CN101363404B - 风电机组防台风运行控制方法、装置及使用该装置的机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机组防台风的运行控制方法，包括：接收台风预报信号；在台风来临之前，叶片顺桨，控制机舱主动偏航，使机舱尾部对风，释放偏航刹车并停机；台风来袭时，通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度，实现机舱随风向自由偏航。因台风来袭前，叶片顺桨，通过控制机舱主动偏航，使机舱头部旋转至台风将临的下风向，为机舱通过叶片尾舵自由偏航做好准备；台风来袭时，依靠叶片受到的气动力矩实现机舱自由偏航，并通过叶片尾舵作用不断调整机舱尾部的迎风角度，以减小机组所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩，防止机组遭受破坏。在此基础上，本发明还公开一种风力发电机组防台风的运行控制装置及使用该装置的风力发电机组。

Description

风电机组防台风运行控制方法、装置及使用该装置的机组

技术领域

本发明涉及具有基本上与风向成直角的旋转轴线的风力发动机的控制领域，具体来说，是一种风力发电机组防台风的运行控制方法、装置及使用该装置的风力发电机组。

背景技术

在风力资源丰富的中国东南沿海地区，台风发生非常频繁，这种恶劣环境条件经常导致风力发电机组(以下简称机组)的损坏和故障。台风到来时，机组结构所受风载荷与空气密度、风速有关；台风时空气密度极大，风力等级有时达到16级以上；如果机组不能及时偏航以降低叶片与机舱的受风面积，极易超过设计载荷极限，使机组乃至整个风电场遭到破坏。

为了减小台风的危害，现有技术中采取了一些避风的方法。如中国发明专利申请公布说明书公开了一种“风力发电机组群塔架自动转体对风避风方法”(申请号200710072503.X)，将塔架做成由三部分组成的组合型，一为固定塔架基座，二为帽型经纬旋转平台，三为对称平面几何型塔架。帽型经纬旋转平台套装在固定塔架基座的上部，并可自由水平旋转即经度旋转；在帽型经纬旋转平台的侧面装有水平筒型轴承座，水平筒型轴承座内的轴，可以垂直旋转即纬度旋转；纬度旋转轴位于对称平面几何型塔架的对称中心线上。机组群塔架受风力吹动时，自动以经度旋转方向转体对风；超强风力吹动时，自动绕纬度旋转轴旋转倾倒避风。该种机组可以自动旋转避风，但在超强阵风作用瞬间，机舱及叶片可能来不及进行偏航或俯仰动作，使得机舱及叶片仍承受较大的受风面积，即受到较大的冲击载荷；此时，机组所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩就可能超出设计范围，从而导致机组的损坏。

可见，现有机组及其运行控制方法，不能完全满足防台风的要求。因此，有必要设计一种新的风力发电机组防台风的运行控制方法，以减小台风给机组乃至整个风电场带来的损失。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种风力发电机组防台风的运行控制方法，台风来袭时，可最大限度减小叶片与机舱的受风面积，降低机组所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩，保护机组免遭破坏。在此基础上，本发明还提供一种风力发电机组防台风的运行控制装置，及使用该装置的风力发电机组。

