换机进行通讯,变频控制柜中也配置了相同型号的该交换机,两台交换机通过单模光纤进行通讯。
所述安全链***独立于软件,由一系列常闭触点串联而成并接有24VDC,安全链中的每个常闭触点用于监视一种安全限制条件,只有每个触点都处在闭合状态时才能使安全链接触器处于激活状态;安全链中任何一个触点断开即使是短暂的断开也会使安全链继电器断开,从而使安全链处于一直断开的状态;即使只有一个触点处于断开状态,整个安全链将处于断开状态并且不能被复位;桨叶由此执行安全变桨运行,并且故障没有复位之前,无法再自动启动风机。
所述人机界面位于机舱主控柜,通过该面板对风机进行操作,浏览风机运行状态及设置各项参数。
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所述电源接口模块将220VAC转换为24VDC电源,为各类模块,继电器等供电。
所述后备电源(电池)是锂电池或者超级电容,当主电网掉电后,由其为驱动器提供电源,进行紧急收桨保护。
所述充电机,当后备电源容量不足时,由其通过获取电网的电源为后备电源充电,直至充到设定值为止。
所述充电机CANopen通信模块承担充电机与集成主控变桨控制器之间的数据交互,向集成式主控变桨控制器反馈电池电压,容量,温度以及充电机状态。
所述伺服驱动器主要接收来自电网的电源以及后备电池的直流电源,并为变桨电机提供电源,主要承担变桨电机的伺服驱动任务,控制变桨电机正转,反转,加速,减速,启停等功能来实现对开桨,收桨,紧急收桨等功能。
所述伺服驱动器CANopen通信模块承担伺服驱动器与集成式主机变桨控制器之间的信号交互。
所述***I/O电路是桨叶位置开关(92度以及95度位置)、温度信号、紧急停机信号、使能信号,安全链回路信号等输入接口,以及变桨驱动器故障,电源故障、后备电源状态输出信号的输出接口;可将此信号反馈至驱动器以及集成式主控变桨控制器。
所述加热***由温度开关和加热器组成,设置在变桨控制柜内电池附近,温度开关测量到柜内温度较低或者电池温度过低时,启动加热器,为变桨柜内元件,或者后备电源提供一个正常工作的环境温度。
所述照明***设置在变桨控制柜柜门外,为变桨运行维护人员的作业提供照明。
所述安全链***独立于软件,与集成式主控变桨控制柜内的安全链***串联而成并接有24VDC,柜内安全链中的每个常闭触点用于监视一种安全限制条件,只有每个触点都处在闭合状态时才能使安全链接触器处于激活状态;安全链中任何一个触点断开即使是短暂的断开也会使安全链继电器断开,从而使安全链处于一直断开的状态;这将触发驱动器自动紧急收桨。
所述伺服驱动器通过其CANopen通信模块接收来自集成主控变桨控制器的心跳信号、桨距角信等指令,同时向其反馈变桨电机温度、抱闸状态,运行状态、位置信号等。同时通过***I/O电路来监测***安全链回路状态,桨叶的不同位置信号反馈,手动变桨信号等。当该伺服驱动器接收到安全链回路断开信号或者接收到主控变桨控制器的CANopen心跳信号消失时,会触发安全模式,伺服驱动器自动安全收桨运行至92度位置。
变桨驱动柜与传统方案相比,省去了传统的变桨控制器,将传统的变桨控制柜与后备电源柜合并成一个柜体变桨驱动柜的重量和尺寸进一步缩小,将主控***的控制器与变桨***的控制器集成在一个控制器里,有效减轻机组轴系负荷。整个主控变桨***总的节省了三个变桨控制器,大大节约了成本。变桨***的程序集成在主控变桨控制器后,根据配置情况,可实现变桨程序的远程维护。运维人员无需再上塔筒,去轮毂处就地维护,大大减轻维护成本和劳动强度。软件维护时,无需对三个变桨柜逐个去维护,一次即可完成对三个柜的维护。与传统方案相比,大大节省了风场服务人员的维护工作量。
Claims (10)
1.一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:包括一个集成式主控变桨控制柜、三个变桨驱动柜、三个后备电源柜和三个变桨电机,所述集成式主控变桨控制柜通过滑环与各个变桨驱动柜相连,每个变桨驱动柜分别与后备电源柜和变桨电机相连。
2.根据权利要求1所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述集成式主控变桨控制柜包括电源接口模块、集成式主控变桨控制器、电量测量模块、I/O接口模块、CANopen通信模块、交换机、安全链***和人机界面,所述集成式主控变桨控制器与交换机、CANopen通信模块和安全链***单向信号相连,所述I/O接口模块与集成式主控变桨控制器单向信号相连,所述电源接口模块分别对集成式主控变桨控制器、电量测量模块、I/O接口模块和交换机供电。
3.根据权利要求2所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述交换机包括风场通讯交换机和柜内通讯交换机;所述I/O接口模块接收风速风向仪、温度传感器、振动传感器、振动开关、偏航计数器、偏航极限开关、转速传感器和叶轮转速开关的数据信息;所述电量测量模块接收电压信号、电流信号、有功功率、无功功率和相角信息。
4. 根据权利要求2所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述电源接口模块,将集成式变桨控制柜的输入电源通过AC/DC转换或DC/DC转换为24V DC电源等为集成式变桨控制器、交换机、人机界面提供电源;
