CN102777321A - 一种独立变桨控制系统的输入信号获取装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立变桨控制系统的输入信号获取装置，所述装置包括与轮毂前方横杆连接且与所述轮毂相距第一距离的传感器支架，传感器支架、横杆的轴向与轮毂的旋转轴向共轴，且传感器支架在叶轮运行过程中与所述横杆同步旋转，在所述传感器支架内安装至少一个接收发射装置，所述至少一个接收发射装置与安装于风机机舱内的主机共同组成激光多普勒雷达测风系统；所述接收发射装置，用于发射一束频率稳定的窄带激光脉冲，并控制所述激光脉冲以设定倾角指向入流区域中的设定测点区域，用以获取多普勒频移数据，以便所述主机根据所述多普勒频移数据计算所述设定测点区域内的平均风速。本发明还公开了一种独立变桨控制系统的输入信号获取方法。

Description

一种独立变桨控制系统的输入信号获取装置和方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种独立变桨控制系统的输入信号获取装置和方法。

背景技术

世界各国开始纷纷重视自然环境，在全球提倡发展清洁能源的背景下，风能作为可再生的清洁资源得到了全球市场的肯定，全球的风电市场以每年20％～35％的速度递增。全球陆地大兆瓦机组和海上风电装机重量正以较快的速度扩大，且机组的叶片直径达到百米以上，但是，在扫略面积内的风剪切效应使叶轮产生不平衡振动，大大增加了机组运行时的疲劳载荷，所以风电机组采用独立变桨策略可以有效的减小这种不平衡带来的载荷，有明显的降载功效。

为了实现独立变桨控制，需获取用于控制变桨角度和变桨方向的输入信号，而目前测量的输入信号主要包括以下三种且具有如下缺点：

(1)、测量叶根振动或应变

目前用于风电领域测量应变的传感器有应变片和光纤传感器两种技术，但利用应变片测量信号存在零漂现象，测量准确性难以保证，另外，使用应变传感器测量叶根振动的方法，输入信号对控制系统有较明显的滞后，并且独立变桨所需测量的振动应完全由机组受风影响产生，在实际获取的振动信号中，可能包含了由机组各个部件振动导致的叶片振动的叠加信号，基于该叠加信号的控制导致控制准确性的降低。

(2)、测量叶轮旋转方位角

由于该方法仅是测量叶轮方位角，但根据当地风场风切变情况，利用测量的叶轮方位角通过算法来控制变桨角度，这对算法的精确性提出了更高的要求，测量精度难以保证。

(3)、同时测量叶根振动和叶轮方位角

采用同时测量叶根振动和叶轮方位角作为独立变桨控制器的输入信号的方法，虽然在一定程度上提高了独立变桨的控制效果，但是仍存在上述控制精度低等特点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种独立变桨控制系统的输入信号获取装置和方法，用以利用所述输入信号提高独立变桨控制系统的控制精度，进而实现进一步降低机组载荷的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种独立变桨控制系统的输入信号获取装置，所述装置包括：与轮毂前方横杆连接且与所述轮毂相距第一距离的传感器支架，所述传感器支架、所述横杆的轴向与所述轮毂的旋转轴向共轴，且所述传感器支架在叶轮运行过程中与所述横杆同步旋转，在所述传感器支架内安装至少一个接收发射装置，所述至少一个接收发射装置与安装于风机机舱内的主机共同组成激光多普勒雷达测风系统；

所述接收发射装置，用于发射一束频率稳定的窄带激光脉冲，并控制所述激光脉冲以设定倾角指向入流区域中的设定测点区域，用以获取多普勒频移数据，以便所述主机根据所述多普勒频移数据计算所述设定测点区域内的平均风速。

优选的，在上述装置中，所述入流区域为：在风机叶片旋转过程中，所述风机叶片顶端的圆形运行轨迹在叶轮前方第二设定距离处的投影区域，所述第二设定距离大于所述第一设定距离。

优选的，在上述装置中，所述设定测点区域为：与投影在所述入流区域内的叶根相距第三距离且位于叶片运行轨迹上的设定区域，所述第三距离小于所述叶片的长度。

优选的，在上述装置中，所述接收发射装置将所述多普勒频移数据通过无线局域网发送至所述主机。

优选的，在上述装置中，所述主机，还用于将计算出的每个设定测点区域处的风速反馈给所述独立变桨控制系统的控制器，以便所述控制器利用每个风速信号分别控制每个叶片的变桨角度。

