专利名称：风力发电机变桨距控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于风力发电领域的控制装置，特别是涉及到一种风力发电机变桨距控制装置。
背景技术：
随着不可再生能源在世界范围面临枯竭的窘境，为满足工业化生产和人类生活所需，人民对核能、太阳能、风力、等可再生能源的关注和利用已日渐提升。其中，核能利用的不安全性为人们所困扰，众所周知的前苏联切尔诺贝利和日本福岛的核事故给人类历史留下了深深的痛；太阳能光伏利用利用率低，成本居高不下，生产过程耗能巨大，污染性强，还有待即一部完善；只有风力发电才是一种已经发展相对成熟的能源开发技术，有着广泛的普及应用。变桨技术是目前大功率风力发电的主流技术，采用变桨技术的风力发电机组通过变桨系统可以调整叶片的桨距角，优化风轮的出力，改善风力机的输出功率特性，并消除因空气密度变化等因素对功率输出的影响。采用变桨距技术的风力发电机组能主动以全顺桨方式来减少叶轮所承受的风压，具有机组起动性能好、输出功率稳定、机组结构受力小、 停机方便安全和运输起吊难度小等优点。另外，通过变桨系统可以使叶片处于顺桨状态，这样在机组出现故障等情况下，极大地减小制动工况下作用在传动系统中的载荷，同时在极端风速工况下通过顺桨减小风轮上承受的推力，从而降低搭架所承受的极限载荷。现有的变桨系统一般包括主控箱，及由主控箱控制的若干个并联的轴控箱，如图所示，目前的主控箱一般都是设置成方形，因此主控箱内只能设用于提供控制程序的单片机，因为单片机的结构相对较小。但是，同时带来的影响是单片机所能带来的控制功能较少。另外，在目前广泛应用的风力发电机组的变桨距系统中，UPS系统的主要功能是 一旦电网供电故障，立即启动给变桨距系统提供电力，变桨距系统控制叶片转到安全的位置，因此风电变桨UPS系统对于储能单元有着很高的要求。首先，风力发电厂本身的工作环境差异很大，要求风电变桨UPS系统的储能单元具有很强的环境适应能力，不论在什么工作条件下能够正常工作。其次，UPS系统主要是起着紧急供电的作用，供电时间不是很长， 但是对功率的需求很大，这就要求储能单元具有短时大功率吞吐能力。第三，由于现代风机越来越大型化和复杂化，为了减少风机的维修和零件的更换，因此需要UPS系统具有很长的使用寿命，而且在长时间使用后能够保持性能基本不变，而这其中最主要的就是UPS的储能单元。在目前的UPS系统中。可充电蓄电池是一种应用非常普遍的储能器件。如铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍氢蓄电池等。蓄电池储能具有能量密度高、成本低廉原材料丰富、制造技术成熟等特点，能够实现大规模生产。但是。采用可充电蓄电池作为UPS的储能单元存在一定的不足之处，无法很好的满足风电变桨UPS系统对储能单元的要求。首先，由于蓄电池在工作过程中会发生化学反应，引起电极结构的膨胀和收缩，导致蓄电池性能衰减。由于风电变桨UPS系统中的储能单元要不断地吸收和释放能量，特别是在电网供电不可靠的地区为保证风电变桨距系统的供电不间断还要经常进行深度充放电，导致蓄电池使用寿命的缩短，需要经常更换，增加了系统的成本。其次，由于蓄电池的功率密度较小，在风电变桨距系统的这种大功率应用场合，要配置容量很大的蓄电池组，增加了系统的成本，降低了经济性。最后，由于蓄电池的能量管理过程非常复杂，其充放电效率较低，需要经常维护或更换，而且使用后的金属材料不易处理，会造成环境污染。在风电变桨距UPS系统中应用蓄电池作为储能单元，从技术性能的经济性能上分析都不是很合适。
