专利名称：变桨控制系统、变桨控制方法和风力发电机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及变桨技术，特别地涉及一种变桨控制系统、变桨控制方法和风力发电机组。
背景技术：
风力发电是通过将空气的动能转化为机械能，进而转化为电能，是目前新能源开发领域中发展最快和最具潜力的发展方向。但是风能作为一种间歇性能源，具有很大的随机性和不可控制性。风力发电机组输出功率的波动范围通常较大，通常通过变桨控制系统调整轮毂上的叶片桨距角，依据风速的变化随时调节桨距角来控制风力发电机吸收的风能，从而提高 整个风力发电机组的效率，保持风力发电机组的功率和速度稳定，并且能够有效减少风机载荷。变桨控制系统主要包括主控制器、变桨变频器、变桨电机、变桨减速器和变桨轴承等。主控制器根据相应的风况情况来计算出要求的桨距角，然后给每个叶片所对应的变桨变频器发送指令，由变桨变频器控制相应的变桨电机转动，进而带动变桨减速器转动，最后通过变桨减速器的外伸小齿轮与变桨轴承大齿圈的刚性啮合使叶片转动，从而使叶片处在比较满意的位置，满足变桨要求。随着风力发电机组的功率逐渐增大和海上大型及超大型风力发电机组的开发,风力发电机组单机容量不断增大，叶片的尺寸和重量也不断增长，整个变桨控制系统中的变桨电机、变桨减速器等变桨装置的功率和尺寸都会增大很多，相应地对变桨电机和变桨减速器的力矩要求和变桨轴承大齿圈的强度、硬度等各项要求也在不断提升。对于大型或超大风力发电机组的一个叶片的变桨来说，利用单个变桨电机和变桨减速器难以实现有效、快捷的变桨，且对于其相应的电气部件与机械部件的研发和制造也存在一定困难，不仅造成变桨电机选型、安装困难，而且以后的维修也较困难，不利于大型或超大型风力发电机组的发展。
发明内容
本发明提供一种变桨控制系统、变桨控制方法和风力发电机组，以实现对大型或超大型风力发电机组叶片的变桨控制。本发明一方面提供了一种变桨控制系统，包括主控制器、变桨变频器组件、变桨电机、变桨减速器和变桨轴承，对应于每个叶片所设置的变桨轴承为一个，有多个变桨电机轴分别驱动多个变桨减速器，多个变桨减速器分别与一个所述变桨轴承啮合以驱动变桨轴承转动；与每个叶片对应的变桨变频器组件包括多个变频器，其中一个为主变频器，其余为从变频器，分别驱动所述多个变桨电机；主变频器包括参数转发模块和变频驱动模块，所述变频驱动模块用于根据所述主控制器的控制指令向变桨电机控制输出具有设定参数的控制值，所述参数转发模块用于将所述设定参数转发给各从变频器；所述从变频器用于根据所述主变频器转发的设定参数向变桨电机控制输出具有所述设定参数的控制值。本发明另一方面提供了一种变桨控制方法，采用本发明提供的变桨控制系统来执行，所述方法包括步骤101、主控制器计算叶片的变桨期望值，并将变桨期望值转化为控制指令发送给各叶片对应的主变频器；步骤102、各主变频器根据所述控制指令产生驱动变桨电机的设定参数； 步骤103、主变频器将所述设定参数转发给对应的各从变频器；步骤104、各主变频器向变桨电机控制输出具有设定参数的控制值，且各从变频器根据所述主变频器转发的设定参数向变桨电机控制输出具有所述设定参数的控制值；步骤105、各变桨电机带动与之相连的各变桨减速器转动，多个变桨减速器分别与一个所述变桨轴承啮合以驱动变桨轴承转动来改变桨距角。本发明另一方面还提供了一种风力发电机组，包括轮毂、叶片和发电机，还包括本发明提供的变桨控制系统；所述变桨轴承分别与各叶片相连，以改变所述叶片的桨距角。本发明提供的变桨控制系统、变桨控制方法和风力发电机组，在不增加变桨电机和变桨减速器的电气与机械负担的基础上，实现对大型或超大型风力发电机组叶片的变桨控制，并且减小了变桨电机和变桨减速器等变桨装置的几何尺寸，有利于其安装和维护。
