一種風力發電機組安全控制系統及安全控制方法
2023-05-18 22:49:56 1
專利名稱：一種風力發電機組安全控制系統及安全控制方法
技術領域：
本發明涉及一種兆瓦級風力發電機組的安全控制領域，特別是風力發電機組安全控制系統及其安全控制方法。
背景技術：
隨著國家發展規劃對環保的要求越來越高，風電作為一種環保無汙染的清潔能源，得到國家相關部門的大力支持。風經過槳葉時會帶動風輪轉動，將風能轉化為機械能， 風輪帶動發電機再將機械能轉化為電能，從而實現了風力發電。目前，風力發電機組的樣式很多，可分為垂直軸和水平軸風力機組，根據槳葉數目又可分為單槳葉風力發電機、三槳葉風力發電機等。槳葉位置對風能的吸收具有重要作用，當槳葉位置處於順槳位置時，葉片作為氣動剎車阻止風輪轉動，葉片處於工作位置時則吸收風能。根據槳葉位置是否能夠變化， 風力發電機組又分為定槳距風力發電機組和變槳距風力發電機組。風力發電機組控制系統可分為主控系統、變槳系統、及變流系統。當風速變化時， 對變槳距風力發電機組來說，風力發電機組控制系統通過調槳等措施使風力發電機組的運行參數保持在它們的正常運行範圍內，使機組運行最佳化和轉化風能，保證風力發電機組穩定、高效、安全運行。變槳系統不僅是風力發電機組安全運行的氣動剎車保障，而且也是改變槳葉位置的執行結構，接受主控系統下發的槳葉位置調節命令並執行。變槳系統可採用電子驅動的液壓機構來驅動槳葉位置變化，也可採用電動機構來驅動槳葉位置變化。電動變槳系統採用伺服驅動器控制電機，電機通過減速齒輪與葉片齒輪連接在一起。在正常運行狀態，主控系統通過通訊方式將槳葉位置目標值傳送給變槳系統，變槳系統使用電動機控制槳葉位置從而達到控制風輪轉速的目的。為了確保風力發電機組的安全，風力發電機組還提供一套獨立於風力發電機組控制系統的風力發電機組安全系統來保護風力發電機組，當發生嚴重故障時，安全系統將閉鎖控制系統，直接向變槳系統下發緊急停機命令，變槳系統將迅速調槳至順槳位置，阻止風機葉片旋轉。風力發電機組安全系統主要有兩種形式，一種為總線方式，一種為硬接線方式。總線方式採用安全控制模塊，硬接線方式採用安全繼電器模塊，兩種方案都提供一路 24V安全信號給變槳系統，當24V信號丟失時變槳系統執行緊急順槳，將槳葉位置調節到順槳位置。如圖1所示為一種安全鏈控制系統，24V為安全信號，K1、K2…Kn，為風力發電機組重要參數監測點，24V到地之間串聯Κ1、Κ2…Kn的各常閉開關，自鎖繼電器KMl的線圈與主觸頭，形成一個安全鏈控制迴路。Sl為安全鏈復位按鈕，與自鎖繼電器KMl的主觸頭並聯。 C1、C2、C3為三個槳葉對應的變槳系統伺服驅動器，均通過自鎖繼電器KMl的對應輔助觸頭連接24V安全信號。在正常情況下，安全鏈各節點開關K1、K2…Kn閉合，安全鏈自鎖繼電器KMl吸合，安全鏈正常信號通過KMl輔助觸頭分別傳送給三個變槳驅動器，此時變槳系統將接受主控系統命令進行正常調槳。當安全鏈中任意一個接點出現異常，常閉接點斷開，從而KMl線圈失電，輔助觸頭斷開，驅動器將檢測不到24V安全信號，一旦檢測不到24V安全信號，驅動器或急停迴路將驅動變槳電機緊急向停機方向調槳，實現緊急順槳。當故障消失後，各監測點常閉開關復位閉合，點擊安全鏈復歸按鈕Si，自鎖繼電器KMl復位，KMl各觸頭重新閉合，驅動器檢測到安全信號後將重新響應主控系統變槳命令。上述安全鏈系統的方案中變槳系統對主控系統依賴性較高，只有在接收到主控系統停機命令或安全系統急停信號後才執行順槳操作。如果在風機實際運行過程中，因現場接線錯位、程序控制錯誤等問題導致主控系統不能下達命令，會造成安全系統不能啟動——風力發電機組不能停機——事故不斷擴大而不能受到控制——風力發電機組飛車， 產生嚴重後果。
