风力发电机组的顺桨装置、变桨系统及其变桨方法与流程

文档序号:15579091发布日期:2018-09-29 06:23

本申请涉及风力发电机组技术领域,具体而言,本申请涉及一种风力发电机组的顺桨装置、变桨系统及其变桨方法。



背景技术:

随着风能逐渐被人们认识、熟悉并利用以来,风力发电机组的产生对新能源的可持续发展和绿色发展中起了举足轻重的作用,水平轴风力发电机组也从最初的几十甚至上千KW,再到今天的MW级别,风力发电机组的安全控制系统也从最初通过叶片失速单一保护发展到使用变桨系统提升风能利用效率和多重安全保护。现阶段1.5MW以上的风力发电机组,每个叶片的变桨都单独设置了一套伺服控制变桨系统来独立控制叶片。机组并网正常运行情况下,变桨系统通过驱动器控制变桨电机驱动叶片开桨到0度位置,叶片可以最大限度捕获风能,以实现风力发电机组的最优功率输出,当风速超过风力发电机组的额定允许风速后,此时变桨系统就会参与到控制中,通过接收主控给定目标位置或者速度命令,实时控制叶片桨距角使风力发电机的叶轮转速保持额定,使风力发电机组功率最优。

变桨系统另外一个主要功能是可以实现风力发电机组停机时主要气动刹车,每次当风力发电机进行正常停机或紧急故障停机时,变桨系统负责控制将叶片从0度位置顺桨到87安全位置。但是在实际情况下,如果变桨系统控制器、驱动器、超级电容、变桨电机出现任一故障都会导致系统异常而不能将叶片顺桨到安全位置,叶片出现无法顺桨会给风力发电机组的安全性带来严重的后果。因此变桨系统的检测传感器,控制器、冗余设计、多重安全保护是是变桨安全系统设计的重要前提,变桨系统的可靠性和安全性也越来越被人们重视。

目前风力发电机组的变桨系统构成主要由充电单元,驱动器,变桨电机,控制器,电池或电容储能系统组成。正常情况下由充电单元为驱动器提供电能,驱动器控制变桨电机输出机械力矩控制叶片转动,如遇到外部电网掉电的情况下,只能使用电容储能系统为驱动器提供电能顺桨。而在这种紧急的过程中必须要控制器、测量传感器、驱动器、变桨电机、电容储能系统正常的条件下才可以顺桨。变桨系统中的任何一个环节出现异常都不能正常顺桨。控制器故障,传感器故障,驱动器故障,变桨电机故障,这些系统出现故障都会导致风力发电机组的叶片无法收回到安全位置,在外界持续的风力作用下会使风力发电机的叶轮转速持续上升,发电机过速,最终导致风力发电机组载荷超过塔筒极限载荷时会发生折断,或者倒塌事故。

目前大部分机组变桨系统使用的超级电容或电池作为变桨系统紧急顺桨后备储能方式。超级电容串并联存在单体均压问题,电压不平衡等问题;而且容易短路起火,长期运行电容内阻ESR增大,容值衰减下降,在线检测困难;并且其还具有运行维护繁琐、检修危险等情况。



技术实现要素:

本申请针对现有方式的缺点,提出一种风力发电机组的顺桨装置、变桨系统及其变桨方法,用以解决现有技术存在的风力发电机组使用后备超级电容或电池作为后备电源,变桨系统在电网掉电情况下发生关键元器件出现故障不能安全顺桨,易发生过速飞车的风险,风力发电机组安全可靠性得不到有效保障的技术问题。

第一个方面,本申请实施例提供了一种风力发电机组的顺桨装置,顺桨装置固定设置于轮毂内,顺桨装置包括储能组件、控制机构以及驱动机构;

储能组件包括驱动臂、弹性件;

驱动臂的驱动端与驱动机构传动连接,驱动臂的控制端与控制机构相连;驱动机构设置于变桨轴承上;

驱动臂用于在驱动机构的带动下挤压弹性件,控制机构用于将处于挤压弹性件状态的驱动臂锁止,使得储能组件处于储能状态;以及在符合紧急顺桨条件时释放驱动臂,使得驱动臂在弹性件的回弹作用下带动驱动机构对叶片进行顺桨,并使得储能组件进入释能状态。

第二个方面,本申请实施例提供了一种风力发电机组的变桨系统,包括:本申请实施例第一个方面提供的风力发电机组的顺桨装置、控制器、驱动器、变桨电机、变桨减速器和变桨轴承;

控制器与驱动器电连接,用于输出桨距角控制信号;

驱动器与变桨电机电连接,用于根据桨距角控制信号向变桨电机输出变桨电压;

变桨电机与变桨减速器传动连接,用于根据变桨电压,向变桨减速器输出旋转转矩;

变桨减速器与变桨轴承传动连接,用于根据旋转转矩带动变桨轴承旋转;

变桨轴承与顺桨装置传动连接,用于利用自身旋转为顺桨装置提供机械能;