为解决以上技术问题，本发明提供的风力发电机组防台风的运行控制方法，其技术方案是，包括以下步骤：

包括以下步骤：

10)接收台风预报信号；

20)在台风来临之前，叶片顺桨；

211)判断风轮转速是否降低至设定的较低转速，若是，进入步骤212)；

212)实时获取风轮转速信号及叶片的位置信号；

213)判断是否达到液压刹车时机，所述液压刹车时机为，风轮转速达到设定的临界液压刹车转速，并且，其中一只叶片距风轮圆周最低点的角度接近临界液压刹车角度，

若是，进入步骤214)；

若否，返回步骤212)；

214)启动液压刹车，使风轮中所述的其中一只叶片停靠在风轮圆周的最低点附近。

30)控制机舱主动偏航；

40)判断机舱尾部是否对风，

若是，进入步骤50)；

若否，返回步骤30)；

50)释放偏航刹车，并停机；

60)台风来袭，依靠叶片的气动力矩实现机舱自由偏航；

70)通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度。

所述步骤212)中：

通过风轮转轴上设置的转速传感器获取风轮转速信号；

通过软件方式或硬件方式获取叶片的位置信号。

所述软件方式为：

设定临界液压刹车转速；

计算刹车停转时间；

计算风轮转过角度；

计算叶片距风轮圆周最低点的角度。

所述硬件方式为：

通过风轮圆周最低点位置上设置的位置传感器，获取叶片距风轮圆周最低点的角度。

保持所述液压刹车的刹车力不变。

或者，通过压力调节器闭环控制液压刹车的刹车力。

本发明提供的风力发电机组防台风的运行控制装置，其技术方案是，包括：

转速传感器，设置在风轮转轴上，用于检测并输出风轮转速信号；

位置传感器，设置在风轮圆周的最低点位置，用于检测并输出叶片距风轮圆周最低点的角度信号；

控制器，用于接收台风预报信号及各种传感器的检测信号，根据预定的控制策略，发出相关的控制指令，所述控制器还存储与控制有关的参数；

台风将临时，该风力发电机组防台风的运行控制装置启动，所述控制器发出叶片顺桨指令，实现气动刹车；在风轮转速达到设定的临界液压刹车转速，且其中一只叶片距风轮圆周最低点的角度接近临界液压刹车角度时，所述控制器发出液压刹车指令；在所述的其中一只叶片停靠在风轮圆周最低点附近时，所述控制器发出主动偏航指令；在机舱尾部对风时，所述控制器发出释放偏航刹车指令及停机指令；台风来袭时，依靠叶片的气动力矩实现机舱自由偏航；并且，通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度。

本发明提供的风力发电机组，使用上述风力发电机组防台风的运行控制装置。

与现有技术相比，本发明用于风力发电机组防台风的运行控制方法，可有效地降低台风的影响，防止机组遭受破坏，具体是：

台风将临时，叶片顺桨，控制机舱主动偏航，使机舱头部旋转至下风向，释放偏航刹车，并停机。台风来袭时，若风向改变，叶片两侧所受的风载荷失去平衡；在叶片气动力矩作用下，机舱自由偏航，使得叶片两侧所受的风载荷恢复平衡；由此，使机舱尾部始终对风，最大限度地减小机舱及叶片的受风面积。此时，通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度，减小机组在台风中所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩，保证机组所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩不超出设计范围，减小台风对机组的整机影响，有效防止机组遭受破坏，实现防台风之目的。

特别地，利用力矩的传递，通过机械的方式，实现机组的防台风性能；通过上述方式，无需提供备用电源，也无需电气控制，可提高防台风的经济性。

进一步地，通过风轮主动刹车，控制叶片停靠位置，使其中一只叶片刹车停靠在风轮圆周最低点附近：减小叶片承受的最高叶根弯矩，保护叶片免受损坏；在机舱头部旋转至下风向后，最低点叶片位于塔筒遮挡面积内，利用塔筒遮挡进一步保护最低点叶片。

本发明的风力发电机组防台风的运行控制装置，叶片位置传感器的安装，叶片停靠角度的精确定位，机舱头部旋转至下风向，偏航刹车释放都很容易实现，其易于推广，前景较好。

使用该防台风的运行控制装置的风力发电机组，在台风来袭时，可最大限度减小叶片与机舱的受风面积，降低机组所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩，保护机组免遭破坏。

