CN102777319B - 用于风力发电的偏航控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于风力发电的偏航控制系统及其控制方法，该偏航控制系统包含主控制器，分别电路连接所述主控制器的首变频器和若干其余变频器，所述的首变频器和若干其余变频器分别电路连接有偏航电机，所述的首变频器分别电路连接其余的变频器。控制方法通过对每台电机的转速和转矩进行精确控制，使不同偏航电机与偏航轴承之间的受力达到平衡，减少受力不平衡造成的机械应力过大问题，延长偏航电机和偏航轴承的使用寿命，同时根据风速控制不同的偏航速度，提高风能利用效率，并在高风速下降低故障风险，起到保护作用。

Description

用于风力发电的偏航控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于风力发电的偏航控制系统及其控制方法。

背景技术

风力发电是近十年来国际上发展速度最快的可再生能源，随着风力发电机容量越来越大，对控制系统的要求也越来越高。偏航系统的控制对风力发电机的运行效率和安全运行都有重要影响。

目前，现有的风力发电偏航系统普遍采用一台变频器带多台偏航电机的控制策略。在这种控制模式下，首先，偏航电机只采用一种偏航速度，无法提高偏航速度，降低了风机的风能捕获效率，同时高风速下，如果不及时进行侧风，仅仅依靠顺桨也有可能使叶轮和塔筒承受过大的机械应力，存在损坏的风险，缩短了相应部件的使用寿命。

其次，偏航系统由多台电机组成，各个偏航电机之间的电气参数和机械参数不可能完全相同，如果用单台变频器控制多台偏航电机，电机从变频器得到相同的控制参数，就无法平衡各个电机之间转速和转矩参数，如果各偏航电机转速转矩的不相同又会造成偏航电机与偏航轴承之间受力不一致，长期运行容易对偏航电机和偏航轴承造成损害。

再者，采用单一变频器来控制多台电机，一旦在运行过程中出现故障，必须对电机进行逐一排查，故障排除时间长，维护成本高。

发明内容

本发明提供一种用于风力发电的偏航控制系统及其控制方法，通过对每台电机的转速和转矩进行精确控制，使不同偏航电机与偏航轴承之间的受力达到平衡，减少受力不平衡造成的机械应力过大问题，延长偏航电机和偏航轴承的使用寿命，同时根据风速控制不同的偏航速度，提高风能利用效率，并在高风速下降低故障风险，起到保护作用。

为了达到上述目的，本发明提供一种用于风力发电的偏航控制系统，该偏航控制系统包含主控制器，分别电路连接所述主控制器的首变频器和若干其余变频器，所述的首变频器和若干其余变频器分别电路连接有偏航电机，该偏航控制系统还包含分别电路连接所述主控制器的若干刹车装置。

所述的首变频器分别电路连接其余的变频器。

本发明还提供一种用于风力发电的偏航控制方法，包含以下步骤：

步骤1、主控制器确定偏航速度；

步骤1.1、主控制器判断风机的运行状态，若处于正常运行状态，则进行步骤1.2，若否，则进行步骤1.3；

步骤1.2、主控制器测定风速，根据风速确定偏航速度；

步骤1.3、主控制器根据风机的运行状态，确定偏航速度；

步骤2、确定首变频器和其余变频器的控制模式；

变频器具有两种控制模式：无传感器的矢量速度控制模式和无传感器的矢量转矩控制模式，将首变频器设置为速度模式，其余变频器设置为转矩控制模式；

速度控制模式下变频器直接通过改变三相交流频率来控制电机转速（n=60f/p，n、f、p分别为转速、频率和极对数），而不用考虑输入电流的大小，也即不对输出功率进行控制；

转矩控制模式下变频器可以通过控制输出功率进而控制电机转速（T=9550P/n，T、P、n分别为转矩、功率和转速），即在一定转速条件下，控制输出功率的大小，从而使转矩稳定在设定值附近；

步骤2.1、主控制器将偏航速度信号f传输给首变频器；

步骤2.2、首变频器将控制状态设定为速度控制模式；

步骤2.3、首变频器计算其余变频器的转矩：

T=9550P/n，其中，T、P、n分别为首变频器的转矩、功率和转速；

步骤2.4、首变频器将转矩信号T传输给其余的变频器；

步骤2.5、其余的变频器将控制状态设定为转矩控制模式；

运行前，首变频器要设定速度限制，其余变频器要设定转矩限制，因为如果速度设定过大或转矩设定过小，偏航电机可能无法带动偏航轴承旋转，造成电机堵转，电流过大而烧毁；反之，有可能使电机和偏航轴承承受过大的机械应力，造成机械损伤，影响机械寿命；

