CN118327888B - 一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置及方法，所述安全装置包括控制单元和安全链系统，控制单元能够接收来自所述安全链系统的电压信号和/或通信信号；安全链系统包括滑环、转速检测继电器、轮毂继电器、变桨电机继电器以及变桨电机，转速检测继电器、轮毂继电器的线圈均与滑环串联；轮毂继电器的常闭触点与变桨电机继电器的线圈串联，变桨电机继电器的常开触点与变桨电机串联，变桨电机继电器的常开触点与变桨电机串联后，再与轮毂继电器的常闭触点、变桨电机继电器的线圈并联。本发明对发电机主轴进行速度检测，则转速传感器置于机舱内，检修维修不影响风叶的运转，操作方便。

Description

一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置及方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置及方法。

背景技术

在风力发电机组的控制系统中，安全链系统是保证风机运行安全性的一种重要手段。风电机组的安全链在风电机组中占有举足轻重的地位，从逻辑上讲，其优先级高于控制级。安全链是用来保证风电机组发生事故时，保障机组的安全保护装置。当发生较大的事故时，确保装置的安全动作，使风机紧急停机。安全链可以分为两个等级：一级安全链和二级安全链，一级安全链主要是主控系统的安全保护装置，它是整个风机安全链的核心部分，能够迅速地检测并采取应对措施，防止故障的进一步扩大。二级安全链则主要是针对叶轮等关键部件的安全保护装置，它在风电机组出现严重故障时，会触发一系列的安全保护部件，使风机紧急停机。

现有些风机是由SSB变桨系统组成的安全链技术：风机在运行过程中随时受风机主控的监测，判断风机运行是否异常；若主控检测到扭缆角度超值、变桨通信中断、振动值超限、发电机转速超速、紧急停机按钮按下、PLC死机等状态中的任一异常时，安全链将触发进而使风机桨叶执行急停顺桨动作。触发安全链动作顺序为：主控对安全模块发出指令，安全模块继电器常开触点断开，滑环急停由高电平转为低电平，变桨系统继电器断电，电池供电变桨电机顺桨，风机停机。

风力发电机采用安全链作为应对飞车最高级别的保护措施，当安全链断开时，系统将接收到EFC紧急顺桨信号指令。但在主控发出安全链断开EFC信号指令时，变桨滑环EFC、通讯信号通道和对应电刷通道发生错位或安全模块继电器触点粘连、EFC信号被电源电压钳住在高电位，即使安全链已经断开，EFC信号也无法使变桨系统继电器断开，造成了变桨系统在安全链断开的紧急情况下也不能进行紧急收桨停机。

现有技术CN208831143U公开了一种风力发电机组的风轮转速监测的保护装置，包括风轮、变桨安全链回路、倾角传感器和安全保护装置；所述轮毂体的中心轴孔位置设置有倾角传感器；所述安全保护装置包括控制器与继电器，所述继电器的常闭触点与变桨安全链回路里的节点电联接，解决了现有技术问题中存在的安全链回路中的转速超速监测装置由于故障等原因导致无法起到保护作用以及成本高昂的技术缺陷。但是该保护装置使用倾角传感器监测风机叶片转速，倾角传感器安装在叶轮周围，需要控制叶轮才能实现检修，使用不方便。

因此，有必要提供一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置及方法，保证变桨系统在安全链断开的紧急情况下也能够进行紧急收桨停机，同时利于检修。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置及方法，旨在应对安全链失效的情况下，为风机提供额外的保护，确保其安全运行。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置，包括控制单元和安全链系统，所述控制单元能够接收来自所述安全链系统的电压信号和/或通信信号；所述安全链系统包括滑环、转速检测继电器、轮毂继电器、变桨电机继电器以及变桨电机，所述滑环设置在机舱内，所述转速检测继电器、所述轮毂继电器的线圈均与所述滑环串联；所述轮毂继电器的常闭触点与所述变桨电机继电器的线圈串联，所述变桨电机继电器的常开触点与所述变桨电机串联，所述变桨电机继电器的常开触点与所述变桨电机串联后，再与所述轮毂继电器的常闭触点、所述变桨电机继电器的线圈并联。

进一步地，风力发电机超速时应急顺桨安全装置还包括声光报警器，所述声光报警器一端并联在转速检测继电器和滑环之间，所述声光报警器另一端连接低电平。

进一步地，风力发电机超速时应急顺桨安全装置还包括中控室报警器，所述中控室报警器一端连接在转速检测继电器和滑环之间。

进一步地，风力发电机超速时应急顺桨安全装置还包括转速测量仪，所述转速测量仪用于检测发电机的转速，并在转速超过超速停机值时，发送信号至控制单元，所述控制单元发出指令使得所述转速检测继电器的常开触点断开。

