CN102011698B

CN102011698B - 风力发电机偏航控制方法及系统

Info

Publication number: CN102011698B
Application number: CN2010106056642A
Authority: CN
Inventors: 朱新湘
Original assignee: Beijing Goldwind Science and Creation Windpower Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Goldwind Science and Creation Windpower Equipment Co Ltd
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102011698A

Abstract

本发明提供一种风力发电机偏航控制方法，其包括：监测风力发电机的偏航控制信号；根据偏航控制信号的预定阈值，判断偏航控制信号所处状态区间；根据偏航控制信号所处状态区间，设定偏航电机工作电源的频率，以使偏航电机的转速与风速相适应。本发明还提供一种风力发电机偏航控制系统，其包括：监测单元，监测风力发电机偏航控制信号；控制单元，根据偏航控制信号的预定阈值，判断偏航控制信号所处区间，根据偏航控制信号所处状态区间生成频率控制信号并将其发送至变频单元；变频单元，根据频率控制信号设定偏航电机工作电源的频率，以使偏航电机的转速与风速相适应。采用本发明提供的偏航控制方法及系统，可有效降低偏航过程中产生的冲击和振动。

Description

风力发电机偏航控制方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术，尤其涉及风力发电机的偏航控制方法及系统。

背景技术

随着人类环保意识和对清洁能源需求的提高，风能作为一种可再生能源已受到广泛重视。近年来，各国对风能的开发与利用不断加强，风电技术蓬勃发展。由于风向和风速总是在不断变化，因此，为了提高风能的利用率，就需要确保风力发电机机舱始终正面迎风，为此人们在风力发电机中增设了偏航系统，其可根据风向的变化不断调整风力发电机机舱方向，以保证其始终正面迎风，从而最大程度地利用风能。

风力发电机的偏航系统起着跟踪风向的作用，一般都是通过偏航电机驱动偏航减速器的齿轮来调整方向，以使机舱正面迎风。偏航电机的转速越快，则方向调整得越快，因而对风向的跟踪也就越迅速；反之，偏航电机的转速越慢，则方向调整得越慢，因而不能适应风向快速且大幅度的变化。为此，现有的偏航电机都以某一较高的特定频率运转，这使在偏航过程中，偏航系统会产生振动，对偏航轴承和整机造成损害。当风速较低时，这种振动所造成的损害尚可以限定在较小的范围内，但是当风速较大且电机运转速度又很快时，这种损害就会比较严重。

此外，随着风电技术的发展，在风力发电机机组容量不断增加的同时，风力发电机叶片的尺寸也呈现出不断增大的趋势。特别是随着近年来国内3兆瓦级以上风力发电机的出现，叶片直径已经达到100米以上。如果在这种风力发电机中采用传统的偏航系统，由于其采用恒定的较高频率运转，当风速较大时偏航过程中产生的振动会被放大并作用在数十米长的风力发电机的叶片上，严重影响风力发电机叶片的寿命。

发明内容

本发明的目的在于解决目前风力发电机中存在的上述缺陷，提供一种偏航控制方法及系统，其可有效降低风力发电机，特别是大型风力发电机偏航过程中产生的冲击和振动，从而减小对偏航减速器、偏航轴承和叶片的损害。

为此，本发明提供了一种风力发电机偏航控制方法，其包括下述步骤：1)实时监测风力发电机的偏航控制信号，所述偏航控制信号为风力发电机所处环境的风速或风力发电机的输出功率；2)根据所述偏航控制信号的预定阈值，判断所述偏航控制信号所处状态区间；3)根据所述偏航控制信号所处状态区间，设定偏航电机工作电源的频率，以使偏航电机的转速与风速相适应。

其中，在所述步骤3)中还包括下述过程：根据所述偏航控制信号所处状态区间生成频率控制信号，并根据所述频率控制信号设定偏航电机工作电源的频率。

此外，本发明还提供了一种风力发电机偏航控制系统，其包括：

监测单元，用于监测风力发电机偏航控制信号，所述偏航控制信号为所处环境的风速或者风力发电机的输出功率；控制单元，用于接收所述监测单元传送的实时监测数据，并根据所述偏航控制信号的预定阈值，判断所述偏航控制信号所处状态区间，根据所述偏航控制信号所处状态区间生成频率控制信号，并将其发送至变频单元；变频单元，用于根据所述频率控制信号设定偏航电机工作电源的频率，以使偏航电机的转速与风速相适应。