發明內容
本發明的目的是提供一種風力發電機組安全控制系統及其安全控制方法，用以解決現有技術中由於安全鏈控制系統對風電的主控系統依賴度過高而帶來的安全隱患。為實現上述目的，本發明的方案是一種風力發電機組安全控制系統，包括安全鏈控制迴路及各槳葉對應的變槳系統伺服驅動器的安全信號接入迴路，還設有一個過速監測迴路，該過速監測迴路包括一個防過速繼電器的線圈與一個用於響應風輪轉速的開關，該開關與所述防過速繼電器的線圈串聯，接在電源上；該防過速繼電器的各組觸頭(12、13， 14、15，16、17)分別串接在各伺服驅動器對應的安全信號接入迴路中。本發明的另一種方案是一種風力發電機組安全控制方法，設置一個響應變槳系統的過速監測迴路，當風輪速度過大時，所述過速監測迴路輸出信號，控制斷開各伺服驅動器的安全信號接入迴路。變槳系統可識別風輪轉速(通過離心開關或轉速傳感器與過速模塊結合)，當轉速大於允許值時，變槳系統主動執行停機操作，為風機安全運行提供了又一道保障，從而避免因控制系統異常不能將安全系統信息正確傳遞給變槳系統，致使風力發電機組不能停機而導致風機安全事故發生和擴大；提高了系統的安全可靠性；能夠保證避免風力發電機組主控系統與變槳系統連接錯誤導致事故發生。當主控安全系統與變槳系統連線錯誤時，主控系統不能正常切斷安全信號，變槳系統本身可監測到故障並主動停機。所述開關為一個過速模塊，該過速模塊接收用於監測風輪轉速的傳感器的輸出信號，與其內部設定的轉速閥值相比較，比較後的信號驅動其內部觸頭(10、11)，該內部觸頭 (10、11)與所述防過速繼電器的線圈串聯。所述用於監測風輪轉速的傳感器是編碼器。所述過速監測迴路的電源採用安全信號接入迴路的安全信號。傳感器提供轉速脈衝信號給過速模塊，過速模塊將轉速信號與設定閥值比較。若風輪轉速超過設定閥值，過速模塊的觸頭動作(或者當風輪速度低於設定閥值，觸頭動作)， 目的是變槳系統監測到風輪超速時，使防過速繼電器觸頭動作，斷開各伺服驅動器的安全信號接入迴路，驅動器檢測不到24V安全信號，從而實現緊急順槳。與現有技術比較，該系統還具有以下優點
系統結構簡單，成本較低，實際系統只需增加一個過速模塊和一個防過速繼電器就可實現，而且過速模塊從變槳系統內部接線，不必到現場接線。採用過速模塊的方案，增加的過速模塊接線隸屬於變槳系統內部接線，可以在場內調試檢測，不必到現場接線，也不會引入現場接線故障隱患。所述開關為一個離心開關，該離心開關的離心機構安裝在風輪傳動軸上，觸頭與所述防過速繼電器的線圈串聯。通過離心開關替代過速模塊，也能起到上述效果。
圖1是現有的安全鏈控制系統；
圖2是本發明的安全鏈控制系統的實施例1的原理圖； 圖3是一種現有過速模塊的原理框圖； 圖4是圖2系統的流程圖5是本發明的安全鏈控制系統的實施例2的原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。方法實施例
