风电变桨控制系统及风电设备的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种风电变桨控制系统及风电设备。


背景技术：

2.在强风天气下，风电机组无法保证运行安全；此时风电机组需要使桨叶(通常需要至少两个桨叶)顺桨至安全位置，以安全停机，保证风机不被吹倒。桨叶由对应的变桨驱动器进行控制，在一个风机内包括多个变桨驱动器。桨叶是否能够快速顺桨，是保证风机安全的重要条件；而这需要变桨驱动器的稳定运行。然而，目前无法对变桨驱动器在自身异常时进行停机，容易导致顺桨无法完成，风机存在较大的安全隐患。


技术实现要素：

3.本实用新型的主要目的在于提供一种风电变桨控制系统及风电设备，旨在解决现有技术中变桨驱动器在自身异常时进行停机的技术问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提出一种风电变桨控制系统，包括安全信号回路、故障检测回路和多个变桨驱动器，变桨驱动器包括微控制单元和继电器，微控制单元分别与继电器和电机连接，电机与桨叶连接；
5.各变桨驱动器中的微控制单元并联于安全信号回路上，各变桨驱动器中的继电器串联于故障检测回路中，故障检测回路与安全信号回路之间设置有感应开关，感应开关用于控制安全信号回路保持与故障检测回路相同的连接状态，连接状态包括导通状态和断开状态；
6.微控制单元内置有诊断模块，微控制单元，用于根据诊断模块的自检结果生成诊断信号，并将诊断信号传输至继电器；
7.继电器，用于根据诊断信号在导通状态和断开状态之间切换；
8.微控制单元，还用于在安全信号回路处于断开状态时驱动电机将桨叶顺桨至预设位置。
9.可选的，安全信号回路包括第一直流输入端口和第一直流输出端口，微控制单元具有第一差分输入端口和第二差分输入端口；
10.第一直流输入端口分别与第一差分输入端口中的第一端口和第二差分输入端口中的第一端口连接，第一直流输出端口分别与第一差分输入端口中的第二端口和第二差分输入端口中的第二端口连接；
11.微控制单元，还用于在第一差分输入端口或第二差分输入端口接收到触发信号时，驱动桨叶顺桨至预设位置。
12.可选的，风电变桨控制系统还包括风机控制器，风机控制器分别与各变桨驱动器连接，安全信号回路中靠近第一直流输入端口的线路上还设置有开关，开关与风机控制器连接；
13.风机控制器，用于控制开关导通或断开。
14.可选的，故障检测回路包括第二直流输入端口和第二直流输出端口，继电器为安全继电器，安全继电器包括第一继电器和第二继电器；
15.第二直流输入端口与第一级变桨驱动器中安全继电器的第一继电器的第一端口连接，第二直流输出端口与最后一级变桨驱动器中安全继电器的第二继电器的第二端口连接，第一继电器的第二端口与第二继电器的第一端口连接。
16.可选的，感应开关为继电器开关，继电器开关的线圈设置在故障检测回路中靠近第二直流输出端口的线路上，继电器开关的触点开关设置在安全信号回路中靠近第一直流输出端口的线路上。
17.可选的，风电变桨控制系统还包括位置检测电路，微控制单元具有第一位置输入端口和第二位置输入端口，位置检测电路分别与第一位置输入端口和第二位置输入端口连接；
18.位置检测电路，用于在桨叶的位置到达限位位置时，生成限位信号，并将限位信号分别传输至第一位置输入端口和第二位置输入端口；
19.微控制单元，还用于在接收到限位信号时，控制桨叶停机，完成顺桨。
20.可选的，微控制单元具有第一紧急输入端口和第二紧急输入端口；
21.微控制单元，还用于在第一差分输入端口或第二差分输入端口接收到触发信号时，驱动桨叶立即停机。
22.可选的，变桨驱动器还包括看门狗模块和电源模块，微控制单元具有复位端口，复位端口分别与看门狗模块和电源模块连接；
23.看门狗模块，用于在检测到微控制单元运行异常时，向复位端口传输第一复位信号；
24.电源模块，用于在所接入的电源处于欠压状态时，向复位端口传输第二复位信号；
25.微控制单元，还用于在接收到第一复位信号和/或第二复位信号时进行复位，并生成断开信号，将断开信号传输至继电器，以断开继电器。