更进一步地，所述转速测量仪包括电源、感应磁铁和转速传感器，所述感应磁铁设置在与发电机连接的高速轴的表面；所述转速传感器与所述感应磁铁对应设置，所述电源用于转速传感器的供电。

更进一步地，高速轴的表面设置卡槽，所述卡槽内设置感应磁铁，所述感应磁铁的长度方向与所述高速轴的轴线平行。

更进一步地，所述转速传感器与感应磁铁的间距小于2cm。

本发明还提供一种风力发电机超速时应急顺桨方法，采用上述的风力发电机超速时应急顺桨安全装置，包括：

S1、安装所述风力发电机超速时应急顺桨安全装置：在滑环的EFC出线和主轴空心轴之间的电连接线上串接转速检测继电器，安装感应磁铁和转速传感器；

S2、带负荷运行，并确定超速停机值；

S3、通过控制单元设定超速停机值，按照设定的超速停机值实现自动顺桨动作。

进一步地，设定超速停机值为N，并设定第一转速阈值，且＜N；在监测高速轴转速的过程中，判断高速轴的转速n与N、的关系：

若，保持变桨电机状态不变，且定期持续监测高速轴转速；

若，则变桨电机动作使风叶开始回桨，且回桨至小于91°位置；

若，则变桨电机动作使风叶回桨，并回桨至91°位置。

更进一步地，另外设定第二阈值，且＞N，

若，则变桨电机动作使风叶回桨，并回桨至91°位置；

若，在变桨电机顺桨使风叶回桨的同时，对发电机施加扭矩制动，降低发电机转速。

更进一步地，变桨电机顺桨速度依据n值以及单个风叶的质量确定，设定单个风叶质量为M，风叶重心距离风叶旋转中心的最短距离为r，设定阈值，则：

，变桨电机顺桨速度按照预设值进行，其中a为常数；

，变桨电机顺桨速度以预设值的b倍进行，b取值范围为。

更进一步地，在时，变桨电机顺桨速度按照预设值进行的过程中，实时采集高速轴转速n，当n超过发电机额定转速时，变桨电机顺桨速度以预设值的b倍进行。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的风力发电机超速时应急顺桨安全装置及方法，在现有的安全链路上增加转速检测继电器，同时所述转速检测继电器、所述轮毂继电器的线圈均与所述滑环串联；所述轮毂继电器的常闭触点与所述变桨电机继电器的线圈串联，所述变桨电机继电器的常开触点与所述变桨电机串联。当发电机主轴转速超过超速停机值时，转速检测继电器断开，进而轮毂继电器断电，轮毂继电器断开，变桨电机继电器关闭，变桨电机得电，变桨电机动作使风叶回桨，实现紧急停机，避免飞车事故。本发明对发电机主轴进行速度检测，则转速传感器置于机舱内，检修维修不影响风叶的运转，操作方便。

另外，将整个安全装置置于机舱内，走线布局均不影响风叶的运行，进而本发明能够适用于各类风机的设备布置，满足多种类型的风机改造。

本发明还通过发电机组主轴转速的判断，实现不同转速下的回桨调节，避免事故发生的同时，还考虑到转速达到一定限度时的事故预防，避免转速进一步提高进而提前避免风险，使风力发电装置进一步提高安全系数。

附图说明

图1为本发明提供的风力发电机超速时应急顺桨安全装置的连接原理图。

图2为本发明提供的风力发电机超速时应急顺桨安全装置应用的风机结构图。

图3为本发明提供的风力发电机超速时应急顺桨安全装置的结构示意图。

附图标记说明：

1、风叶，2、机舱、3、叶片罩，4、滑环，5、转速传感器，6、高速轴，7、发电机，8、齿轮箱，9、机舱柜。

具体实施方式

下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明的是，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式不应被理解为对本发明范围的限制。

以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。这里对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和装置可能不作详细讨论，但在适用这些技术、方法和装置情况下，这些技术、方法和装置应当被视为本说明书的一部分。

本发明提供的一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置，包括控制单元和安全链系统，所述控制单元能够接收来自所述安全链系统的电压信号和/或通信信号；如图1所示，所述安全链系统包括滑环EFC、转速检测继电器ZSK、轮毂继电器-5K1、变桨电机继电器6K1以及变桨电机，所述滑环EFC设置在机舱内，所述转速检测继电器ZSK、所述轮毂继电器-5K1的线圈均与所述滑环EFC串联；所述轮毂继电器-5K1的常闭触点与所述变桨电机继电器6K1的线圈串联，所述变桨电机继电器6K1的常开触点与所述变桨电机串联，所述变桨电机继电器6K1的常开触点与所述变桨电机串联后，再与所述轮毂继电器-5K1的常闭触点、所述变桨电机继电器6K1的线圈并联。