控制器与顺桨装置电连接,用于控制具有机械能的顺桨装置进入储能状态;以及在符合紧急顺桨条件时,控制顺桨装置进入释能状态,释放所存储的机械能至变桨轴承,使得变桨轴承对叶片进行顺桨。

第三个方面,本申请实施例提供了一种风力发电机组,包括本申请实施例第二个方面提供的风力发电机组的变桨系统。

第四个方面,本申请实施例提供了一种用于本申请实施例第二个方面提供的风力发电机组的变桨系统的变桨方法,包括:

控制器向驱动器输出桨距角控制信号;

驱动器根据桨距角控制信号向变桨电机输出变桨电压;

变桨电机根据变桨电压,向变桨减速器输出旋转转矩;

变桨减速器根据旋转转矩带动变桨轴承旋转;

变桨轴承利用自身旋转为顺桨装置提供机械能;

控制器控制具有机械能的顺桨装置进入储能状态;以及在符合紧急顺桨条件时,控制顺桨装置进入释能状态,释放所存储的机械能至变桨轴承,使得变桨轴承对叶片进行顺桨。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是:

本申请的顺桨装置通过驱动臂挤压弹性件的方式来获得弹性势能,当需要紧急顺桨时,通过控制机构释放驱动臂,弹性件通过弹性回复力做功的方式来带动叶片紧急顺桨。因此本申请区别于现有电容/电池类的顺桨装置,使用弹性势能作为顺桨装置的后备能量作为驱动,完全避免了其他电能储能装置所带来的直流电压不平衡,内阻逐渐升高、容值下降、不能在炎热和低温环境下工作、容易短路起火问题,并且可以避免对后备电源检修维护操作困难等问题,而且由于本申请不依赖电能,因此其可以在没有电能的时间依然可以完顺桨,其不仅结构简单易用,而且极大的提高了风力发电机组的安全性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:

图1为本申请实施例提供的一种风力发电机组的变桨系统的结构示意图;

图2为本申请实施例提供的一种风力发电机组的顺桨装置的结构示意图;

图3为本申请实施例提供的一种风力发电机组的顺桨装置的结构示意图;

图4为本申请实施例提供的一种风力发电机组的变桨系统的整体结构的剖视示意图;

图5为本申请实施例提供的一种风力发电机组的变桨系统的整体结构的框架示意图;

图6为本申请实施例提供的一种风力发电机组的变桨系统的控制流程示意图;

图7为本申请实施例提供的一种风力发电机组的变桨系统的变桨方法流程图。

附图标号的说明如下:

1-储能组件;11-驱动臂;111-驱动端;112-控制端;113-底板;114-多层凸台;1111-滑轨;12-弹性件;13-储能缸;

2-控制机构;21-连杆组件;211-第一连杆;212-第二连杆;213-第三连杆;214-第四连杆;215-第一可动支点;216-第二可动支点;22-控制组件;221-拨叉;222-连接杆;223-半月板;224-触发线圈;225-第一复位弹簧;226-第二复位弹簧;23-行程开关;

3-驱动机构;31-驱动轴;32-驱动连杆;

4-手动储能单元;41-驱动轮;411-操作轮;412-传动轮;42-储能连杆;5-阻尼器;

100-顺桨装置;201-控制器;202-驱动器;203-变桨电机;2031-电磁闸;204-变桨减速器;205-变桨轴承;206-超速开关;207-轴承盘;208-编码器;209-变桨充电器;301-轮毂;302-轮毂支座。

具体实施方式

下面详细描述本申请,本申请的实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外,如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的,则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能解释为对本申请的限制。

首先对本申请涉及的几个名词进行介绍和解释:

桨距角(Pitch Angle),也称节距角,风力发电机采用变桨距控制,通过调整叶片迎风角度,来进行功率调整的方式,桨距角是指也与风轮平面的夹角;风力发电机调节桨距角的目的主要是:

(1)启动,在风力的作用下,获得比较大的扭矩,驱动风力发电机的叶片旋转;

(2)限制功率输出,在额定风速后,使功率平稳,保护机械和电路系统,同时可以降低载荷;

(3)收桨时实现气动刹车,使叶片的转速快速降低,避免机械刹车造成的惯性力太大而导致的损伤。

弹性势能(Elastic Potential Energy),弹性势能是存储在弹性材料或物理系统的构造中的潜在机械能,因为执行工作以扭曲其体积或形状。当需要压缩和拉伸或大体上以任何方式变形时,弹性能量就会发生。

液压阻尼器(Hydraulic Buffer),是一种可以由高速到低速自由调节气缸进给速度在所期望范围内的液压式进给速度控制装置。

后备电源(Backup Power),后备电源是一种有效防止驱动电路无正常电压时的一种自动驱动的准行电源,可以延长电路需要的电压,以提供电路能正常工作的电能。

顺桨(Feather),是指在风力发电机出现故障后,把风力发电机的叶片转到与风的方向接近的平行状态(也称安全位置,在具体角度上,是指向叶片的89度左右的位置方向进行收桨)的控制过程。此时风力发电机的叶片吸收的风能最小,可以起到气动刹车的作用,使风力发电机安全停机。