图I为本发明实施例一提供的变桨控制系统的结构示意图；图2为本发明实施例一提供的变桨控制系统的部分结构的示意图；图3为图2的A-A方向的剖视图；图4为本发明另一实施例提供的变桨控制系统的部分结构的示意图；图5为本发明实施例二提供的变桨控制系统的结构示意图；图6为本发明实施例三提供的变桨控制系统的结构示意图；图7为本发明实施例四提供的变桨控制系统的结构示意图；图8为本发明实施例五提供的变桨控制方法的流程图；图9为本发明实施例六提供的变桨控制方法的流程图；图10为本发明实施例七提供的变桨控制方法的流程图。附图标记I-主控制器； 2-变桨变频器组件； 3-变桨电机；4-变桨减速器； 5-变桨轴承；6-叶片；7-轮毂；21-主变频器；22-从变频器；41-小齿轮；51-大齿圈内圈； 52-大齿圈外圈；81-第一检测模块；82-第二检测模块；91-第一比较模块；92-第二比较模块。
具体实施例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。实施例一本发明实施例一提供了一种变桨控制系统，图I为本发明实施例一提供的变桨控制系统的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的变桨控制系统的部分结构的示意图，图3为图2的A-A方向的剖视图。参照图I、图2和图3所示，该变桨控制系统包括主控制器I、变桨变频器组件2、变桨电机3、变桨减速器4和变桨轴承5。对应于每个叶片6所设置的变桨轴承5为一个，有多个变桨电机3驱动多个变桨减速器4，多个变桨减速器4分别与一个变桨轴承5啮合以驱动变桨轴承5转动。与每个叶片6对应的变桨变频器组件2包括多个变频器，多个变频器固定连接于轮毂7上，其中一个为主变频器21，其余为从变频器22，分别驱动多个变桨电机3。主控制器I固定连接于轮毂7上，通常采用PLC作为主控制器1，或者采用计算机；主控制器I根据采集到的风速、风力发电机功率和风力发电机转速等信息并采用设定方案计算出叶片的变桨期望值，该变桨期望值通常为叶片的桨距角，主控制器I将变桨期望值转化为控制指令以发送给主变频器21。主变频器21与主控制器I之间，和主变频器21与从变频器22之间通常通过CAN总线连接，当然也可以采用其他的通信方式，不限于本实施例。变桨电机3与各变频器一一对应连接，每个变频器可控制一台与之相连的变桨电机3的转动，当然也可以控制多台变桨电机转动，不限于本实施例。变桨减速器4的轴与变桨电机轴一一对应连接，变桨电机3带动与之相连的变桨减速器4转动，多台变桨减速器4的外伸向小齿轮41均与一个变桨轴承5的大齿圈内圈51相( 合。变桨轴承5的大齿圈外圈52固定在轮毂7上，变桨轴承5的大齿圈内圈51上固定连接有一个叶片6，通过多台变桨减速器4的外伸向小齿轮41与一个变桨轴承5的大齿圈内圈51的啮合传动使叶片6改变为期望桨距角，实现变桨的目的。主变频器21包括参数转发模块和变频驱动模块，可通过硬件和/或软件的方式来实现，变频驱动模块用于根据主控制器I的控制指令向变桨电机3控制输出具有设定参数的控制值，参数转发模块用于将设定参数转发给各从变频器22。从变频器22用于根据主变频器21转发的设定参数向变桨电机3控制输出具有设定参数的控制值。该设定参数为使变频器输出一定控制值的控制参数，可以为变频器的电流输入值或者是电压输入值等，不限于本实施例。该具有设定参数的控制值为变频器控制变桨电机转动的输出电压值或电流值，通常包括变频器的输出电压或电流的幅值、相位、频率等，变 频器通过对输出电压值或电流值的控制对变桨电机的转速和转动角度进行控制，进而使变桨电机到达相应位置。
