用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组安全链技术领域，具体而言，涉及一种用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统。

背景技术

安全链系统作为风力发电机组的安全防护装置，主要用于避免风力发电机组在极端环境或异常情况下失控或损坏，保障人员和设备的安全；

目前，现有技术中的风力发电机组安全链控制系统虽然能够起到一定的安全保护作用，但在风力发电机组运行的复杂环境下，由于安全链控制系统的控制策略不完善，导致恶劣环境下安全链控制系统紧急触发时，安全链控制系统断开后存在桨叶无法顺桨、偏航无法动作、大风天气桨叶超速引起飞车、倒塔等安全事故发生；为完善安全链系统的控制策略，我们提出一种用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统及方法，用以解决风力发电机组复杂环境下运行时由于安全链控制策略不完善易导致安全事故发生的技术问题，对变桨备用电源、变桨系统维护，应急偏航、手动偏航进行改造，实现风力发电机组安全稳定运行的技术效果。

本发明第一方面的技术方案提供了一种用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统，包括变桨控制模块以及偏航控制模块：

所述变桨控制模块配置有多种控制模式，变桨控制模块包括：

主电源电气回路，配置为将机舱柜中电源模块并联至轮毂供电开关；

电容冗余模块，配置为接入变桨系统的控制电源回路，获取控制电源回路的工作状态信息；

其中，偏航控制模块包括：

超速检测模块，配置为机组故障时开启自动右偏测风偏航；

手动偏航系统，配置有塔底手动应急偏航模块以及机舱手动应急偏航模块。

进一步地，所述主电源电气回路包括第一继电器K14.5，所述第一继电器K14.5的输入端通过安全继电器与机舱柜690V供电回路连接，第一继电器K14.5的输出端并联有第二继电器K14.6和第三继电器K14.7，所述机舱柜690V供电回路并联至轮毂供电开关的输入端。

进一步地，所述控制电源回路包括主控制电源以及备用电源，所述主控制电源和备用电源之间通过电容冗余模块连接，所述电容冗余模块配置为对备用电源进行过压及断线检测，并分别输出两路报警信号至变桨控制模块。

进一步地，多种所述控制模式至少包括手动模式、故障模式以及运行模式，其中手动模式、故障模式、运行模式的控制方法包括：

a：变桨系统出现故障，切换至手动模式手动变桨，手动模式关闭后切换至故障模式，故障模式复位后执行主控命令切换至运行模式；

b：运行模式出现故障，由运行模式切换为故障模式，桨叶收回停机。

进一步地，所述手动模式下配置有变桨手操盒和互锁模块：

所述互锁模块配置为，手动模式下对任一桨叶进行变桨操作时，若其它两只桨叶未保持顺浆状态，则无法进行变桨操作；任一桨叶进行开浆操作时，其它两只桨叶无法进行开浆操作；

所述变桨手操盒配置为与变桨柜之间电连接，手动模式下变桨受操和与变桨柜触点断开后桨叶自动收浆至顺浆位置。

进一步地，所述偏航控制模块配置有急停模块，所述急停模块配置为急停模块断开后，机舱偏航供电、偏航电机刹车抱闸主电并且偏航控制回路电源维持接通状态；

所述超速检测模块配置为采集风机转速信号，当转速信号超过预设转速阈值时，超速检测模块控制风机执行90°右偏侧风偏航，并维持预设时间值，预设时间值结束后，风机停止90°右偏测风偏航。

进一步地，所述塔底手动应急偏航模块配置为当机舱控制器失电时进行应急偏航测风；所述机舱手动应急偏航模块配置为进行手动偏航时，塔底手动应急偏航模块锁定。

本发明第二方面的技术方案提供一种用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法，用于本发明第一方面技术方案中任一项所述的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统，所述安全控制方法包括如下步骤：

