一种风电机组双驱电动变桨控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及风力发电机组变桨控制技术领域，具体是一种风电机组双驱电动变桨控制系统。


背景技术：

2.风力发电机组包括风轮、发电机；风轮中含叶片、轮毂、加固件等组成；它有叶片受风力旋转发电、发电机机头转动等功能。风力发电电源由风力发电机组、支撑发电机组的塔架、蓄电池充电控制器、逆变器、卸荷器、并网控制器、蓄电池组等组成。
3.由于陆地上经济可开发的风资源越来越少，海上风电相较于陆上风电有风能含量大、风切变小、湍流度低、对环境影响较小等优点，全球风电场建设已出现从陆地向海上发展的趋势。目前，我国海上风电正在向机组大型化的方向发展，变桨系统作为风力发电机组控制系统的重要组成部分，具有调节风轮输入功率，气动刹车等功能，直接影响风电机组的性能和安全。
4.现有的变桨系统均采用单个驱动器驱动单个电机，再由单个电机通过单个变桨减速箱带动变桨轴承从而驱动整只叶片执行变桨操作。由于在此过程中，变桨减速箱的小齿仅作用在变桨轴承的几个大齿上，该几个大齿需承受整只叶片的载荷，易造成该几个大齿应力集中，磨损严重甚至疲劳损坏的情况，从而在极端情况下无法变桨，危及风机安全。
5.因此，亟需一种新的能降低变桨轴承单齿载荷并提高风电机组安全性的控制技术。


技术实现要素：

6.为克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种风电机组双驱电动变桨控制系统，解决现有技术存在的大齿应力集中、单齿载荷较高、磨损严重甚至疲劳损坏、危及风机安全等问题。
7.本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：
8.一种风电机组双驱电动变桨控制系统，包括依次电相连的主控制器、主驱动器、主电机、主位置速度传感器，依次机械连接的主电机、主减速器、变桨轴承，所述主位置速度传感器与主驱动器电相连，还包括从驱动器、从电机、从减速器，所述主驱动器、从驱动器、从电机依次电相连，所述从电机、从减速器、变桨轴承依次机械连接。
9.主控制器、主驱动器、主电机、主减速器、变桨轴承构成主驱动回路，主控制器、主驱动器(其中一部分)、从驱动器、从电机、从减速器、变桨轴承构成从驱动回路，双驱动回路分担了大齿应力集中，降低了单齿载荷，有效减少了大齿磨损严重甚至疲劳损坏，提升了风机安全。
10.作为一种优选的技术方案，所述主驱动器包括位置速度信号变换模块和依次电相连的位置控制器、速度控制器、电流控制器、主功率变换器、主电流传感器，所述位置速度信号变换模块的输入端与主位置速度传感器的输出端相连，所述位置速度信号变换模块的输
出端与位置控制器的输入端、速度控制器的输入端分别电相连，所述从驱动器包括依次电相连的从电流控制器、从功率变换器、从电流传感器，所述速度控制器的输出端与所述从电流控制器的输入端电相连，所述从电流传感器的输出端与所述从电流控制器的输入端、从电机分别电相连。
11.通过比较主控控制器给定的位置控制指令和主电机的实际位置值实现位置环控制，通过比较位置环的速度给定指令和主电机的实际速度值实现速度环控制，通过比较速度环的电流给定指令和主电机的实际电流值实现主电流环控制；从电流控制器通过比较接收到的电流指令控制(从机给定力矩指令)和收到的从电机的实际电流值实现从电流环控制，从电机驱动从减速器动作，带动桨叶轴承动作。从而实现双驱电动变桨转矩同步，降低变桨轴承应力，降低单齿载荷，提高变桨系统安全性和可靠性。
12.优选的，所述位置控制器还用以反馈实际位置信息给主控制器，所述主控制器还用以接收实际位置信息。这使得回路中的实际位置信息能及时被主控制器采集，赋予了主控制器监控回路实际位置信息的功能，更加便于掌控实际的变桨控制状况，便于更精确地操控。
13.作为一种优选的技术方案，所述从驱动器还包括与所述位置控制器的输出端、所述从功率变换器的输入端分别电相连的速度限幅器。
14.所述速度限幅器用以接收位置控制器发送的速度指令并输出受限幅的速度指令。
15.主驱动回路经过位置环控制器后的速度指令经过速度限幅器后，给定到从功率变换器，主驱动回路经电流环控制器后输出的电流控制指令(从机给定力矩指令)直接传给从驱动器，从驱动器根据接收到的速度限幅指令和电流指令(从机给定力矩指令)控制从电机动作，从而实现双驱电动变桨带转速限幅的转矩同步和消隙控制，进一步降低了变桨轴承应力，降低单齿载荷，提高变桨系统安全性和可靠性。
