本实用新型涉及风力发电机组技术领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的变桨控制系统。
背景技术：
风电变桨系统是兆瓦级以上风力发电机组中桨叶角度改变的驱动和控制设备，一般采用三轴柜式结构，分别控制风力发电机组的三个桨叶。现有技术中，风电变桨系统的每个轴柜内都有一套PLC系统、电源管理模块、逆变器及其他电气设备，每个轴柜与其配套电机独立形成包含位置环、速度环、电流环的控制系统。风电变桨系统的三个轴柜之间相互独立，无法直接通讯，且主控根据风机运行状态，在汇总三个轴柜传输的实时信息后，分别给三个轴柜下发位置信号以实现变桨控制。另外，当风力发电机组出现故障需要停机时，主控装置要求变桨系统驱动三个桨叶都完成顺桨工作才实现安全停机，在变桨控制系统的两个桨叶已经完成顺桨时，若此时第三个轴柜的电机超温或者逆变器超温等其他重要部件发生故障需要即刻停止运行时，主控装置无法单独控制故障轴柜停止运行，因此，便造成了设备的进一步损坏。
现有技术中，风电变桨系统实现了利用一套PLC来控制三个轴柜之间进行相互通讯，但三轴柜与其配套电机形成的依然是独立的位置环、速度环和电流环(三环)控制系统。三环控制系统作为通讯子站与主控装置进行通讯不仅占用了较多的通讯资源，而且还存在着任意单个轴柜内设备出现故障，三个轴柜控制系统都会受到影响或者三个轴柜控制系统之间互相干扰的风险。
技术实现要素：
本实用新型针对现有技术存在的问题，提出了一种风力发电机组的变桨控制系统。
根据本实用新型的一方面，提供了一种风力发电机组的变桨控制系统，包括：信号获取单元，获取风力发电机组的三个桨叶各自的桨叶位置信号和桨叶速度信号；变桨控制单元，安装在风力发电机组的三个控制轴柜中的一个控制轴柜内；变桨执行单元，安装在风力发电机组的辅助设备上，其中，所述信号获取单元与所述变桨控制单元连接，所述变桨控制单元从所述信号获取单元接收和处理三个桨叶各自的桨叶位置信号和桨叶速度信号，并根据主控装置下发的变桨控制信号产生桨叶速度控制信号，所述变桨执行单元与所述变桨控制单元连接并接收桨叶速度控制信号执行变桨。
优选地，所述变桨控制单元包括可编程逻辑控制器PLC和与三个控制轴柜分别对应的逆变器，所述三个逆变器分别和所述PLC连接，所述PLC从信号获取单元接收三个桨叶各自的桨叶位置信号，所述逆变器从信号获取单元接收三个桨叶各自的桨叶速度信号。
优选地，其特征在于，所述PLC与主控装置连接，接收主控装置下发的变桨控制信号并将三个桨叶各自的桨叶速度控制信号分别发送到对应的三个逆变器。
优选地，所述信号获取单元包括与三个控制轴柜分别对应的三个旋转编码器和三个位置传感器，其中，所述三个旋转编码器用于分别检测风力发电机组的三个桨叶的桨叶位置和桨叶速度，所述三个位置传感器用于对三个旋转编码器检测得到的桨叶位置信号分别进行校验。
优选地，所述变桨执行单元包括与三个控制轴柜分别对应的三个驱动电机，所述三个驱动电机用于分别驱动风力发电机组的三个桨叶进行变桨。
优选地，所述三个旋转编码器分别安装在对应的三个驱动电机上。
优选地，所述旋转编码器和所述位置传感器分别安装在风力发电机组的辅助设备上。
优选地，所述变桨控制单元中的PLC还包括故障检测单元，用于对风力发电机组的三个控制轴柜分别进行故障检测，并向变桨执行单元发送控制故障控制轴柜停机的信号。
优选地，所述控制系统通过滑环与主控装置连接。
优选地，所述三个逆变器与PLC之间、主控装置与PLC之间通过总线进行连接。
本实用新型不仅使原本离散的三控制轴柜进行统一协调控制，还使变桨系统的总体控制权限由主控转移到了变桨系统自身，降低了变桨系统的故障率，提高了变桨系统的可靠性和安全性。另外，本实用新型在特殊工况下也实现了对系统设备的保护和延长了设备的使用寿命。
附图说明
下面将结合附图进行本实用新型的详细描述，本实用新型的上述特征和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是本实用新型的实施例的风力发电机组的变桨控制系统的框图；