步骤3、启动偏航电机，风机开始运转；

步骤3.1、主控制器将启动信号（正转信号或反转信号）传输给每个变频器。同时，主控制器控制所有的刹车装置释放偏航电磁抱闸；

步骤3.2、主控制器接收到刹车装置发出的偏航电磁抱闸释放信号反馈后，启动变频器；

步骤3.3、所有的偏航电机在各自变频器的控制下，按照设定速度进行偏航。

在运行过程中，如果任一台变频器报故障信号，主控制器就会切断所有的驱动，并启动刹车装置进行刹车，之后可以根据故障信息判断是哪组变频器-偏航电出现机故障，从而迅速进行故障排除。

所述的偏航控制方法的停机过程包含以下步骤：

步骤4.1、主控制器发送停止信号给变频器；

步骤4.2、变频器控制偏航电机停止偏航；

步骤4.3、偏航电机将反馈信号发送给主控制器；

步骤4.4、主控制器控制刹车装置启动偏航电磁抱闸。

本发明通过对每台电机的转速和转矩进行精确控制，使不同偏航电机与偏航轴承之间的受力达到平衡，减少受力不平衡造成的机械应力过大问题，延长偏航电机和偏航轴承的使用寿命，同时根据风速控制不同的偏航速度，提高风能利用效率，并在高风速下降低故障风险，起到保护作用。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于风力发电的偏航控制系统的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图1，具体说明本发明的较佳实施例：

如图1所示，本发明提供一种用于风力发电的偏航控制系统，该偏航控制系统包含主控制器1，分别电路连接所述主控制器1的首变频器21、变频器22、变频器23和变频器24，偏航电机31电路连接所述的首变频器21，偏航电机32电路连接所述的变频器22，偏航电机33电路连接所述的变频器23，偏航电机34电路连接所述的变频器24，该偏航控制系统还包含分别电路连接所述主控制器1的刹车装置41、刹车装置42、刹车装置43和刹车装置44。

刹车信号是主控制器1预先设定的，刹车装置和偏航电机之间的关系为：启动时主控制器1将信号传递到刹车装置释放偏航电磁抱闸，在偏航电机启动前必须释放偏航电磁抱闸，如果主控制器1没有接收到偏航电磁抱闸释放的反馈信号，不会启动变频器，即不会启动偏航电机；停机时先停止变频器，也即停止偏航电机，再进行电磁抱闸，如果主控制器1没有收到偏航电机停机的反馈信号，主控制器1不会发信号进行电磁抱闸。

所述的首变频器21分别电路连接所述的变频器22、变频器23和变频器24

该偏航控制系统中所有的控制信号的传递是采用带屏蔽的控制电缆连接的方式进行传输的。一方面为了节约成本， 另一方面控制柜与偏航变频器以及各个变频器之间的间距较短，信号基本无衰减，带屏蔽的控制电缆能够满足系统的要求。

本发明还提供一种用于风力发电的偏航控制方法，包含以下步骤：

步骤1、主控制器确定偏航速度；

步骤1.1、主控制器判断风机的运行状态，若处于正常运行状态，则进行步骤1.2，若否，则进行步骤1.3；

步骤1.2、主控制器测定风速，根据风速确定偏航速度；

正常运行条件下，一定范围的风速对应一个偏航转速，由风速-偏航转速对照表给出，见表1；

表1    风速-偏航转速对照表

风速(m/s)	偏航电机转速(rpm)
		11＜风速≤25	705
3＜风速≤11	1410

步骤1.3、主控制器根据风机的运行状态，确定偏航速度；

其它各种风机运行状态，例如正常停机、紧急状态等，也有其相对应的偏航速度，见表2；

表2    其它运行状态对照表

其它运行状态	偏航电机转速(rpm)
		正常停机	705
紧急状态	0

步骤2、确定首变频器和其余变频器的控制模式；

变频器具有两种控制模式：无传感器的矢量速度控制模式和无传感器的矢量转矩控制模式，将首变频器设置为速度模式，其余变频器设置为转矩控制模式；

速度控制模式下变频器直接通过改变三相交流频率来控制电机转速（n=60f/p，n、f、p分别为转速、频率和极对数），而不用考虑输入电流的大小，也即不对输出功率进行控制；

转矩控制模式下变频器可以通过控制输出功率进而控制电机转速（T=9550P/n，T、P、n分别为转矩、功率和转速），即在一定转速条件下，控制输出功率的大小，从而使转矩稳定在设定值附近；

步骤2.1、主控制器将偏航速度信号f传输给首变频器；

步骤2.2、首变频器将控制状态设定为速度控制模式；

步骤2.3、首变频器计算其余变频器的转矩：

T=9550P/n，其中，T、P、n分别为首变频器的转矩、功率和转速；

步骤2.4、首变频器将转矩信号T传输给其余的变频器；

步骤2.5、其余的变频器将控制状态设定为转矩控制模式； 

运行前，图1中的首变频器21设定速度限制，采用两个等级的速度：一个是偏航电机的额定转速1410rpm，另一个是额定转速的一半为705rpm，这个速度控制模式和速度限制，在变频器运行前其内部预先输入完成，其余变频器根据首变频器21实际运行工况，将首变频器21获得的输出电流值（即转矩控制值）传递给其余变频器22，23，24，其它变频器运行前内部预先设定为转矩控制模式来限制最大扭矩，从首变频器得到实际扭矩作为实际的运行输入点，并根据电机实际的额定转矩设定转矩限幅值为-172%~172%（根据最大转矩和额定转矩之间的比例关系而得，本偏航系统采用4个3kW的三相异步变频调速电机，额定转矩为20.3 Nm，最大转矩为35 Nm）。