针对目前的风力发电机组使用后备超级电容或电池作为后备电源,变桨系统在电网掉电情况下发生关键元器件出现故障不能安全顺桨,易发生过速飞车的风险,机组安全可靠性得不到有效保障。

基于以上安全设计问题,本申请提出了一种风力发电机组弹性势能储能紧急顺桨变桨系统,可以解决当下使用超级电容或电池等后备电源储能紧急顺桨易产生的由于电气控制,驱动器,超级电容容值问题导致的卡桨问题,提升变桨系统在急停模式或紧急停机模式安全顺桨可靠性。

本申请提供的风力发电机组的顺桨装置、变桨系统及其变桨方法,可以解决当下使用超级电容或电池等后备电源储能紧急顺桨易产生的由于电气控制、驱动器、超级电容容值问题导致的卡桨问题,提升变桨系统在急停模式或紧急停机模式安全顺桨可靠性。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

本申请实施例提供了一种风力发电机组的顺桨装置,该一种风力发电机组的顺桨装置的结构示意图如图1至图4所示,顺桨装置100固定设置于轮毂301内,顺桨装置100包括储能组件1、控制机构2以及驱动机构3;

储能组件1包括驱动臂11、弹性件12以及储能缸13;

弹性件12固接在储能缸13内并且弹性件12的一端与驱动臂11正对;

驱动臂11的驱动端111与驱动机构3传动连接,驱动臂11的控制端112与控制机构2相连;驱动机构3设置于变桨轴承205上;

驱动臂11用于在驱动机构3的带动下挤压弹性件12,控制机构2用于将处于挤压弹性件12状态的驱动臂11锁止,使得储能组件1处于储能状态;以及在符合紧急顺桨条件时释放驱动臂11,使得驱动臂11在弹性件12的回弹作用下带动驱动机构3对叶片进行顺桨,并使得储能组件1进入释能状态。

如图1至图4所示,驱动臂11可以采用一杆状结构,其两端分别为驱动端111及控制端112。驱动臂11贯穿的设置于储能缸13内,并且可以相对于储能缸13进行滑动。弹性件12具体来说可以采用一圆型弹簧结构,其可以固定设置于储能缸13内,并且弹性件的一端可以与驱动臂正对。储能缸13具体来说可以是一种中空的圆型缸体结构,驱动臂11滑动的设置于储能缸13内部,而弹性件12可以套设于驱动臂11上,并且弹性件位于储能缸的内部。驱动臂11的驱动端111可以与驱动机构3传动连接,控制端112可以与控制机构2连接。

实际应用时,驱动机构3带动驱动臂11横向滑动,驱动臂11挤压弹性件12并且获得弹性势能,控制机构2此时可以对驱动臂11进行锁止,使得储能组件1处于储能状态;当风力发电机组需要顺桨时,控制机构2释放驱动臂11,使得驱动臂11在弹性件12的回弹作用下带动驱动机构3对叶片进行顺桨,并使得储能组件1进入释能状态。本申请的顺桨装置区别于现有电容/电池类的顺桨装置,使用弹性势能作为顺桨装置的后备能量作为驱动,完全避免了其他电能储能装置所带来的直流电压不平衡,内阻逐渐升高、容值下降、不能在炎热和低温环境下工作、容易短路起火问题,并且可以避免对后备电源检修维护操作困难等问题,而且由于本申请不依赖电能,因此其可以在没有电能的时间依然可以完顺桨,其不仅结构简单易用,而且极大的提高了风力发电机组的安全性。

当然需说明的是,储能缸及弹性件并非必须为圆型结构,储能缸在一其它实施例中也可以是其它形状的结构,而弹性件可以为多种类型的弹簧,只要储能组件可以完成弹性势能的储能功能即可,本申请并不限定其具体结构及设置方式。

可选地,如图2及图3所示,本申请实施例的风力发电机组的顺桨装置中,驱动臂11上固设有底板113,底板113滑设于储能缸13内,弹性件12的一端固定在储能缸13的缸盖,另一端与底板113正对,驱动臂11用于相对于储能缸13滑动,使得底板113在驱动臂11的带动下挤压弹性件12;和/或,驱动臂11贯穿于储能缸13和弹性件12;和/或,弹性件12为多个,底板113及缸盖上相对的设置有多层凸台114,多个弹性件12依次对应多层凸台114设置。

如图2及图3所示,底板113可以采用圆型的板状结构,其固定的设置于驱动臂11的中部位置。底板113设置于储能缸13的内部,并且可以在驱动臂11的带动下相对于储能缸13进行滑动。弹性件12的两端可以分别顶抵于底板113及储能缸13的缸盖上,本申请采用较为简单的结构即可以实现储能组件1基本结构,其不令结构简单实用,而且易于维护。