所述集成式变桨控制器是风机主控***和变桨***的算法设计的载体,存储着主控与变桨***的应用程序;
所述电量测量模块可直接测量最高690V AC 相电压的六路电压,三相电流可通过次级为1A 或5A 的电流互感器接入所述模块;
所述I/O接口模块可计入多路的PT-100 温度信号、电压和电流模拟量输入信号、正反逻辑的开关量输入信号、具有频率测量能力的开关量输入信号、模拟量电流输出和开关量输出信号;
所述CANopen通信模块承担集成式主控变桨控制器与驱动器之间的数据交互,用于传输集成式主控变桨控制器下达的各项指令和驱动器的状态反馈;
所述交换机分别设置在机舱控制柜和变频器控制柜中,操作面板和主控制器通过该交换机进行通讯,变频控制柜中也配置了相同型号的该交换机,两台交换机通过单模光纤进行通讯。
5.根据权利要求2所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述安全链***独立于软件,由一系列常闭触点串联而成并接有24VDC,安全链中的每个常闭触点用于监视一种安全限制条件,只有每个触点都处在闭合状态时才能使安全链接触器处于激活状态;安全链中任何一个触点断开即使是短暂的断开也会使安全链继电器断开,从而使安全链处于一直断开的状态;即使只有一个触点处于断开状态,整个安全链将处于断开状态并且不能被复位;桨叶由此执行安全变桨运行,并且故障没有复位之前,无法再自动启动风机;
所述人机界面位于机舱主控柜,通过该面板对风机进行操作,浏览风机运行状态及设置各项参数。
6.根据权利要求1所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述变桨驱动柜包括电源接口模块,后备电源、充电机、充电机CANopen通信模块、伺服驱动器、伺服驱动器CANopen通信模块、***I/O电路、加热***、照明***,安全链***;所述伺服驱动器与伺服驱动器CANopen通信模块单向信号相连,所诉后充电机与充电机CANopen通信模块单向信号相连,所述伺服驱动器CANopen通信模块与充电机CANopen通信模块单向信号相连,所述***I/O电路与伺服驱动器单向信号相连,所述电源接口模块对充电机、伺服驱动器、加热***和照明***供电,所述充电机与充电机CANopen通信模块信号相连。
7.根据权利要求6所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述电源接口模块将220VAC转换为24VDC电源,为各类模块,继电器供电;
所述后备电源是锂电池或者超级电容,当主电网掉电后,由其为驱动器提供电源,进行紧急收桨保护;
所述充电机,当后备电源容量不足时,由其通过获取电网的电源为后备电源充电,直至充到设定值为止;
所述充电机CANopen通信模块承担充电机与集成主控变桨控制器之间的数据交互,向集成式主控变桨控制器反馈电池电压,容量,温度以及充电机状态。
8.根据权利要求6所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述伺服驱动器主要接收来自电网的电源以及后备电池的直流电源,并为变桨电机提供电源,主要承担变桨电机的伺服驱动任务,控制变桨电机正转,反转,加速,减速,启停等功能来实现对开桨,收桨,紧急收桨功能;
所述伺服驱动器CANopen通信模块承担伺服驱动器与集成式主机变桨控制器之间的信号交互;
所述***I/O电路是桨叶位置开关、温度信号、紧急停机信号、使能信号,安全链回路信号等输入接口,以及变桨驱动器故障,电源故障、后备电源状态输出信号的输出接口;可将此信号反馈至驱动器以及集成式主控变桨控制器。
9.根据权利要求6所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述加热***由温度开关和加热器组成,设置在变桨控制柜内电池附近,温度开关测量到柜内温度较低或者电池温度过低时,启动加热器,为变桨柜内元件,或者后备电源提供一个正常工作的环境温度;
所述照明***设置在变桨控制柜柜门外,为变桨运行维护人员的作业提供照明;
所述安全链***独立于软件,与集成式主控变桨控制柜内的安全链***串联而成并接有24VDC,柜内安全链中的每个常闭触点用于监视一种安全限制条件,只有每个触点都处在闭合状态时才能使安全链接触器处于激活状态;安全链中任何一个触点断开即使是短暂的断开也会使安全链继电器断开,从而使安全链处于一直断开的状态;这将触发驱动器自动紧急收桨。
10.根据权利要求6所述的一种集成式风电主控变桨***,其特征在于:所述伺服驱动器通过其CANopen通信模块接收来自集成主控变桨控制器的心跳信号、桨距角信指令,同时向其反馈变桨电机温度、抱闸状态,运行状态、位置信号;同时通过***I/O电路来监测***安全链回路状态,桨叶的不同位置信号反馈,手动变桨信号;当该伺服驱动器接收到安全链回路断开信号或者接收到主控变桨控制器的CANopen心跳信号消失时,会触发安全模式,伺服驱动器自动安全收桨运行至92度位置。
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