CN102817780A - 风力发电机组结冰控制装置及控制方法 - Google Patents

风力发电机组结冰控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风力发电机组结冰控制装置，其包括：风轮系统、机舱系统、环境测量系统、风机数据采集与监视控制系统、塔筒、载荷传感器和计算机中央处理系统，所述风轮系统包括叶片、轮毂系统以及其间连接的变桨轴承，所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统、所述载荷传感器均与所述计算机中央处理系统连接并将数据传输给所述计算机中央处理系统。另外，还提供一种风力发电机组结冰控制方法。本发明可以自动检测风力发电机组是否结冰并根据设定自动控制停机和开机程序，提高风力发电机组的安全和自动操作性能。

Description

风力发电机组结冰控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组结冰控制装置及控制方法。
背景技术
风力发电机组叶片结冰不仅降低了叶片的功率系数，而且由于叶片质量的增重和叶片质量的不平衡，导致风力发电机组的气动载荷的增加和传动链振动的加剧，这严重威胁着风力发电机组的安全。
目前风力发电机组的结冰主要依靠人为的检测结冰和覆冰融化后重新开机来现实。但在偏远的地区及夜晚依靠人来判断变得不太现实，这不但影响风机的发电量，而且还带来风机的安全性问题。
发明内容
本发明提出一种风力发电机组结冰控制装置及控制方法，其可以自动检测风力发电机组是否结冰并根据设定自动控制停机和开机程序，提高风力发电机组的安全和自动操作性能。本发明所采用的技术方案具体是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种风力发电机组结冰控制装置，其包括：风轮系统、机舱系统、环境测量系统、风机数据采集与监视控制系统、塔筒、载荷传感器和计算机中央处理系统，所述风轮系统包括叶片、轮毂系统以及其间连接的变桨轴承，所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统、所述载荷传感器均与所述计算机中央处理系统连接并将数据传输给所述计算机中央处理系统。
本发明具体实施例中，所述载荷传感器有四个，其分别安装在所述叶片的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置。
本发明具体实施例中，所述环境测量系统包括安装在所述机舱系统顶部的风速、风向、温度和湿度传感器，以测量在结冰及结冰融冰后的风速、风向、环境温度和环境湿度并判断结冰条件。
本发明具体实施例中，所述风机数据采集与监视控制系统检测所述风力发电机组运行的桨距角和风轮转速信息并将信息传输给所述计算机中央处理系统。
本发明具体实施例中，所述计算机中央处理系统根据所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统和所述载荷传感器的综合信息进行所述风力发电机组的开关机控制。
另一方面，本发明提供一种风力发电机组结冰控制方法，其中，风力发电机组结冰控制装置包括：风轮系统、机舱系统、环境测量系统、风机数据采集与监视控制系统、塔筒、载荷传感器和计算机中央处理系统，所述风轮系统包括叶片、轮毂系统以及其间连接的变桨轴承，所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统、所述载荷传感器均与所述计算机中央处理系统连接并将数据传输给所述计算机中央处理系统；所述风力发电机组结冰控制方法包括步骤：a.所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统和所述载荷传感器将信息传输给所述计算机中央处理系统，所述计算机中央处理系统根据其内部所存储的结冰控制决策机制判断是否启动停机程序使得所述风力发电机组停机；b.风力发电机因结冰停机状态时，所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统和所述载荷传感器将信息传输给所述计算机中央处理系统，所述计算机中央处理系统根据其内部所存储的开机条件判断是否启动开机程序使得所述风力发电机组开机工作。
本发明具体实施例中，所述步骤a具体地包括：所述环境测量系统对风速、风向、环境温度和环境湿度进行测量并判断结冰条件，所述风机数据采集与监视控制系统检测所述风力发电机组运行的桨距角和风轮转速，所述载荷传感器分别安装在所述叶片的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置，并将检测到的信息传输给所述计算机中央处理系统从而判断是否启动停机程序。
本发明具体实施例中，所述步骤b具体地包括：所述环境测量系统对风速、风向、环境温度和环境湿度进行测量并判断结冰条件，所述载荷传感器分别安装在所述叶片的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置并判断所述叶片的固有频率是否在设定范围内，所述风机数据采集与监视控制系统检测所述风力发电机组运行的桨距角和风轮转速并判断风速估计值是否在设定范围内，并将检测到的信息传输给所述计算机中央处理系统从而判断是否启动开机程序。
本发明的风力发电机组结冰控制装置及控制方法，其可以自动检测风力发电机组是否结冰并根据设定自动控制停机和开机程序，提高风力发电机组的安全和自动操作性能。
附图说明
图1是本发明实施例的风力发电机组结冰控制装置的外形结构示意图；