进一步的,弹性件12可以为多个直径不同圆型弹簧,多个弹性件12可由小到大的套设于驱动臂11上,使得本申请结构较为稳定。再进一步的,底板113与储能缸113的缸盖相对的两个面上均对应设置多层凸台114,多层凸台114可以与多个弹性件12对应设置,以对多个弹性件12进行卡合固定,进一步的提高了本申请结构的稳定性。

需要说明的是,本申请并不限定底板的具体形状,其可以对应储能缸的形状进设置,而弹性件的形状同样也可以对应储能缸进行设置,例如储能缸在一实施例中,其也可以是一矩形的中空结构,因此本申请并不以此为限。

可选地,如图2及图3所示,本申请实施例的风力发电机组的顺桨装置中,控制机构2包括连杆组件21及控制组件22。

连杆组件21与驱动臂11的控制端112相连,控制组件22通过控制连杆组件21以对驱动臂11锁止或释放。连杆组件21的主要作用在于,减小储能组件1的反向作用力,控制组件22可以仅以较小力即可以对实现对驱动臂11进行锁及释放。

但是需要说明的是,本申请并不限定控制机构的具体实施方式,例如在一其它实施例中,控制机构可以是弹子机构,当储能组件完成储能后其可以通过卡合的方式对驱动臂进行锁止或释放。因此控制机构具有多种实施方式,本申请对此并不进行限定。

可选地,如图2及图3所示,连杆组件21包括第一连杆211、第二连杆212、第三连杆213以及第四连杆214。

第一连杆211的一端与控制端112相转动连接。

第二连杆212的一端与第一连杆211的另一端及第三连杆213的一端相转动连接,该转动连接处形成第一可动支点215,第二连杆212的另一端枢转设置。

第三连杆213的另一端与第四连杆214的一端相转动连接,并且该转动连接处为第二可动支点216,第四连杆214的另一端枢转设置。

如图2所示,储能组件1在储能状态下,控制组件22顶抵于第二可动支点216上,第三连杆213与第四连杆214之间具有一夹角,所述夹角小于180度,并且第一连杆211及第二连杆212的组合与第三连杆213呈支撑状态。可见,本申请实施例中,通过设置连杆组件21可以将驱动臂11的反作用力转化为较小的力,从而便于控制组件22对驱动臂11进行控制,在简化结构的同时可以有效提高本申请的控制效率;另外由于设置有连杆组件,可以有效降低控制组件的功率,从而使得本申请可以使用较小功率的电源即可以对储能组件进行控制,进而可以顺利的完成叶片的顺桨作业。

可选地,如图2及图3所示,控制组件22可以包括拨叉221、连接杆222、半月板223、触发线圈224、第一复位弹簧225和第二复位弹簧226。

拨叉221通过第一复位弹簧225枢转的设置于第二可动支点216的一侧,连接杆222的两端分别与拨叉221的中部以及半月板223转动连接,半月板223对应设置有第二复位弹簧226。

需要储能时,第一复位弹簧225带动拨叉221旋转到第一预定位置之后,拨叉221顶抵第二可动支点216,连接杆222带动半月板223旋转到第二预定位置之后,触发线圈224吸附半月板223以锁止驱动臂11,储能组件1进入如图2所示的储能状态。

符合紧急顺桨条件时,触发线圈224释放半月板223,半月板223在第二复位弹簧226的作用下旋转复位,连接杆222带动拨叉221旋转以脱离第二可动支点216,驱动臂11在弹性件12的带动下做功,储能组件1进入释能状态,储能组件1释放完成后则进入如图3所示释能完成的状态。

可见,本申请实施例中,控制组件采用上述设置,仅通过较小的电流对触发线圈进行控制即可以实现对驱动臂进行锁止或释放的动作,其不仅结构简单易用,而有由于不需使用较大电流驱动,使得本申请可以任何情况下都可以通弹性势能释放来完成顺桨,极大提高了本申请的易用性及安全性。

可选地,如图2所示,储能组件1处于储能状态下,第三连杆213与第一连杆211分别构成第一三角形的两条边;第三连杆213与第二连杆212分别构成第二三角形的两条边;第三连杆213与第四连杆214分别构成第三三角形两条边;连接杆222与拨叉221分别构成第四三角形的两条边,并且连接杆222与第四连杆214呈平行状态。连杆组件21通设置上述多个三角形的设置方式,可以进一步的减少在第二可动支点上力,从而便于控制组件对驱动臂进行控制。

可选地,如图2及图3所示,本申请实施例的风力发电机组的顺桨装置,其中控制机构2还包括有行程开关23,行程开关23与拨叉221抵接,通过检测拨叉221的旋转以检测储能组件1的状态。行程开关23具体来说可以设置于拨叉221的下方,并且与拨叉221进行抵接,使用时行程开关23可以与控制器相连,例如可以是变桨系统的控制器,当储能组件1储能完成后,发送一指令至控制器,以便于对储能组件1的状态进行监测。