16.作为一种优选的技术方案，所述主功率变换器和/或从功率变换器为pwm逆变器。
17.pwm逆变器调节速度快，功率因数较好，结构简单。
18.作为一种优选的技术方案，所述主位置速度传感器为旋转变压器。
19.旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，特别是高温、高粉尘、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。其监测精度高，结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低(特别是高温、高粉尘的地方)、输出信号幅度大和抗干扰能力强。且将其运用于主驱动回路中，便于同时位置、速度检测，一体化程度提高。
20.作为一种优选的技术方案，还包括与从电机电相连的从位置速度传感器。
21.从位置速度传感器的设置便于实现主驱动回路和从驱动回路的切换。当需要主驱动回路和从驱动回路切换时，很容易将原主驱动回路切换为从驱动回路、原从驱动回路切换为主驱动回路。
22.作为一种优选的技术方案，所述从位置速度传感器为旋转变压器。
23.旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，特别是高温、高粉尘、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。其监测精度高，结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低(特别是高温、高粉尘的地方)、输出信号幅度大和抗干扰能力强。原主驱动回路切换为从驱动回路、原从驱动回路切换为主驱动回路的情况时，便于辅助反馈和修正位置、速度检测信息，控制更加精确。
24.作为一种优选的技术方案，还包括变桨控制器，所述主控制器、变桨控制器、位置控制器依次电相连。
25.变桨控制器起到位置信息中转和修正的作用，便于位置控制指令的调控，也便于提供更多的i/o点位。
26.本实用新型相比于现有技术，具有以下有益效果：
27.(1)本实用新型采用双驱动回路分担了大齿应力集中，降低了单齿载荷，有效减少了大齿磨损严重甚至疲劳损坏，提升了风机安全；
28.(2)本实用新型实现了双驱电动变桨带转速限幅的转矩同步和消隙控制；
29.(3)本实用新型进一步降低变桨轴承应力，降低单齿载荷，提高变桨系统安全性和可靠性；
30.(4)本实用新型调节速度快，功率因数较好，结构简单；
31.(5)本实用新型便于同时位置、速度检测，一体化程度提高；
32.(6)本实用新型监测精度高，结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大和抗干扰能力强，一体化程度提高，控制更加精确；
33.(7)本实用新型便于位置控制指令的调控，也便于提供更多的i/o点位。
附图说明
34.图1为本实用新型的结构示意图；
35.图2为图1的局部放大图。
具体实施方式
36.下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
37.值得说明的是：1)本实用新型中，主电机、从电机均可选择自带有位置、速度、电流传感器模块的电机，这属于现有技术可以作为一种优选，因此，在本技术方案中未对主电机、从电机的详细构造及工作未再详述；2)本实用新型中所述电相连，既包括直接电相连，也包括通过中间部件电相连，所展示的具体电相连结构不应被视为对其电相连的限制；3)本实用新型中，相关控制器、相关模块等电气部件本身涉及软件处理、信号处理等功能均属于现有技术，本实用新型未涉及它们的软件处理、使用方法等改进，本实用新型创新点在于增加了从驱动回路以及主驱动回路和从驱动回路的配合工作，因此，本实用新型符合专利法规定的可授予专利权的客体。
38.实施例
39.如图1、图2所示，一种风电机组双驱电动变桨控制系统，包括依次电相连的主控制器、主驱动器、主电机、主位置速度传感器，依次机械连接的主电机、主减速器、变桨轴承，所述主位置速度传感器与主驱动器电相连，还包括从驱动器、从电机、从减速器，所述主驱动器、从驱动器、从电机依次电相连，所述从电机、从减速器、变桨轴承依次机械连接。
40.工作时，系统执行以下步骤：
41.s1、主控制器发送位置控制指令给主驱动器；
42.s2、主驱动器接收位置控制指令，结合主位置速度传感器反馈的主电机的实际位
置信息、实际速度信息驱动主电机工作，控制从驱动器驱动从电机工作；
43.s3、主电机驱动主减速器工作，从电机驱动从减速器工作；