图2是本发明实施例的风力发电机组结冰控制装置的局部剖面示意图；
图3是本发明实施例的风力发电机组结冰控制装置中的载荷传感器位置示意图；
图4是本发明实施例的风力发电机组结冰控制方法中结冰检测并停机框图；
图5是本发明实施例的风力发电机组结冰控制方法中风力发电机组结冰停机后重新开机框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
下面结合附图对本发明的风力发电机组结冰控制装置及控制方法的具体实施例进行详细说明。
图1是本发明实施例的风力发电机组结冰控制装置的外形结构示意图，图2是本发明实施例的风力发电机组结冰控制装置的局部剖面示意图，图3是本发明实施例的风力发电机组结冰控制装置中的载荷传感器位置示意图，如图1至图3所示，本发明实施例的风力发电机组结冰控制装置其包括：风轮系统、机舱系统110、环境测量系统112、风机数据采集与监视控制（SCADA）系统（未图示）、塔筒111、载荷传感器和计算机中央处理系统（未图示），风轮系统包括叶片101、轮毂系统109以及其间连接的变桨轴承103，轮毂系统109中主要包括轮毂104，环境测量系统112、风机数据采集与监视控制系统（未图示）、载荷传感器均与计算机中央处理系统（未图示）连接并将数据传输给计算机中央处理系统（未图示）。
本发明具体实施例中，如图所示，载荷传感器有四个，分别为载荷传感器105、106、107、108，其分别安装在叶片101的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置。本发明具体实施例中，环境测量系统112包括安装在机舱系统110顶部的风速、风向、温度和湿度传感器，以测量在结冰及结冰融冰后的风速、风向、环境温度和环境湿度并判断结冰条件。
本发明具体实施例中，风机数据采集与监视控制系统检测风力发电机组运行的桨距角和风轮转速信息并将信息传输给计算机中央处理系统。计算机中央处理系统根据环境测量系统112、风机数据采集与监视控制系统和载荷传感器105、106、107、108的综合信息进行风力发电机组的开关机控制。
同时，本发明具体实施例中，还提供一种风力发电机组结冰控制方法，其中，风力发电机组结冰控制装置包括：风轮系统、机舱系统110、环境测量系统112、风机数据采集与监视控制（SCADA）系统（未图示）、塔筒111、载荷传感器和计算机中央处理系统（未图示），风轮系统包括叶片101、轮毂系统109以及其间连接的变桨轴承103，轮毂系统109中主要包括轮毂104，环境测量系统112、风机数据采集与监视控制系统（未图示）、载荷传感器均与计算机中央处理系统（未图示）连接并将数据传输给计算机中央处理系统（未图示）；风力发电机组结冰控制方法包括步骤：a.环境测量系统112、风机数据采集与监视控制系统和载荷传感器将信息传输给计算机中央处理系统，计算机中央处理系统根据其内部所存储的结冰控制决策机制判断是否启动停机程序使得风力发电机组停机；b.风力发电机因结冰停机状态时，环境测量系统112、风机数据采集与监视控制系统和载荷传感器将信息传输给计算机中央处理系统，计算机中央处理系统根据其内部所存储的开机条件判断是否启动开机程序使得风力发电机组开机工作。
本发明具体实施例中，步骤a具体地包括：环境测量系统112对风速、风向、环境温度和环境湿度进行测量并判断结冰条件，风机数据采集与监视控制系统检测风力发电机组运行的桨距角和风轮转速，载荷传感器分别安装在叶片101的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置，并将检测到的信息传输给计算机中央处理系统从而判断是否启动停机程序。
本发明具体实施例中，如图4所示，首先检测风力发电机（简称风机）的运行状态步骤210，接着进行结冰状态监控步骤220，是否具备结冰条件步骤230，包括分别采用温度传感器和湿度传感器对环境中的温度和湿度进行检测，若不满足结冰条件，则返回结冰状态监控步骤220，若满足结冰条件，则通过风机数据采集与监视控制系统接收来自风力发电机组运行的桨距角和风轮转速信息，风机叶根载荷测量传感器测得的叶根载荷步骤240、风速传感器和风向传感器测得环境风速和风向步骤241，接受风机运行参数中的桨距角和风轮转速步骤242，之后将数据传输给计算机中央处理系统，其数据与风机实测专家数据库或载荷计算风机设计允许极限数据进行综合评估，通过结冰控制决策机制步骤250控制风机在结冰条件下是否启动停机程序步骤260。
本发明具体实施例中，所述步骤b具体地包括：所述环境测量系统对风速、风向、环境温度和环境湿度进行测量并判断结冰条件，所述载荷传感器分别安装在所述叶片的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置并判断所述叶片的固有频率是否在设定范围内，所述风机数据采集与监视控制系统检测所述风力发电机组运行的桨距角和风轮转速并判断风速估计值是否在设定范围内，并将检测到的信息传输给所述计算机中央处理系统从而判断是否启动开机程序。
如图5所示，在风机覆冰后停机状态步骤310，由温度传感器和湿度传感器检测环境条件是否具备结冰条件步骤320，若不具备结冰条件，则通过风机叶根载荷测量传感器进行检测步骤331，接着进行风机低转速空转步骤330，经判断风机的固有频率是否在设定范围步骤340，因结冰后期固有频率将会发生变化，若不满足则返回风机覆冰后停机状态步骤310，若满足则进行风速传感器和风向传感器的检测步骤350，并确定风速的估计值是否在开机设定范围步骤360，若不在该范围内，则返回风机覆冰后停机状态步骤310，若在该范围内，则启动开机程序步骤370
