一种适用于风电机组的独立液压变桨系统及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于风电机组的独立液压变桨系统，包括风电机组上安装的叶片、嵌在叶片中的传感器阵列、液压变桨控制柜、用于供电及通讯的电力电缆和通讯电缆、用于叶片负载测量的测量模块、数据处理模块；当叶片受力不均时内嵌在叶片里的传感器阵列采集应力信号从而能够使系统对应实时的每个叶片分别受力的情况进行微调变桨，从而能够对叶片负载进行实时监测和控制，达到减小叶片载荷、提高发电量和延长整机寿命的目的。
【专利说明】—种适用于风电机组的独立液压变桨系统及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适用于风电机组的独立液压变桨系统，尤其涉及一种叶片负载实时监测和控制的液压变桨系统。
【背景技术】
[0002]液压变桨系统由控制柜、电液控制装置、液压站、变桨执行机构和桨距角传感器组成。风机正常运行时，机舱控制柜通过滑环采集来自轮毂的桨距角传感器信号，根据实时运行控制算法对信号进行处理、计算，并输出控制信号给电液控制装置，电液控制装置驱动位于轮毂的变桨执行机构，从而实现实时变桨功能。
[0003]传统的液压变桨方式属于统一变桨，这种控制方式本质上是认为整个风轮扫掠面上风速等于轮毂处的平均风速，统一对三个桨叶进行调节。显然这是一种比较理想的控制方式，其优点是控制策略简单易实现，变桨机构响应快，但实际中风速在整个风轮扫掠面是处处不同的，主要传动部件的磨损要比设计阶段的预测值大，由于缺少负载控制的方法，为了达到规定的输出功率，往往需要配备更长的叶片以及其他相关风机部分，大大增加了成本。因此，传统的统一液压变桨方式已越来越难以适应大型风电机组变桨控制需要。
[0004]此外，我国风资源地区气候复杂，由于气候等外部原因造成叶片受力不均或叶片损伤，从而导致液压变桨装置故障率提高，可靠性下降，乃至影响风机的整体寿命和经济效益，同时，对于并网型风机其输出电压和功率也会存在一定波动，输出的电能质量也会受到一定影响。
[0005]故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种适用于风电机组的独立液压变桨系统，对叶片负载进行实时监测和控制，达到减小叶片载荷、提高发电量和延长整机寿命的目的。
[0007]为实现上述目的，本发明适用于风电机组的独立液压变桨系统可采用如下技术方案:
[0008]一种适用于风电机组的独立液压变桨系统，包括风电机组上安装的叶片、嵌在叶片中的传感器阵列、液压变桨控制柜、用于供电及通讯的电力电缆和通讯电缆、用于叶片负载测量的测量模块、数据处理模块；
[0009]其中，传感器阵列采集叶片应力信息并将集叶片应力信息传导到测量模块；数据处理模块同时输出原始数据和汇总数据，并具有数据备份和存储功能。与【背景技术】相比，本发明中在叶片内设置传感器阵列，当叶片受力不均时内嵌在叶片里的传感器阵列采集应力信号从而能够使系统对应实时的每个叶片分别受力的情况进行微调变桨，从而能够对叶片负载进行实时监测和控制，达到减小叶片载荷、提高发电量和延长整机寿命的目的。
[0010]另外，液压变桨控制柜内包含低温型的嵌入式工业控制器、继电器、断路器、端子、浪涌保护器、温度传感和控制装置。[0011 ] 所述测量模块内设DSP数字信号处理单元、RS442全双工串行接口并且集成报警和警告功能。
[0012]上述适用于风电机组的独立液压变桨系统的使用方法可采用如下技术方案:
[0013]风电机组正常运行时，液压变桨系统控制柜通过通讯接口与机舱控制柜进行通讯，反馈变桨数据，接收变桨指令；同时变桨控制柜采集叶片桨距角信号、叶片负载信号、管路压力信号、蓄能器压力信号、温度传感器信号，经过计算处理，并根据主控的控制指令，驱动变桨执行机构，实现实时变桨；
[0014]当叶片受力不均时内嵌在叶片里的传感器阵列采集应力信号并传递给测量模块，数据经测量模块内设置的微应力测量元件处理后传递到数据处理模块，数据处理模块对数据汇总并处理后将最终数据发送给液压变桨控制柜，液压变桨控制柜控制执行机构进行实时变桨，在统一变桨的基础上对叶片进行微调。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明适用于风电机组的独立液压变桨系统的结构示意图。
[0016]图2是本发明适用于风电机组的独立液压变桨系统中独立变桨部分的示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0018]请参阅图1及图2所示，本发明公开一种适用于风电机组的独立液压变桨系统，包含用于器件安装、保护的高防护等级液压变桨控制柜；用于供电及通讯的电力电缆和通讯电缆；嵌在叶片中的传感器阵列，对于层压以及传感器热膨胀有温度补偿功能，不受电磁干扰和雷电的影响；适用于风力发电场合的高速、抗干扰光纤互连电缆；用于叶片负载测量、内设DSP数字信号处理单元、RS442全双工串行接口并且集成报警和警告功能的高速测量模块；可同时输出原始数据和汇总数据、配置多种通讯协议并且带SD卡数据备份和存储功能的数据处理模块。