44.s4、主位置速度传感器检测并输出主电机的实际位置信息、实际速度信息给主驱动器；
45.s5、主减速器带动变桨轴承工作，从减速器带动变桨轴承工作。
46.值得说明的是，因为系统的工作是动态的，电信号的流向也是动态的，而且存在反馈，所以以上步骤并非只有一种顺序。
47.主控制器、主驱动器、主电机、主减速器、变桨轴承构成主驱动回路，主控制器、主驱动器(其中一部分)、从驱动器、从电机、从减速器、变桨轴承构成从驱动回路，双驱动回路分担了大齿应力集中，降低了单齿载荷，有效减少了大齿磨损严重甚至疲劳损坏，提升了风机安全。作为优选，主驱动回路、从驱动回路分别分担大齿应力的一半为最佳。
48.作为一种优选的技术方案，所述主驱动器包括位置速度信号变换模块和依次电相连的位置控制器、速度控制器、电流控制器、主功率变换器、主电流传感器，所述位置速度信号变换模块的输入端与主位置速度传感器的输出端相连，所述位置速度信号变换模块的输出端与位置控制器的输入端、速度控制器的输入端分别电相连，所述从驱动器包括依次电相连的从电流控制器、从功率变换器、从电流传感器，所述速度控制器的输出端与所述从电流控制器的输入端电相连，所述从电流传感器的输出端与所述从电流控制器的输入端、从电机分别电相连。
49.工作时，本优选方案执行相对于以上方案的更细化的步骤，如下：
50.步骤s1具体包括以下步骤：
51.k1、主控制器发送位置控制指令给位置控制器；
52.步骤s2具体包括以下步骤：
53.k2、位置控制器接收位置控制指令，结合依次经主位置速度传感器、位置速度信号变换模块反馈的主电机的实际位置信息，发送速度指令给速度控制器；
54.k3、速度控制器接收速度指令，结合依次经主位置速度传感器、位置速度信号变换模块反馈的主电机的实际速度信息，发送转矩指令给主电流控制器、从电流控制器；
55.k4、主电流控制器接收转矩指令，结合主电流传感器输出的主电机的实际电流信息，发送输出信号给控制主功率变换器；
56.k5、主功率变换器接收主电流控制器发送的输出信号，输出经功率变换后的电流信息给主电流传感器；
57.k6、主电流传感器接收主功率变换器输出的电流信息，检测主电机的实际电流信息及将主电机的实际电流信息反馈给主电流控制器的输入端；
58.k7、位置速度信号变换模块接收及变换主位置速度传感器反馈的主电机的实际位置信息、实际速度信息，并将实际位置信息传输给位置控制器的输入端，将实际速度信息传输给速度控制器的输入端；
59.k8、从电流控制器接收转矩指令，结合从电流传感器反馈的从电机的实际电流信息，发送输出信号给控制从功率变换器；
60.k9、从功率变换器接收从电流控制器发送的输出信号，输出经功率变换后的电流信息给从电流传感器；
61.k10、从电流传感器接收从功率变换器输出的电流信息，检测从电机的实际电流信息及将从电机的实际电流信息反馈给从电流控制器的输入端；
62.步骤s4具体包括以下步骤：
63.k11、主位置速度传感器检测并输出主电机的实际位置信息、实际速度信息给位置速度信号变换模块。
64.值得说明的是，因为系统的工作是动态的，电信号的流向也是动态的，而且存在反馈，所以以上步骤并非只有一种顺序。
65.通过比较主控控制器给定的位置控制指令和主电机的实际位置值实现位置环控制，通过比较位置环的速度给定指令和主电机的实际速度值实现速度环控制，通过比较速度环的电流给定指令和主电机的实际电流值实现主电流环控制；从电流控制器通过比较接收到的电流指令控制(从机给定力矩指令)和收到的从电机的实际电流值实现从电流环控制，从电机驱动从减速器动作，带动桨叶轴承动作。从而实现双驱电动变桨转矩同步，降低变桨轴承应力，降低单齿载荷，提高变桨系统安全性和可靠性。
66.值得说明的是，电流环控制、速度环控制、位置环控制本身(三环控制)属于现有技术，有关三环控制系统的教材及文献中大都有记载，且本实用新型的发明点并非三环控制本身，故未再就其构造和工作原理做详述。
67.优选的，所述位置控制器还用以反馈实际位置信息给主控制器，所述主控制器还用以接收实际位置信息。这使得回路中的实际位置信息能及时被主控制器采集，赋予了主控制器监控回路实际位置信息的功能，更加便于掌控实际的变桨控制状况，便于更精确地操控。
68.作为一种优选的技术方案，所述从驱动器还包括与所述位置控制器的输出端、所述从功率变换器的输入端分别电相连的速度限幅器。
69.所述速度限幅器用以接收位置控制器发送的速度指令并输出受限幅的速度指令。