26.可选的，变桨驱动器还包括铁电存储器，铁电存储器内存储有变桨驱动器运行的配置参数；
27.微控制单元，还用于在对配置参数校验失败时生成断开信号，并将断开信号传输至继电器，以断开继电器。
28.为实现上述目的，本实用新型还提出一种风电设备，风电设备组包括如上述的风电变桨控制系统。
29.本实用新型中，通过设置安全信号回路、故障检测回路和多个变桨驱动器构成风电变桨控制系统。变桨驱动器包括微控制单元和继电器，微控制单元分别与继电器和桨叶连接；各变桨驱动器中的微控制单元并联于安全信号回路上，各变桨驱动器中的继电器串联于故障检测回路中，故障检测回路与安全信号回路之间设置有感应开关，感应开关用于控制安全信号回路保持与故障检测回路相同的连接状态，连接状态包括导通状态和断开状态；微控制单元内置有诊断模块，微控制单元，用于根据诊断模块的自检结果生成诊断信号，并将诊断信号传输至继电器；继电器，用于根据诊断信号在导通状态和断开状态之间切换；微控制单元，还用于在安全信号回路处于断开状态时驱动桨叶顺桨至预设位置。本实用
新型通过采用安全mcu作为变桨驱动器的主控芯片，同时设置安全信号回路、故障检测回路，使各变桨驱动器协同运行，从而及时在变桨驱动器出现异常时进行顺桨，保证风机安全。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
31.图1为本实用新型风电变桨控制系统第一实施例的电气结构图；
32.图2为本实用新型微控制单元一实施方式的结构示意图；
33.图3为本实用新型风电变桨控制系统第二实施例的电气结构图。
34.附图标号说明：
35.标号名称标号名称10安全信号回路a1～a2第一至第二直流输入端口20故障检测回路b1～b2第一至第二直流输出端口30变桨驱动器sci11、sci12第一差分输入端口301微控制单元sci21、sci22第二差分输入端口302继电器scr11、scr12第一继电器端口303诊断模块scr21、scr22第二继电器端口40桨叶ls1～ls2第一至第二位置输入端口50感应开关enpo1～enpo2第一至第二紧急输入端口60电机errorsts微控制单元异常输出端口70风机控制器fram铁电存储器80开关reset复位端口
36.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
37.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
39.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
40.另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
41.参照图1，图1为本实用新型风电变桨控制系统第一实施例的电气结构图。本实用新型提出风电变桨控制系统的第一实施例。
42.如图1所示，在本实施例中，风电变桨控制系统包括安全信号回路10、故障检测回路20和多个变桨驱动器30，变桨驱动器30包括微控制单元301和继电器302，微控制单元301分别与继电器302和电机60连接，电机60与桨叶40连接。
43.各变桨驱动器30中的微控制单元301并联于安全信号回路10上，各变桨驱动器30中的继电器32串联于故障检测回路20中，故障检测回路20与安全信号回路10之间设置有感应开关50，感应开关50用于控制安全信号回路10保持与故障检测回路20相同的连接状态，连接状态包括导通状态和断开状态。
44.需要说明的是，安全信号回路10的连接状态跟随故障检测回路20的连接状态变化。在故障检测回路20处于导通状态时，安全信号回路10也处于导通状态；在故障检测回路20处于断开状态时，安全信号回路10也处于断开状态。
45.微控制单元301内置有诊断模块303；微控制单元301用于根据诊断模块302的自检结果生成诊断信号，并将诊断信号传输至继电器302。继电器302用于根据诊断信号在导通状态和断开状态之间切换。微控制单元301还用于在安全信号回路处于断开状态时驱动电机将桨叶40顺桨至预设位置。