如果速度设定过大或转矩设定过小，偏航电机可能无法带动偏航轴承旋转，造成电机堵转，电流过大而烧毁；反之，有可能使电机和偏航轴承承受过大的机械应力，造成机械损伤，影响机械寿命；

步骤3、启动偏航电机，风机开始运转；

步骤3.1、主控制器将启动信号（正转信号或反转信号）传输给每个变频器。同时，主控制器控制所有的刹车装置释放偏航电磁抱闸；

步骤3.2、主控制器接收到刹车装置发出的偏航电磁抱闸释放信号反馈后，启动变频器；

步骤3.3、所有的偏航电机在各自变频器的控制下，按照设定速度进行偏航；

在运行过程中，如果任一台变频器报故障信号，主控制器就会切断所有的驱动，并启动刹车装置进行刹车，之后可以根据故障信息判断是哪组变频器-偏航电出现机故障，从而迅速进行故障排除。

本偏航控制方法的停机过程包含以下步骤：

步骤4.1、主控制器发送停止信号给变频器；

步骤4.2、变频器控制偏航电机停止偏航；

步骤4.3、偏航电机将反馈信号发送给主控制器；

步骤4.4、主控制器控制刹车装置启动偏航电磁抱闸。

本发明具有以下有益效果：

1、可以对每台偏航电机的转矩和转速进行精确控制，保证在相同转速下转矩相同，从而使不同偏航电机和偏航轴承之间的受力达到平衡，由于采用主机速度模式和从机转矩控制模式，使得偏航速度更加平滑，有利于延长偏航电机和偏航轴承的使用寿命；

2、在高风速时，可以通过调整偏航速度降低风机部件承受的力矩，降低风险，起到保护作用；

3、如果运行过程中出现故障时，可以迅速精确的定位具体的变频器或者偏航电机，节约了检测时间，降低了维护成本；

4、偏航速度可调，在低风速下，能实现快速偏航对风，提高风机运行效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种用于风力发电的偏航控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1、主控制器确定偏航速度；

步骤2、确定首变频器和其余变频器的控制模式；

变频器具有两种控制模式：无传感器的矢量速度控制模式和无传感器的矢量转矩控制模式，将首变频器设置为速度模式，其余变频器设置为转矩控制模式；

所述的步骤2包含以下步骤：

步骤2.1、主控制器将偏航速度信号f传输给首变频器；

步骤2.2、首变频器将控制状态设定为速度控制模式；

步骤2.3、首变频器计算其余变频器的转矩：

T=9550P/n，其中，T、P、n分别为首变频器的转矩、功率和转速；

步骤2.4、首变频器将转矩信号T传输给其余的变频器；

步骤2.5、其余的变频器将控制状态设定为转矩控制模式；

步骤3、启动偏航电机，风机开始运转。

2.如权利要求1所述的用于风力发电的偏航控制方法，其特征在于，所述的步骤1包含以下步骤：

步骤1.1、主控制器判断风机的运行状态，若处于正常运行状态，则进行步骤1.2，若否，则进行步骤1.3；

步骤1.2、主控制器测定风速，根据风速确定偏航速度；

步骤1.3、主控制器根据风机的运行状态，确定偏航速度。

3.如权利要求1所述的用于风力发电的偏航控制方法，其特征在于，运行前，首变频器要设定速度限制，其余变频器要设定转矩限制。

4.如权利要求1所述的用于风力发电的偏航控制方法，其特征在于，所述的步骤3包含以下步骤：

步骤3.1、主控制器将启动信号传输给每个变频器，同时，主控制器控制所有的刹车装置释放偏航电磁抱闸；

步骤3.2、主控制器接收到刹车装置发出的偏航电磁抱闸释放信号反馈后，启动变频器；

步骤3.3、所有的偏航电机在各自变频器的控制下，按照设定速度进行偏航。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的用于风力发电的偏航控制方法，其特征在于，在运行过程中，如果任一台变频器报故障信号，主控制器就会切断所有的驱动，并启动刹车装置进行刹车，之后可以根据故障信息判断是哪组变频器-偏航电机出现机故障，从而迅速进行故障排除。

6.如权利要求5所述的用于风力发电的偏航控制方法，其特征在于，所述的偏航控制方法的停机过程包含以下步骤：

步骤4.1、主控制器发送停止信号给变频器；

步骤4.2、变频器控制偏航电机停止偏航；

步骤4.3、偏航电机将反馈信号发送给主控制器；

步骤4.4、主控制器控制刹车装置启动偏航电磁抱闸。