專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的控制裝置，特別是涉及到一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置。
背景技術(shù)：
隨著不可再生能源在世界范圍面臨枯竭的窘境，為滿足工業(yè)化生產(chǎn)和人類生活所需，人民對(duì)核能、太陽(yáng)能、風(fēng)力、等可再生能源的關(guān)注和利用已日漸提升。其中，核能利用的不安全性為人們所困擾，眾所周知的前蘇聯(lián)切爾諾貝利和日本福島的核事故給人類歷史留下了深深的痛；太陽(yáng)能光伏利用利用率低，成本居高不下，生產(chǎn)過程耗能巨大，污染性強(qiáng)，還有待即一部完善；只有風(fēng)力發(fā)電才是一種已經(jīng)發(fā)展相對(duì)成熟的能源開發(fā)技術(shù)，有著廣泛的普及應(yīng)用。變槳技術(shù)是目前大功率風(fēng)力發(fā)電的主流技術(shù)，采用變槳技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過變槳系統(tǒng)可以調(diào)整葉片的槳距角，優(yōu)化風(fēng)輪的出力，改善風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性，并消除因空氣密度變化等因素對(duì)功率輸出的影響。采用變槳距技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能主動(dòng)以全順槳方式來減少葉輪所承受的風(fēng)壓，具有機(jī)組起動(dòng)性能好、輸出功率穩(wěn)定、機(jī)組結(jié)構(gòu)受力小、 停機(jī)方便安全和運(yùn)輸起吊難度小等優(yōu)點(diǎn)。另外，通過變槳系統(tǒng)可以使葉片處于順槳狀態(tài)，這樣在機(jī)組出現(xiàn)故障等情況下，極大地減小制動(dòng)工況下作用在傳動(dòng)系統(tǒng)中的載荷，同時(shí)在極端風(fēng)速工況下通過順槳減小風(fēng)輪上承受的推力，從而降低搭架所承受的極限載荷?，F(xiàn)有的變槳系統(tǒng)一般包括主控箱，及由主控箱控制的若干個(gè)并聯(lián)的軸控箱，如圖所示，目前的主控箱一般都是設(shè)置成方形，因此主控箱內(nèi)只能設(shè)用于提供控制程序的單片機(jī)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)較小。但是，同時(shí)帶來的影響是單片機(jī)所能帶來的控制功能較少。另外，在目前廣泛應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)中，UPS系統(tǒng)的主要功能是 一旦電網(wǎng)供電故障，立即啟動(dòng)給變槳距系統(tǒng)提供電力，變槳距系統(tǒng)控制葉片轉(zhuǎn)到安全的位置，因此風(fēng)電變槳UPS系統(tǒng)對(duì)于儲(chǔ)能單元有著很高的要求。首先，風(fēng)力發(fā)電廠本身的工作環(huán)境差異很大，要求風(fēng)電變槳UPS系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，不論在什么工作條件下能夠正常工作。其次，UPS系統(tǒng)主要是起著緊急供電的作用，供電時(shí)間不是很長(zhǎng)， 但是對(duì)功率的需求很大，這就要求儲(chǔ)能單元具有短時(shí)大功率吞吐能力。第三，由于現(xiàn)代風(fēng)機(jī)越來越大型化和復(fù)雜化，為了減少風(fēng)機(jī)的維修和零件的更換，因此需要UPS系統(tǒng)具有很長(zhǎng)的使用壽命，而且在長(zhǎng)時(shí)間使用后能夠保持性能基本不變，而這其中最主要的就是UPS的儲(chǔ)能單元。在目前的UPS系統(tǒng)中。可充電蓄電池是一種應(yīng)用非常普遍的儲(chǔ)能器件。如鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鎳氫蓄電池等。蓄電池儲(chǔ)能具有能量密度高、成本低廉原材料豐富、制造技術(shù)成熟等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。但是。采用可充電蓄電池作為UPS的儲(chǔ)能單元存在一定的不足之處，無法很好的滿足風(fēng)電變槳UPS系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能單元的要求。首先，由于蓄電池在工作過程中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起電極結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮，導(dǎo)致蓄電池性能衰減。由于風(fēng)電變槳UPS系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元要不斷地吸收和釋放能量，特別是在電網(wǎng)供電不可靠的地區(qū)為保證風(fēng)電變槳距系統(tǒng)的供電不間斷還要經(jīng)常進(jìn)行深度充放電，導(dǎo)致蓄電池使用壽命的縮短，需要經(jīng)常更換，增加了系統(tǒng)的成本。其次，由于蓄電池的功率密度較小，在風(fēng)電變槳距系統(tǒng)的這種大功率應(yīng)用場(chǎng)合，要配置容量很大的蓄電池組，增加了系統(tǒng)的成本，降低了經(jīng)濟(jì)性。最后，由于蓄電池的能量管理過程非常復(fù)雜，其充放電效率較低，需要經(jīng)常維護(hù)或更換，而且使用后的金屬材料不易處理，會(huì)造成環(huán)境污染。在風(fēng)電變槳距UPS系統(tǒng)中應(yīng)用蓄電池作為儲(chǔ)能單元，從技術(shù)性能的經(jīng)濟(jì)性能上分析都不是很合適。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型旨在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置。