发明内容本实用新型旨在于克服现有技术的不足，提供了一种风力发电机变桨距控制装置。本实用新型的风力发电机变桨距控制装置，是由与桨叶固定联接的轮毂、在轮毂上设置的中控柜、轴控柜、直流电机及传动装置构成，所述的中控柜与一个以上的轴控柜连接，每个轴控柜分别与电机和传动装置连接，所述的中控柜为六边形，在中控柜内设有PLC 控制单元，在轴控柜内设有电机驱动器驱动直流电机，传动装置是将固定在直流电机轴上的减速机系统与固定在轮毂上的齿圈相啮合构成。作为本实用新型的进一步改进，所述电机驱动器联接保护电路驱动直流电机及传动装置，轴控柜内还设有与电机驱动器并联的充放电单元，充放电单元的一端与中控柜联接，另一端与保护电路联接。作为本实用新型的进一步改进，所述的充放电单元包括超级电容器、充放电电路、 接触器和控制电路，所述的超级电容器的输出端接充放电电路的输入端，充放电电路的输出端接直流母线，接触器串接在直流母线的一输出线上，充放电电路内嵌的传感器的输出端接控制电路对应的控制输入端，控制电路的一个控制输出端接充放电电路的控制输入端，控制电路的另一个控制输出端接接触器的控制端。作为本实用新型的进一步改进，所述的控制电路由信号采样单元、A/D转换单元、 用户指令单元、计算机控制单元以及隔离驱动单元组成，其中采样单元的输出端与A/D转换单元对应的输入端相连，A/D转换单元的输出端与计算控制单元相连，用户指令单元的输出端与计算控制单元对应的输入端相连，计算控制单元的控制信号输出端与隔离驱动单元对应的输入端相连。作为本实用新型的进一步改进，在直流电机的输出齿轮上设有位置传感器，在直流电机上还设有热保护开关，温度传感器和加热器，温度传感器、加热器和保护开关与PLC 控制单元联接。位置传感器将电机轴转动的位置信号通过编码器选择反馈给PLC控制单元进行处理，形成位置闭环；在直流电机输出齿轮上还设有速度传感器，速度传感器将直流电机输出的ω角速度信号反馈给电机驱动器进行处理，形速度环。作为本实用新型的进一步改进，在桨叶转动齿轮上设有位置传感器，位置传感器与PLC控制单元连接。作为本实用新型的进一步改进，在中控柜的箱体上相互间隔的三个壁上分别设有控制接口与轴控柜的控制接口连接。本实用新型的风力发电机变桨距控制装置，采用将若干个轴距均采用相同结构设置，实现了轴距的标准化和通用化，便于管理与维护；将超级电容器作为储能单元，为风电变桨系统的直流母线提供功率支撑。由于超级电容器具有功率密度大、充放电速度快、循环使用寿命长等优点，加上高效的充放电控制策略，能够大幅度提高系统的技术性能和经济性能，能够充分发挥其功率密度大、充放电速度快、循环寿命长和储能效率高的优点，使储能装置具有良好的技术性能。由于充放电电路的变流控制作用，超级电容器的端电压与直流母线电压可以有很大的不同，在满足同样功率需求的前题下，超级电容器的能量利用率大为提高，减少了安装容量，降低了系统成本。本装置使用简单，用户只需要将装置接在直流母线上、并操纵开、关按钮就能控制整个装置的运行和停止，具体的工作过程全部由软件控制实现。本实用新型的风力发电机变桨距控制装置，桨叶的驱动由直流电机实现，由于是线性控制，控制特性较稳定，而以往的交流电机变频装置结构复杂，因此在很大程度上简化了电机驱动器；同时，电机在紧急情况需用备用电池电源供电，直流电机省略了冗烦的交/ 直转换结构，即提高了系统的安全性和可靠性。
图1是本实用新型中控柜的结构示意图；图2是轴控柜的结构示意图；图3是本实用新型的结构原理图；图4是充放电单元的结构原理图；图5是充放电单元中控制电路的结构示意图；图6是本实用新型直流电机及传动机构的结构原理图。
具体实施方式