优选的，上述装置还包括：安装于所述传感器支架内的防雷装置，用于防止所述接收发射装置被雷电击中而损坏。

优选的，上述装置还包括：安装于所述传感器支架内的抗干扰装置，用于减少干扰信号进入所述接收发射装置。

本发明提供的一种独立变桨控制系统的输入信号获取方法，所述方法利用安装于传感器支架内的至少一个接收发射装置与安装于风机机舱内的主机组成激光多普勒雷达测风系统，用以获取所述独立变桨控制系统的输入信号；所述传感器支架与轮毂前方横杆连接且与所述轮毂相距第一距离，所述传感器支架、所述横杆的轴向与所述轮毂的旋转轴向共轴，且所述传感器支架在叶轮运行过程中与所述横杆同步旋转，所述方法包括：

所述接收发射装置发射一束频率稳定的窄带激光脉冲，并控制所述激光脉冲以设定倾角指向入流区域中的设定测点区域，用以获取多普勒频移数据；

所述主机根据所述多普勒频移数据计算所述设定测点区域内的平均风速。

优选的，上述方法还包括：

所述主机将计算出的每个设定测点区域处的风速反馈给独立变桨控制系统的控制器，以便所述控制器利用每个风速信号分别控制每个叶片的变桨角度。

优选的，在上述方法中，所述入流区域为：在风机叶片旋转过程中，所述风机叶片顶端的圆形运行轨迹在叶轮前方第二设定距离处的投影区域，所述第二设定距离大于所述第一设定距离。

优选的，在上述方法中，其特征在于，所述设定测点区域为：与投影在所述入流区域内的叶根相距第三距离且位于叶片运行轨迹上的设定区域，所述第三距离小于所述叶片的长度。

可见，本发明独立变桨控制系统的输入信号获取装置和方法，通过获取入流区域内不同测点的风速变化来控制变桨动作，可使叶轮保持在最佳的平衡状态，因为直接测量的风速信号属于单一信号，不存在信号耦合以及信号相关性，使变桨控制系统的输入信号不存在干扰；另外，设定测点与叶片之间有一定的距离，独立变桨策略会根据测量的风速提前判断变桨动作，控制桨叶按照期望的方向动作。基于上述的输入风速信号的无干扰性以及在风对叶片产生影响前便控制叶片变桨的特点，使得采用风速信号作为独立变桨控制系统的输入信号，可大大提高控制精度和控制效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明独立变桨控制系统的输入信号获取装置的结构示意图；

图2为本发明设定测点位置选取的一种示意图；

图3为本发明设定测点位置选取的另一种示意图；

图4为本发明独立变桨控制系统的输入信号获取方法的实施例一的流程示意图；

图5为本发明独立变桨控制系统的输入信号获取方法的实施例二的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，图1为本发明提供的一种独立变桨控制系统的输入信号获取装置，所述装置包括：与轮毂1前方横杆3连接且与所述轮毂1相距第一距离L的传感器支架4，所述传感器支架4、所述横杆3的轴向与所述轮毂1的旋转轴向共轴，且所述传感器支架4在叶轮运行过程中与所述横杆3同步旋转，在所述传感器支架4内安装至少一个接收发射装置，所述至少一个接收发射装置与安装于风机机舱内的主机共同组成激光多普勒雷达测风系统；

所述接收发射装置，用于发射一束频率稳定的窄带激光脉冲，并控制所述激光脉冲以设定倾角指向入流区域G中的设定测点区域，用以获取多普勒频移数据，以便所述主机根据所述多普勒频移数据计算所述设定测点区域内的平均风速。

所述主机，还用于将计算出的每个设定测点区域处的风速反馈给所述独立变桨控制系统的控制器，以便所述控制器利用每个风速信号分别控制每个叶片的变桨角度。

在图1所示的装置中，由于传感器支架4是固定安装在轮毂1前方横杆3顶端的，所以在风机叶片2运转过程中，传感器支架4会随着轮毂1的旋转而旋转，所以需要将传感器支架4的安装位置与轮毂前方横杆3的中心点保持在同一条直线上，目的是为了保证传感器支架4相对于轮毂1的位置始终不变，最终目的是为了保证雷达系统的激光脉冲以设定倾角准确无误的指向设定测点。另外，可根据实际需求，在传感器支架4上安装多个雷达系统的接收发装置，每个接收发装置负责一个设定测点的平均风速测量，也就是说，如果选定的设定测点有M个，则有M个接收发装置与之相对应。

另外，将上述激光多普勒雷达系统应用到本发明的具体工作原理为：

激光多普勒雷达系统的接收发射装置发射一束频率稳定的窄带(约几十MHz)激光脉冲，并以一定倾角指向大气中的入流区域G内的设定测点，激光被气溶胶粒子和大气分子散射，其中一小部分散射光沿发射方向返回激光雷达接收发射装置。由于大气风的作用或大气粒子的运动，接收信号光频率相对于发射激光频率存在多普勒频移，利用激光雷达的F2P标准具测量该多普勒频率，按照下述公式可直接计算得到径向风速：