本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，是由與槳葉固定聯(lián)接的輪轂、在輪轂上設(shè)置的中控柜、軸控柜、直流電機(jī)及傳動(dòng)裝置構(gòu)成，所述的中控柜與一個(gè)以上的軸控柜連接，每個(gè)軸控柜分別與電機(jī)和傳動(dòng)裝置連接，所述的中控柜為六邊形，在中控柜內(nèi)設(shè)有PLC 控制單元，在軸控柜內(nèi)設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，傳動(dòng)裝置是將固定在直流電機(jī)軸上的減速機(jī)系統(tǒng)與固定在輪轂上的齒圈相嚙合構(gòu)成。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器聯(lián)接保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)及傳動(dòng)裝置，軸控柜內(nèi)還設(shè)有與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)的充放電單元，充放電單元的一端與中控柜聯(lián)接，另一端與保護(hù)電路聯(lián)接。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的充放電單元包括超級(jí)電容器、充放電電路、 接觸器和控制電路，所述的超級(jí)電容器的輸出端接充放電電路的輸入端，充放電電路的輸出端接直流母線，接觸器串接在直流母線的一輸出線上，充放電電路內(nèi)嵌的傳感器的輸出端接控制電路對(duì)應(yīng)的控制輸入端，控制電路的一個(gè)控制輸出端接充放電電路的控制輸入端，控制電路的另一個(gè)控制輸出端接接觸器的控制端。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的控制電路由信號(hào)采樣單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、 用戶指令單元、計(jì)算機(jī)控制單元以及隔離驅(qū)動(dòng)單元組成，其中采樣單元的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出端與計(jì)算控制單元相連，用戶指令單元的輸出端與計(jì)算控制單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連，計(jì)算控制單元的控制信號(hào)輸出端與隔離驅(qū)動(dòng)單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，在直流電機(jī)的輸出齒輪上設(shè)有位置傳感器，在直流電機(jī)上還設(shè)有熱保護(hù)開關(guān)，溫度傳感器和加熱器，溫度傳感器、加熱器和保護(hù)開關(guān)與PLC 控制單元聯(lián)接。位置傳感器將電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信號(hào)通過編碼器選擇反饋給PLC控制單元進(jìn)行處理，形成位置閉環(huán)；在直流電機(jī)輸出齒輪上還設(shè)有速度傳感器，速度傳感器將直流電機(jī)輸出的ω角速度信號(hào)反饋給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行處理，形速度環(huán)。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，在槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪上設(shè)有位置傳感器，位置傳感器與PLC控制單元連接。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，在中控柜的箱體上相互間隔的三個(gè)壁上分別設(shè)有控制接口與軸控柜的控制接口連接。本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，采用將若干個(gè)軸距均采用相同結(jié)構(gòu)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了軸距的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，便于管理與維護(hù)；將超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能單元，為風(fēng)電變槳系統(tǒng)的直流母線提供功率支撐。由于超級(jí)電容器具有功率密度大、充放電速度快、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，加上高效的充放電控制策略，能夠大幅度提高系統(tǒng)的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能，能夠充分發(fā)揮其功率密度大、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)和儲(chǔ)能效率高的優(yōu)點(diǎn)，使儲(chǔ)能裝置具有良好的技術(shù)性能。由于充放電電路的變流控制作用，超級(jí)電容器的端電壓與直流母線電壓可以有很大的不同，在滿足同樣功率需求的前題下，超級(jí)電容器的能量利用率大為提高，減少了安裝容量，降低了系統(tǒng)成本。本裝置使用簡(jiǎn)單，用戶只需要將裝置接在直流母線上、并操縱開、關(guān)按鈕就能控制整個(gè)裝置的運(yùn)行和停止，具體的工作過程全部由軟件控制實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，槳葉的驅(qū)動(dòng)由直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，由于是線性控制，控制特性較穩(wěn)定，而以往的交流電機(jī)變頻裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在很大程度上簡(jiǎn)化了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；同時(shí)，電機(jī)在緊急情況需用備用電池電源供電，直流電機(jī)省略了冗煩的交/ 直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，即提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖1是本實(shí)用新型中控柜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是軸控柜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；圖4是充放電單元的結(jié)構(gòu)原理圖；圖5是充放電單元中控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型直流電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，如圖1、圖2所示，是由與槳葉1固定聯(lián)接的輪轂2、在輪轂2上設(shè)置的中控柜3、軸控柜4、直流電機(jī)5及傳動(dòng)裝置構(gòu)成。