该变桨控制系统的工作过程为由于变桨电机在安装时具有设定的初始位置，该初始位置为变桨电机相对于所对应的控制叶片的初始位置，变桨电机转动一定角度后相对初始位置会有一个相对位置，通过控制变桨电机的转动即可使相对位置发生改变，进而使变桨电机到达相应的位置，控制叶片改变桨距角。主控制器根据计算出的变桨期望值发送控制指令给主变频器的变频驱动模块，变频驱动模块根据接收到的控制指令向与之相连的变桨电机输出具有设定参数的控制值，与主变频器相连的变桨电机根据该控制值输出一定的转速和转动角度，并到达相应的位置。同时主变频器的参数转发模块将该设定参数转发给各从变频器，各从变频器根据主变频器转发的设定参数向变桨电机控制输出具有设定参数的控制值，与从变频器相连的变桨电机根据该控制值输出一定的转速和转动角度，并到达相应的位置。
由于从变频器与主变频器对变桨电机输出的控制值保持一致，从而使各变桨电机保持同步转动，输出相同的转速和转动角度，由于变桨电机、变桨减速器和变桨轴承之间为刚性连接，只要使各变桨电机输出转矩均衡，即能保证各变桨电机输出功率均衡，从而防止因各变桨电机功率不均衡而致使变桨电机过热甚至烧毁，同时因各变桨电机保持同步转动，进而使各变桨电机控制的各变桨减速器保持同步转动，进而使多台变桨减速器的外伸向小齿轮同步驱动一个变桨轴承的大齿圈内圈，使多台变桨减速器对一个变桨轴承的驱动配合一致，最终使叶片改变桨距角，达到变桨的要求。由上述技术方案可知，本发明实施例提供的变桨控制系统，每个叶片对应的一个变桨轴承至少具有两台变桨电机和两台变桨减速器驱动，因此变桨电机和变桨减速器的功率、几何尺寸、小齿轮的强度和其他要求相对于以前每个叶片具有一台变桨电机和一台变桨减速器驱动来说，都会同比下降，虽然风力发电机组的功率增大，但是对应每个叶片的单个变桨电机和变桨减速器的驱动功率不需要增加甚至会降低，变桨轴承大齿圈的各项要求也不会因此增大，因此本发明提供的变桨控制系统，在不增加变桨电机和变桨减速器的电气与机械负担的基础上，实现对大型或超大型风力发电机组叶片的变桨控制，并且能减少变桨电机和变桨减速器的几何尺寸，有利于其安装和维护，也有利于大型或超大型功率风力发电机组的发展。实施例二图5为本发明实施例二提供的变桨控制系统的结构示意图，如图5所示，在上述实施例一的基础上，进一步的，该变桨控制系统还设置有第一检测模块81和第一比较模块91。第一检测模块81连接于主变频器21控制的变桨电机3和第一比较模块91之间，用于将检测到的变桨电机3的当前位置反馈给第一比较模块91。第一比较模块91与主变频器21相连，用于将变桨电机3的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并将偏差信号传送给主变频器21，以指示主变频器21根据偏差信号调整设定参数。实施例三上述实施例二的技术方案为包含变桨电机位置反馈的闭环控制的方案，图6为本发明实施例三提供的变桨控制系统的结构示意图，采用反馈变桨轴承位置形成闭环控制的方案，如图6所示，在上述实施例一的基础上，该变桨控制系统还包括第二检测模块82和第二比较模块92。第二检测模块82连接于变桨轴承5和第二比较模块92之间，用于将检测到的变桨轴承的当前位置反馈给第二比较模块92。第二比较模块92与主变频器21相连，用于将变桨轴承5的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并将偏差信号传送给主变频器21，以指示主变频器21根据偏差信号调整设定参数。 上述的运算模块、第一比较模块和第二比较模块的功能可以是内置于主变频器中的功能模块实现，或者是通过设置单独的功能模块以实现上述的功能。