風電偏航驅動控制系統、控制方法及風力發電機與流程
2024-04-13 15:03:05 1
1.本發明涉及風力發電設備領域，特別是涉及到了一種風電偏航驅動控制系統、控制方法及風力發電機。
背景技術：
2.偏航系統是促進風力發電機充分發揮發電效率的重要構成部分，其主要由主控plc模塊、偏航變頻器、偏航電機、偏航減速機、偏航齒圈、偏航傳感器(凸輪計數器)等元器件組成。現有技術中，由於偏航驅動控制常採用v/f開環控制，以此來調節偏航速度。採用偏航傳感器(凸輪計數器)來檢測和計算偏航速度(機艙轉動速度)，從而調節偏航電機的轉速，進而控制偏航速度。由於偏航齒圈傳動比和脈衝計數的原因，造成機艙轉動速度的計算偏差較大。當在大風條件下啟動偏航或停止偏航控制時，機艙偏航速度計算不夠精確會造成偏航系統過流、機艙振動劇烈、器件損壞等故障，進而導致停機，使機組發電量減少，嚴重時甚至會造成機組疲勞載荷加大或者性能下降，影響機組使用壽命。
3.權公告號為cn102011698b、授權公告日為2013年9月4日的中國專利說明書中公開的風力發電機偏航控制方法及系統專利採用方案：根據風速或風力發電機輸出功率的變化，相應調整偏航電機的轉速，使其在風速較大時，運轉速度較低，而風速較小時，運轉速度較高，從而在不影響偏航電機對風向跟蹤的前提下，有效降低偏航過程中產生的衝擊和振動。
4.而授權公告號為cn109960144b、授權公告日為2022年6月28日的中國專利說明書中公開的風力發電機組偏航控制的方法、設備和系統專利採用方案：通過獲得風向特徵值與相應的最佳偏航控制參數之間的對應關係，可以實現在不同風況下使用相應的最佳偏航控制參數來對風力發電機組進行偏航控制，從而提高風力發電機組對風偏航的精度和發電效率。
5.依據上述所述專利所實現的減少機組振動、提升偏航精度方案，均可避免因機組劇烈振動而造成的停機，但文獻cn102011698b中的方案需要區分不同的風速區和輸出功率區間。文獻cn109960144b公開的方案則需要獲取多組偏航控制參數、建立偏航控制知識庫。兩者實現起來都相對複雜。
技術實現要素：
6.本發明的目的在於提供一種風電偏航驅動控制方法，以解決現有技術中對風電偏航驅動的控制複雜的問題。
7.同時，本發明的目的還在於提供可用於實施上述方法的風電偏航驅動控制系統及風力發電機。
8.為了解決上述問題，本發明的風電偏航驅動控制方法採用以下技術方案：風電偏航驅動控制方法，根據偏航電機的轉速計算獲得風電偏航速度，並根據獲得的風電偏航速度來控制風電偏航過程，當風電偏航速度大於第一設定值時，停止偏航並於間隔設定時長
後重啟偏航，重啟至少一次後若未能偏航成功，則風電機組停機；當風電偏航速度大於安全閾值時，直接將風電機組停機；所述第一設定值大於風電正常偏航允許速度最大值並且小於所述安全閾值。
9.有益效果：本發明的方法通過改進現有方法，以偏航電機的轉速為依據來控制風電偏航的過程，而偏航電機的轉速最能夠精確的反映風電的真實偏航速度，因而可以準確的對風電偏航過程進行控制，整個過程中僅需設定相應的閾值即可實現，實現方式極為簡單，從而解決了現有風電偏航驅動控制方法對風電偏航驅動的控制複雜的問題。
10.進一步地，偏航電機轉速通過為部分偏航電機配置的測速裝置獲得。由於風電中各偏航電機(一般有多個)的轉速相同，僅採集部分(至少一個)偏航電機的轉速即可真實反映風電偏航速度，此時僅採集部分偏航電機的轉速可以減少數據的處理量，並且可以更低的成本實現對偏航電機的轉速的採集。
11.進一步地，在一次偏航過程中，偏航重啟次數不大於兩次。在一次偏航過程中，偏航重啟兩次仍不能完成偏航時，已經基本可以說明當前條件不適合進行偏航操作，設定重啟次數不大於兩次，可充分保護風電，避免在不適宜條件下多次重啟造成風電損傷。
12.進一步地，停止偏航時，通過液壓系統將風機偏航齒圈鎖定。停止偏航時通過液壓系統鎖定偏航齒圈，可以達到充分保護風電的效果。
