风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置及方法与流程

本发明属于风电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置及方法。

背景技术：

偏航系统，又称对风装置，是风力发电机机舱的一部分，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。

图1示出一种传统的偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的电路结构图，图中以两台偏航电动机为例，实际依需要可对多台偏航电动机进行控制。其中，传统偏航电动机驱动大部分使用如图1所示，该装置包括与偏航电动机相连接的接触器和偏航电动机保护开关，例如图中的接触器‐K1和接触器‐K2、电动机保护开关‐Q1，这样的控制结构存在接触器主、辅触点易损坏、线圈烧毁、吸合机构不吸合、不释放等常见故障，一般会造成控制系统发出驱动偏航电动机指令，但偏航不动作，或是偏航电动机不受控制不停运转，带动偏航机构连续旋转，造成随偏航机构扭转的电缆扭断故障。图2是另一种传统的偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的电路结构图，与图1类似，图2同样以两台偏航电动机为例，实际依需要可对多台偏航电动机进行控制。少量偏航系统中使用如图2所示包括软启动器‐STR1，与软启动器‐STR1并联的接触器‐K3，并联后的软启动器‐STR1再与相互并联的接触器‐K1和接触器‐K2串联接入偏航电动机‐M1和‐M2。软启动器对于偏航电动机的控制只有缓启动、缓停止功能，功能单一，且因其不具备偏航电动机正反转控制的能力，还需接触器辅助换向来控制偏航电动机正反转，此外，为避免软启动器长期工作，易导致损坏的问题，在软启动器启动完毕后需要旁路接触器来切出软启动器，因此整体控制系统复杂，故障点比接触器控制的方式还要多。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置及方法，能够解决偏航电动机控制装置的可靠性低的问题。

第一方面，提供了一种风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置，包括：变频器、故障切出接触器和接触器。该变频器用于对偏航电动机进行驱动控制；该故障切出接触器串联在变频器与偏航电动机之间，用于在变频器发生故障时断开，以隔离发生故障的变频器；接触器与变频器和故障切出接触器并联连接并与偏航电动机相连，用于在故障切出接触器断开后继续驱动偏航电动机。

第二方面，提供了一种风力发电机组偏航电动机的驱动控制方法，包括：监测变频器的故障情况的步骤；当监测到变频器发生故障后，控制故障切出接触器断开以隔离发生故障的变频器或直接向变频器发出停止指令以使变频器停止工作的步骤；发送控制指令至接触器，以在变频器停止工作后通过接触器继续对偏航电动机进行驱动控制的步骤。

根据本发明实施例提供的风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置及方法，通过对同时采用变频器和接触器对风力发电机组偏航电动机进行驱动控制，实现风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的冗余度，具有提高偏航电动机控制的可靠性的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种传统的偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的电路结构图；

图2是另一种传统的偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的电路结构图；

图3是一种较新形式的偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的电路结构图；

图4是本发明实施例的一种风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的结构框图；

图5是本发明实施例的一种偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的电路结构图；

图6是本发明实施例的风力发电机组偏航电动机的驱动控制方法的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

相对于图1和图2的两种风力发电机组偏航电动机控制装置，图3是一种较新形式的偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的电路结构图，如图3所示，该风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置包括依次与偏航电动机相连接的变频器‐VF1和偏航电动机保护开关‐Q1，变频器‐VF1单独对风力发电机组偏航电动机进行控制。这种控制结构虽然避免了接触器类控制器件易出故障的局限，但系统冗余度不足，当变频器发生故障时，机组偏航功能即失效。因此，一般的控制方式普遍存在系统可靠性差，保护功能不全面，变频器功能开发不深入，控制参数设置不合理，偏航功能不够丰富等缺点。由于传统偏航电动机驱动可靠性低、保护功能不足，一旦偏航驱动出故障，轻则引起停机损失发电量、重则烧毁偏航电动机、扭断电缆等问题。在有高可靠性要求的场合，比如海上机组，一旦出现这些故障，发电量损失和维修成本将大幅增加。在台风天气下，如果此时偏航控制系统发生故障，不能执行安全避风偏航指令，会给机组带来更严重的危害。

