风电机组风轮超速主动保护装置的制作方法

1.本实用新型涉及风力发电机组安全保护领域，具体涉及一种风电机组风轮超速主动保护装置。


背景技术：

2.近年来，风电机组倒塔、着火事故偶有发生，给风电业主造成很大的经济损失。而风电机组倒塔和着火事故的原因中有很大一部是由于机组超速保护失效，机组持续超速运行导致。
3.当前机组都具备转速检测与保护系统，一般主控系统安全链设置两个以上硬件转速检测与超速保护模块，并将“机组转速正常”和“变桨紧急顺桨”热线信号经滑环传给变桨系统。当转速正常和机组状态正常时，“机组转速正常”和“变桨紧急顺桨”热线信号为高电平。超速保护模块检测机组超速或主控进行紧急顺桨时，“机组转速正常”或“变桨紧急顺桨”热线信号为低电平，变桨系统进行紧急顺桨。
4.但是该“机组转速正常”或“变桨紧急顺桨”热线信号有时由于机组安装施工或是运行后多次技术改造，存在该热线信号被错接或短接至供电电源正极情况，此时，当机组超速或进行紧急顺桨时，主控系统无法断开该热线信号，导致变桨系统无法进行紧急顺桨，最终机组持续超速直至倒塔或着火事故发生。
5.当前行业内已经针对这种风险进行了若干种风轮超速主动保护的改进设计，如在轮毂进行离心机械机构设计，当离心力机构弹簧触发保护系统动作，还有如在轮毂增加测速编码器等，但是设备和改造工作相对复杂，成本较高。
6.上述问题是目前亟待解决的。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种风电机组风轮超速主动保护装置，以实现风轮超速主动保护的目的。
8.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种风电机组风轮超速主动保护装置包括：
9.压电电荷检测模块、信号处理模块、控制模块以及继电器；
10.所述压电电荷检测模块通过信号处理模块与所述控制模块电性连接，且适于检测风轮旋转时产生的压电电荷信息并通过信号处理模块处理后发送给所述控制模块；
11.所述控制模块适于依据接收的压电电荷信息计算风轮当前转速；
12.所述控制模块与所述继电器电性连接，且适于在计算的风轮当前转速超过预设速度时，触发继电器工作，使风电机组的风轮进行紧急收桨。
13.进一步的，所述压电电荷检测模块为压电传感器。
14.进一步的，所述信号处理模块包括放大电路以及硬件滤波电路；
15.所述压电电荷检测模块检测到的压电电荷信息经过放大电路放大以及硬件滤波
电路滤波之后发送给所述控制模块。
16.进一步的，所述控制模块包括低通滤波单元、第一陷波滤波单元以及第二陷波滤波单元；
17.所述控制模块通过所述低通滤波单元滤除高频干扰信号后依次通过第一陷滤波单元以及第二陷波滤波单元滤除风机组风轮运行时产生的振动频率。
18.进一步的，所述第一陷波滤波单元的中心频率为风电机组塔筒一阶振动频率，所述第二陷波滤波单元的中心频率为传动链固有振动频率。
19.进一步的，所述压电电荷检测模块包括质量块、压电元件以及底座；
20.所述压电元件设置于所述质量块以及所述底座之间；
21.所述底座垂直固定于所述风轮的轮毂内部的断面上。
22.进一步的，所述压电电荷检测模块检测的压电电荷q＝k(m+m/2)a，a＝a0+g cos(θ)；
23.式中，q为压电电荷，k为压电元件的压电常数，m为质量块的质量，m为压电元件的质量，a为压电元件的综合加速度在径向的分量,a0为角速度ω产生的离心加速度,g为重力加速度，θ为压电电荷检测模块到轮毂中心与垂直方向的夹角。
24.进一步的，所述控制模块还包括外部通讯接口。
25.进一步的，所述外部通讯接口为rs485、canopen通讯接口中的任意一种。
26.本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种风电机组风轮超速主动保护装置，其中，风电机组风轮超速主动保护装置通过压电电荷检测模块检测风轮旋转时产生的压电电荷信息并通过信号处理模块处理后发送给所述控制模块，控制模块适于依据接收的压电电荷信息计算风轮当前转速，在计算的风轮当前转速超过预设速度时，触发继电器工作，使风电机组的风轮进行紧急收桨，在不采用复杂的机械结构和传感器芯片的情况下，可精确测量风轮的转速并进行超速主动保护，以一种自主可控，低成本的技术方案大大提高了风电机组的安全性。
附图说明
27.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
28.图1为本实用新型实施例所提供的风电机组风轮超速主动保护装置的原理框图。
29.图2为本实用新型实施例所提供的压电电荷检测模块的原理框图。
30.图3为本实用新型实施例所提供的放大电路的等效电路图。
31.图4为本实用新型实施例所提供的硬件滤波电路的电路图。
32.图5为本实用新型实施例所提供的软件滤波模块的传递函数图。
33.图6为本实用新型实施例所提供的经软件滤波处理后的加速度与风轮旋转角度的曲线图。