其中，所述监测单元为风速仪或功率检测仪，所述变频单元为通用的变频器。

其中，所述偏航控制信号的状态区间至少为2个。

优选地，所述偏航控制信号的状态区间为2个，其中，

当所述偏航控制信号为风速时，风速的两个状态区间为：高频风速区间，该区间的风速小于第一设定风速；以及低频风速区间，该区间的风速大于第一设定风速；

当所述偏航控制信号为输出功率时，输出功率的两个状态区间为：高频功率区间，该区间的输出功率低于第一设定功率，以及低频功率区间，该区间的功率高于第一设定功率。

优选地，所述偏航控制信号的状态区间为3个，其中

当所述偏航控制信号为风速时，风速的三个状态区间为：高频风速区间，该区间的风速小于第一设定风速；中频风速区间，该区间的风速高于第一设定风速低于第二设定风速；低频风速区间，该区间的风速大于第二设定风速，其中，第一设定风速小于第二设定风速；

当所述偏航控制信号为输出功率时，输出功率的三个状态区间为：高频功率区间，该区间的输出功率低于第一设定功率，中频功率区间，该区间的功率大于第一设定功率小于第二设定功率；低频功率区间，该区间的功率高于第二设定功率，其中，第一设定功率小于第二设定功率。

采用本发明提供的风力发电机偏航控制方法及系统具有如下有益效果：

本发明提供的偏航控制方法及系统，可根据风速或风力发电机输出功率的变化，相应调整偏航电机的转速，使其在风速较大时，运转速度较低，而风速较小时，运转速度较高，从而在不影响偏航电机对风向跟踪的前提下，有效降低偏航过程中产生的冲击和振动，减小对偏航减速器、偏航轴承和叶片的损害。

附图说明

图1是本发明提供的风力发电机偏航控制方法的流程图；

图2是本发明提供的风力发电机偏航控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的风力发电机偏航控制方法及系统进行详细说明。

如图1所示，为本发明提供的风力发电机偏航控制方法的流程图。如图所示，在步骤S1中，监测风力发电机的偏航控制信号，即实时监测风力发电机所处环境的风速v或风力发电机的输出功率P；然后在步骤S2中根据偏航控制信号的预定阈值判断所述偏航控制信号所处的状态区间，即判断风速v所处的风速状态区间或者输出功率P所处的功率状态区间，其中所述信号区间至少为2个；接着在步骤S3中，根据所述偏航控制信号所处状态区间，设定偏航电机工作电源的频率f，以使偏航电机的转速n与风速v相适应，即当风速v较小时，转速n较大，风速v较大时，转速n较小。

其中，可通过下述方法设定偏航电机工作电源的频率f，首先根据偏航控制信号所述状态区间，即根据风速v所处的风速状态区间或者输出功率P所处的功率状态区间，生成频率控制信号F，并根据该频率控制信号F设定偏航电机工作电源的频率f。

具体地，当监测到风力发电机处于小风环境或低功率状态，即风速v小于第一设定风速v₁，例如可以是3m/s，或者功率P低于第一设定功率P₁，例如可以是额定功率的40％时，生成频率控制信号F₁，根据频率控制信号F₁将偏航电机的电源频率设置为f₁，从而使偏航电机以转速n₁运转工作；当监测到风速v大于风速v₁或输出功率P大于P₁时，生成频率控制信号F₂，根据频率控制信号F₂将偏航电机的电源频率设置为f₂，从而使偏航电机以转速n₂运转工作，其中，f₁＞f₂，n₁＞n₂。即当风速v较小或者输出功率p较低时，给偏航电机提供频率较高的工作电源，使偏航电机以较高的转速n₁运转；当风速v较大或者输出功率p较高时，向偏航电机提供频率较高的工作电源，使偏航电机以较高的转速n₂运转，从而可避免出现风速较大时偏航电机以较高的转速运转，降低了偏航过程中带来的冲击和振动。