图2是本实用新型的实施例的风力发电机组的变桨控制系统的部件连接示意图；
图3是本实用新型的实施例的风力发电机组的变桨控制系统的工作原理示意图。
具体实施方式
提供以下参照附图的描述以帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本实用新型的示例性实施例。其中，相同的标号始终表示相同的部件。
在下文中，描述相关技术术语定义：
1、旋转编码器
旋转编码器是用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速的装置。光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出(REP)。旋转编码器分为单路输出和双路输出两种，其中，单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。
2、逆变器
逆变器将直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220V，50Hz正弦波)，它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
3、风力发电机组变桨控制系统
风力发电机组在正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转，变桨控制系统是通过控制风力发电机组桨叶的角度来控制风轮的转速，进而控制风力发电机组的输出功率在设计的容许值范围内，并能够通过空气动力制动的方式使风力发电机组安全停机。风力发电机组变桨控制系统的所有部件都安装在轮毂上。
4、风力发电机组顺桨
在风力发电机组出现故障或者其他需要紧急停机时，对风力发电机组进行叶片顺桨，这样使风力发电机组结构受力减小，保证风力发电机组运行的安全可靠。顺桨操作是利用空气动力学原理使风力发电机组的三个桨叶顺桨90°与风向平行，以使风力发电机组停机。
图1是本实用新型的实施例的风力发电机组的变桨控制系统的框图。
如图1所示，根据本实用新型的实施例的风力发电机组的变桨控制系统100，包括获取风力发电机组的三个桨叶各自的桨叶位置信号和桨叶速度信号的信号获取单元101、安装在风力发电机组的三个控制轴柜中的一个控制轴柜内的变桨控制单元102和安装在风力发电机组的辅助设备上的变桨执行单元103，其中，信号获取单元101与变桨控制单元102连接，变桨控制单元102从信号获取单元101接收和处理三个桨叶各自的桨叶位置信号和桨叶速度信号，并根据主控装置下发的变桨控制信号产生桨叶速度控制信号，变桨执行单元103与变桨控制单元102连接，并接收桨叶速度控制信号执行变桨。
根据本实用新型的实施例，信号获取单元101包括与三个控制轴柜分别对应的三个旋转编码器和三个位置传感器。其中，三个旋转编码器分别检测风力发电机组的三个桨叶的桨叶位置和桨叶速度，并将检测的三个桨叶的桨叶位置信号和桨叶速度信号发送到变桨执行单元102内，三个位置传感器分别对三个旋转编码器检测得到的桨叶位置信号进行校验，以确保发送到变桨执行单元102内的桨叶位置信号准确无误。
根据本实用新型的实施例，变桨控制单元102包括可编程逻辑控制器PLC和与三个控制轴柜分别对应的逆变器，且三个逆变器分别和PLC连接。其中，PLC从信号获取单元101接收三个桨叶各自的桨叶位置信号，三个逆变器从信号获取单元101接收三个桨叶各自的桨叶速度信号，PLC与主控装置连接，接收主控装置下发的变桨控制信号并将产生的三个桨叶各自的桨叶速度控制信号分别发送到对应的三个逆变器。具体地，PLC从主控装置接收变桨控制信号，其中，变桨控制信号是主控装置根据风力发电机组的工况情况向PLC连续发送的位置给定数据信号，且随着风力发电机组在不同时间的工况情况的不同，主控装置发送的位置给定的数据也不相同。例如，主控装置根据风力发电机组的工况情况每隔20ms向PLC发送一个位置给定数据，例如5度、8度或10度等。PLC根据从信号获取单元101接收三个桨叶各自的桨叶位置信号、从主控装置接收到的变桨控制信号以及风力发电机组的状态信息，对风力发电机组的三个桨叶的位置偏差进行计算。