风力发电机超速时应急顺桨安全装置还包括声光报警器，所述声光报警器一端并联在转速检测继电器ZSK和滑环EFC之间，所述声光报警器另一端连接低电平。还包括中控室报警器，所述中控室报警器一端连接在转速检测继电器ZSK和滑环EFC之间，另一端与其他电路连接。

风力发电机超速时应急顺桨安全装置还包括转速测量仪，所述转速测量仪用于检测发电机的转速，并在转速超过超速停机值时，发送信号至控制单元，所述控制单元发出指令使得所述转速检测继电器的常开触点断开。

如图2所示为风力发电机超速时应急顺桨安全装置应用的风机结构图，塔筒直立于地面，塔筒顶端设置机舱2，机舱2内部设置发电机、机舱柜等部件，机舱2前端设置叶片罩3，叶片罩3内部设置轮毂以及控制单元，轮毂内设置三个风叶1以及和风叶1对应的变桨电机，控制单元能够根据转速测量仪的信号通过风力发电机超速时应急顺桨安全装置，控制变桨电机的启动，进而实现顺桨操作。

如图3所示，机舱2内部设置发电机7，发电机7的高速轴6连接齿轮箱8，齿轮箱8通过主轴连接叶片罩3内的风叶1，风叶1旋转促使主轴旋转，进而实现发电。高速轴6一侧设置滑环4，滑环4出线至滑环中心的空心轴的安全链路上接入转速检测继电器ZSK，滑环出线还连接控制单元；机舱柜9内设置电源，为风力发电机超速时应急顺桨安全装置供电。所述转速测量仪包括电源、感应磁铁和转速传感器5，所述感应磁铁设置在与发电机7连接的高速轴6的表面；所述转速传感器5与所述感应磁铁对应设置，所述电源用于转速传感器5的供电。

高速轴6的表面设置卡槽，所述卡槽内设置感应磁铁，所述感应磁铁的长度方向与所述高速轴6的轴线平行。所述转速传感器5与感应磁铁的间距小于2cm。

当高速轴6转速正常时，安全链线路开关如图1所示，系统处于正常工作状态。然而，当风机主机原有的安全系统发出指令后，风机未能停机。此时，风力发电机超速时应急顺桨安全装置介入，检测到高速轴6转速超出设定报警上限值时，触发一个紧急信号，转速检测继电器ZSK闭合点将断开。此时，紧急停机EFC线路失电。同时，轮毂继电器-5K1断电，变桨电机继电器6K1接触器闭合，电池供电为变桨电机，触发顺桨动作。

对于设定报警上限值的设定，通过设定不同的转速值，并在不同转速值下断开EFC信号。通过检查转速检测继电器ZSK能够正确触发报警，确保转速测量仪的报警上限值的准确性。例如设定发电机转速为1200rpm的情况下，带负荷运行并观察机组工作情况以及是否出现脱网停机的情况。

最终确定的设定值略高于正常值，具有双重保护效果，能够确保发电机在超速时能够及时停机，又能够避免因设定值过低而导致的误停机情况。通过对EFC信号动作与否的监测，以及针对不同机型的变桨系统，无论其转速检测仪检测到转速达到设定值时，都会自动断开EFC信号的链路，从而实现回桨停机的目的。这一技术不仅适用于各种机型，而且具有高度的灵活性和可靠性，有助于提高工作效率和安全性。

本发明还提供一种风力发电机超速时应急顺桨方法，采用上述的风力发电机超速时应急顺桨安全装置，包括：

S1、安装所述风力发电机超速时应急顺桨安全装置：在滑环4的EFC出线至空心轴之间的电连接线上串接转速检测继电器ZSK，安装感应磁铁和转速传感器5；

S2、带负荷运行，并确定超速停机值（即报警上限值）；

S3、通过控制单元设定超速停机值，按照设定的超速停机值实现自动顺桨动作。

设定超速停机值为N，并设定第一转速阈值，且＜N；在监测高速轴转速的过程中，判断高速轴的转速n与N、的关系：

若，保持变桨电机状态不变，且定期持续监测高速轴转速；

若，则变桨电机动作使风叶开始回桨，且回桨至小于91°位置；

若，则变桨电机动作使风叶回桨，并回桨至91°位置。

其中第一阈值的取值范围根据超速停机值设定，优选取值为超速停机值的0.8-0.9倍。

另外设定第二阈值，且＞N，

若，则变桨电机动作使风叶回桨，并回桨至91°位置；

若，在变桨电机顺桨使风叶回桨的同时，对发电机施加扭矩制动，降低发电机转速。其中对于第二阈值的取值范围，优选为超速停机值的1-1.1倍，其中不包括与超速停机值相等的情况。