V_r＝(λ/2)*Δv

式中，V_r是径向风速；λ是激光波长；Δv是多普勒频移。

激光多普勒雷达测风系统包含接收发射装置、支架及主机，主机安装在机舱内，每个接收发射装置将其获取的多普勒频移数据通过无线局域网发送至所述主机，主机按照上述公式计算出每个测点区域内的风速后反馈给控制器，用以作为独立变桨控制系统的输入信号。

本发明中的入流区域G为：在风机叶片旋转过程中，所述风机叶片顶端的圆形运行轨迹在叶轮前方第二设定距离D处的投影区域，所述第二设定距离D大于所述第一设定距离L。当然，本发明的入流区域包括但不限于上述入流区域G，还可选定大于或小于入流区域G的区域作为本发明的入流区域。

参见图2所示，图2为本发明提供的设定测点位置选取的一种示意图，本发明中规定的设定测点区域为：与投影在所述入流区域内的叶根相距第三距离且位于叶片运行轨迹上的设定区域，所述第三距离小于所述叶片的长度。该图中的设定测点分别为设定测点1、设定测点2和设定测点3，此时，传感器支架上将安装3个接收发射装置，雷达测风系统的接收发射装置1及主机负责测量设定测点1的风速，同样地，雷达测风系统的接收发射装置2及主机负责测量设定测点2的风速，雷达测风系统的接收发射装置3及主机负责测量设定测点3的风速。

参见图3所示，图3为本发明提供的设定测点位置选取的另一种示意图，在上述设定测点1、设定测点2和设定测点3的基础上，增加设定测点4、设定测点5和设定测点6，同时对应的在传感器支架上增设接收发装置4、接收发装置5和接收发装置6。

综合考虑安装成本及测量精度两个方面的要求，可根据实际需求按照但不限于上述图2或图3所示的测点位置选取方法。

独立变桨的主要目的在于通过三叶片独立变化桨距角来降低叶轮的气动不平衡，本发明独立变桨控制系统的输入信号获取装置，通过获取入流区域内不同测点的风速变化来实时控制变桨动作，可使所述叶轮保持在最佳的平衡状态，因为直接测量的风速信号属于单一信号，不存在信号耦合以及信号相关性，使变桨控制系统的输入信号不存在干扰；另外，设定测点与轮毂之间有一定的距离，独立变桨策略会根据测量的风速提前判断变桨动作，控制桨叶按照期望的变桨角度变化，并且保证机组功率输出平稳。基于本发明获取的风速输入信号无干扰且在风对叶片产生影响前便控制叶片变桨，从而大大提高了独立变桨控制系统的控制精度和控制效果。

此外，在本发明中，由于多普勒激光雷达系统随轮毂同时转动，所以设定测点区域将随着风轮的旋转而旋转，设定测点区域相对叶片的位置处于相对静止状态，测量相对位置保持不变，使得测量数据准确度较高；此外，激光雷达测风系统测量响应速度快，测风相当于实时测量，使控制系统可接收实时的测量输入信号；基于多普勒雷达测风系统与机组叶轮同步旋转可实时测量所需风速，而测点区域与叶片处于相对静止状态，使得将测量的风速作为独立变桨控制系统的输入信号，可有效减小测量误差和干扰输入。

上述装置还包括：安装于所述传感器支架内的防雷装置，用于防止所述接收发射装置被雷电击中而损坏。由于雷电以及大型电气设备的瞬间过电压会通过电源、天线、无线电信号收发设备等线路侵入电气设备和网络设备，造成设备或元器件损坏，传输或储存的数据受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪、系统停顿，数据传输中断。所以本发明需要在传感器支架内安装防雷装置，来防止雷达系统的接收发射装置被雷击中，用以保证变桨控制系统顺利接收到风速信号，从而确保变桨控制系的正常工作。

上述装置还包括：安装于所述传感器支架内的抗干扰装置，用于减少干扰信号进入所述接收发射装置。雷达通过无线发射和接收目标信号，但同时可能接收到干扰信号，可以通过在天线上采取某些措施尽量减少干扰信号进入接收发装置。

参见图4所示，图4为本发明提供的一种独立变桨控制系统的输入信号获取方法的实施例一的流程示意图，该方法利用安装于传感器支架内的至少一个接收发射装置与安装于风机机舱内的主机组成激光多普勒雷达测风系统，用以获取所述独立变桨控制系统的输入信号；所述传感器支架与轮毂前方横杆连接且与所述轮毂相距第一距离，所述传感器支架、所述横杆的轴向与所述轮毂的旋转轴向共轴，且所述传感器支架在叶轮运行过程中与所述横杆同步旋转；实现所述方法的步骤如下：