可选地,如图2及图3所示,其中顺桨装置100还可以包括手动储能单元4,手动储能单元4包括驱动轮41及储能连杆42,储能连杆42设置于驱动轮41及控制端112之间,通过旋转驱动轮41使储能组件1进入储能状态。

具体地,驱动轮41具体来说可以包括操作轮411及传动轮412,操作轮411及传动轮412并列且啮合设置,传动轮412上还设置有同轴棘轮,传动轮412通过储能连杆与控制端112传动连接。使用时能够操作操作轮411,从而可以带动传动轮412进而带动驱动臂11滑动以完成储能组件1的储能。设置手动储能单元的主要目的在于,可以便于维修人员对设备进行检修,可以有效降低设备维护的难度,从而大幅降低本申请的维护难度及维护成本。当然手动储能单元并非必须采用上述设置方式,其也可以采用其它方式进行设置,本申请并不以此为限。

可选地,顺桨装置100还可以包括阻尼器5,阻尼器5设置于驱动臂11上,且位于靠近控制端112的一侧设置。

具体地,如图2及图3所示,阻尼器5可以采用液压阻尼器,阻尼器5的活塞可以固定的设置于驱动臂11的后部,即靠近控制端112的位置,阻尼器5的油缸可以固定设置,并且阻尼器油缸壁分布着不同孔径的泄压通道。使用时,驱动臂在强大的弹性力作用下开始收回,同时伴随液压阻尼器可变阻尼,可以使顺桨的过程更加平和,避免叶片、变桨轴承及其它部件的损坏,从而有效提高了本申请的安全性。

当然需要说明的是,本申请并不限制阻尼器的具体实施方式,例如在一其它实施例中,阻尼器也可以是一气压阻尼器,本申请并不以此为限,本领域技术人员可以根据实际工况自行调整。

可选地,如图1至图4所示,其中驱动机构3包括驱动轴31及两个驱动连杆32,所驱动轴31与变桨轴承205同心设置,两个驱动连杆32沿驱动轴31的周向间隔布置,并且两个驱动连杆32的轴线与驱动轴31径向垂直设置。

可选地,驱动臂11的驱动端111设置有滑轨1111,滑轨1111与叶片周向相切;两个驱动连杆32的端部各通过一传动轴与滑轨1111传动连接,并且两个驱动连杆32的端部均设置供传动轴滑动的腰孔。具体来说,驱动轴31可以通过一轴承盘(图中未示出)设置于变桨轴承205上,并且驱动轴31与轴承盘及变桨轴承同心设置,轴承盘可以是圆形板状结构,其外缘可以与变桨轴承205的内侧壁相连。

使用时,叶片在变桨系统的带动下进行开桨的动作,驱动轴31随之进行旋转,靠近驱动端111的驱动连杆32可以通过滑轨1111来带动驱动臂11进行滑动,当变桨系统完成变桨后,储能组件1的也完成了储能动作;当需要顺桨时,驱动臂11在弹性件12的带动下开始滑动,从而带动驱动连杆32动作,进而完成叶片的顺桨动作。通过设置驱动结构可以使得本申请在叶片变桨的过程中即完成了储能,其不仅可以有效节省资源,而且还可以大幅降低使用及维护的成本。需要说明的是,本申请并不限定驱动机构3的具体实施方式,本领域技术人员可以根据实际情况自行选择。

如图2及图3所示,本申请的储能过程有两种方式:一种是通过变桨系统驱动变桨轴承,驱动轴带动驱动臂完成储能,储能过程中拨叉的活动部件底端与行程开关接触,储能完成时行程开关由电气信号触点的“断开”转换成“闭合”并被变桨系统控制器采集到。当变桨装置需要维护、检修或者人为储能时,可以通过一个压杆拨动操作轮从而可以带动传动轮,传动轮上具有同轴棘轮,通过传动轮上的储能连杆推动驱动臂压缩弹性件,直到传动轮完成90度旋转后并在第一及第二复位弹簧的作用下回到最初状态位。

基于同一发明构思,如图1至5所示,本申请的第二个方面还提供一种风力发电机组的变桨系统,包括:如前述实施例中的风力发电机组的顺桨装置、控制器201、驱动器202、变桨电机203、变桨减速器204和变桨轴承205;

控制器201与驱动器202电连接,用于输出桨距角控制信号;

驱动器202与变桨电机203电连接,用于根据桨距角控制信号向变桨电机203输出变桨电压;

变桨电机203与变桨减速器204传动连接,用于根据变桨电压,向变桨减速器204输出旋转转矩;

变桨减速器204与变桨轴承205传动连接,用于根据旋转转矩带动变桨轴承205旋转;

变桨轴承205与顺桨装置传动连接,用于利用自身旋转为顺桨装置提供机械能;

控制器201与顺桨装置电连接,用于控制具有机械能的顺桨装置进入储能状态;以及在符合紧急顺桨条件时,控制顺桨装置进入释能状态,释放所存储的机械能至变桨轴承205,使得变桨轴承205对叶片进行顺桨。