基于主电源电气回路，将机舱柜电源模块并联至轮毂开关；

在备用电源上配置电源冗余模块，利用电源冗余模块检测备用电源过压以及断线并发出报警信号；

基于变桨系统配置手动、故障及运行三种模式，并在手动模式下配置变桨手操盒及互锁模块；

基于急停模块，当急停模块断开后机舱偏航供电、偏航电机刹车抱闸主电并且偏航控制回路电源维持接通状态；

利用超速检测模块配置为采集风机转速信号，当转速信号超过预设转速阈值时，超速检测模块控制风机执行90°右偏侧风偏航，并维持预设时间值，预设时间值结束后，风机停止90°右偏测风偏航；

利用塔底手动应急偏航模块，当机舱控制器失电时进行应急偏航测风；利用机舱手动应急偏航模块进行手动偏航时，塔底手动应急偏航模块锁定。

本发明第三方面的技术方案提供一种电子设备，所述电子设备包括：处理器以及与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行本发明第二方面的技术方案中任一项所述的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法。

本发明第四方面的技术方案提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有实现用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法的程序，所述实现用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法的程序被处理器执行以实现本发明第二方面的技术方案中任一项所述的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法的步骤。

本发明的有益效果包括：

1.本发明通过设置电容冗余模块，利用电容冗余模块检测备用电源的过压和断线情况，提高了备用电源的可靠性以及稳定性，提高了变桨系统的故障预测和预警能力；通过将主电源电气回路配置为将机舱柜中电源模块并联至轮毂供电开关，当机舱柜失电时，轮毂的供电不会因此中断，从而保证风力发电机组的正常运行；通过设置超速检测模块，并配置为机组故障时开启自动右偏测风偏航，实现了变桨系统异常引起失速时，机组可自动进行偏航；通过设置塔底手动应急偏航模块以及机舱手动应急偏航模块，其中机舱手动应急偏航模块为第一优先级，机舱进行手动偏航时，不允许塔底手动应急偏航模块偏航，当安全链断开，自动偏航无法实现时，利用塔底手动改应急偏航模块手动偏航，为偏航系统提供了应急保障，有助于提高整个风力发电系统的运行效率和稳定性。

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，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的主电源电气回路的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的控制电源回路的结构示意图；

图4为现有技术中变桨系统控制模式之间的切换关系示意图；

图5为本发明实施例提供的变桨系统控制模式之间的切换关系示意图；

图6为本发明实施例提供的应急偏航控制箱的电路结构示意图；

图7为本发明实施例提供的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法的流程示意图；

图标：100-安全继电器；200-应急偏航控制箱。

具体实施方式

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描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

现有技术中，风力发电机组在复杂运行环境下，存在备用电源无法收浆、安全链状态下无法自动/手动偏航的问题，为避免维护操作不当造成事故，从对于变桨及偏航系统的控制上解决风电机组的安全问题，本发明采用了下述技术方案：

请参见图1至图6所示，本发明第一方面的技术方案提供了一种用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统，包括变桨控制模块以及偏航控制模块：

所述变桨控制模块配置有多种控制模式，变桨控制模块包括：

主电源电气回路，配置为将机舱柜中电源模块并联至轮毂供电开关；

电容冗余模块，配置为接入变桨系统的控制电源回路，获取控制电源回路的工作状态信息；

其中，偏航控制模块包括：

超速检测模块，配置为机组故障时开启自动右偏测风偏航；

手动偏航系统，配置有塔底手动应急偏航模块以及机舱手动应急偏航模块；

本实施例提供的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统，通过设置电容冗余模块，利用电容冗余模块检测备用电源的过压和断线情况，提高了备用电源的可靠性以及稳定性，提高了变桨系统的故障预测和预警能力；通过将主电源电气回路配置为将机舱柜中电源模块并联至轮毂供电开关，当机舱柜失电时，轮毂的供电不会因此中断，从而保证风力发电机组的正常运行；通过设置超速检测模块，并配置为机组故障时开启自动右偏测风偏航，实现了变桨系统异常引起失速时，机组可自动进行偏航；通过设置塔底手动应急偏航模块以及机舱手动应急偏航模块，机舱手动应急偏航模块为第一优先级，机舱进行手动偏航时，不允许塔底手动应急偏航模块偏航，当安全链断开，自动偏航无法实现时，利用塔底手动改应急偏航模块手动偏航，为偏航系统提供了应急保障，有助于提高整个风力发电系统的运行效率和稳定性。