步骤101：所述接收发射装置发射一束频率稳定的窄带激光脉冲，并控制所述激光脉冲以设定倾角指向入流区域中的设定测点区域，用以获取多普勒频移数据；

步骤102：所述主机根据所述多普勒频移数据计算所述设定测点区域内的平均风速。

同样地，在上述方法中，所述入流区域为：在风机叶片旋转过程中，所述风机叶片顶端的圆形运行轨迹在叶轮前方第二设定距离处的投影区域，所述第二设定距离大于所述第一设定距离。

同样地，在上述方法中，所述设定测点为：与投影在所述入流区域内的叶根相距第三距离且位于叶片运行轨迹上的设定区域，所述第三距离小于所述叶片的长度。

参见图5所示，图5为本发明提供的一种独立变桨控制系统的输入信号获取方法的实施例二的流程示意图，该实施例除包括上述实施例一中的步骤101和步骤102外，还包括步骤103：所述主机将计算出的每个设定测点区域处的风速反馈给独立变桨控制系统的控制器，以便所述控制器利用每个风速信号分别控制每个叶片的变桨角度。

此外，上述方法还包括：利用安装于所述传感器支架内的防雷装置防止所述接收发射装置被雷电击中而损坏；且利用安装于所述传感器支架内的抗干扰装置来降低外界干扰信号进入所述接收发射装置。

本发明独立变桨控制系统的输入信号获取方法，通过获取入流区域内不同测点的风速变化来控制变桨动作，可使叶轮保持在最佳的平衡状态，因为直接测量的风速信号属于单一信号，不存在信号耦合以及信号相关性，使变桨控制系统的输入信号不存在干扰。另外，设定测点与轮毂之间有一定的距离，独立变桨策略会根据测量的风速提前判断变桨动作，控制桨叶按照期望的方向动作，进而在风对叶片产生影响前便控制叶片变桨，从而大大提高了控制精度和控制效果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种独立变桨控制系统的输入信号获取装置，其特征在于，所述装置包括：与轮毂前方横杆连接且与所述轮毂相距第一距离的传感器支架，所述传感器支架、所述横杆的轴向与所述轮毂的旋转轴向共轴，且所述传感器支架在叶轮运行过程中与所述横杆同步旋转，在所述传感器支架内安装至少一个接收发射装置，所述至少一个接收发射装置与安装于风机机舱内的主机共同组成激光多普勒雷达测风系统；

所述接收发射装置，用于发射一束频率稳定的窄带激光脉冲，并控制所述激光脉冲以设定倾角指向入流区域中的设定测点区域，用以获取多普勒频移数据，以便所述主机根据所述多普勒频移数据计算所述设定测点区域内的平均风速。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入流区域为：在风机叶片旋转过程中，所述风机叶片顶端的圆形运行轨迹在叶轮前方第二设定距离处的投影区域，所述第二设定距离大于所述第一设定距离。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述设定测点区域为：与投影在所述入流区域内的叶根相距第三距离且位于叶片运行轨迹上的设定区域，所述第三距离小于所述叶片的长度。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述接收发射装置将所述多普勒频移数据通过无线局域网发送至所述主机。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述主机，还用于将计算出的每个设定测点区域处的风速反馈给所述独立变桨控制系统的控制器，以便所述控制器利用每个风速信号分别控制每个叶片的变桨角度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：安装于所述传感器支架内的防雷装置，用于防止所述接收发射装置被雷电击中而损坏。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：安装于所述传感器支架内的抗干扰装置，用于减少干扰信号进入所述接收发射装置。

8.一种独立变桨控制系统的输入信号获取方法，其特征在于，所述方法利用安装于传感器支架内的至少一个接收发射装置与安装于风机机舱内的主机组成激光多普勒雷达测风系统，用以获取所述独立变桨控制系统的输入信号；所述传感器支架与轮毂前方横杆连接且与所述轮毂相距第一距离，所述传感器支架、所述横杆的轴向与所述轮毂的旋转轴向共轴，且所述传感器支架在叶轮运行过程中与所述横杆同步旋转，所述方法包括：

所述接收发射装置发射一束频率稳定的窄带激光脉冲，并控制所述激光脉冲以设定倾角指向入流区域中的设定测点区域，用以获取多普勒频移数据；

所述主机根据所述多普勒频移数据计算所述设定测点区域内的平均风速。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述主机将计算出的每个设定测点区域处的风速反馈给独立变桨控制系统的控制器，以便所述控制器利用每个风速信号分别控制每个叶片的变桨角度。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述入流区域为：在风机叶片旋转过程中，所述风机叶片顶端的圆形运行轨迹在叶轮前方第二设定距离处的投影区域，所述第二设定距离大于所述第一设定距离。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述设定测点区域为：与投影在所述入流区域内的叶根相距第三距离且位于叶片运行轨迹上的设定区域，所述第三距离小于所述叶片的长度。

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