所述的中控柜3與一個(gè)以上的軸控柜4連接，如圖3所示，每個(gè)軸控柜4分別與電機(jī)5和傳動(dòng)裝置連接，所述的中控柜3為六邊形，在中控柜3內(nèi)設(shè)有PLC控制單元6，在軸控柜4內(nèi)設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)5，傳動(dòng)裝置是將固定在直流電機(jī)5軸上的減速機(jī)系統(tǒng)8與固定在輪轂 2上的齒圈9相嚙合構(gòu)成。所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7聯(lián)接保護(hù)電路10驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)5及傳動(dòng)裝置，軸控柜4內(nèi)還設(shè)有與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7并聯(lián)的充放電單元11，充放電單元11的一端與中控柜3聯(lián)接，另一端與保護(hù)電路10聯(lián)接。充放電單元在PLC控制單元給出指令后，控制充電電池組充電。所述的充放電單元11包括超級(jí)電容器13、充放電電路14、接觸器15和控制電路 16，所述的超級(jí)電容器13的輸出端接充放電電路14的輸入端，充放電電路14的輸出端接直流母線，接觸器15串接在直流母線的一輸出線上，充放電電路14內(nèi)嵌的傳感器17的輸出端接控制電路16對(duì)應(yīng)的控制輸入端，控制電路16的一個(gè)控制輸出端接充放電電路14的控制輸入端，控制電路16的另一個(gè)控制輸出端接接觸器15的控制端，如圖5所示?？刂齐娐酚尚盘?hào)采樣單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、用戶指令單元、計(jì)算機(jī)控制單元以及隔離驅(qū)動(dòng)單元組成，其中采樣單元的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出端與計(jì)算控制單元相連，用戶指令單元的輸出端與計(jì)算控制單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連，計(jì)算控制單元的控制信號(hào)輸出端與隔離驅(qū)動(dòng)單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連，如圖5所示。在直流電機(jī)5的輸出齒輪上設(shè)有位置傳感器12，在直流電機(jī)5上還設(shè)有熱保護(hù)開關(guān)，溫度傳感器和加熱器，溫度傳感器、加熱器和保護(hù)開關(guān)與PLC控制單元聯(lián)接，如圖6所示，位置傳感器將電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信號(hào)通過編碼器選擇反饋給PLC控制單元進(jìn)行處理， 形成位置閉環(huán)。在槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪上設(shè)有位置傳感器18，位置傳感器18與PLC控制單元連接；在直流電機(jī)輸出齒輪上還設(shè)有速度傳感器，速度傳感器將直流電機(jī)輸出的ω角速度信號(hào)反饋給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行處理，形速度環(huán)。在中控柜3的箱體上相互間隔的三個(gè)壁上分別設(shè)有控制接口 19與軸控柜4的控制接口 20連接。中控柜箱體上相互間隔的另外三個(gè)壁的外側(cè)設(shè)有照明燈22，其內(nèi)側(cè)設(shè)有加熱器21。照明燈22是為了維修時(shí)照明所用。本裝置投入使用后，其工作過程是，首先檢測(cè)各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)超級(jí)電容器的能量?jī)?chǔ)能情況，選擇合適的充電電流，由直流母線端通過充放電電路給超級(jí)電容器充電，當(dāng)超級(jí)電容器組存儲(chǔ)的能量較小時(shí)，采用大電流快速充電，當(dāng)接近滿荷狀態(tài)時(shí)，采用小電流充電，以避免超級(jí)電容組的過充。當(dāng)超級(jí)電容器儲(chǔ)存滿能量后，停止對(duì)其充電，但當(dāng)超級(jí)電容器組由于自放電消耗掉部分能量后，控制電路重新控制充放電電路用過直流母線對(duì)超級(jí)電容器充電?？刂齐娐窓z測(cè)直流母線端的電壓，當(dāng)?shù)涞揭欢〝?shù)值時(shí)，停止對(duì)超級(jí)電容器充電， 若直流母線端電壓繼續(xù)下降到一定數(shù)值，則由超級(jí)電容器通過充放電電路對(duì)其供電，輸出功率的大小要視直流母線功率的變化率而定，以使母線電壓維持在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)控制電路檢測(cè)到直流母線電壓恢復(fù)正常時(shí)，停止超級(jí)電容器組成對(duì)直流母線端的供電。當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，為了延長(zhǎng)整個(gè)風(fēng)電變槳UPS系統(tǒng)的工作時(shí)間，超級(jí)電容器組通過充放電電路對(duì)直流母線端供電時(shí)，只保證直流母線端最低功率要求。隨著超級(jí)電容器放電過程的繼續(xù)，改變超級(jí)電容器內(nèi)部的串、并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，以使超級(jí)電容器組維持較高的電壓水平實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線端得持續(xù)供電。在對(duì)超級(jí)電容器組充放電的過程中，不斷檢測(cè)器溫度，適當(dāng)調(diào)整功率輸出或輸入大小，使超級(jí)電容器組的發(fā)熱控制在一定范圍內(nèi)，以提高超級(jí)電容器組的使用壽命。當(dāng)超級(jí)電容器組出現(xiàn)電壓突變等異常情況時(shí)，斷開整個(gè)系統(tǒng)，并提示用戶。