例如，请参见图2所示，所述主电源电气回路包括第一继电器K14.5，所述第一继电器K14.5的输入端通过安全继电器100与机舱柜690V供电回路连接，第一继电器K14.5的输出端并联有第二继电器K14.6和第三继电器K14.7，所述机舱柜690V供电回路并联至轮毂供电开关Q7.1的输入端；在具体应用中，影响风力发电机组安全稳定运行的最根本问题是变桨系统无法顺桨，在现有技术中，机舱柜失电后轮毂也会失电，此时将导致叶片无法改变角度，从而无法适应风速的变化，进而影响风力发电机组的输出功率；实际运用时，若机舱柜失电并且轮毂也失电，那么安全控制系统的控制算法将无法控制叶片角度，进而影响发电机组的性能和输出功率；因此，为确保风力发电机组的稳定运行，本实施例中通过将主电源电气回路配置为将机舱柜中电源模块并联至轮毂供电开关，当机舱柜失电时，轮毂的供电不会因此中断，而是仍然能够接收来自690V供电回路的供电，从而保证风力发电机组的正常运行；另一方面，上述技术解决方案能够有效防止机舱柜失电对风力发电机组的运行造成影响，在风能充足的时候，也能保障风力发电的持续供电，此外，在某些运行时刻机舱柜也可以停止供电，达到节能的效果。

例如，如图3所示，所述控制电源回路包括主控制电源以及备用电源，所述主控制电源和备用电源之间通过电容冗余模块连接，所述电容冗余模块配置为对备用电源进行过压及断线检测，并分别输出两路报警信号至变桨控制模块；在现有技术中变桨系统控制电源回路，一路是230V交流变24V直流供电（带电池）作为主控制电源，另一路则是将机舱主控制电源直接接在变桨柜中的电容上作为备用电源，主控制电源与备用电源之间通过二极管隔离保护，若二级管损坏，现有技术中的变桨系统则无法检测出二级管的故障，因此存在安全运行的隐患；通过电容冗余模块连接主控制电源和备用电源，将电源冗余模块的监测点接至 24V公共母线上，电容冗余模块的2组触点分别反馈 2 路电源（主控制电源以及备用电源）的工作状态，进而实现 24VDC 控制母线双回路电源任一回路供电异常的在线监测功能，形成完整的变桨系统24V电源失效检测及故障保护功能，保障设备在发生紧急停机时，能够正常停机；在本实施例中，由于影响顺桨根本原因为备用电源容量或电压不能满足驱动要求；现有技术中的备用电源通常配置有温度检测点并利用温度检测点反馈信号至PLC控制器，然而单一的温度检测很难全面监控备用电源的状态；通过设置电容冗余模块，而电容冗余模块可以同时检测备用电源的过压和断线情况，提高了备用电源的可靠性和稳定性；电容冗余模块可以预测备用电源出现故障的可能性，及时发出预警信号，提高了变桨系统的故障预测和预警能力，有助于提高整个风力发电系统的运行效率和稳定性。