70.主驱动回路经过位置环控制器后的速度指令经过速度限幅器后，给定到从功率变换器，主驱动回路经电流环控制器后输出的电流控制指令(从机给定力矩指令)直接传给从驱动器，从驱动器根据接收到的速度限幅指令和电流指令(从机给定力矩指令)控制从电机动作，从而实现双驱电动变桨带转速限幅的转矩同步和消隙控制，进一步降低了变桨轴承应力，降低单齿载荷，提高变桨系统安全性和可靠性。
71.本实施例中，将主驱动回路的电流传输到从驱动回路，分配主/从电机承受的载荷，能控制主/从驱动回路转矩差值到5％以下；同时，对主驱动回路传输到从驱动回路的速度给定值进行限幅控制，消除由于减速器装配制造过程中必然存在的齿隙误差，避免实际运行过程中仅一个电机与减速器齿实际接触并作用的情况，控制主/从驱动回路转速差值到5％以下，实现主/从电机转速限制内的转矩同步控制，降低变桨轴承单齿的疲劳载荷和极限载荷，减少变桨轴承因单齿应力过大造成的损坏率，提高风电机组的安全可靠性。
72.作为一种优选的技术方案，所述主功率变换器和/或从功率变换器为pwm逆变器。
73.pwm逆变器调节速度快，功率因数较好，结构简单。
74.作为一种优选的技术方案，所述主位置速度传感器为旋转变压器。
75.旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，特别是高温、高粉尘、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。其监测精度高，结构简单、动作灵敏、
工作可靠、对环境条件要求低(特别是高温、高粉尘的地方)、输出信号幅度大和抗干扰能力强。且将其运用于主驱动回路中，便于同时位置、速度检测，一体化程度提高。
76.作为一种优选的技术方案，还包括与从电机电相连的从位置速度传感器。
77.从位置速度传感器的设置便于实现主驱动回路和从驱动回路的切换。当需要主驱动回路和从驱动回路切换时，很容易将原主驱动回路切换为从驱动回路、原从驱动回路切换为主驱动回路。
78.作为一种优选的技术方案，所述从位置速度传感器为旋转变压器。
79.旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，特别是高温、高粉尘、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。其监测精度高，结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低(特别是高温、高粉尘的地方)、输出信号幅度大和抗干扰能力强。原主驱动回路切换为从驱动回路、原从驱动回路切换为主驱动回路的情况时，便于辅助反馈和修正位置、速度检测信息，控制更加精确。
80.作为一种优选的技术方案，还包括变桨控制器，所述主控制器、变桨控制器、位置控制器依次电相连。
81.变桨控制器起到位置信息中转和修正的作用，便于位置控制指令的调控，也便于提供更多的i/o点位。
82.值得说明的是，作为一种优选的技术方案，所述变桨控制器与主驱动器之间的通信协议包括但不限于canopen、profibus、rs485的一种或几种的组合。
83.变桨控制器通过以上通信协议接收主控控制器的控制指令，并将变桨实际状态反馈至主控制器，提高系统的控制协调性，减少系统通讯故障。
84.值得说明的是，作为一种优选的技术方案，所述主驱动器与从驱动器之间的通信协议包括但不限于多轴总线、ethcat、canopen、profibus、rs485的一种或几种的组合。
85.主驱动器通过通信协议发送速度限制值、电流值以及控制字到从驱动器，从驱动器通过通信协议及时反馈从驱动器的状态到主驱动器。可优选时间为1ms的多轴总线通讯。
86.值得说明的是，可优选主驱动回路和从驱动回路可在控制软件中选择切换。
87.值得说明的是，作为一种优选的技术方案，所述变桨控制器为单独的变桨控制器、带单独控制卡的变桨控制器或内置于主驱动器内。
88.这使得变桨控制器可选择的安装位置和实际结构更加多样化，便于适应更广泛的应用场景。
89.前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案；且本实用新型，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。
90.如上所述，可较好的实现本实用新型。
91.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质，在本实用新型的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围之内。