CN102828909A

CN102828909A - 风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法、装置及系统

Info

Publication number: CN102828909A
Application number: CN201210337702XA
Authority: CN
Inventors: 汪正军; 张会广; 纪国瑞; 潘磊
Original assignee: Guodian United Power Technology Co Ltd
Current assignee: Guodian United Power Technology Co Ltd
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102828909B

Abstract

本发明是有关于一种风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法、装置及系统，方法包括：采集并计算叶片轮毂的实时转速；安全链系统发出停机指令后，如果叶片轮毂转速仍持续上升，则判定变桨系统出现收桨故障；计算偏航角度指令；将计算得到的偏航角度指令发给主控PLC，由主控PLC控制偏航系统进行偏航动作。该系统包括转速计算模块、变桨故障判断模块和偏航指令计算模块。该装置包括：内置有上述系统，并与安全链系统和主控PLC连接的安全保护控制器；采集叶片轮毂实时转速的转速传感器；以及连接转速传感器和安全保护控制器的转速处理电路。本发明降低了风电机组在停机过程中的超速风险，提高了风电机组的安全性以及变桨故障判断的可靠性。

Description

风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法、装置及系统。

背景技术

近年来随着风力发电不断地发展，风电场装机容量逐年上升，风力发电所占的比例也越来越大，逐渐成为了一种常规能源。随着风电机组装机容量的不断提高，行业对风电机组的性能要求也越来越高。在风电机组的各项性能中，安全首先第一位的。为了提高风电机组的安全性，在一般的系统设计时，都会引入安全链系统，安全链系统是独立于风电机组控制系统之外的，一旦安全链系统中的某一个安全因素触发机组的安全链，系统便会立即停机，以保证风电机组运行的安全性。

当系统安全链触发机组停机之后，作为风电机组的主要部件之一的变桨系统，在收到安全链停机指令时，就会迅速进行收桨动作，完成气动刹车停机，不再捕获风能，保证风电机组的安全。同时，变桨系统自身也有一些安全保护措施，比如在与主控失去通讯或者收不到主控协议规定的信号时，也会进行收桨停机的动作，以保证风电机组的安全。

在上述的方法中，风电机组的安全停机，都是建立在变桨系统本身性能没有任何故障的前提之下，如果风电机组触发安全链或者出现故障时，机组的安全性就依托于变桨系统，这样显然存在一定的风险。如果变桨系统存在某种潜在的故障而无法收桨，比如某一个或多个叶片出现通讯丢失或者卡死等叶片收桨失效的情况，机组将无法实现气动刹车停机，继续捕获风能，从而导致机组叶片轮毂在短暂时间内转速迅速升高而超速，如果不采取措施，转速将持续升高，最终将会对机组产生毁灭性的破坏。

在现有的系统设计中，往往还未能考虑这一安全隐患，或者虽然考虑了这一安全隐患，但措施主要集中在提高安全链系统以及变桨系统的可靠性上。

由此可见，现有的系统设计在可靠性和安全性方面存在不足，而亟待加以进一步改进。如何创设一种提供安全保护，降低超速风险，可靠性高的风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法、装置及系统，实属当前重要的研发课题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法、装置及系统，使其降低风电机组在停机过程中的超速风险，提高风电机组的安全性，提高变桨故障判断的可靠性，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法，包括以下步骤：

A、采集并计算叶片轮毂的实时转速；

B、安全链系统发出停机指令，且偏航系统未出现故障时，如果叶片轮毂转速仍持续上升，则判定变桨系统出现收桨故障；

C、计算偏航角度指令，计算公式如下：

β_ref=sign(β)·(｜β｜-90)

其中，β_ref为偏航角度指令，β为风电机组机舱的实际角度位置；

D、将计算得到的偏航角度指令发给主控PLC，由主控PLC控制偏航系统进行偏航动作。

作为进一步改进，所述的步骤A中，如果计算得到的叶片轮毂的实时转速为负值，则将该转速值取为0。

所述的步骤B中，设本时刻为k时刻，对应的转速为RotorSpeedd(k)，k-1时刻对应的转速为RotorSpeed(k-1)，若

RotorSpeed(k)>RotorSpeed(k-1)，且

RotorSpeed(k-1)>RotorSpeed(k-2)，

则认为叶片转速仍持续上升。

所述的步骤D中，首先通过主控PLC打开偏航锁定，之后再控制偏航系统进行偏航动作。

所述的步骤D中的偏航动作，按照偏航解缆的速度执行。

此外，本发明还提供一种风电机组叶片收桨失效时的安全保护系统，包括转速计算模块、变桨故障判断模块和偏航指令计算模块，其中：转速计算电路，用于采集并计算叶片轮毂的实时转速；变桨故障判断模块，用于对变桨系统是否出现收桨故障进行判断；偏航指令计算模块，用于计算偏航角度指令。