附图说明

图1是本发明风力发电机组防台风的运行控制方法第一实施例的流程图；

图2是本发明风力发电机组防台风的运行控制方法第二实施例的流程图；

图3是图2中叶片停靠位置的控制实例流程图；

图4是图3中获取叶片位置信号的一个实例，该实例中，叶片位置信号通过软件方式获得；

图5是图3中获取叶片位置信号的又一个实例，该实例中，叶片位置信号通过硬件方式获得。

图6是本发明风力发电机组防台风的运行控制装置的方块图。

具体实施方式

本发明的基本构思是：台风将临时，叶片顺桨，控制机舱主动偏航，使机舱头部旋转至下风向，释放偏航刹车并停机；台风来袭时，利用叶片气动力矩作用，使机舱自由偏航，保证机舱尾部始终对风，同时，通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度。

下面结合实施例与附图具体说明。

请参考图1，该图是本发明风力发电机组防台风的运行控制方法第一实施例的流程图。该实施例包括以下步骤：

S100、接收台风预报信号。

在收到台风预报时，启动下一步的控制程序。

S110、在台风来临之前，叶片顺桨。

通过叶片顺桨，实现气动刹车之目的，使得风轮转速迅速降低至设定的较低转速ω1。

S120、控制机舱主动偏航。

在风轮转速较低的情况下，机舱主动偏航一定角度，使机舱头部旋转至下风向避风。

S130、判断机舱尾部是否对风，

若是，进入步骤S140；

若否，返回步骤S120。

在机舱尾部对风时，表明机舱头部已偏航至下风向，可以进入自由偏航阶段。

S140、释放偏航刹车，并停机。

释放偏航刹车并停机，为机舱自由偏航的必要条件，否则，机舱无法自由偏航。

S150、台风来袭，依靠叶片的气动力矩实现机舱自由偏航。

台风来临后，若台风方向改变，导致叶片两侧受到的风载荷失去平衡，由于叶片气动力矩作用，机舱自由偏航，使叶片两侧受到的风载荷恢复平衡。由此，使得机舱尾部始终对风，最大限度地减小机舱及叶片的受风面积，从而减小其所受的风载荷。

S160、通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度。

通过不断地调整机舱尾部的迎风角度，可减小机组在台风中所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩，保证机组所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩不超出设计范围，减小台风对机组的整机影响，有效防止机组遭受破坏，实现防台风之目的。

特别地，利用力矩的传递，通过机械的方式，实现机组的防台风性能；通过上述方式，无需提供备用电源，也无需电气控制，可提高防台风的经济性。

本发明还可进一步进行改进，简述如下：

请参考图2，该图是本发明风力发电机组防台风的运行控制方法第二实施例的流程图。在该实施例中，在叶片顺桨及主动偏航步骤之间，还包括了控制叶片停靠位置的过程，以便进一步保护机组免遭破坏，具体包括以下步骤：

S200、开始。

S210、接收台风预报信号。

S220、在台风来临之前，叶片顺桨。

S230、控制风轮中某叶片停靠在风轮圆周的最低点附近。

通过风轮主动刹车，控制叶片停靠位置，使其中一只叶片刹车停靠在风轮圆周最低点附近：减小叶片承受的最高叶根弯矩，保护叶片免受损坏；在机舱头部旋转至下风向后，最低点叶片位于塔筒遮挡面积内，利用塔筒遮挡进一步保护最低点叶片。

S240、控制机舱主动偏航。

S250、判断机舱尾部是否对风，

若是，进入步骤S260；

若否，返回步骤S240。

S260、释放偏航刹车，并停机。

S270、台风来临，依靠叶片的气动力矩实现机舱自由偏航。

S280、通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度。

S290、结束。

在本实施例中，优选地，通过检测风轮转速，控制风轮刹车启动时间，实现叶片的精确定位在风轮圆周最低点附近，以便减轻叶片所受的风载荷，具体如下所述。

请参考图3，该图是图2中叶片停靠位置的控制实例流程图。其包括以下步骤，

S221、判断风轮转速是否降低至设定的较低转速，若是，进入S222步骤。

当风速大于极限风速时，机组执行叶片顺桨，实现气动刹车，使风轮转速ω迅速降低至较低转速ω1。当风轮转速降低至设定的较低转速ω1时，即可对叶片停靠位置进行控制。

S222、实时获取风轮转速及叶片的位置信号。

获取风轮转速ω及叶片的位置信号，在于选择恰当的液压刹车时机，保证叶片停靠位置的精确定位。其中，叶片的位置可用叶片距风轮圆周最低点的角度θ表征，若叶片位于风轮圆周最低点，则θ＝0°。