除了上述实施例提供的两种工作状态外，也可设置三种工作状态。例如，当监测到风力发电机处于小风环境或低功率状态，即风速v小于第一设定风速v₁’，例如可以是3米/秒，或者输出功率P小于第一设定功率P₁’，例如可以是额定功率的40％时，生成频率控制信号F₁’，使偏航电机工作电源的频率设定为高频f₁’，使偏航电机以高转速n₁’ 工作；当监测到风力发电机处于在中风或者较高功率状态，即风速v大于v₁’，而小于第二设定风速v₂’，例如可以是10米/秒，或者功率P大于P₁’而低于第二设定功率P₂’，例如可以是额定功率的60％时，生成频率控制信号F₂’，使偏航电机工作电源的频率设定为较高频率f₂’(f₁’＞f₂’)，从而使偏航电机以较高的转速n₂’(n₁’＞n₂’)工作；当监测到风力发电机机处在大风或者大功率运行状态，即风速v大于v₂’，或者功率P高于P₂’，生成频率控制信号F₃’使偏航电机工作电源的频率设定为低频率f₃’(f₂’＞f₃’)，从而使偏航电机以低转速n₃’(n₂’＞n₃’)工作。

需要说明的是，上述实施例中的v₁、v₁、v₂’、P₁、P₁’、P₂’、f₁、f₂、f₁’、f₂’、f₃’、n₁、n₂、n₁’、n₂’、n₃’均不局限于特定数值，可根据风力发电机的实际工作性能以及所处环境的实际情况，进行具体设定。

此外，还需要说明的是，虽然上述实施例只给出了偏航电机两种工作状态或三种工作状态，但是可根据实际情况，将风速或功率设定为3个以上的区间，并且分别生成相应的频率控制信号，从而使偏航电机具有更多的转速。

如图2所示，为本发明提供的风力发电机偏航控制系统的结构示意图。如图所示，该偏航控制系统包括监测单元1，用于监测风力发电机偏航控制信号，并将实时监测数据发送给控制单元2，所述偏航控制信号为所处环境的风速v或者偏航电机的输出功率p；控制单元2，根据预定的信号阈值，判断所述偏航控制信号所处状态区间，根据所述偏航控制信号所处状态区间生成频率控制信号F，并将所述频率控制信号F发送给所述变频单元3；变频单元3，用于根据频率控制信号F，设定偏航电机工作电源的频率f，以使偏航电机的转速n与风速v相适应，其中变频单元3可以采用通用的变频器。

其中，可通过风速仪来监测风力发电机所处环境的风速v，或者通过功率检测仪来监测风力风力发电机的输出功率P，功率检测仪可分别检测电机转子侧的电压和电流，通过电流、电压传感器测量直流、交流和脉冲波形的电流和电压。

其中，所述偏航控制信号的状态区间至少为2个，即风速v或输出功率P的状态区间至少为2个。例如偏航控制信号的区间可以为2个，其中，当所述偏航控制信号为风速时，风速v的两个状态区间为：高频风速区间，该区间的风速v小于第一设定风速v’；低频风速区间，该区间的风速v大于第一设定风速v’；当所述偏航控制信号为输出功率时，输出功率P的两个状态区间为；高频功率区间，该区间的输出功率低于第一设定功率P，低频功率区间，该区间的功率高于第一设定功率。当风速v处于高频风速区间或者输出功率P处于高频功率区间时，控制单元2生成频率控制信号F，使变频单元3根据该频率控制信号F将偏航电机工作电源的频率设定为较高频率f，从而使偏航电机以较高转速n工作；当风速v处于低频风速区间或者输出功率P处于低频功率区间时，控制单元2生成频率控制信号F’，使变频单元3根据该频率控制信号F’将偏航电机工作电源的频率设定为较低频率f’，从而使偏航电机以较低转速n’工作。