本發明的方法在於，設置一個響應變槳系統的過速監測迴路，當風輪速度過大時，所述過速監測迴路輸出信號，斷開各伺服驅動器的安全信號接入迴路。採用本方法可以使變槳系統可直接對風機故障進行監測，改變了變槳系統對主控系統依賴性過高的問題，避免了現場誤接線和設計缺陷引起風力發電機組不能停機，使故障影響受控，避免擴大，提高了風力發電機組的整體安全性能。系統實施例實施例1
如圖2所示本發明的安全鏈控制系統的電路，其安全鏈控制迴路與圖1相同，24V安全信號端依次通過檢測緊急停機開關Kl、振動開關K2……看門狗開關Kn，安全鏈自鎖繼電器 KMl的主觸頭1、2，ΚΜ1的線圈，直到電源地。KMl的主觸頭1、2與復歸開關Sl並聯，當安全連接點斷開需要復位時，Sl閉合，使安全鏈自鎖繼電器KMl上電，其主觸頭1、2閉合，安全鏈恢復正常。安全信號接入迴路各伺服驅動器C1，C2，C3通過KMl的對應輔助觸頭(3、4，5、6， 7、8)連接24V安全信號端。各伺服驅動器Cl，C2，C3連接對應變槳驅動電機。圖示伺服驅動器對應三槳葉的風輪，根據槳葉數量不同，需相應增加驅動器。本發明的改進在於，在上述安全信號接入迴路中再對應增加一個防過速繼電器 KM2的觸頭12、13，14、15，16、17，及一個過速模塊，一個過速監測迴路。如圖2所示，過速模塊輸入連接增量式編碼器A相，接收A相脈衝信號，通過與設定的轉身閥值比較，輸出控制其內部觸頭10、11，其內部觸頭10、11與防過速繼電器KM2的線圈串聯在MV與地之間，形成所述的一個過速監測迴路。進行的改進中，增量式編碼器可以使用A相信號，也可以使用其他相信號。過速模塊內部觸頭10、11為常開觸頭，KM2的觸頭12、13，14、15，16、17為常開觸頭，也可以採用常閉的開關形式，但需要對應過速模塊的比較結果，以達到發明目的。過速監測迴路的電源端直接連接到了安全信號端MV，方便了接線。過速模塊是現有技術內容，本發明所採用的過
5速模塊其內部原理示意圖如圖3所示，代表轉速的脈衝信號通過F/V (數模)轉換為電壓信號與設定值進行比較，比較輸出驅動內部繼電器。改進後的變槳系統安全系統工作方法當風輪轉速低於設定值時，過速模塊內部觸頭10、11閉合，KM2線圈帶電，KM2的觸頭12、13，14、15，16、17閉合。當風輪轉速過高時， 過速模塊內部觸頭10、11斷開，KM2的觸頭12、13，14、15，16、17斷開。伺服驅動器Cl，C2， C3與安全信號端斷開，使變槳系統監測到安全信號丟失將執行緊急順槳。復位後，變槳系統檢測到安全信號復歸，變槳系統重新接受變槳命令。原主控系統安全系統的工作方式在風力發電機組正常情況下，KU K2、……、Kn 閉合，自鎖繼電器KMl吸合，當ΚΡ··Κη任意一個開關斷開，自鎖繼電器KMl斷開，驅動器監測到安全信號丟失將執行緊急停機。當ΚΡ··Κη及風輪轉速傳感器輔助開關都閉合，需要復位時，按下復歸按鈕Si，自鎖繼電器KMl重新吸合，且風力發電機組不過速時風力發電機組可以投入發電，變槳系統接收控制進行變槳。通過分析可以看出，主控系統安全系統與改進後的變槳系統安全系統採用或的關係控制系統急停，變槳系統可對風機故障進行監測，改變了變槳系統對主控系統依賴性過高的問題，避免了現場誤接線和設計缺陷引起風力發電機組不能停機，使故障影響受控，避免擴大，提高了風力發電機組的整體安全性能。圖4為安全系統控制流程圖。系統上電後，檢查急停開關、振動開關等狀態，如果有故障則急停，如果沒有故障時可點擊復歸按鈕復歸安全鏈。