由于图1至图3示出的风力发电机组偏航电动机控制装置具有上述缺陷，为了解决上述技术问题，对本发明实施例提供的一种风力发电机组偏航电动机控制装置进行详细说明

图4是本发明实施例的一种风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置结构框图。该风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置400，包括：变频器410、故障切出接触器420和接触器430。该变频器410用于对偏航电动机进行驱动控制；该故障切出接触器420串联在变频器410与偏航电动机之间，用于在变频器410发生故障时断开，以隔离发生故障的变频器410；接触器430与变频器410和故障切出接触器420并联连接并与偏航电动机相连，用于在故障切出接触器420断开后继续驱动偏航电动机。通过对同时采用变频器410和接触器430对风力发电机组偏航电动机进行驱动控制，实现风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的冗余度，具有提高偏航电动机控制的可靠性的优点。

图5是本发明实施例的一种偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的电路结构图。如图5所示，该偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置包括与偏航电动机-M1、-M2依次串联的故障切出接触器-K4和变频器-VF1，与串联后的故障切出接触器-K4和变频器-VF1相并联的接触器-K1和-K2。图5只列举了两台偏航电动机的情况，不同的风力发电机组可能会有三台、四台或更多的偏航电动机，但偏航电动机的增加，不需要更多个接触器对偏航电动机进行控制，仍然只需要两个接触器-K1和-K2分别控制偏航电动机的正转和反转。在变频器-VF1发生故障时，通过故障切出接触器-K4来隔离出发生故障的变频器-VF1，转而使用接触器K1、K2来分别控制偏航电动机-M1和-M2正、反转。在一些示例中，变频器-VF1可以包括常闭触点，当变频器-VF1发生故障时，常闭触点从闭合状态变为断开状态。变频器-VF1的常闭触点闭合/断开状态信号传到风力发电机组偏航电动机控制装置的控制器，该控制器例如PLC，可以作为一个辅助的控制器设置在风力发电机组的主控系统中，也可以与主控制系统分离的进行设置，并与该主控制系统保持通信。那么由于变频器-VF1的常闭触点从闭合变为断开，即代表变频器-VF1发生故障，变频器-VF1接收来自控制器的正转、反转、或者停止指令，进而控制偏航电动机-M1和-M2正转、反转、或停止，在变频器故障时，偏航正转及反转驱动分别由接触器K1、K2来控制，接触器K1、K2接收来自控制器的驱动、停止指令，控制偏航电动机正转、反转、或停止。由于接触器K1、K2是偏航电动机-M1和-M2的备用控制元件，因此使得偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制的冗余度提高。例如，该装置还可以包括设置在变频器两端的电抗器。例如，电抗器L1、L2分别安装在变频器-VF1进线和出线位置，用来保护变频器-VF1以及保护偏航电动机及电缆绝缘。由于变频器-VF1的电抗器及故障切出接触器K3的增设，使上述的一些实施例中的偏航电动机驱动控制装置能够有效避免因进线电源质量问题导致的变频器故障，变频器对电缆和偏航电动机绝缘的冲击损伤，以及由于变频器出口端反送电烧毁变频器的情况。

在一些示例中，该装置还包括扭缆接触器，扭缆接触器串联在电源和接触器与变频器的并联节点之间，用于在驱动控制装置或偏航电动机发生故障时停止/跳闸。例如，扭缆接触器-K3设置在变频器-VF1和接触器K1、K2的上游更靠近电源入口-A-B-C的地方，可以作为偏航电动机-M1和-M2的动力控制回路冗余的控制器件，在变频器-VF1和接触器K1、K2的偏航电动机控制回路失控的情况下，扭缆接触器能切断包含失控故障点在内的所有偏航电动机的供电。