[0019]进一步的:
[0020]变桨控制柜采集桨距角、轮毂内的压力、温度等信号，通过CAN通讯将信号反馈给机舱控制柜，同时接受机舱控制柜控制命令，驱动变桨执行机构，实现统一变桨。另外，叶片传感器阵列采集叶片应力信息，通过光纤电缆传导到测量模块，测量模块和数据处理模块之间通过RS442串行接口进行通讯，数据经处理后通过串口通讯发送至变桨系统PLC，再通过CAN通讯发送至机舱控制柜，运算处理后由机舱控制柜发出指令，变桨控制柜接受指令驱动变桨执行机构，实现桨叶微调。
[0021]液压变桨控制柜的设计充分考虑了环境的影响，达到IP54的防护等级，柜内包含低温型的嵌入式工业控制器、继电器、断路器、端子、浪涌保护器、温度传感和控制装置等部件，通过以上器件实现计算、通讯、安全保护、温度检测和控制、急停等功能。
[0022]电力电缆和通讯电缆起到了电力传输和通讯的功能，其中通讯电缆做到屏蔽层接地，更好地防止外部信号干扰。[0023]叶片传感器采用光纤布拉格光栅传感元件，具有绝对的应力测量技术，无温漂影响，不受电磁干扰及雷击的影响，对热膨胀有温度补偿功能。另外，叶片传感器内嵌在叶片内，层压下传感器贴片不会受到破坏。
[0024]测量模块和数据处理模块采用DC24V供电，能够适应轮毂里的恶劣工况。模块之间采用RS422串口通讯，测量模块集成了报价和警告信号，而数据处理模块支持SD卡数据备份和存储。
[0025]上述适用于风电机组的独立液压变桨系统的使用方法为:
[0026]请参阅图1所示，风机正常运行时，液压变桨系统控制柜通过通讯接口与机舱控制柜进行通讯，反馈变桨数据，接收变桨指令；经过滑环的电力电缆为变桨控制柜提供AC230V电源；同时变桨控制柜采集叶片桨距角信号、叶片负载信号、管路压力信号、蓄能器压力信号、温度传感器信号，经过计算处理，并根据主控的控制指令，输出控制信号给电液控制装置，电液控制装置驱动变桨执行机构，实现实时变桨，满足风电机组正常启动、并网、发电、停机等需要。
[0027]风机长时间运行对主要传动部件会产生磨损，另外由于天气等外部原因，例如覆冰、雷击等会使叶片受力不均或损坏，因此在统一变桨的基础上对叶片进行独立的监测和控制显得非常重要。如图2所示，当叶片受力不均时内嵌在叶片里的传感器阵列采集应力信号，高速光纤电缆将数据传递给测量模块，数据经模块内的微应力测量元件和DSP数字信号处理元件处理后通过RS422串口通讯传递到数据处理模块，数据处理模块汇总并处理后同样通过RS422串口通讯将最终数据发送给变桨控制柜PLC，变桨控制柜和机舱控制柜直接通过CAN通讯发送、接受数据和指令，最终控制执行机构进行实时变桨，在统一变桨的基础上对桨叶进行微调，满足叶片负载的合理要求，提高发电量，延长风电机组寿命。
[0028]另外，本系统设计了不同电压等级的防浪涌装置，由安全继电器控制的安全链回路，由PT100、温控器、加热器、风扇组成的温控系统，应对各种故障的急停控制回路，这些设计都显著提高了该系统的安全可靠性。变桨控制柜的柜体采用2.0mm厚度304不锈钢，柜体防护等级达到IP54，可有效保证在风沙、潮湿等恶劣环境中正常运行。
【权利要求】
1.一种适用于风电机组的独立液压变桨系统，其特征在于:包括风电机组上安装的叶片、嵌在叶片中的传感器阵列、液压变桨控制柜、用于供电及通讯的电力电缆和通讯电缆、用于叶片负载测量的测量模块、数据处理模块； 其中，传感器阵列采集叶片应力信息并将集叶片应力信息传导到测量模块； 数据处理模块同时输出原始数据和汇总数据，并具有数据备份和存储功能。
2.根据权利要求1所述的适用于风电机组的独立液压变桨系统置，其特征在于:液压变桨控制柜内包含低温型的嵌入式工业控制器、继电器、断路器、端子、浪涌保护器、温度传感和控制装置。
3.根据权利要求2所述的适用于风电机组的独立液压变桨系统，其特征在于:所述测量模块内设DSP数字信号处理单元、RS442全双工串行接口并且集成报警和警告功能。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的适用于风电机组的独立液压变桨系统的使用方法，其特征在于: 风电机组正常运行时，液压变桨系统控制柜通过通讯接口与机舱控制柜进行通讯，反馈变桨数据，接收变桨指令；同时变桨控制柜采集叶片桨距角信号、叶片负载信号、管路压力信号、蓄能器压力信号、温度传感器信号，经过计算处理，并根据主控的控制指令，驱动变桨执行机构，实现实时变桨； 当叶片受力不均时内嵌在叶片里的传感器阵列采集应力信号并传递给测量模块，数据经测量模块内设置的微应力测量元件处理后传递到数据处理模块，数据处理模块对数据汇总并处理后将最终数据发送给液压变桨控制柜，液压变桨控制柜控制执行机构进行实时变桨，在统一变桨的基础上对叶片进行微调。
【文档编号】F03D7/00GK103470448SQ201310409531
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】潘晨, 邵宜祥, 田炜, 鲁斌, 刘剑, 沈鑫 申请人:国电南瑞科技股份有限公司