權(quán)利要求1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，是由與槳葉(1)固定聯(lián)接的輪轂(2)、在輪轂(2)上設(shè)置的中控柜(3)、軸控柜(4)、直流電機(jī)(5)及傳動(dòng)裝置構(gòu)成，其特征在于中控柜(3)與一個(gè)以上的軸控柜(4)連接，每個(gè)軸控柜(4)分別與電機(jī)(5)和傳動(dòng)裝置連接，所述的中控柜(3) 為六邊形，在中控柜(3)內(nèi)設(shè)有PLC控制單元(6)，在軸控柜(4)內(nèi)設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(7)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)(5)，傳動(dòng)裝置是將固定在直流電機(jī)(5)軸上的減速機(jī)系統(tǒng)(8)與固定在輪轂(2) 上的齒圈(9)相嚙合構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，其特征在于所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(7) 聯(lián)接保護(hù)電路(10)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)(5)及傳動(dòng)裝置，軸控柜(4)內(nèi)還設(shè)有與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(7)并聯(lián)的充放電單元(11)，充放電單元(11)的一端與中控柜(3)聯(lián)接，另一端與保護(hù)電路(10) 聯(lián)接。
3.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，其特征在于所述的充放電單元 (11)包括超級(jí)電容器(13)、充放電電路(14)、接觸器(15)和控制電路(16)，所述的超級(jí)電容器(13)的輸出端接充放電電路(14)的輸入端，充放電電路(14)的輸出端接直流母線，接觸器(15)串接在直流母線的一輸出線上，充放電電路(14)內(nèi)嵌的傳感器(17)的輸出端接控制電路(16)對(duì)應(yīng)的控制輸入端，控制電路(16)的一個(gè)控制輸出端接充放電電路(14)的控制輸入端，控制電路(16)的另一個(gè)控制輸出端接接觸器(15)的控制端。
4.如權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，其特征在于控制電路(16)由信號(hào)采樣單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、用戶指令單元、計(jì)算機(jī)控制單元以及隔離驅(qū)動(dòng)單元組成，其中采樣單元的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出端與計(jì)算控制單元相連，用戶指令單元的輸出端與計(jì)算控制單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連，計(jì)算控制單元的控制信號(hào)輸出端與隔離驅(qū)動(dòng)單元對(duì)應(yīng)的輸入端相連。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，其特征是在直流電機(jī)(5)的輸出齒輪上設(shè)有位置傳感器(12)，在直流電機(jī)(5)上還設(shè)有熱保護(hù)開關(guān)，溫度傳感器和加熱器，溫度傳感器、加熱器和保護(hù)開關(guān)與PLC控制單元聯(lián)接。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，其特征是在槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪上設(shè)有位置傳感器(18 )，位置傳感器(18 )與PLC控制單元連接。
7.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置，其特征是在中控柜 (3)的箱體上相互間隔的三個(gè)壁上分別設(shè)有控制接口(19)與軸控柜(4)的控制接口(20)連接。
專利摘要本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的控制裝置，是由與槳葉固定聯(lián)接的輪轂、在輪轂上設(shè)置的中控柜、軸控柜、直流電機(jī)及傳動(dòng)裝置構(gòu)成，所述的中控柜與一個(gè)以上的軸控柜連接，每個(gè)軸控柜分別與電機(jī)和傳動(dòng)裝置連接，所述的中控柜為六邊形，在中控柜內(nèi)設(shè)有PLC控制單元，在軸控柜內(nèi)設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，傳動(dòng)裝置是將固定在直流電機(jī)軸上的減速機(jī)系統(tǒng)與固定在輪轂上的齒圈相嚙合構(gòu)成。本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制裝置在很大程度上簡(jiǎn)化了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；同時(shí)，電機(jī)在緊急情況需用備用電池電源供電，直流電機(jī)省略了冗煩的交/直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，即提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
文檔編號(hào)F03D7/00GK202091116SQ20112014660
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者丁淑婧, 劉君, 宋志杰, 李海龍, 梁波 申請(qǐng)人:梁波, 黑龍江瑞好科技集團(tuán)有限公司