在一些示例中，该装置还可以包括扭缆开关，扭缆开关与扭缆接触器相连接，用于检测偏航电动机进行偏航的极限位置，并且当检测到偏航电动机偏航到极限位置时，向扭缆接触器发出故障信号以触发扭缆接触器停止/跳闸。在一些示例中，该扭缆开关设置在由偏航齿圈构成的凸轮结构中，使得当偏航电动机偏航到极限位置时凸轮能够触发扭缆开关。例如，扭缆开关可以是检测偏航极限位置的传感器，可以安装在偏航大齿圈附近，通过一个与偏航大齿圈啮合的小齿轮带动一套传动机构把偏航的运动传导为能触发扭缆开关内部触点开关动作的凸轮的运动，对凸轮旋转角度整定，使当偏航处于极限位置时，凸轮触发触点开关。在一些示例中，该扭缆开关可以采用多触点触发结构并设置常闭触点，当触点中任触点断开，扭缆开关向扭缆接触器发出故障信号以触发扭缆接触器停止/跳闸。例如，为保障扭缆开关可靠输出信号，该扭缆开关可以采用双触点输出，触点可以选用常闭触点，可以避免线路断线和虚接的问题。在一些示例中，该装置还可以包括安全继电器，安全继电器串联在扭缆开关与扭缆接触器之间，用于当接收到扭缆开关发出的故障信号后停止/跳闸，以断开扭缆接触器线圈供电回路，从而触发扭缆接触器停止/跳闸。例如，可将扭缆开关的闭合/断开状态信号传到安全继电器。扭缆开关的任意一个常闭触点从闭合变为断开，即代表偏航处于极限位置，安全继电器可以产生停止/跳闸动作，从而断开扭缆接触器线圈供电回路，扭缆接触器停止/跳闸，以保护偏航机构扭转的电缆。在一些示例中，在扭缆接触器停止/跳闸后，该装置可以向操作人员发出偏航极限报警，提醒维修人员检查、维修偏航失控故障原因。

在一些示例中，该装置还可以包括热继电器，与偏航电动机串联连接，用于在偏航电动机发生过载或缺相故障时进行断开，并发出故障信号。该热继电器具有电动机的过载保护和缺相保护功能。例如，图5中的热继电器-F1和-F2可以包括常闭触点，在热继电器-F1和-F2检测到偏航电动机过载或缺相时，常闭触点从闭合状态变为断开状态。在一个示例中，热继电器-F1和-F2的闭合/断开状态信号可以上传至控制器。热继电器-F1或-F2从闭合变为断开，即代表与之相连的偏航电动机-M1或-M2出现了过载或缺相故障，控制器可以向-VF1/接触器K1、K2发出停止/跳闸命令，以保护偏航电动机。例如，控制器还可以向变频器/接触器发出停止/跳闸命令后向操作人员发出偏航电动机出现过载/缺相故障的报警，提醒维修人员检查、维修偏航电动机。在一些示例中，偏航电动机绕组可以有星型接法和三角形接法与上述装置相连接。例如，为了能使热继电器提供更可靠的过载与缺项保护，偏航电动机的绕阻的连接方式可以采用星型接法。

在一些示例中，该装置还可以包括偏航电动机保护开关，用于检测偏航电动机的控制回路中的电流，并且当检测到的电流出现异常时断开，并发出故障信号。例如，在图5中，偏航电动机保护开关Q1设置在主进线的最上端，具有过载和过流保护功能。例如，偏航电动机保护开关Q1可以包括常闭触点。在偏航电动机保护开关Q1检测到主电路过流(例如，短路引起的电流快速上升的情况)或过载而跳闸的情况时，常闭触点从闭合状态变为断开状态。例如，偏航电动机保护开关Q1的闭合/断开状态信号可以上传到控制器。偏航电动机保护开关Q1从闭合变为断开，即代表偏航电动机保护开关Q1到偏航电动机-M1和-M2之间的主回路出现短路或过载故障，控制器可以向操作人员发出偏航电动机保护开关Q1跳闸故障的报警，提醒维修人员检查、维修主回路。

在一些示例中，该装置还可以包括偏航电动机温度保护开关，用于检测偏航电动机的绕阻温度，并且当检测到的偏航电动机的绕阻温度大于预设温度时，发出故障信号。在一些示例中，偏航电动机温度保护开关可以设置在偏航电动机里面。温度保护开关可以包括常闭触点，在温度保护开关检测到偏航电动机绕组温度超限时，常闭触点从闭合状态变为断开状态。温度保护开关的闭合/断开信号可以长传到控制器。温度保护开关从闭合变为断开，即代表偏航电动机绕组温度超限，控制器可以向变频器/接触器发出停止/跳闸命令，以保护偏航电动机，例如，还可以同时向操作人员发出偏航电动机绕组温度高的报警，提醒维修人员检查、维修偏航电动机。在一些示例中，为了能使热继电器提供更可靠的过载与缺项保护，偏航电动机的绕阻的连接方式可以采用星型接法。