13.本發明的風電偏航驅動控制系統採用以下技術方案：風電偏航驅動控制系統，包括偏航電機和偏航控制器，所述偏航電機配置有轉速採集裝置，所述轉速採集裝置與所述偏航控制器連接，當轉速採集裝置採集到風電偏航速度大於第一設定值時，偏航控制器控制風電停止偏航並於間隔設定時長後重啟偏航，重啟至少一次後若未能偏航成功，則控制風電機組停機；當轉速採集裝置採集到風電偏航速度大於安全閾值時，偏航控制器直接將風電機組停機；所述第一設定值大於風電正常偏航允許速度最大值並且小於所述安全閾值。
14.有益效果：本發明的系統通過改進現有技術，通過轉速採集裝置採集偏航電機的轉速，並以偏航電機的轉速為依據來控制風電偏航的過程，而偏航電機的轉速最能夠精確的反映風電的真實偏航速度，因而可以準確的對風電偏航過程進行控制，整個過程中僅需設定相應的閾值即可實現，實現方式極為簡單，從而解決了現有風電偏航驅動控制方法對風電偏航驅動的控制複雜的問題。
15.更進一步地，僅在部分偏航電機上配置了所述轉速採集裝置。由於風電中各偏航電機(一般有多個)的轉速相同，僅採集部分(至少一個)偏航電機的轉速即可真實反映風電偏航速度，此時僅採集部分偏航電機的轉速可以減少數據的處理量，並且可以更低的成本實現對偏航電機的轉速的採集。
16.更進一步地，所述轉速採集裝置為旋轉變壓器。旋轉變壓器作為成熟的轉速採集裝置，具有可靠性高，易於獲得的優點。
17.更進一步地，在一次偏航過程中，偏航重啟次數不大於兩次。在一次偏航過程中，偏航重啟兩次仍不能完成偏航時，已經基本可以說明當前條件不適合進行偏航操作，設定重啟次數不大於兩次，可充分保護風電，避免在不適宜條件下多次重啟造成風電損傷。
18.更進一步地，所述偏航控制器在控制風電停止偏航時，通過液壓系統將風機偏航齒圈鎖定。停止偏航時通過液壓系統鎖定偏航齒圈，可以達到充分保護風電的效果。
19.風力發電機採用以下技術方案：風力發電機，其特徵在於，包括風電偏航控制系統，所述系統包括偏航電機和偏航控制器，所述偏航電機配置有轉速採集裝置，所述轉速採集裝置與所述偏航控制器連接，當轉速採集裝置採集到風電偏航速度大於第一設定值時，偏航控制器控制風電停止偏航並於間隔設定時長後重啟偏航，重啟至少一次後若未能偏航成功，則控制風電機組停機；當轉速採集裝置採集到風電偏航速度大於安全閾值時，偏航控制器直接將風電機組停機；所述第一設定值大於風電正常偏航允許速度最大值並且小於所述安全閾值。
20.有益效果：本發明的風力發電機中，通過改進現有技術，其風電偏航控制系統通過轉速採集裝置採集偏航電機的轉速，並以偏航電機的轉速為依據來控制風電偏航的過程，而偏航電機的轉速最能夠精確的反映風電的真實偏航速度，因而可以準確的對風電偏航過程進行控制，整個過程中僅需設定相應的閾值即可實現，實現方式極為簡單，從而解決了現有風電偏航驅動控制方法對風電偏航驅動的控制複雜的問題。
21.更進一步地，僅在部分偏航電機上配置了所述轉速採集裝置。由於風電中各偏航電機(一般有多個)的轉速相同，僅採集部分(至少一個)偏航電機的轉速即可真實反映風電偏航速度，此時僅採集部分偏航電機的轉速可以減少數據的處理量，並且可以更低的成本實現對偏航電機的轉速的採集。
22.更進一步地，所述轉速採集裝置為旋轉變壓器。旋轉變壓器作為成熟的轉速採集裝置，具有可靠性高，易於獲得的優點。
23.更進一步地，在一次偏航過程中，偏航重啟次數不大於兩次。在一次偏航過程中，偏航重啟兩次仍不能完成偏航時，已經基本可以說明當前條件不適合進行偏航操作，設定重啟次數不大於兩次，可充分保護風電，避免在不適宜條件下多次重啟造成風電損傷。
24.更進一步地，所述偏航控制器在控制風電停止偏航時，通過液壓系統將風機偏航齒圈鎖定。停止偏航時通過液壓系統鎖定偏航齒圈，可以達到充分保護風電的效果。
附圖說明
25.圖1為本發明的風電偏航驅動控制系統的一種實施例的組成示意圖；
26.圖2為圖1中的風電偏航驅動控制系統控制偏航啟動的流程圖；
27.圖3為圖1中的風電偏航驅動控制系統控制偏航停機的流程圖。
具體實施方式
28.以下結合實施例對本發明的特徵和性能作進一步的詳細描述。
29.本發明的風電偏航驅動控制方法的實施例1：