最后，本发明还提供了一种风电机组叶片收桨失效时的安全保护装置，包括：内置有上述系统，并与安全链系统和主控PLC连接的安全保护控制器；采集叶片实时转速的转速传感器；以及连接转速传感器和安全保护控制器的转速处理电路。

作为进一步改进，所述的转速处理电路包括采集电路、整形电路和滤波电路。

采用上述设计后，本发明与现有技术相比有如下有益效果：

1、本发明通过控制偏航系统偏航动作90度的方法，解决了风电机组在停机过程中叶片收桨失效时的安全保护，降低了风电机组在停机过程中的超速风险，提高了风电机组的安全性；

2、本发明通过安全链停机指令和叶片轮毂转速判断变桨系统的叶片收桨故障，降低了系统对可能存在故障的变桨系统的依赖，提高了变桨故障判断的可靠性；

3、本发明实现较为容易，且成本较低，利于推广。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明风电机组叶片收桨失效时的安全保护装置组成示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，风电机组叶片收桨失效时的安全保护装置，主要包括转速传感器、转速处理电路以及与之相连的安全保护控制器（安全保护PLC）。其中，转速处理电路由转速传感器信号采集电路、整形电路和滤波电路构成。安全保护PLC内置有风电机组叶片收桨失效时的安全保护系统。

本发明安全保护PLC内置有风电机组叶片收桨失效时的安全保护系统，包括：转速计算模块、变桨故障判断模块和偏航指令计算模块。

转速计算模块根据转速处理电路输出的转速信号，计算得到风电机组叶片轮毂的实时转速。

变桨故障判断模块获取安全链系统的信息，结合计算得到的叶片轮毂的实时转速，对变桨系统是否出现故障进行判断。

在叶片收桨失效的情况下，无法保证变桨系统的通讯等其他功能的正常，因此，本发明采用叶片轮毂的转速和安全链系统停机指令相结合的方式判断变桨系统故障，从而提高故障判断的可靠性。在风电机组变桨系统正常时，当安全链系统因安全故障发出停机指令后，变桨系统独立于主控进行叶片收桨动作，以实现机组的气动刹车停机，叶片轮毂转速会迅速降低。反之，如果叶片收桨失效，叶片未能顺利收桨，且叶片轮毂扫风面与风向垂直，则机组的叶片继续捕获风能，轮毂转速迅速上升，造成机组超速。因此，变桨故障判断模块收到安全链系统发出的停机指令后，如果此时轮毂转速持续降低，则变桨系统叶片收桨正常，反之，如果此时轮毂转速持续上升，则可认为变桨系统发生了叶片收桨失效的故障，需要进行后续安全保护。

偏航指令计算模块的功能是当变桨故障发生时，计算偏航的指令给定。首先读取主控PLC中风电机组机舱的实际角度位置β。为了机组的安全，避免安全保护的偏航动作超出偏航扭缆的角度限制，所以偏航角度指令在当前的机舱角度位置β的基础上，保持角度符号不变，将角度数值减去90度得到。

根据风电机组的实际结构，当变桨系统叶片开桨到一定角度，且整个叶片轮毂扫风面与风向垂直时，能够最大效率的捕获风能。如果叶片轮毂的扫风面与风向平行时，则具有最小效率的捕获风能，或者几乎不能捕获风能。因此，当风电机组执行停机指令时，如果此时叶片收桨失效，可通过辅助装置，控制风电机组偏航系统进行迅速偏航，使得叶片轮毂的扫风面与风向平行，及偏航向顺时针或者逆时针方向动作90度，可极大的降低收桨失效的叶片捕获风能，从而有效的降低机组在叶片收桨失效时的超速风险，提高风电机组的安全性。

偏航指令计算模块计算出偏航角度指令之后，将偏航角度指令发给主控PLC，由主控PLC控制偏航系统进行偏航动作。由于风电机组超速过程中速度上升较快，所以此时的偏航速度也应该比正常偏航速度快。在实际控制中，为了保证偏航系统的安全，此时的偏航速度采用偏航解缆时的设定速度，从而更快的实现偏航系统动作90度的指令。