图6是本发明实施例的风力发电机组偏航电动机的驱动控制方法的方法流程图。该风力发电机组偏航电动机的驱动控制方法，用于上述风力发电机组偏航电动机的驱动控制装置的控制器，该方法可以包括：包括：S610，监测变频器的故障情况；S620，当监测到变频器发生故障后，控制故障切出接触器断开以隔离发生故障的变频器或直接向变频器发出停止指令以使变频器停止工作；S630，发送控制指令至接触器，以在变频器停止工作后通过接触器继续对偏航电动机进行驱动控制。例如，变频器的常闭触点从闭合变为断开，即代表变频器发生故障，控制故障切出接触器断开以隔离发生故障的变频器，也可以向变频器接收来自控制器的正转、反转、或者停止指令，进而控制偏航电动机正转、反转、或停止，在变频器故障时，偏航正转及反转驱动分别由接触器来控制，接触器接收来自控制器的驱动、停止指令，控制偏航电动机正转、反转、或停止。由于在变频器发生故障时，接触器可以继续对偏航电动机进行控制，因此使得偏航系统中风力发电机组偏航电动机的驱动控制的冗余度提高。

在一些示例中，该方法还可以包括检测偏航电动机的故障情况，并且在驱动控制装置或偏航电动机发生故障时控制扭缆接触器停止/跳闸。在一些示例中，该方法还可以包括检测偏航电动机的偏航时间，当偏航时间大于预设值时，判定偏航电动机发生故障。例如，预设值可以根据允许最大偏航时间来设定，当开始进行偏航电动机驱动控制后，开始计时，在检测到偏航动作超时时，控制扭缆接触器停止/跳闸，以保护偏航机构扭转的电缆。该方法还可以包括接收热继电器和\或偏航电动机温度保护开关发来的故障信号；并且当接收到热继电器和\或偏航电动机温度保护开关发来的故障信号时，发送停止工作信号至变频器或接触器以使偏航电动机停止工作。在一些示例中，该方法还可以包括接收偏航电动机保护开关发来的故障信号。在一些示例中，该方法还可以包括当判定偏航电动机或驱动控制装置发生故障时，发出告警信号。例如，还可以同时向操作人员发出偏航超时报警，提醒维修人员检查、维修偏航超时故障原因。

在一些示例中，该方法还可以包括接收风力发电机组的以下一项或多项信号，包括：塔顶载荷信号、整机振动信号和偏航机械噪音信号；将一项或多项信号分别与预设值比较，通过比较的结果调整偏航电动机的转速。例如，设定变频器的转速输出为三段，分别为：较高速度、正常速度、较低速度，从而调节偏航速度，以适应当前的载荷要求。该方法包括：接收塔顶载荷传感器或整机振动传感器或偏航机械噪音传感器输出的电流信号，可以为每个信号设置多个预定值，例如大、正常、小三个。例如，当任意一个信号对应的特征量，例如电流值，大于标识大的预定值时，可以向偏航电动机发出控制指令，通过变频器控制偏航电动机以较低速度运行，这里的具体速度可以由机组载荷模拟软件确定；当全部信号对应的电流值小于标识小的预定值时，可以向偏航电动机发出控制指令，控制偏航电动机以较高速度运行，例如，该较高速度为机组安全运行允许的较高速度；当所有信号对应的电流值介于标识大的预定值和标识小的预定值之间时，可以向偏航电动机发出控制指令，控制偏航电动机以正常速度运行。在一些示例中，针对塔顶载荷传感器、整机振动传感器、偏航机械噪音传感器输出的信号一般是不同，这些信号可以用相同的特征量进行表示，例如用电流值或电压值表示。通过上述方法，不仅增加了变频器功能提高了变频器的利用率，同时使得偏航控制功能更丰富，避免了对变频器资源的浪费。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些端口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。