又例如所述偏航控制信号的区间可以为3个，即当所述偏航控制信号为风速时风速v有三个区间：高频风速区间，该区间的风速v小于第一设定风速v₁；中频风速区间，该区间的风速高于第一设定风速v₁低于第二设定风速v₂；低频风速区间，该区间的风速大于第二设定风速v₂，其中，第一设定风速v₁小于第二设定风速v₂；当所述偏航控制信号为输出功率时，输出功率P有三个区间；高频功率区间，该区间的输出功率P低于第一设定功率P₁，中频功率区间，该区间的输出功率P大于第一设定功率P₁小于第二设定功率P₂；低频功率区间，该区间的输出功率高于第二设定功率P₂，其中，第一设定功率P₁小于第二设定功率P₂。在每个区间的控制过程均类似于上述实施例中的情况，在此不再赘述。

需要说明的是，可根据实际情况，将所述偏航控制信号的区间设定为3个以上，当风力发电机处于相应区间时，偏航电机以相应的转速工作。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种风力发电机偏航控制方法，其特征在于包括下述步骤：

1)实时监测风力发电机的偏航控制信号，所述偏航控制信号为风力发电机所处环境的风速或风力发电机的输出功率；

2)根据偏航控制信号的预定阈值，判断所述偏航控制信号所处的状态区间；

3)根据所述偏航控制信号所处状态区间设定偏航电机工作电源的频率，使得当偏航控制信号为风速且风速越低时，偏航电机的转速越高；或者，当偏航控制信号为输出功率且输出功率越低时，偏航电机的转速越高。

2.如权利要求1所述的风力发电机偏航控制方法，其特征在于在所述步骤3)中还包括下述过程：根据所述偏航控制信号所处状态区间生成频率控制信号，并根据所述频率控制信号设定偏航电机工作电源的频率。

3.如权利要求1或2所述的风力发电机偏航控制方法，其特征在于，所述偏航控制信号的状态区间至少为2个。

4.如权利要求3所述的风力发电机偏航控制方法，其特征在于，所述偏航控制信号的区间设置为2个，其中

当所述偏航控制信号为输出功率时，输出功率的两个状态区间为；高频功率区间，该区间的输出功率低于第一设定功率，低频功率区间，该区间的功率高于第一设定功率。

5.如权利要求3所述的风力发电机偏航控制方法，其特征在于，所述偏航控制信号的区间设置为3个，其中

6.一种风力发电机偏航控制系统，其特征在于包括：

监测单元，用于实时监测风力发电机偏航控制信号，所述偏航控制信号为所处环境的风速或者风力发电机的输出功率；

控制单元，用于接收所述监测单元传送的实时监测数据，并根据所述偏航控制信号的预定阈值，判断所述偏航控制信号所处区间，根据所述偏航控制信号所处区间生成频率控制信号，并将其发送至变频单元；

变频单元，用于根据所述频率控制信号设定偏航电机工作电源的频率，使得当偏航控制信号为风速且风速越低时，偏航电机的转速越高；或者，当偏航控制信号为输出功率且输出功率越低时，偏航电机的转速越高。

7.如权利要求6所述的风力发电机偏航控制系统，其特征在于所述监测单元为风速仪或功率检测仪。

8.如权利要求6所述的风力发电机偏航控制系统，其特征在于所述变频单元为变频器。

9.如权利要求6所述的风力发电机偏航控制系统，其特征在于所述偏航控制信号的区间至少为2个。

10.如权利要求9所述的风力发电机偏航控制系统，其特征在于，所述偏航控制信号的区间设置为2个，其中

当所述偏航控制信号为风速时，风速的两个状态区间为：高频风速区间，该区间的风速小于第一设定风速；低频风速区间，该区间的风速大于第一设定风速；

11.如权利要求9所述的风力发电机偏航控制系统，其特征在于，所述偏航控制信号的区间设置为3个，其中

当所述偏航控制信号为输出功率时，输出功率的三个状态区间；高频功率区间，该区间的输出功率低于第一设定功率，中频功率区间，该区间的功率大于第一设定功率小于第二设定功率；低频功率区间，该区间的功率高于第二设定功率，其中，第一设定功率小于第二设定功率。