第一检测模块和第二检测模块可以采用传感器、光电编码器或者旋转变压器等实现，第一比较模块和第二比较模块可以采用比较电路或软件的方式实现，不限于本实施例。变桨电机很可能因传动过程中受其他因素的干扰，或因变桨电机本身摩擦或者损耗等原因，变桨电机并不能在变频器输出的控制值的控制下实现理想的输出期望转速和转动角度，并达到期望位置，变桨电机的实际上的当前位置与期望位置之间会存在偏差，因此采用闭环控制方式，通过将反馈的变桨电机或变桨轴承的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，使主变频器根据偏差信号调整设定参数，进而调整对变桨电机的控制值，从而各变频器调整对变桨电机的控制值，使各变桨电机和变桨轴承不断调整当前位置，最终使各变桨电机控制的相应叶片改变为期望桨距角。各变桨电机和变桨减速器的布置可以采用多种方式，可以并排设置或间隔一定角度设置，在上述实施例的基础上，优选的是，每个叶片对应的各变桨减速器的外伸向小齿轮沿变桨轴承的大齿圈内圈的圆周均匀间隔布置，以使各变桨电机和各变桨减速器对变桨轴承的驱动力均匀分布，提高整个变桨控制系统的稳定性。对于变桨变频器组件中包含的变频器的个数可以根据实际需要而定，本实施例中，优选的是，变桨变频器组件中包含两个变频器，变桨电机3和两台变桨减速器4均为两台，如图2和图3所示，两台变桨减速器4的外伸向小齿轮41沿变桨轴承5的大齿圈内圈51的圆周相隔180度均匀布置。采用上述的设置方式，变桨电机和变桨减速器相对于变桨驱动中心对称，使变桨驱动力形成一对力偶，相互抵消径向载荷，可减少变桨电机和变桨减速器对变桨轴承大齿圈以及轮毂产生的额外载荷，可延长变桨轴承的使用寿命。另外一种优选的方案为，变桨变频器组件中包含三个变频器，变桨电机和变桨减速器均为三台，如图4所示，三台变桨减速器4的外伸向小齿轮41沿变桨轴承5的大齿圈内圈51的圆周相隔120度均匀布置。实施例四图7为本发明实施例四提供的变桨控制系统的结构示意图，如图7所示，该变桨控制系统中共有三个叶片6，包含三套变桨变频器组件、变桨电机3和变桨减速器4，对应每个叶片6设置一个变桨轴承5，每个叶片6对应的变桨电机3和变桨减速器4为两台，每个变桨变频器组件中包括两个变频器，其中的一个为主变频器21，另外一个为从变频器22，每一个主变频器21与一台从变频器22相连，每个变频器控制一台变桨电机3。每一个主变频器21和与之相连的一个从变频器22对应控制的两个变桨减速器4与一个变桨轴承5啮合，每个变桨轴承5上连接一个叶片6。主控制器I分别计算三个叶片6变桨期望值，并分别根据三个叶片6的变桨期望值转换成对三个主变频器21的控制指令，每个主变频器21根据接收到的控制指令向与之相连的变桨电机3输出具有设定参数的控制值，与该主变频器21相连的变桨电机3根据控制值转动，同时该主变频器21的参数转发模块将该设定参数转发给与之相连的一台从变频器22，与该从变频器2 2相连的变桨电机3根据控制值转动。每台主变频器21和与之相连从变频器22控制的两台变桨电机3由于具有相同的控制值，因此每两台变桨电机3可实现同步转动，从而每两台变桨电机3带动与之相连的两台变桨减速器4转动，通过两台变桨减速器4带动一个变桨轴承5转动，从而使每一个变桨轴承5上的每个叶片6改变为期望桨距角，实现变桨的目的。上述实施例为本发明提供的变桨控制系统的一种实施方案，实际应用中通常根据风力发电机组中的叶片的个数对应设置变桨变频器组件、变桨电机和变桨减速器的套数，也可以根据其他实际需要而设置，不限于本实施例。