本实用新型的风力发电机变桨距控制装置，如图1、图2所示，是由与桨叶1固定联接的轮毂2、在轮毂2上设置的中控柜3、轴控柜4、直流电机5及传动装置构成。所述的中控柜3与一个以上的轴控柜4连接，如图3所示，每个轴控柜4分别与电机5和传动装置连接，所述的中控柜3为六边形，在中控柜3内设有PLC控制单元6，在轴控柜4内设有电机驱动器7驱动直流电机5，传动装置是将固定在直流电机5轴上的减速机系统8与固定在轮毂 2上的齿圈9相啮合构成。所述电机驱动器7联接保护电路10驱动直流电机5及传动装置，轴控柜4内还设有与电机驱动器7并联的充放电单元11，充放电单元11的一端与中控柜3联接，另一端与保护电路10联接。充放电单元在PLC控制单元给出指令后，控制充电电池组充电。所述的充放电单元11包括超级电容器13、充放电电路14、接触器15和控制电路 16，所述的超级电容器13的输出端接充放电电路14的输入端，充放电电路14的输出端接直流母线，接触器15串接在直流母线的一输出线上，充放电电路14内嵌的传感器17的输出端接控制电路16对应的控制输入端，控制电路16的一个控制输出端接充放电电路14的控制输入端，控制电路16的另一个控制输出端接接触器15的控制端，如图5所示。控制电路由信号采样单元、A/D转换单元、用户指令单元、计算机控制单元以及隔离驱动单元组成，其中采样单元的输出端与A/D转换单元对应的输入端相连，A/D转换单元的输出端与计算控制单元相连，用户指令单元的输出端与计算控制单元对应的输入端相连，计算控制单元的控制信号输出端与隔离驱动单元对应的输入端相连，如图5所示。在直流电机5的输出齿轮上设有位置传感器12，在直流电机5上还设有热保护开关，温度传感器和加热器，温度传感器、加热器和保护开关与PLC控制单元联接，如图6所示，位置传感器将电机轴转动的位置信号通过编码器选择反馈给PLC控制单元进行处理， 形成位置闭环。在桨叶转动齿轮上设有位置传感器18，位置传感器18与PLC控制单元连接；在直流电机输出齿轮上还设有速度传感器，速度传感器将直流电机输出的ω角速度信号反馈给电机驱动器进行处理，形速度环。在中控柜3的箱体上相互间隔的三个壁上分别设有控制接口 19与轴控柜4的控制接口 20连接。中控柜箱体上相互间隔的另外三个壁的外侧设有照明灯22，其内侧设有加热器21。照明灯22是为了维修时照明所用。本装置投入使用后，其工作过程是，首先检测各个系统参数，根据超级电容器的能量储能情况，选择合适的充电电流，由直流母线端通过充放电电路给超级电容器充电，当超级电容器组存储的能量较小时，采用大电流快速充电，当接近满荷状态时，采用小电流充电，以避免超级电容组的过充。当超级电容器储存满能量后，停止对其充电，但当超级电容器组由于自放电消耗掉部分能量后，控制电路重新控制充放电电路用过直流母线对超级电容器充电。控制电路检测直流母线端的电压，当跌落到一定数值时，停止对超级电容器充电， 若直流母线端电压继续下降到一定数值，则由超级电容器通过充放电电路对其供电，输出功率的大小要视直流母线功率的变化率而定，以使母线电压维持在一定的范围内。当控制电路检测到直流母线电压恢复正常时，停止超级电容器组成对直流母线端的供电。当电网停电时，为了延长整个风电变桨UPS系统的工作时间，超级电容器组通过充放电电路对直流母线端供电时，只保证直流母线端最低功率要求。随着超级电容器放电过程的继续，改变超级电容器内部的串、并联组合结构，以使超级电容器组维持较高的电压水平实现对直流母线端得持续供电。在对超级电容器组充放电的过程中，不断检测器温度，适当调整功率输出或输入大小，使超级电容器组的发热控制在一定范围内，以提高超级电容器组的使用寿命。当超级电容器组出现电压突变等异常情况时，断开整个系统，并提示用户。