風力發電機組正常時，伺服驅動器檢測到安全信號正常，驅動器將接受主控系統下發命令，驅動變槳電機進行變槳。如果 ΚΡ··Κη任意故障，維護人員排查故障後，當ΚΡ··Κη都閉合時，可點擊復歸按鈕進行復歸。在系統工作過程中，將對安全信號進行持續監測。當安全鏈開關斷開時，伺服驅動器執行緊急停機，停止處理主控下發變槳命令。此時需要維護人員排查故障，並點擊復歸按鈕重新進入正常工作狀態。當變槳系統檢測到風輪過速時，將斷開安全信號，驅動器驅動變槳電機執行緊急停機，當風輪轉速正常時，且安全鏈復歸後變槳進入正常工作狀態。實施例2
如圖5所示，與實施例1的不同僅在於轉速識別的方式，將編碼器與過速模塊用離心開關替代，離心力開關的離心機構安裝在風輪轉軸上，其觸頭20、21替代了圖2中的過速模塊的內部觸頭10、11。離心開關根據物體旋轉時產生離心力動作，屬於機械開關，抗幹擾能力強。
權利要求
1.一種風力發電機組安全控制系統，包括安全鏈控制迴路及各槳葉對應的變槳系統伺服驅動器的安全信號接入迴路，其特徵在於，還設有一個過速監測迴路，該過速監測迴路包括一個防過速繼電器的線圈與一個用於響應風輪轉速的開關，該開關與所述防過速繼電器的線圈串聯，接在電源上；該防過速繼電器的各組觸頭(12、13，14、15，16、17)分別串接在各伺服驅動器對應的安全信號接入迴路中。
2.根據權利要求1所述的一種風力發電機組安全控制系統，其特徵在於，所述開關為一個離心開關，該離心開關的離心機構安裝在風輪傳動軸上，觸頭與所述防過速繼電器的線圈串聯。
3.根據權利要求1所述的一種風力發電機組安全控制系統，其特徵在於，所述開關為一個過速模塊，該過速模塊接收用於監測風輪轉速的傳感器的輸出信號，與其內部設定的轉速閥值相比較，比較後的信號驅動其內部觸頭(10、11)，該內部觸頭(10、11)與所述防過速繼電器的線圈串聯。
4.根據權利要求3所述的一種風力發電機組安全控制系統，其特徵在於，所述用於監測風輪轉速的傳感器是編碼器。
5.根據權利要求1所述的一種風力發電機組安全控制系統，其特徵在於，所述過速監測迴路的電源採用安全信號接入迴路的安全信號。
6.一種如權利要求1所述系統的安全控制方法，其特徵在於，設置一個響應變槳系統的過速監測迴路，當風輪速度過大時，所述過速監測迴路輸出信號，控制斷開各伺服驅動器的安全信號接入迴路。
全文摘要
本發明涉及一種風力發電機組安全控制系統及安全控制方法，系統包括安全鏈控制迴路及各槳葉對應的變槳系統伺服驅動器的安全信號接入迴路，還設有一個過速監測迴路，該過速監測迴路包括一個防過速繼電器的線圈與一個用於響應風輪轉速的開關，該開關與所述防過速繼電器的線圈串聯，接在電源上；該防過速繼電器的各組觸頭分別串接在各伺服驅動器對應的安全信號接入迴路中。變槳系統識別風輪轉速，當轉速大於允許值時，變槳系統主動執行停機操作，從而避免因控制系統異常不能將安全系統信息正確傳遞給變槳系統，致使風力發電機組不能停機而導致風機安全事故發生和擴大。
文檔編號F03D7/00GK102278278SQ20111020368
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月20日 優先權日2011年7月20日
發明者盧曉光, 嶽紅軒, 常晶, 張舉良, 王大為, 蘇靜, 賈曉傑, 閆黎明, 陶學軍 申請人:許繼電氣股份有限公司, 許繼集團有限公司