例如，请参见图5所示，多种所述控制模式至少包括手动模式、故障模式以及运行模式，其中手动模式、故障模式、运行模式的控制方法包括：

a：变桨系统出现故障，切换至手动模式手动变桨，手动模式关闭后切换至故障模式，故障模式复位后执行主控命令切换至运行模式；

b：运行模式出现故障，由运行模式切换为故障模式，桨叶收回停机；

其中，变桨系统的手动模式具体是指当风力发电机由于某些故障或原因，无法自动控制时，操作人员可以通过手动切换控制模式，将变桨角度调节至合适位置，使其正常运行；可以理解的是，在手动模式下，操作人员需要承担更高的风险和责任，需要密切监控风力发电机的运行情况，并根据实际情况灵活地调整叶片角度；其中，变桨系统的运行模式具体是指风力发电机组正常运行、开桨运行以及待机状态，当变桨系统在运行模式下出现故障，则自动切换为故障模式，此时风力发电机组的桨叶收回停机； 上述模式能够更好地满足不同场景下的控制需求，从而提高风力发电机组的安全性能和稳定性，如图4所示，图4中为现有技术中三种模式之间的切换关系图，由图4可知，现有回路下手动模式下可切换至旁路模式，在旁路模式下，三个桨叶可同时开浆，造成风机降低以及损坏的问题；如图5所示，本实施取消了旁路模式，取消后手动模式下仅能切换至故障模式，以此确保风力发电机组的稳定运行；

优选的，所述手动模式下配置有变桨手操盒和互锁模块：所述互锁模块配置为，手动模式下对任一桨叶进行变桨操作时，若其它两只桨叶未保持顺浆状态，则无法进行变桨操作；任一桨叶进行开浆操作时，其它两只桨叶无法进行开浆操作；

现有技术中，变桨系统在手动模式下，3个桨叶都可进行调节，手动模式下桨叶之间缺少互锁功能，然而在手动模式的维护状态下，若风机的三个桨叶都打开转速将会很快，导致产生风机失速危险，因此设置互锁模块的目的是防止维护过程中引起飞车；具体原理为：通过优化变桨系统的软件程序，实现机组在变桨系统的维护状态下，变桨系统手动维护具备三轴互锁功能，每次有且仅有一片叶片可离开限位开关安全位置。通过设置互锁模块，确保任一时刻只有一只叶片可离开限位开关安全位置，从而提高了风机的安全性能；此外，设置互锁模块可以有效防止误操作产生的危害，保障了操作人员的安；另外，还需说明的是，变桨系统在手动模式下，风机的液压系统应配置为刹车无法松闸；

其次，所述变桨手操盒配置为与变桨柜之间电连接，手动模式下变桨手操盒与变桨柜触点断开后桨叶自动收浆至顺浆位置；在现有技术中，手动模式下的变桨操作可能会导致桨叶位置出现不协调或者不符合操作要求的情况；本实施例所提供的技术方案通过引入互锁模块和变桨手操盒，实现了桨叶位置的协调和合理调节，从而提高了变桨系统的安全性和操作可靠性；其相较于现有技术的优势在于：引入变桨手操盒后，系统可以自动调节桨叶位置，减少了人为操作错误的可能性；手动模式下，桨叶变桨操作容易引起电机或液压系统的不稳定性，从而导致危险情况，通过互锁模块与变手操盒配合使用，只有在桨叶位置协调的情况下才能进行变桨操作；

优选的，所述偏航控制模块配置有急停模块，所述急停模块配置为急停模块断开后，机舱偏航供电、偏航电机刹车抱闸主电并且偏航控制回路电源维持接通状态；其中，现有技术中当风力发电机组安全链断开时，原偏航系统主供电受急停回路影响，当机组急停触发后，安全继电器100断开，偏航系统主供电回路中的接触器断开，偏航系统主供电失电，导致手动和自动偏航功能无法正常进行，因此需要对该电气线路进行优化调整偏航控制模块则会切断电源，本实施例对偏航控制模块进行改进，通过设置急停模块，实现急停回路断开后，机舱偏航690V供电不再断开，偏航电机刹车抱闸主电源供电不断开，使得改进后的偏航系统在机组急停误动作、变桨系统异常等原因引起的失速的情况下仍然可以进行偏航；