S223、判断是否达到液压刹车时机，即是否满足以下条件，风轮转速ω达到设定的临界液压刹车转速ω2(ω2＜ω1)，并且，叶片距风轮圆周最低点的角度θ接近临界液压刹车角度θ*，

若是，进入S224步骤；

若否，返回S222步骤。

在满足该一条件时，即表明已进入最佳的液压刹车时机，以便使叶片停靠在指定位置。

S224、启动液压刹车，使风轮中某叶片停靠在指定位置。

液压刹车作用后，可使风轮即刻停止转动，保证叶片精确定位在指定位置，也就是风轮圆周的最低点附近。

对于三叶片风机而言，风轮中的某一叶片停靠在风轮圆周最低点附近，三叶片呈Y形分布，在同等风速下，能显著减小叶片承受的最高叶根弯矩，有效保护叶片免受损坏。当然，对于单叶片、双叶片风机而言，控制叶片停靠角度也可起到同样的效果，在此不再赘述。

该实施例中，风轮转速ω可通过转速传感器的检测得到，叶片的位置信号既可以采用软件方式获取，也可通过硬件方式获取，简述如下：

请参考图4，该是图3中获取叶片位置信号的一个实例，该实例中，叶片位置信号通过软件方式获得。如图4所示，包括以下步骤：

S2221、设定临界液压刹车转速ω2。

一般地临界液压刹车转速ω2远小于ω1，以减小液压刹车时的惯性。

S2222、计算刹车停转时间T。

根据刹车力的大小，计算出风轮加速度a(a＜0)；同时根据风轮加速度a及风轮转速ω，即刻计算出刹车停转时间T。

S2223、计算风轮转过角度θ₁。

根据风轮加速度a、风轮转速ω及刹车停转时间T，即可计算出风轮转过角度θ₁。

S2224、计算风轮某一叶片距风轮圆周最低点的角度θ。

根据计算风轮某一叶片风轮圆周最低点的初始角度θ₀、风轮转过角度θ₁，即可计算出风轮转过角度θ，即θ＝θ₁-θ₀。

此外，也可采用硬件方式获取叶片的位置信号，以下简要进行说明。

请参考图5，该图是图3中获取叶片位置信号的又一个实例，该实例中，叶片位置信号通过硬件方式获得。如图5所示，风轮1的转轴上设置转速传感器3，用于检测并输出风轮转速ω；风轮1圆周的最低点上设置位置传感器4，用于检测并输出风轮某叶片距风轮圆周最低点的角度θ。将风轮转速ω、叶片距风轮圆周最低点的角度θ输入到控制器，由控制器直接对液压刹车时机进行判断，可以提高效率。

在上述实施例中，液压刹车可在刹车力不变的情况下实现定位停机，其为开环控制；当然，也可以通过压力调节器控制液压刹车的刹车力大小，以便形成闭环控制，实现叶片的精确定位。

下面对本发明的风力发电机组防台风的运行控制装置进行说明。

请参考图6，该图是本发明风力发电机组防台风的运行控制装置的方块图。该装置包括：转速传感器3，设置于风轮1的转轴上，用于检测并输出风轮转速信号；位置传感器4，设置于风轮1的圆周的最低点上，用于检测并输出风轮1叶片2位置信号，具体为叶片2距风轮1圆周最低点的角度信号；控制器5，接收台风预报信号及各种传感器的检测信号，根据预定的控制策略，发出相应的控制指令，所述控制器5还存储有与控制有关的参数。