46.需要说明的是，本实施方式采用安全mcu作为变桨驱动器30的主控芯片。安全mcu是指具备功能安全认证的mcu，其能够对自身进行诊断，获得自检结果。自检结果为正常时，说明mcu不存在故障；若自检结果为异常，则说明mcu存在故障。
47.通常而言，安全mcu内置有诊断模块302，该诊断模块302可以对自身的诊断包括cpu、flash和ram的诊断，三种诊断分别在上电初始化执行、软件运行过程中定时执行和桨叶在安全位置时的执行。或者还可以包括栈溢出的实时诊断。
48.参照图2，图2为本实用新型微控制单元一实施方式的结构示意图。如图2所示，变桨驱动器30还可以包括看门狗模块和电源模块，微控制单元301具有复位端口reset，复位端口reset分别与看门狗模块和电源模块连接。看门狗模块用于在检测到微控制单元301运行异常时，向复位端口reset传输第一复位信号。电源模块，用于在所接入的电源处于欠压状态时，向复位端口reset传输第二复位信号。微控制单元301，还用于在接收到第一复位信号和/或第二复位信号时进行复位，并生成断开信号，将断开信号传输至继电器302，以断开继电器。
49.微控制单元301设置有微控制单元异常输出端口errorsts，该端口与继电器302连接。在微控制单元301正常时，该端口输出低电平；当其异常时，该端口输出高电平。继电器302在接收到该端口传输的低电平时，处于导通状态；在接收到该端口传输的高电平时，处于断开状态。当然，反之亦可。
50.看门狗模块可以包括设置在微控制单元301内部的内部看门狗以及设置在微控制单元301外部的外部看门狗。看门狗模块可以检测微控制单元301内部的程序运行状态，在
程序运行异常时，向复位端口reset传输第一复位信号。其中，看门狗基于成熟的技术，本实施方式在此不再赘述。
51.电源模块主要包括电源监控模块和电源输入端口，电源输入端口用于接入5v、3.3v和1.2v的电源。电源监控模块用于对接入的电源电压进行检测，若接入的电源电压出现欠压状况，则向复位端口reset传输第二复位信号。
52.在本实施方式中，变桨驱动器30还可以包括铁电存储器fram，铁电存储器fram内存储有变桨驱动器30运行的配置参数；微控制单元301，还用于在对配置参数校验失败时生成断开信号，并将断开信号传输至继电器302，以断开继电器。
53.变桨驱动器30在上电初始化过程中，可以从铁电存储器fram中提取配置参数，然后进行crc16(循环冗余)校验。若校验失败，则直接控制控制继电器302断开。
54.安全mcu内的软件模块可以包括故障模块、mcu诊断模块、io检测模块、顺桨模块、启停控制模块、抱闸模块、频率给定模块、功能与性能交互接口模块、电机控制模块、功能码设定模块和eeprom模块；这些模块共同实现了顺桨软件功能。故障模块检测功能软件、性能软件、io检测模块和mcu诊断模块检测出的故障；驱动器报出故障，同时通过启停控制模块同时触发驱动器顺桨或自由停机；顺桨模块在接收到io检测模块的检测信号或故障模块发出的故障后，生成顺桨运行或停机命令传给启停控制模块；启停控制模块生成最终电机运行或停机命令，同时抱闸模块根据电机运行或停机命令控制电机抱闸的开合；另外，电机运行/停机命令和频率给定模块产生的顺桨频率，经过功能和性能交互模块传递到电机控制模块，控制电机运行。
55.当然，上述内容仅为安全mcu的一种可实现方式，并不构成对安全mcu内不部软件的限定。并且，安全mcu已有成熟的技术，相关诊断方法、程序也有成熟技术，本实施方式在此不再赘述。
56.为保证风机的安全，在变桨驱动器30出现异常时，需要进行停机。在本实施方式中，安全mcu可以根据诊断模块302的自检结果控制继电器302动作。诊断信号可以为电信号，其具有高电平和低电平两者状态。在自检结果为正常时，诊断信号为低电平；在自检结果为异常时，诊断信号为高电平。或者，在自检结果为正常时，诊断信号为高电平；在自检结果为异常时，诊断信号为低电平。