本发明具体实施例中，载荷传感器预埋于叶根可以有效的防止载荷传感器受电磁、雷电和腐蚀的侵扰，提高了抗电磁干扰能力。环境条件测量系统112包括风向、风速、温度和湿度传感器，用以对环境条件的测量，并通过通信进行状态控制。
本发明具体实施例中，计算机中央处理系统进行结冰控制决策机制和风机停机后开机的叶片固有频率的判断。计算机中央处理系统集成了设计载荷允许的叶片根部最大允许的载荷、风机现场条件测试得到的专家系统知识和风机覆冰低速空转下的固有频率模式识别信号等系统组成，通过这些条件及包括环境风速、风向、风机运行状态参数等来通过内部状态进行模拟的有效判断，从而来触发相应的动作机制。
本发明具体实施例的风力发电机组结冰控制装置及控制方法，首先，其可以自动诊断在覆冰威胁风力发电机组安全的情况下执行关机策略；而在覆冰对风力发电机组不产生安全威胁的情况下正常发电，从而提高风力发电机组的年发电小时数；其次，具备在覆冰停机且覆冰融化后的重新开机的自动诊断功能，即在停机后，可以自动判断在覆冰融化到哪种程度下可以自动重新开机，从而提高风力发电机组的年发电小时数；再次，可以根据覆冰检测情况，通过远程监控系统进行开、关机控制，可以在偏远地区和夜晚实现覆冰及融冰后的开、关机自动控制。
本发明的风力发电机组结冰控制装置及控制方法，其可以自动检测风力发电机组是否结冰并根据设定自动控制停机和开机程序，提高风力发电机组的安全和自动操作性能。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种风力发电机组结冰控制装置，其特征在于，包括：风轮系统、机舱系统、环境测量系统、风机数据采集与监视控制系统、塔筒、载荷传感器和计算机中央处理系统，所述风轮系统包括叶片、轮毂系统以及其间连接的变桨轴承，所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统、所述载荷传感器均与所述计算机中央处理系统连接并将数据传输给所述计算机中央处理系统。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组结冰控制装置，其特征在于，所述载荷传感器有四个，其分别安装在所述叶片的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组结冰控制装置，其特征在于，所述环境测量系统包括安装在所述机舱系统顶部的风速、风向、温度和湿度传感器，以测量在结冰及结冰融冰后的风速、风向、环境温度和环境湿度并判断结冰条件。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组结冰控制装置，其特征在于，所述风机数据采集与监视控制系统检测所述风力发电机组运行的桨距角和风轮转速信息并将信息传输给所述计算机中央处理系统。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组结冰控制装置，其特征在于，所述计算机中央处理系统根据所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统和所述载荷传感器的综合信息进行所述风力发电机组的开关机控制。
6.一种风力发电机组结冰控制方法，其特征在于，风力发电机组结冰控制装置包括：风轮系统、机舱系统、环境测量系统、风机数据采集与监视控制系统、塔筒、载荷传感器和计算机中央处理系统，所述风轮系统包括叶片、轮毂系统以及其间连接的变桨轴承，所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统、所述载荷传感器均与所述计算机中央处理系统连接并将数据传输给所述计算机中央处理系统；
所述风力发电机组结冰控制方法包括步骤：a.所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统和所述载荷传感器将信息传输给所述计算机中央处理系统，所述计算机中央处理系统根据其内部所存储的结冰控制决策机制判断是否启动停机程序使得所述风力发电机组停机；b.风力发电机因结冰停机状态时，所述环境测量系统、所述风机数据采集与监视控制系统和所述载荷传感器将信息传输给所述计算机中央处理系统，所述计算机中央处理系统根据其内部所存储的开机条件判断是否启动开机程序使得所述风力发电机组开机工作。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组结冰控制方法，其特征在于，所述步骤a具体地包括：所述环境测量系统对风速、风向、环境温度和环境湿度进行测量并判断结冰条件，所述风机数据采集与监视控制系统检测所述风力发电机组运行的桨距角和风轮转速，所述载荷传感器分别安装在所述叶片的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置，并将检测到的信息传输给所述计算机中央处理系统从而判断是否启动停机程序。
8.根据权利要求6所述的风力发电机组结冰控制方法，其特征在于，所述步骤b具体地包括：所述环境测量系统对风速、风向、环境温度和环境湿度进行测量并判断结冰条件，所述载荷传感器分别安装在所述叶片的叶根前缘、后缘、迎风面和背压面位置并判断所述叶片的固有频率是否在设定范围内，所述风机数据采集与监视控制系统检测所述风力发电机组运行的桨距角和风轮转速并判断风速估计值是否在设定范围内，并将检测到的信息传输给所述计算机中央处理系统从而判断是否启动开机程序。
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