变桨电机顺桨速度依据n值以及单个风叶的质量确定，设定单个风叶质量为M，风叶重心距离风叶旋转中心的最短距离为r，设定阈值，则：

，变桨电机顺桨速度按照预设值进行，计算得出的值为单个风叶旋转过程中的离心力，其中a为风叶角速度平方与风叶转速平方的比值；

，变桨电机顺桨速度以预设值的b倍进行，b取值范围为。

对于阈值的选取，可依据超速停机值设定，即转速n为超速停机值时计算出的离心力，该离心力的0.9-1.05倍。

在时，变桨电机顺桨速度按照预设值进行的过程中，实时采集高速轴转速n，当n超过发电机额定转速时，变桨电机顺桨速度以预设值的b倍进行。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种风力发电机超速时应急顺桨安全装置，其特征在于，包括控制单元和安全链系统，所述控制单元能够接收来自所述安全链系统的电压信号和/或通信信号；所述安全链系统包括滑环、转速检测继电器、轮毂继电器、变桨电机继电器以及变桨电机，所述滑环设置在机舱内，所述转速检测继电器、所述轮毂继电器的线圈均与所述滑环串联；所述轮毂继电器的常闭触点与所述变桨电机继电器的线圈串联，所述变桨电机继电器的常开触点与所述变桨电机串联，所述变桨电机继电器的常开触点与所述变桨电机串联后，再与所述轮毂继电器的常闭触点、所述变桨电机继电器的线圈并联；

高速轴的转速为n，单个风叶质量为M，风叶重心距离风叶旋转中心的最短距离为r，设定阈值，则：

，变桨电机的顺桨速度按照预设值进行，其中a为风叶角速度平方与风叶转速平方的比值；

，变桨电机的顺桨速度以预设值的b倍进行，b取值范围为：

风力发电机超速时应急顺桨安全装置还包括转速测量仪，所述转速测量仪用于检测发电机的转速，并在转速超过超速停机值时，发送信号至控制单元，所述控制单元发出指令使得所述转速检测继电器的常开触点断开；

所述转速测量仪包括感应磁铁和转速传感器，所述感应磁铁设置在与发电机连接的高速轴的表面；所述转速传感器与所述感应磁铁对应设置；

设定超速停机值为N，并设定第一转速阈值，且＜N；在监测高速轴转速的过程中，判断高速轴的转速n与N、的关系：

若，保持变桨电机状态不变，且定期持续监测高速轴转速；

若，则变桨电机动作使风叶开始回桨，且回桨至小于91°位置；

第一阈值的取值范围为超速停机值的0.8-0.9倍；

若，则变桨电机动作使风叶回桨，并回桨至91°位置；

另外设定第二阈值，且＞N，

若，则变桨电机动作使风叶回桨，并回桨至91°位置；

若，在变桨电机顺桨使风叶回桨的同时，对发电机施加扭矩制动；对于第二阈值的取值范围，为超速停机值的1-1.1倍。

2.根据权利要求1所述的风力发电机超速时应急顺桨安全装置，其特征在于，风力发电机超速时应急顺桨安全装置还包括声光报警器，所述声光报警器一端并联在转速检测继电器和滑环之间，所述声光报警器另一端连接低电平。

3.根据权利要求1所述的风力发电机超速时应急顺桨安全装置，其特征在于，风力发电机超速时应急顺桨安全装置还包括中控室报警器，所述中控室报警器一端连接在转速检测继电器和滑环之间。

4.根据权利要求1所述的风力发电机超速时应急顺桨安全装置，其特征在于，所述转速测量仪包括电源，所述电源用于转速传感器的供电。

5.根据权利要求4所述的风力发电机超速时应急顺桨安全装置，其特征在于，高速轴的表面设置卡槽，所述卡槽内设置感应磁铁，所述感应磁铁的长度方向与所述高速轴的轴线平行；

所述转速传感器与感应磁铁的间距小于2cm。

6.一种风力发电机超速时应急顺桨方法，采用权利要求1-5任一项所述的风力发电机超速时应急顺桨安全装置，其特征在于，包括：

S1、安装所述风力发电机超速时应急顺桨安全装置：在滑环的EFC出线和空心轴之间的电连接线上串接转速检测继电器，安装感应磁铁和转速传感器；

S2、带负荷运行，并确定超速停机值；

S3、通过控制单元设定超速停机值，按照设定的超速停机值实现自动顺桨动作。