这里，位置偏差包括风力发电机组的三个桨叶之间的位置偏差以及三个桨叶的位置与主控装置发出的位置给定之间的位置偏差。根据本实用新型的实施例，假设在风力发电机组正常运行状态下，主控装置每隔10ms向PLC发送一个位置给定数据，且在某一时刻t发送的位置给定的数据为5°角位置，而此时PLC从信号获取单元101接收到的风力发电机组的三个桨叶的桨叶位置信号分别为3°角位置、2°角位置和1°角位置。此时，PLC对三个桨叶的桨叶位置与主控装置发出的位置给定之间的位置偏差进行计算，即，PLC计算t时刻的三个桨叶的桨叶位置与主控装置发出的位置给定的位置偏差分别为2°、3°和4°。然后，PLC根据计算得出的位置偏差产生新的变桨控制信号，使新的变桨控制信号在满足主控装置发出的变桨控制的要求的同时，尽可能的使位置偏差最小。根据上述举例，通常情况下，风力发电机组的三个桨叶的位置与主控装置发送的位置给定之间的位置偏差应当控制在2°左右，而此时在t时刻的位置偏差分别为2°、3°、4°，因此，PLC需要对主控装置发送的位置给定数据进行调节。假设将位置给定数据从5°角调节到4°角位置，则此时三个桨叶的桨叶位置与新的位置给定(4°角)之间的位置偏差分别为1°、2°、3°，即三个桨叶在进行变桨操作时，三个桨叶的位置要分别进行1°、2°和3°偏角距的移动。应理解，上述对于位置给定数据的调节仅是示例性举例，本实用新型可采用的调节方式不限于此。最后，PLC根据新的变桨控制信号分别向三个逆变器发送不同的桨叶速度控制信号，并控制三个逆变器分别向变桨执行单元103发送桨叶速度控制信号。根据上述举例，PLC根据得出的三个桨叶分别要进行1°、2°和3°偏角距的移动的数据，分别对三个桨叶进行变桨操作时的速度进行计算，并向三个逆变器分别发送计算得到的三个桨叶各自的桨叶速度控制信号，然后，三个逆变器分别将三个桨叶各自的桨叶速度控制信号发送到变桨执行单元103。
根据本实用新型的实施例，变桨执行单元103包括与三个控制轴柜分别对应的三个驱动电机，三个驱动电机分别驱动风力发电机组的三个桨叶进行变桨操作。具体地，三个驱动电机分别接收对应的逆变器发送的桨叶速度控制信号，并根据三个桨叶各自的桨叶速度控制信号分别对三个桨叶进行变桨驱动，以此完成风力发电机组的三个桨叶的变桨操作。
根据本实用新型的实施例，变桨控制单元102中的PLC包括故障检测单元，用于对风力发电机组的三个控制轴柜分别进行故障检测，并向变桨执行单元103发送控制故障控制轴柜停机的信号。在风力发电机组停机状态或者故障状态下，风力发电机组进行顺桨操作时，PLC根据从信号获取单元101接收的桨叶位置信号和桨叶速度信号以及产生的相应的电流信号分别对三个控制轴柜进行故障监测和判断，并向发生故障的单个控制轴柜发送停机的信号。根据上述举例，如果PLC根据接收的桨叶位置信号、桨叶速度信号和产生的相应的电流信号判断出其中一个控制轴柜x内的某个设备发生故障，例如逆变器超温故障等，则此时需要即刻停止该故障控制轴柜x的运行以实现对故障控制轴柜x内的设备的保护。这时，PLC判断其他两个非故障控制轴柜是否已经完成顺桨动作，如果这两个非故障控制轴柜已经完成顺桨，则PLC向变桨执行单元103发送使故障控制轴柜x停机的信号，控制故障控制轴柜x停机以避免故障控制轴柜x内的主要设备的进一步损坏，延长故障控制轴柜x内的设备的使用寿命。应理解，上述对于设备故障的举例仅是示例性举例，本实用新型内设备可发生的故障种类不限于此。
图2是示出本实用新型实施例的风力发电机组的变桨控制系统的部件连接示意图。