实施例五本发明实施例五提供一种变桨控制方法，采用本发明实施例提供的变桨控制系统来执行，图8为本发明实施例五提供的变桨控制方法的流程图，如图8所示，包括以下的步骤步骤101、主控制器计算叶片的变桨期望值，并将变桨期望值转化为控制指令发送给各叶片对应的主变频器；步骤102、各主变频器根据所述控制指令产生驱动变桨电机的设定参数；步骤103、主变频器将所述设定参数转发给对应的各从变频器；步骤104、各主变频器向变桨电机控制输出具有设定参数的控制值，且各从变频器根据主变频器转发的设定参数向变桨电机控制输出具有设定参数的控制值；步骤105、各变桨电机带动与之相连的各变桨减速器转动，多个变桨减速器分别与一个变桨轴承啮合以驱动变桨轴承转动来改变桨距角。该变桨控制方法为上述变桨控制系统的执行方法，使每个叶片对应的各变桨电机保持同步转动，输出相同的转速和转动角度，保证各变桨电机输出功率均衡，进而使多台变桨减速器对一个变桨轴承的驱动配合一致，达到对叶片的协调控制，保证变桨控制系统稳定可靠的运行。实施例六图9为本发明实施例六提供的变桨控制方法的流程图，如图9所示，在上述实施例五的基础上，进一步的，采用反馈变桨电机位置的闭环控制的方法，该变桨控制方法在步骤105之后还包括步骤201、检测变桨电机的当前位置；步骤202、将变桨电机的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并将偏差信号传送给主变频器；步骤203、主变频器根据偏差信号调整所述设定参数，再返回执行步骤103。图10为本发明实施例七提供的变桨控制方法的流程图，如图10所示，在上述实施例五的基础上，进一步的，采用反馈变桨轴承位置形成闭环控制的变桨控制方法，该变桨控制方法在步骤105之后还包括步骤301、检测变桨轴承的当前位置；步骤302、将变桨轴承的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并将偏差信号传送给主变频器；步骤303、主变频器根据偏差信号调整设定参数，再返回执行步骤103。上述实施例六和实施例七提供的变桨控制方法，通过将反馈的变桨电机或变桨轴承的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并根据偏差信号调整设定参数，进而调整对变桨电机的控制值，使各变桨电机和变桨轴承不断调整当前位置，最终使各变桨电 机控制的相应叶片改变为期望桨距角，改善了变桨控制系统的变桨控制性能。本发明实施例还提供了一种风力发电机组，包括轮毂、叶片和发电机，还包括本发明实施例提供的变桨控制系统，所述变桨轴承分别与各叶片相连，以改变叶片的桨距角。本发明实施例提供的风力发电机组，在不增加变桨电机和变桨减速器的电气与机械负担的基础上，实现对大型或超大型风力发电机组叶片的变桨控制，为大型或超大型功率风力发电机组的发展提供了有力条件。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种变桨控制系统，包括主控制器、变桨变频器组件、变桨电机、变桨减速器和变桨轴承，其特征在于 对应于每个叶片所设置的变桨轴承为一个，有多个变桨电机轴分别驱动多个变桨减速器，多个变桨减速器分别与一个所述变桨轴承啮合以驱动变桨轴承转动； 与每个叶片对应的变桨变频器组件包括多个变频器，其中一个为主变频器，其余为从变频器，分别驱动所述多个变桨电机； 所述主变频器包括参数转发模块和变频驱动模块，所述变频驱动模块用于根据所述主控制器的控制指令向变桨电机控制输出具有设定参数的控制值，所述参数转发模块用于将所述设定参数转发给各从变频器； 所述从变频器用于根据所述主变频器转发的设定参数向变桨电机控制输出具有所述设定参数的控制值。