57.在本实施方式中，在微控制单元301的自检结果为正常时，继电器302处于导通状态。若各变桨驱动器30中的继电器302均处于导通状态，则故障检测回路20处于导通状态，安全信号回路10也处于导通状态。安全信号回路10可以传递有安全信号，该安全信号可以为电压信号。在安全信号回路10处于导通状态时，微控制单元301可以接收到该安全信号，保持正常运行状态。而若某一继电器302断开时，故障检测回路20处于断开状态，则安全信号回路10也处于断开状态。此时微控制单元301无法接收到该安全信号，进入顺桨状态。
58.为进一步清楚地说明本实施方式中风电变桨控制系统的运行逻辑，利用以下举例进行说明。假设风电变桨控制系统包括变桨驱动器a、变桨驱动器b和变桨驱动器c。若变桨驱动器b中的mcu异常，则变桨驱动器b中的继电器302断开。此时，变桨驱动器a、变桨驱动器b和变桨驱动器c均无法接收到安全信号。由于变桨驱动器b中的mcu异常，其可能无法正常顺桨，但变桨驱动器a和变桨驱动器c中mcu正常，可以正常顺桨。从而保证至少两个桨叶顺桨至安全位置，保证了风机安全。其中，mcu控制桨叶40的顺桨控制过程已有成熟的技术，本
实施方式在此不再赘述。
59.在本实施方式中，风电变桨控制系统包括安全信号回路10、故障检测回路20和多个变桨驱动器30。各变桨驱动器30中的微控制单元301并联于安全信号回路10上，各变桨驱动器30中的继电器32串联于故障检测回路20中，故障检测回路20与安全信号回路10之间设置有感应开关50。微控制单元301根据诊断模块302的自检结果向继电器302传输诊断信号。继电器302根据诊断信号在导通状态和断开状态之间切换。微控制单元301在安全信号回路处于断开状态时驱动电机将桨叶40顺桨至预设位置。本实施方式通过采用安全mcu作为变桨驱动器30的主控芯片，同时设置安全信号回路10、故障检测回路20，使各变桨驱动器30协同运行，从而及时在变桨驱动器30出现异常时进行顺桨，保证风机安全。
60.参照图3，图3为本实用新型风电变桨控制系统第二实施例的电气结构图。基于上述第一实施例，本实用新型提出风电变桨控制系统的第二实施例。
61.在本实施方式中，安全信号回路10包括第一直流输入端口a1和第一直流输出端口b1，微控制单元301具有第一差分输入端口(sci11、sci12)和第二差分输入端口(sci21、sci22)。第一直流输入端口a1分别与端口sci11和端口sci21连接，第一直流输出端口b1分别与端口sci12和端口sci22连接。
62.需要说明的是，本实施方式将变桨驱动器30进行集成化，变桨驱动器提供有多个外部端口与外部电连接。图2中的端口表示可以理解为变桨驱动器提供的外部端口，此时，该外部端口与微控制单元301和继电器302的对应端口连接。当然，也可以理解为微控制单元301和继电器302的端口。
63.在本实施方式中，安全信号回路10接入有电源，其可以为24v等。因此变桨驱动器30所接到的安全信号为24v的电压信号，由于多数mcu的i/o端口的电压为3.3v或5v，因此变桨驱动器30还可以对接入的安全信号的电压进行降压处理，在传输至微控制单元301。
64.可以理解的是，微控制单元301具有两路安全信号输入链路。通过冗余设计，可以保证微控制单元301能够正常接收到安全信号，防止变桨驱动器30自身端口异常导致无法接收安全信号。
65.在本实施方式中，风电变桨控制系统还可以包括风机控制器70，风机控制器70分别与各变桨驱动器30连接，安全信号回路10中靠近第一直流输入端口a1的线路上还设置有开关80，开关80与风机控制器70连接。风机控制器70用于控制开关80导通或断开。
66.可以理解的是，风机控制器70作为风电变桨控制系统的中控中心，控制各变桨驱动器30的运行。其中，开关80直接与第一直流输入端口a1连接，从而更快速地切断安全信号回路10。风机控制器70可以通过开关80直接对安全信号回路10的导通或断开进行控制，从而响应对风机的外部控制，进行停机。例如，当处于强风天气时，风机控制器70断开安全信号回路10，促使各变桨驱动器30进行顺桨控制，保证风机安全。