台风将临时，该风力发电机组防台风的运行控制装置启动，所述控制器5发出叶片顺桨指令，实现气动刹车；在风轮转速达到设定的临界液压刹车转速，且某叶片距风轮圆周最低点的角度接近临界液压刹车角度时，所述控制器发出液压刹车指令；在某叶片停靠在风轮圆周最低点附近时，所述控制器发出主动偏航指令；在机舱尾部对风时，所述控制器发出释放偏航刹车指令及停机指令；台风来袭时，依靠叶片的气动力矩实现机舱自由偏航；并且，通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度。

该风力发电机组防台风的运行控制装置中，叶片位置传感器的安装，叶片停靠角度的精确定位，机舱头部旋转至下风向，偏航刹车释放都很容易实现，易于推广，前景较好。

使用该防台风的运行控制装置的风力发电机组，在台风来袭时，可最大限度减小叶片与机舱的受风面积，降低机组所受的风载荷、叶根弯矩及倾覆力矩，保护机组免遭破坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风力发电机组防台风的运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

10)接收台风预报信号；

20)在台风来临之前，叶片顺桨；

211)判断风轮转速是否降低至设定的较低转速，若是，进入步骤212)；

212)实时获取风轮转速信号及叶片的位置信号；

213)判断是否达到液压刹车时机，所述液压刹车时机为，风轮转速达到设定的临界液压刹车转速，并且，其中一只叶片距风轮圆周最低点的角度接近临界液压刹车角度，

若是，进入步骤214)；

若否，返回步骤212)；

214)启动液压刹车，使风轮中所述的其中一只叶片停靠在风轮圆周的最低点附近；

30)控制机舱主动偏航；

40)判断机舱尾部是否对风，

若是，进入步骤50)；

若否，返回步骤30)；

50)释放偏航刹车，并停机；

60)台风来袭，依靠叶片的气动力矩实现机舱自由偏航；

70)通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度。

2.如权利要求1所述的风力发电机组防台风的运行控制方法，其特征在于，所述步骤212)中：

通过风轮转轴上设置的转速传感器获取风轮转速信号；

通过软件方式或硬件方式获取叶片的位置信号。

3.如权利要求2所述的风力发电机组防台风的运行控制方法，其特征在于，所述软件方式为：

设定临界液压刹车转速；

计算刹车停转时间；

计算风轮转过角度；

计算叶片距风轮圆周最低点的角度。

4.如权利要求2所述的风力发电机组防台风的运行控制方法，其特征在于，所硬件方式为：

通过风轮圆周最低点位置上设置的位置传感器，获取叶片距风轮圆周最低点的角度。

5.如权利要求1-4任一项所述的风力发电机组防台风的运行控制方法，其特征在于，保持所述液压刹车的刹车力不变。

6.如权利要求1-4任一项所述的风力发电机组防台风的运行控制方法，其特征在于，通过压力调节器闭环控制液压刹车的刹车力。

7.一种风力发电机组防台风的运行控制装置，其特征在于，包括：

转速传感器，设置在风轮转轴上，用于检测并输出风轮转速信号；

位置传感器，设置在风轮圆周的最低点位置，用于检测并输出叶片距风轮圆周最低点的角度信号；

控制器，用于接收台风预报信号及各种传感器的检测信号，根据预定的控制策略，发出相关的控制指令，所述控制器还存储与控制有关的参数；

台风将临时，该风力发电机组防台风的运行控制装置启动，所述控制器发出叶片顺桨指令，实现气动刹车；在风轮转速达到设定的临界液压刹车转速，且其中一只叶片距风轮圆周最低点的角度接近临界液压刹车角度时，所述控制器发出液压刹车指令；在所述的其中一只叶片停靠在风轮圆周最低点附近时，所述控制器发出主动偏航指令；在机舱尾部对风时，所述控制器发出释放偏航刹车指令及停机指令；台风来袭时，依靠叶片的气动力矩实现机舱自由偏航；并且，通过叶片的尾舵作用，不断调整机舱尾部的迎风角度。

8.一种风力发电机组，其特征在于，使用如权利要求7所述的风力发电机组防台风的运行控制装置。

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