如图2所示，根据本实用新型实施例的风力发电机组的变桨控制系统，包括控制轴柜2、控制轴柜3、控制轴柜4和辅助设备13，其中，三个控制轴柜内均安装有逆变器6、超级电容后备电源7和电源管理模块8，控制轴柜2内安装有PLC 5，辅助设备13上安装有与三个控制轴柜分别对应的三个旋转编码器12、三个驱动电机11、三个位置传感器10和三个限位开关9，三个旋转编码器12安装在三个驱动电机11上，三个位置传感器10分别对三个旋转编码器12向PLC 5发送的桨叶位置信号进行校验。根据本实用新型的实施例，PLC 5与主控装置1连接，三个旋转编码器12与三个逆变器6分别对应连接，并将三个桨叶的桨叶速度信号分别发送到三个逆变器6，三个旋转编码器12与PLC 5相连并将三个桨叶的桨叶位置信号分别发送到PLC 5，三个驱动电机11与三个逆变器6分别对应连接，三个逆变器6分别与PLC 5相连并将三个桨叶的桨叶速度信号和驱动电机11的电流信号发送到PLC 5，其中，PLC 5从主控装置1接收变桨控制信号并控制风力发电机组的三个桨叶的变桨操作。
根据本实用新型的实施例，PLC 5从主控装置1接收变桨控制信号，从三个旋转编码器12接收三个桨叶各自的桨叶位置信号和风力发电机组的状态信号。PLC 5根据接收的变桨控制信号、三个桨叶各自的桨叶位置信号和风力发电机组的状态信号对风力发电机组的三个桨叶的位置偏差进行计算和分析，并在计算得到的位置偏差不满足风力发电机组的变桨要求时对变桨控制信号进行调节。PLC 5对变桨控制信号进行调节后根据调节后的变桨控制信号计算三个桨叶分别进行变桨操作所要移动的偏角距以及对应得出执行变桨操作时的桨叶速度控制信号，然后，向三个逆变器6分别发送对应的桨叶速度控制信号。三个逆变器6分别将桨叶速度控制信号发送至对应的三个驱动电机11，三个驱动电机11根据接收的三个桨叶各自的桨叶速度控制信号对三个桨叶进行变桨驱动，以此完成风力发电机组的三个桨叶的变桨操作。
根据本实用新型的实施例，在风力发电机组停机状态或者故障状态下，风力发电机组进行顺桨操作时，PLC 5根据从三个旋转编码器12接收的桨叶位置信号、从三个逆变器6接收到的桨叶速度信号以及相应的电流信号分别对控制轴柜2、控制轴柜3和控制轴柜4进行故障判断，并向发生故障的单个控制轴柜发送停机信号。
下面将参照图3来详细说明根据本实用新型实施例的速度环、电流环和位置环的具体工作原理。
图3是示出本实用新型实施例的风力发电机组的变桨控制系统的工作原理示意图。
如图3所示，在变桨2柜、变桨3柜和变桨4柜内分别形成各自独立的速度环控制和电流环控制，三个控制轴柜分别对各自控制轴柜内的驱动电路的电流和速度测量进行反馈，并根据电流反馈和速度反馈的信号进行独立的电流控制和速度控制，其电流环控制和速度环控制分别在各自控制轴柜内相互独立、互不干扰。对于位置环控制，三个控制轴柜的位置测量信号均传输至PLC内，形成统一的一个位置环控制，并根据三个控制轴柜内传输的位置测量信号进行位置协调控制。根据本实用新型的实施例，主控装置将位置信号发送至PLC，PLC根据接收的位置信号以及三个控制轴柜分别传输的位置测量信号，并根据该风力发电机组的实际状态信息对三个桨叶进行位置偏差的计算，PLC根据计算得到的位置偏差对三个桨叶进行位置调节得出新的位置控制信号并分别向三个控制轴柜发送不同的速度控制信号，三个控制轴柜根据接收到的不同的速度控制信号分别在各自轴柜内进行速度环控制以及相应的电流环控制，并通过对应的三个驱动电机对风力发电机组的三个桨叶进行变桨驱动操作。根据本实用新型的实施例，旋转编码器安装在驱动电机上，旋转编码器测量的位置测量数据发送到PLC进行位置环控制，旋转编码器测量的速度测量数据发送至各个控制轴柜内的逆变器进行速度环控制，各个控制轴柜内的逆变器通过将PLC下发的速度控制信号转换成电流控制信号进行电流环控制。位置测量数据通过位置传感器进行位置校正，以免传输到PLC进行位置环控制的位置测量数据不精准而导致位置环控制出现较大的位置偏差，降低风力发电机组的变桨系统的可靠性和安全性。
本实用新型的优点在于：不仅将原本离散的三个控制轴柜进行统一协调控制，还使变桨系统的总体控制权限由主控转移到了变桨系统自身，降低了变桨系统的故障率，提高了变桨系统的可靠性和安全性，并实现了对系统设备的保护和延长了设备的使用寿命。
上述实施例尽管已经参照本实用新型的特定示例性实施例显示和描述了本实用新型，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可进行各种形式和细节上的各种改变。