67.在本实施方式中，故障检测回路20可以包括第二直流输入端口a2和第二直流输出端口b2，继电器302为安全继电器，安全继电器包括两个继电器，每个继电器具有两个端口。其中，第一个继电器的端口表示为scr11和scr12，第二个继电器的端口表示为scr21和scr22。第二直流输入端口a2与第一级变桨驱动器30中安全继电器的第一个继电器的端口scr11连接，第二直流输出端口b2与最后一级变桨驱动器30中安全继电器的第二个继电器的端口scr22连接，安全继电器中第一个继电器的端口scr12与第二个继电器的端口scr21
连接。
68.在本实施方式中，中间级变桨驱动器30中安全继电器的第一输入端口scr11连接与上一级变桨驱动器30中安全继电器的第二输出端口scr22连接，从而使各安全继电器串联在故障检测回路20。在任一安全继电器断开时，故障检测回路20断开。
69.安全继电器是由数个继电器与电路组合而成，为的是要能互补彼此的异常缺陷，达到正确且低误动作的继电器完整功能，使其失误和失效值愈低，安全因素则愈高。例如，即使其中任一继电器发生粘连接，通过断开其他继电器使安全继电器断开，从而保证有效地断开故障检测回路20。
70.在本实施方式中，感应开关50为继电器开关，继电器开关的线圈设置在故障检测回路20中靠近第二直流输出端口b2的线路上，继电器开关的触点开关设置在安全信号回路10中靠近第一直流输出端口b1的线路上。
71.如图2所示，感应开关50中的线圈直接与第二直流输出端口b2连接，感应开关50中的触点直接与第一直流输出端口b1连接。当然，也可以设置在进直流输入端口一侧。
72.在本实施方式中，微控制单元301具有第一紧急输入端口enpo1和第二紧急输入端口enpo2。微控制单元301在第一紧急输入端口enpo1或第二紧急输入端口enpo2接收到触发信号时驱动器立即停机。
73.需要说明的是，第一紧急输入端口enpo1和第二紧急输入端口enpo2用于提供紧急控制通道。例如，第一紧急输入端口enpo1和第二紧急输入端口enpo2可以与紧急开关连接。风机维保人员可以通过操作紧急开关向第一紧急输入端口enpo1和第二紧急输入端口enpo2传输触发信号，从而在系统正常时驱动器立即停机。
74.同样，微控制单元301设置两路紧急输入链路，通过冗余设计，可以保证微控制单元301能够正常接收到该触发信号，防止变桨驱动器30自身端口异常导致无法接收该触发信号。
75.在本实施方式中，风电变桨控制系统还可以包括位置检测电路，微控制单元具有第一位置输入端口ls1和第二位置输入端口ls2，位置检测电路分别与第一位置输入端口ls1和第二位置输入端口ls2连接。位置检测电路，用于在桨叶40的位置到达限位位置时，生成限位信号，并将限位信号分别传输至第一位置输入端口ls1和第二位置输入端口ls2；微控制单元，还用于在接收到限位信号时，控制桨叶停机。
76.变桨驱动器30在进行桨叶进行控制时，需要获取桨叶的位置，以更准确地对桨叶进行控制。例如，在进行顺桨时，需要在桨叶达到安全位置时停止控制。同样，微控制单元301具有两路位置信号输入链路。通过冗余设计，可以保证微控制单元301能够正常接收到位置信号，防止变桨驱动器30自身端口异常导致无法接收位置信号，提高了变桨驱动器30的可靠性。
77.在本实施方式中，安全信号回路10和故障检测回路20接入有电源，通过利用电压信号对各器件进行触发，实现信号传递；变桨驱动器30中各端口采用冗余设计，即使变桨驱动器30的部分端口出现异常，也能够正常接收各类信号，提高了变桨驱动器30的可靠性。
78.为实现上述目的，本实用新型还提出一种风电设备，风电设备组包括如上述的风电变桨控制系统。该风电变桨控制系统的具体结构参照上述实施例，由于本风电设备可以采用上述所有实施例的技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的有益效
果，在此不再一一赘述。
79.以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
80.值得注意的是，在本实用新型的实际应用中，不可避免的会应用到软件程序，但申请人在此声明，该技术方案在具体实施时所应用的软件程序皆为现有技术，在本技术中，不涉及到软件程序的更改及保护，只是对为实现实用新型目的而设计的硬件架构的保护。