可选地,如图1至图5所示,本申请的变桨系统中变桨轴承205与顺桨装置中的驱动机构3传动连接,用于利用自身旋转带动顺桨装置中的驱动臂11挤压顺桨装置中的弹性件12;

控制器201与顺桨装置中的控制机构2电连接,用于控制控制机构2对处于挤压弹性件12状态的驱动臂11进行锁止,使得顺桨装置中的储能组件1进入储能状态;

控制器201用于在符合紧急顺桨条件时,控制控制机构2释放驱动臂11,使得驱动臂11在弹性件12的回弹作用下带动驱动机构3传动至变桨轴承205,使得变桨轴承205对叶片进行顺桨,并使得储能组件1进入释能状态。

可选地,如图1至图5所示,本申请的变桨系统还包括超速开关206,超速开关206设置于轮毂301内,并且与控制机构2电连接,用于检测到叶片转速超过预设阈值时,控制控制机构2释放驱动臂11。

如图1至图5所示,本申请的风力发电机组的变桨系统可以包括和轮毂安装在一起的变桨轴承205、驱动轴31、驱动连杆32、储能组件1。当风力发电机组处于停机状态,叶片桨距角位于87度顺桨完成状态,储能组件1处于未储能状态。当风力发电机组准备启机并网运行时,变桨系统可以通过驱动器202控制变桨电机203向开桨0度位置旋转,变桨电机203带动变桨减速器204运行,变桨减速器204通过齿轮或齿形带带动变桨轴承205和叶片向0度位置旋转,变桨轴承205旋转的同时会带动驱动轴31和驱动连杆32移动,移动的驱动连杆32通过滑动拉动弹簧储能系统驱动臂,驱动臂11逐渐压缩弹性件12,当变桨电机203带动变桨轴承205将叶片旋转到0度位置时储能组件1也由未储能如图3所示状态逐渐完成储能至图2所示的状态。储能过程中,支撑弹性件12的连杆组件21逐渐张开,第一可动支点215及第二可动支点216被拉起到预定位置时,拔叉221在第二复位弹簧226的作用下将支点顶起,半月板223也在第一复位弹簧225的作用下顺时针滑动到预备触发状态位,储能完成。行程开关23将储能完成的状态位信号发送给控制器。当变桨发生故障需要紧急顺桨时,控制器201发出顺桨状态指示命令,变桨电机203的电磁闸因失去控制高电平而松开,触发线圈224同时动作,衔铁触发半月板223,半月板223在第一复位弹簧225的作用下逆时针旋转,连杆组件21三角支点失去稳定平衡状态,第一可动支点215及第二可动支点216滑动,弹性件12瞬间将弹力释放,驱动臂11拉动驱动连杆32向叶片90度方向运行,直至叶片顺桨到安全位置。

如图5所示,本申请的一实施例中轮毂301内包括变桨柜、变桨电机203、变桨减速器204、传动装置、变桨轴承205、驱动连杆32、储能组件1,变桨柜内部主要包括充电器209和驱动器202,驱动器202的动力线与变桨电机203的接线盒连接,变桨电机203安装在变桨减速器204上面,变桨减速器204与轮毂301的支架连接,传动装置可以将输入变桨减速器204的转速降低,转矩增大并传递给变桨轴承205及叶片。变桨轴承205带动轴承盘207和驱动连杆32动作,储能组件1固定在轮毂301的支座302上,驱动连杆32和驱动臂11可以通过滑动轴承连接,驱动臂11在驱动连杆的拉动下逐渐压缩弹性件12并完成储能动作。

储能组件1可以安装在变桨轴承205和轴承盘207的上方,与轮毂301连接。在储能状态下,也就是叶片0度角位置。触发线圈224由控制器201和超速开关206并联控制,在控制信号发出后,变桨系统24V逻辑电平变成低电平,触发线圈224的衔铁动作,诱发半月板223逆时针旋转滑动,拨叉221的支点失去支撑平衡后向下脱移。连杆组件21失去三角形静态平衡支撑,驱动臂11在强大的弹性力作用下开始收回,同时伴随阻尼器5可变阻尼的限制。驱动臂11带动驱动连杆的控制叶片的收桨速度被限制在一个相对稳定数值,直至带动叶片回到87度安全位置。

于本申请实施例中,变桨系统主要由变桨充电器209为驱动器202提供恒压的直流电和/或交流电,驱动器202将变桨充电器209逆变为电压和频率可变的交流电控制变桨电机203,变桨电机203后带有编码器208和电磁闸2031,输出旋转扭矩给变桨轴承205,叶片的实时运行速度由编码器208反馈,变桨轴承205与储能组件1连接。运行过程中由控制器201控制驱动器202驱动叶片旋转,并将正常或异常状态位发送给变桨电机203电磁闸2031和触发线圈224。当发生紧急顺桨时,控制器201给出电磁闸2031松闸信号,变桨电机203电磁闸2031松开。触发线圈224状态翻转且衔铁动作,弹性件12的弹力做功带动叶片307顺桨。控制器201、驱动器202、变桨电机203等器件出现问题时,叶片在持续的风力作用下吸收风能,叶轮转速逐渐上升,当叶轮转速上升到超速开关206的限值后,超速开关206动作并触发储能组件1执行顺桨动作,完成紧急顺桨的最后一道保护,保护机组失速,可以提高风力发电机组的运行安全。