具体实施方式
34.现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
35.请参阅图1，本实施例提供了一种风电机组风轮超速主动保护装置。风电机组风轮
超速主动保护装置包括：压电电荷检测模块、信号处理模块、控制模块以及继电器；所述压电电荷检测模块通过信号处理模块与所述控制模块电性连接，且适于检测风轮旋转时产生的压电电荷信息并通过信号处理模块处理后发送给所述控制模块；所述控制模块适于依据接收的压电电荷信息计算风轮当前转速；所述控制模块与所述继电器电性连接，且适于在计算的风轮当前转速超过预设速度时，触发继电器工作，使风电机组的风轮进行紧急收桨。在不采用复杂的机械结构和传感器芯片的情况下，可精确测量风轮的转速并进行超速主动保护，以一种自主可控，低成本的技术方案大大提高了风电机组的安全性。
36.如图2所示，在本实施例中，所述压电电荷检测模块为压电传感器。具体地，所述压电电荷检测模块包括质量块、压电元件以及底座；所述压电元件设置于所述质量块以及所述底座之间；所述底座垂直固定于所述风轮的轮毂内部的断面上。压电电荷检测模块随风轮转动，质量块由于离心力和重力的合力作用于压电元件，在其极化方向的两端产生压电电荷，且压电电荷与合力产生的加速度成正比。
37.具体来说，所述压电电荷检测模块检测的压电电荷q＝k(m+m/2)a，a＝a0+g cos(θ)；
38.式中，q为压电电荷，k为压电元件的压电常数，m为质量块的质量，m为压电元件的质量，a为压电元件的综合加速度在径向的分量,a0为角速度ω产生的离心加速度,g为重力加速度，θ为压电电荷检测模块到轮毂中心与垂直方向的夹角。
39.在本实施例中，所述信号处理模块包括放大电路以及硬件滤波电路；所述压电电荷检测模块检测到的压电电荷信息经过放大电路放大以及硬件滤波电路滤波之后发送给所述控制模块。
40.其中，放大电路的等效电路图如图3所示。其中a为运算放大器的开环增益；q为压电元件电荷量；r
f
为并联在反馈电容两端的漏电阻；c
f
为运算放大器的反馈电容；r
a
为压电电荷产生部件的绝缘电阻；r
i
为运算放大器的输入电阻；c
a
为压电电荷产生部件的等效电容；c
i
为运算放大器的输入电容；c
c
为电缆电容。
41.由于放大器增益a为104～106量级，满足(1+a)c
f
>>c
a
+c
c
+c
i
，则放大器输出电压为
42.硬件滤波电路的电路图如图4所示，硬件低通滤波器的电压传递函数
43.其中，r
f
为反馈电阻。
44.在本实施例中，所述控制模块包括低通滤波单元low pass filter、第一陷波滤波单元notchfilter1以及第二陷波滤波单元notchfiler2；所述控制模块通过所述低通滤波单元滤除高频干扰信号后依次通过第一陷滤波单元以及第二陷波滤波单元滤除风机组风轮运行时产生的振动频率。在本实施例中，低通滤波单元、第一陷波滤波单元以及第二陷波滤波单元通过软件滤波进行处理，软件滤波模块的传递函数如图5所示。
45.其中，所述第一陷波滤波单元的中心频率为风电机组塔筒一阶振动频率，所述第
二陷波滤波单元的中心频率为传动链固有振动频率。
46.在本实施例中，控制模块中经软件滤波处理后的加速度与风轮旋转角度的曲线如图6所示，图6中的最大值包络线a
max
＝a0+g,a
max
为当压电电荷检测模块转至风轮正下方时的加速度，则由于风轮转动产生的离心加速度a0＝a
max
‑
g，风轮当前转速为：控制模块判断风轮当前转速，在计算的风轮当前转速超过预设速度时，触发继电器工作，使风电机组的风轮进行紧急收桨。在本实施例中，所述控制模块还包括外部通讯接口。其中，所述外部通讯接口为rs485、canopen通讯接口中的任意一种。通过外部通讯接口与风电机组的主控系统或调试电脑进行通讯连接，上传风轮转速和风电机组风轮超速主动保护装置的状态数据，进行相关参数设置。
47.实施例2
48.本实施例还提供了一种风电机组，包括变桨控制系统以及如上述的风电机组风轮超速主动保护装置；所述风电机组风轮超速主动保护装置的控制器串联接入变桨控制系统中，且适于在主控模块计算的风轮当前转速超过预设速度时，触发继电器工作，从而触发变桨控制系统控制风电机组的风轮进行紧急收桨。
49.综上所述，本实用新型提供了一种风电机组风轮超速主动保护装置，其中，风电机组风轮超速主动保护装置通过压电电荷检测模块检测风轮旋转时产生的压电电荷信息并通过信号处理模块处理后发送给所述控制模块，控制模块适于依据接收的压电电荷信息计算风轮当前转速，在计算的风轮当前转速超过预设速度时，触发继电器工作，使风电机组的风轮进行紧急收桨，在不采用复杂的机械结构和传感器芯片的情况下，可精确测量风轮的转速并进行超速主动保护，以一种自主可控，低成本的技术方案大大提高了风电机组的安全性。
50.以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。