权利要求1.风力发电机变桨距控制装置，是由与桨叶(1)固定联接的轮毂(2)、在轮毂(2)上设置的中控柜(3)、轴控柜(4)、直流电机(5)及传动装置构成，其特征在于中控柜(3)与一个以上的轴控柜(4)连接，每个轴控柜(4)分别与电机(5)和传动装置连接，所述的中控柜(3) 为六边形，在中控柜(3)内设有PLC控制单元(6)，在轴控柜(4)内设有电机驱动器(7)驱动直流电机(5)，传动装置是将固定在直流电机(5)轴上的减速机系统(8)与固定在轮毂(2) 上的齿圈(9)相啮合构成。
2.如权利要求1所述的风力发电机变桨距控制装置，其特征在于所述电机驱动器(7) 联接保护电路(10)驱动直流电机(5)及传动装置，轴控柜(4)内还设有与电机驱动器(7)并联的充放电单元(11)，充放电单元(11)的一端与中控柜(3)联接，另一端与保护电路(10) 联接。
3.如权利要求2所述的风力发电机变桨距控制装置，其特征在于所述的充放电单元 (11)包括超级电容器(13)、充放电电路(14)、接触器(15)和控制电路(16)，所述的超级电容器(13)的输出端接充放电电路(14)的输入端，充放电电路(14)的输出端接直流母线，接触器(15)串接在直流母线的一输出线上，充放电电路(14)内嵌的传感器(17)的输出端接控制电路(16)对应的控制输入端，控制电路(16)的一个控制输出端接充放电电路(14)的控制输入端，控制电路(16)的另一个控制输出端接接触器(15)的控制端。
4.如权利要求3所述的风力发电机变桨距控制装置，其特征在于控制电路(16)由信号采样单元、A/D转换单元、用户指令单元、计算机控制单元以及隔离驱动单元组成，其中采样单元的输出端与A/D转换单元对应的输入端相连，A/D转换单元的输出端与计算控制单元相连，用户指令单元的输出端与计算控制单元对应的输入端相连，计算控制单元的控制信号输出端与隔离驱动单元对应的输入端相连。
5.如权利要求1或2或3或4所述的风力发电机变桨距控制装置，其特征是在直流电机(5)的输出齿轮上设有位置传感器(12)，在直流电机(5)上还设有热保护开关，温度传感器和加热器，温度传感器、加热器和保护开关与PLC控制单元联接。
6.如权利要求1或2或3或4所述的风力发电机变桨距控制装置，其特征是在桨叶转动齿轮上设有位置传感器(18 )，位置传感器(18 )与PLC控制单元连接。
7.如权利要求1或2或3或4所述的风力发电机变桨距控制装置，其特征是在中控柜 (3)的箱体上相互间隔的三个壁上分别设有控制接口(19)与轴控柜(4)的控制接口(20)连接。
专利摘要本实用新型的风力发电机变桨距控制装置属于风力发电领域的控制装置，是由与桨叶固定联接的轮毂、在轮毂上设置的中控柜、轴控柜、直流电机及传动装置构成，所述的中控柜与一个以上的轴控柜连接，每个轴控柜分别与电机和传动装置连接，所述的中控柜为六边形，在中控柜内设有PLC控制单元，在轴控柜内设有电机驱动器驱动直流电机，传动装置是将固定在直流电机轴上的减速机系统与固定在轮毂上的齿圈相啮合构成。本实用新型的风力发电机变桨距控制装置在很大程度上简化了电机驱动器；同时，电机在紧急情况需用备用电池电源供电，直流电机省略了冗烦的交/直转换结构，即提高了系统的安全性和可靠性。
文档编号F03D7/00GK202091116SQ20112014660
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者丁淑婧, 刘君, 宋志杰, 李海龙, 梁波 申请人:梁波, 黑龙江瑞好科技集团有限公司