如图6所示,本申请在具体实施时,控制器201可以控制输出依次连接于驱动器202和顺桨装置100的控制机构2。储能组件1储能阶段,由驱动器202控制变桨电机203带动变桨减速器204,从而带动变桨轴承205及叶片,驱动连杆32带动驱动臂11动作并压缩弹性件12,进而完成储能组件1的储能。正常运行阶段,控制机构2处于等待触发的状态,控制器201发出控制指令,驱动器202驱动变桨电机输出给变桨轴承205在0-90度的范围内旋转。正常顺桨阶段,控制器201优先控制变桨轴承205对叶片进行顺桨,控制机构2等待触发;紧急顺桨阶段,由控制器201发出控制指令,控制机构2通过控制储能组件1从而带动变桨轴承205转动,进而带动叶片顺桨。

基于同一发明构思,如图1至6所示,本申请的第三个方面还提供一种风力发电机组,其可以包括本申请实施例提供的风力发电机组的变桨系统。

基于同一发明构思,本申请的第四个方面还提供一种用于本申请实施例提供的风力发电机组的变桨系统的变桨方法,方法的流程示意图如图7所示,该方法包括:

S601、控制器201向驱动器202输出桨距角控制信号。

S602、驱动器202根据桨距角控制信号向变桨电机203输出变桨电压。

S603、变桨电机203根据变桨电压,向变桨减速器204输出旋转转矩。

S604、变桨减速器204根据旋转转矩带动变桨轴承205旋转。

S605、变桨轴承205利用自身旋转为顺桨装置提供机械能。

变桨轴承205利用自身旋转带动顺桨装置中的驱动臂11挤压顺桨装置中的弹性件12。

S606、控制器201控制具有机械能的顺桨装置进入储能状态;以及在符合紧急顺桨条件时,控制顺桨装置进入释能状态,释放所存储的机械能至变桨轴承205,使得变桨轴承205对叶片进行顺桨。

可选地,控制器201控制控制机构2对处于挤压弹性件12状态的驱动臂11进行锁止,使得顺桨装置中的储能组件1进入储能状态;以及

控制器201在符合紧急顺桨条件时,控制控制机构2释放驱动臂11,使得驱动臂11在弹性件12的回弹作用下带动驱动机构3传动至变桨轴承205,使得变桨轴承205对叶片进行顺桨,并使得储能组件1进入释能状态。

可选地,控制器201控制控制机构2对处于挤压弹性件12状态的驱动臂11进行锁止,使得顺桨装置中的储能组件1进入储能状态,包括:

驱动机构3在变桨电机203的带动下,使得驱动臂11相对于储能缸13滑动从而挤压弹性件12,当驱动臂11滑动到位后,第一复位弹簧225带动拨叉221旋转到第一预定位置之后,拨叉221顶抵第二可动支点216,连接杆222带动半月板223旋转到第二预定位置之后,控制器201控制触发线圈224吸附半月板223以锁止驱动臂11,储能组件1进入储能状态。

可选地,控制控制机构2释放驱动臂11,使得驱动臂11在弹性件12的回弹作用下带动驱动机构3传动至变桨轴承205,使得变桨轴承205对叶片进行顺桨,并使得储能组件1进入释能状态,包括:

控制器201控制触发线圈224释放半月板223,半月板223在第二复位弹簧226的作用下旋转复位,连接杆222带动拨叉221旋转以脱离第二可动支点216,驱动臂11在弹性件12的带动下做功,储能组件1进入释能状态,驱动臂11通过驱动机构3使得叶片顺桨。

可选地,本申请实施例的变桨方法还包括:当超速开关206检测到叶片转速超过预设阈值时,控制顺桨装置进入释能状态。

可选地,本申请实施例的变桨方法还包括:当控制机构2在设定时段内未接收到控制器201的控制指令时,控制机构2控制顺桨装置进入释能状态。具体来说,在常态下控制器201会发出高电位或者低电位来控制控制机构2的触发线圈224,触发线圈224得电控制驱动臂锁止;而当控制器201发生死机等故障时控制器201发出的高电位或低电位会发生翻转,而此时触发线圈224会失电,从而触发释放驱动臂完成顺桨。即当控制器死机时顺桨装置可以利用失电低电平控制逻辑,触发释放驱动臂正常完成顺桨,因此本申请的变桨系统的可靠性更高。在一其它实施例中,控制器201与控制机构之间也可以设置一继电器,其原理与上述实施例相同,于此不再赘述。

下面结合附图,对本申请的变桨方法的运作原理说明如下:

如图5所示,变桨充电器与驱动器相连,驱动器与变桨电机连接。编码器安装于变桨电机的尾部,用于测量变桨电机的实时转速并反馈给驱动器做逻辑判断及控制之用。电磁闸安装于变桨电机上用于保持桨叶的位置,电磁闸的紧急逻辑信号受控制器控制,电磁闸的逻辑为得电“抱闸”,失电“松闸”。变桨减速器与变桨轴承相连,变桨轴承与轴承盘相连,轴承盘与驱动连杆相连,驱动连杆通过驱动臂与储能组件相连。当发生紧急顺桨的况下,可以通过控制器直接向触发储能组件带动叶片完成顺桨;本申请的另一实施例中,控制器死机状态下高电平翻转从而触发储能组件带动叶片完成顺桨;本申请现一实施例中,当前述实施例的变桨方法都失效的情况中,叶轮转速在失速过程中,通过安装在轮毂轴向同步旋转的超速开关转速超过设定转速值后,超速开关动作触发储能组件带动叶片完成顺桨。

如图6所示,本申请的实施例中,变桨系统的控制器负责监控储能状态,做出逻辑判断。控制器在收到未储能前提下,发出开桨控制指令,驱动器通过变桨电机的驱动,带动减速器和变桨轴承驱动盘向0度方向运行,驱动连杆推动驱动臂压缩弹性件开始储能,储能完成后控制机构反馈信号给控制器。另外通过手动储能单元也可以给顺桨装置进行储能,人为通过外力压动使操作轮旋转经齿轮传递后带动传动轮上的储能拉杆,进而可以推动驱动臂逐渐压缩弹性件完成储能。

综上,本申请具体实施例提供的一种风力发电机组的顺桨装置、变桨系统及其变桨方法,其至少可以具有如下有益效果:

第一、本申请提出了一种区别于其他电容/电池类的变桨系统以及变桨方法,使用弹性势能作为变桨系统的后备能量作为驱动,完全避免了其他电能储能所带来的直流电压不平衡,内阻逐渐升高,容值下降,不能在炎热和低温环境下工作,容易短路起火。且备电电源检修维护操作困难,驱动器和变桨电机在顺桨过程出现故障,都会导致变桨系统瘫痪不能完成正常顺桨。

第二、在变桨系统出现紧急故障后,顺桨装置可以作为独立运行单元,不受驱动器和变桨电机的影响。变桨系统发出故障状态后,变桨电机电磁闸失去24V电源后松闸,系统通过触发线圈将本申请的顺桨装置所储存的能量以机械能的方式输出,驱动连杆将叶片顺桨到安全位置,确保了本申请的可靠性及安全性。

第三、当叶片位置在0度,变桨系统运行过程中突然发生控制器死机的情况下,顺桨装置可以利用失电低电平控制逻辑,触发释放弹性势能正常完成顺桨,所以本申请的变桨系统可靠性更高。

第四、驱动臂的与驱动连杆相连,变桨轴承旋转点范围只能在驱动臂的滑轨内,也就是叶片的桨距角只能在0-90度范围内运行,这种方式完全避免了其他如叶片自由360度旋转的可能,杜绝了叶片带动变桨轴承自由旋转导致叶尖扫塔现象的发生。

第五、由于本申请实施例的储能方式为叶片开桨过程中利用变桨电机的驱动力即可完成弹性件的储能,紧急顺桨的过程中也充分利用了风力自然吹动叶片力和叶片自身重力的合力,可以大大减小弹性件的设计体积,储能组件可以做的更小,结构更为简单可靠。所以不需要增加额外的机械装置和储能设备即可以实现叶片的安全顺桨。另外手动储能单元可以为变桨系统的调试、维护人员维护操作提供了方便。

第六、本申请同时提供出多重安全保护顺桨方法,首先是控制器、驱动器、或变桨电机故障不能正常顺桨时,由变桨系统将失电位信号发送给顺桨装置。如果遇到控制器信号被干扰的情况下,桨叶在外界风力作用下叶片转速越来越快,当叶片达到超速开关设定速度后,超速开关断开控制信号使顺桨装置强制触发,以完成顺桨成为最后一道安全保护。

另外本申请的实施例,从设计源头上改变了变桨系统常规复杂的布局方式,彻底避免了充电器在给超级电容充电过程中的过流和不能分段充电的现象。本申请的实施例可以使充电器的效率可以做的更高,不需要使用电容或电池作为备电方案。并且变桨柜可以向一体化、高功率密度方向发展,变桨系统体积可以做的更小;本申请实施例减少了紧急顺桨系统故障点,避免了电气系统故障导致的卡桨问题;本申请实施例由于提出了多道安全保护方法,变桨系统紧急顺桨成功率提高,机组可靠性得以提升。进一步的,顺桨装置解决了传统变桨系统的备电系统自身的故障、维护复杂、运行检修危险等问题。

本技术领域技术人员可以理解,本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地,具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地,现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

以上所述仅是本申请的部分实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

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