另一方面，所述超速检测模块配置为采集风机转速信号，当转速信号超过预设转速阈值时，超速检测模块控制风机执行90°右偏侧风偏航，并维持预设时间值，预设时间值结束后，风机停止90°右偏测风偏航；当风机处于正常发电时，超速检测模块采集转速信号，预设转速阈值优选2300rpm，当超过预设转速阈值时，超速检测模块动作，此时风机的偏航接触器得电，执行90°右偏侧风偏航，同时可采用延时继电器进行计时，延时继电器计时结束后，风机停止90°右偏侧风偏航，此处的预设时间值可根据偏航速度进行计算；需要说明的是，由于偏航的目的是为了将风轮错开主风向，使风机减速，因此超速检测模块的检测动作仅能自动运行一次，即超速检测模块不可自动进行复位，优选在塔下HMI或远程手动对超速检测模块进行复位；

优选的，所述塔底手动应急偏航模块配置为当机舱控制器失电时进行应急偏航测风；所述机舱手动应急偏航模块配置为进行手动偏航时，塔底手动应急偏航模块锁定；即机舱手动应急偏航模块为第一优先级，机舱进行手动偏航时，塔下则不允许手动偏航，具体可在塔底配置一个导通偏航回路的控制按钮，工作人员在塔底时，若需要进行硬件手动偏航，需要旋转该按钮至手动状态，用于偏航手自动选择；

可参见图6所示，本实施例中，可在塔基的底部增加一套独立的应急偏航控制箱200，当极端条件下，当机舱整体失电情况下，或由于机舱内存在短路等情况导致机舱电源不能送电的情况下，利用动力电缆及控缆将应急偏航控制箱200与机舱柜中的偏航系统连接，在发生风机主回路690V供电自动切断，引起的失控事故时，可通过应急偏航控制箱200中的塔底手动应急偏航模块强制给偏航系统供电，通过应急偏航控制箱200的偏航控制来实现塔基或远程应急偏航的功能；

综上所述，本发明实现了针对变桨系统全面检测，防止风机在极端环境中运行中的故障问题；实现了对变桨系统24V控制电源进行监测，防止其控制程序出现故障；对偏航系统主电气回路进行优化，在确保机组整体安全情况下，急停模块触发后，偏航系统690V主工作电源、230V偏航电磁刹车电源、偏航控制回路24V正常供电，防止安全链断开后失去控制及操作电源；增加超速自动侧风偏航功能，作为超速的第二级安全保护；增加远程、塔基手动偏航功能，防止软件系统出错或失电，作为第三级停机措施；引入外部电源增加应急偏航供电及控制功能，防止因风力发电机组全面失电，无法控制偏航，作为最后一级安全保护。

请参见图7所示，本发明第二方面的技术方案提供一种用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法，用于本发明第一方面技术方案中任一项所述的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制系统，所述安全控制方法包括如下步骤：

步骤S100：基于主电源电气回路，将机舱柜电源模块并联至轮毂开关；

步骤S200：在备用电源上配置电源冗余模块，利用电源冗余模块检测备用电源过压以及断线并发出报警信号；

步骤S300：基于变桨系统配置手动、故障及运行三种模式，并在手动模式下配置变桨手操盒及互锁模块；

步骤S400：基于急停模块，当急停模块断开后机舱偏航供电、偏航电机刹车抱闸主电并且偏航控制回路电源维持接通状态；

步骤S500：利用超速检测模块配置为采集风机转速信号，当转速信号超过预设转速阈值时，超速检测模块控制风机执行90°右偏侧风偏航，并维持预设时间值，预设时间值结束后，风机停止90°右偏测风偏航；

步骤S600：利用塔底手动应急偏航模块，当机舱控制器失电时进行应急偏航测风；利用机舱手动应急偏航模块进行手动偏航时，塔底手动应急偏航模块锁定。

本发明第三方面的技术方案提供一种电子设备，所述电子设备包括：处理器以及与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行本发明第二方面的技术方案中任一项所述的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法。

本发明第四方面的技术方案提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有实现用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法的程序，所述实现用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法的程序被处理器执行以实现本发明第二方面的技术方案中任一项所述的用于风力发电机组变桨及偏航系统的安全控制方法的步骤。

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，可轻易想到变化或替换，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。