30.該方法是根據偏航電機的轉速計算獲得風電偏航速度，並根據獲得的風電偏航速度來控制風電偏航過程，當風電偏航速度大於第一設定值時，停止偏航並於間隔設定時長後重啟偏航，重啟至少一次後若未能偏航成功，則風電機組停機；當風電偏航速度大於安全閾值時，直接將風電機組停機；所述第一設定值大於風電正常偏航允許速度最大值並且小於所述安全閾值。在本實施例中，僅採集了一個偏航電機的轉速，在其它實施例中，還可以採集更多的或者全部的偏航電機的轉速；在本實施例中，第一設定值為0.32
°
/s，安全閾值為0.45
°
/s，在其它實施例中，第一設定值和安全閾值可根據實際需求由工作人員設定；在
本實施例中，一次偏航過程中，僅對偏航進行兩次重啟，在其它實施例中，重啟的次數還可以僅為一次，或者三次以上，但是以兩次為宜。
31.本發明的風電偏航驅動控制系統的實施例1：
32.偏航系統作為風力發電機組的重要組成部分，主要由主控plc模塊、偏航變頻器、偏航電機、偏航減速機、偏航齒圈、液壓系統等器件組成。其功能為實現機組的對風和電纜的解纜，用於保障機組的運行。
33.下面以3.xmw機組所應用的偏航系統應用進行說明。
34.風電偏航驅動控制系統組成如圖1所示，包括主控plc模塊、風速風向傳感器、偏航變頻器、偏航電機、偏航減速機、偏航齒圈、液壓系統。主控plc模塊通過rs485通信線接收風速風向信息，當風速風向滿足偏航條件時，主控系統通過can通信下發啟動偏航控制命令和運行速度命令，當偏航變頻器接收到偏航命令後，控制偏航電機按照設定的加速度進行加速，偏航電機驅動偏航減速箱帶動機艙齒圈運轉。同樣地，當風速風向滿足停止偏航條件時，主控系統通過can通信下發停止偏航控制命令和零轉速命令，當偏航變頻器接收到停止偏航命令後，控制偏航電機按照設定的減加速度進行減速，直至偏航系統停止。
35.其中風速風向傳感器用於實時採集風速、風向信息；
36.其中主控plc模塊一方面控制液壓系統、通過rs485通信線接收風速風向信息同時計算是否偏航，另一方面通過can通信與偏航變頻器通信下發控制命令、轉速以及接收偏航變頻器上傳的狀態；
37.其中偏航變頻器一方面與主控plc進行信息交互，一方面採集電機轉速、控制偏航電機的運行；
38.其中偏航變頻器採集電機速度是通過採集偏航電機旋轉變壓器的信號計算獲得。
39.偏航啟機控制流程如下圖2所示，當風速風向滿足啟動偏航時，主控系統先鬆開液壓系統，檢測液壓壓力是否在24bar與35bar的範圍內，如果壓力滿足要求，則向偏航變頻器下發啟動偏航控制指令(偏航變頻器接收到此命令後立即打開電機抱閘)和轉速命令(偏航驅動器檢測剎車反饋正常後，執行主控下發的速度命令)；否則，如果壓力不滿足要求，則機組報故障停機。
40.偏航停機控制流程如下圖3所示，當風速風向滿足啟動偏航時，主控向偏航變頻器下發零轉速指令，延時2.5s(可根據偏航速度與減加速度比值調整)後，然後再投入液壓制動系統，投入液壓制動的同時進行計時7s，7s後若液壓壓力小於145bar或者大於180bar，風機報故障停機，此時給偏航變頻器下發去使能命令，投入電機剎車；否則，偏航變頻器保持使能狀態產生制動力矩不投入電機剎車。
41.故障停機控制邏輯：
42.(1)偏航時檢測到偏航速度大於0.32
°
/s(或偏航驅動器報故障)，plc控制立刻切換到全壓狀態且下發偏航零轉速指令，結束此次偏航。20s後再次啟動偏航，連續3次仍然無法完成本輪偏航對風，則機組報偏航故障停機；
43.(2)偏航時檢測到偏航速度大於0.45
°
/s時，機組報偏航超速故障停機。
44.在本發明的風電偏航驅動控制系統的實施例1中，僅為一個偏航電機配置了轉速採集裝置，在本發明的風電偏航驅動控制系統的其它實施例中，還可以為更多的或者全部的偏航電機配置轉速採集裝置，採集更多的或者全部的偏航電機的轉速；在本發明的風電
偏航驅動控制系統的實施例1中，第一設定值為0.32
°
/s，安全閾值為0.45
°
/s，在其它實施例中，第一設定值和安全閾值可根據實際需求由工作人員設定；在本實施例中，一次偏航過程中，僅對偏航進行兩次重啟，在其它實施例中，重啟的次數還可以僅為一次，或者三次以上，但是以兩次為宜。
45.本發明的風力發電機的實施例：
46.該風力發電機的創新之處在於採用了本發明的風電偏航驅動控制系統，此處不予贅述。