2.根据权利要求I所述变桨控制系统，其特征在于，还包括 第一检测模块，连接于所述主变频器控制的变桨电机和第一比较模块之间，用于将检测到的变桨电机的当前位置反馈给第一比较模块； 第一比较模块，与所述主变频器相连，用于将变桨电机的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并将偏差信号传送给主变频器，以指示所述主变频器根据偏差信号调整所述设定参数。
3.根据权利要求I所述变桨控制系统，其特征在于，还包括 第二检测模块，连接于所述变桨轴承和第二比较模块之间，用于将检测到的变桨轴承的当前位置反馈给第二比较模块； 第二比较模块，与所述主变频器相连，用于将变桨轴承的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并将偏差信号传送给主变频器，以指示所述主变频器根据偏差信号调整所述设定参数。
4.根据权利要求I 3任一权利要求所述变桨控制系统，其特征在于 所述变桨变频器组件、变桨电机和变桨减速器的数量为两套或三套，每个所述变桨变频器组件包括两个或三个变频器。
5.根据权利要求I 3任一权利要求所述变桨控制系统，其特征在于 每个叶片对应的各变桨减速器的外伸向小齿轮沿变桨轴承的大齿圈内圈的圆周均匀间隔布置。
6.一种变桨控制方法，采用权利要求I所述的变桨控制系统来执行，其特征在于，所述方法包括 步骤101、主控制器计算叶片的变桨期望值，并将变桨期望值转化为控制指令发送给各叶片对应的主变频器； 步骤102、各主变频器根据所述控制指令产生驱动变桨电机的设定参数； 步骤103、主变频器将所述设定参数转发给对应的各从变频器； 步骤104、各主变频器向变桨电机控制输出具有设定参数的控制值，且各从变频器根据所述主变频器转发的设定参数向变桨电机控制输出具有所述设定参数的控制值； 步骤105、各变桨电机带动与之相连的各变桨减速器转动，多个变桨减速器分别与一个所述变桨轴承啮合以驱动变桨轴承转动来改变桨距角。
7.根据权利要求6所述的变桨控制方法，其特征在于，所述步骤105之后还包括 步骤201、检测变桨电机的当前位置； 步骤202、将变桨电机的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并将偏差信号传送给主变频器； 步骤203、主变频器根据偏差信号调整所述设定参数，再返回执行步骤103。
8.根据权利要求6所述的变桨控制方法，其特征在于，所述步骤105之后还包括 步骤301、检测变桨轴承的当前位置； 步骤302、将变桨轴承的当前位置与期望位置进行比较以产生偏差信号，并将偏差信号传送给主变频器； 步骤303、主变频器根据偏差信号调整所述设定参数，再返回执行步骤103。
9.一种风力发电机组，包括轮毂、叶片和发电机，其特征在于还包7括权利要求I 5任一所述的变桨控制系统；所述变桨轴承分别与各叶片相连，以改变所述叶片的桨距角。
全文摘要
本发明公开了一种变桨控制系统、变桨控制方法和风力发电机组，该变桨控制系统包括主控制器、变桨变频器组件、变桨电机、变桨减速器和变桨轴承，对应于每个叶片所设置的变桨轴承为一个，有多个变桨电机轴分别驱动多个变桨减速器，多个变桨减速器分别与一个变桨轴承啮合以驱动变桨轴承转动；与每个叶片对应的变桨变频器组件包括多个变频器，其中一个为主变频器，其余为从变频器，分别驱动多个变桨电机。本发明在不增加变桨电机和变桨减速器的电气与机械负担的基础上，实现对大型或超大型风力发电机组叶片的变桨控制。
文档编号F03D7/00GK102758726SQ20111010383
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者李磊, 路计庄, 闫猛 申请人:华锐风电科技(集团)股份有限公司