风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法、装置及系统，通过分析安全链停机发生时叶片轮毂转速变化，从而判断叶片收桨是否发生故障，然后计算出偏航指令发送给主控PLC，由其控制偏航系统执行偏航动作，实现对风电机组在叶片收桨失效时的安全保护，提高风电机组运行的安全性。

具体的讲，风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法流程如下：

1、转速采集

由转速处理电路以及安全保护PLC的转速计算模块采集并计算叶片轮毂的实时转速RotorSpeed。为了后续的计算安全，需要对转速进行限值处理，取RotorSpeed=max(RotorSpeed,0)。

2、变桨故障判断

当变桨故障判断模块接收到安全链系统发出停机指令后，对变桨系统进行故障判断。设本时刻为k时刻，对应的转速为RotorSpeed(k)，则上一时刻，即k-1时刻对应的转速为RotorSpeed(k-1)。若RotorSpeed(k)>RotorSpeed(k-1)，且RotorSpeed(k-1)>RotorSpeedd(k-2)，即安全链系统停机指令发出后，叶片轮毂转速仍在持续上升，则可以判定变桨系统在叶片收桨过程中出现了故障，风机存在超速风险。

3、计算偏航指令

首先读取主控PLC中风电机组机舱的实际角度位置β，为了避免偏航动作超出偏航扭缆的角度限制，偏航角度指令β_ref在当前的机舱角度位置β的基础上，保持角度符号不变，将角度数值减去90度，即：

β_ref=sign(β)·(｜β｜-90)

4、机组偏航保护

本发明对主控PLC的偏航逻辑进行了修改，在安全链触发且转速持续上升时，解除偏航锁死逻辑。现在的控制方法中，在安全链触发时，偏航逻辑自动锁死，风电机组不能再进行偏航动作。而本发明在安全链触发、偏航自动锁死的情况下，如果检测到转速持续上升的信号，则通过主控PLC重新打开偏航锁定逻辑，控制偏航电机进行相应的偏航动作。需要说明的是，上述安全链触发的条件不能是由偏航系统触发的，否则风电机组将在偏航系统故障时，超越安全链控制机组偏航动作，这将会带来更大的故障和风险。安全保护PLC将计算得到的偏航指令发送给主控PLC，由主控PLC控制偏航系统进行90度偏航动作。作为改进，偏航动作的速度按照偏航解缆的速度执行，以缩短偏航动作的完成时间，进一步降低风电机组超速的风险。

本发明实现了风电机组叶片收桨失效时的安全保护，降低风电机组超速的风险，提高了风电机组运行的安全性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法，其特征在于包括以下步骤，

A、采集并计算叶片轮毂的实时转速；

C、计算偏航角度指令，计算公式如下：

β_ref=sign(β)·(｜β｜-90)

2.根据权利要求1所述的风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法，其特征在于所述的步骤A中，如果计算得到的叶片轮毂的实时转速为负值，则将该转速值取为0。

3.根据权利要求1所述的风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法，其特征在于所述的步骤B中，设本时刻为k时刻，对应的转速为RotorSpeed(k)，k-1时刻对应的转速为RotorSpeed(k-1)，若

RotorSpeed(k)>RotorSpeed(k-1)，且

RotorSpeed(k-1)>RotorSpeed(k-2)，

则认为叶片轮毂转速仍持续上升。

4.根据权利要求1所述的风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法，其特征在于所述的步骤D中，首先通过主控PLC打开偏航锁定，之后再控制偏航系统进行偏航动作。

5.根据权利要求1所述的风电机组叶片收桨失效时的安全保护方法，其特征在于所述的步骤D中的偏航动作，按照偏航解缆的速度执行。

6.一种风电机组叶片收桨失效时的安全保护系统，其特征在于包括转速计算模块、变桨故障判断模块和偏航指令计算模块，其中：

转速计算电路，用于采集并计算叶片轮毂的实时转速；

变桨故障判断模块，用于对变桨系统是否出现收桨故障进行判断；

偏航指令计算模块，用于计算偏航角度指令。

7.一种风电机组叶片收桨失效时的安全保护装置，其特征在于包括：

内置有权利要求5所述系统，并与安全链系统和主控PLC连接的安全保护控制器；

采集叶片轮毂实时转速的转速传感器；以及

连接转速传感器和安全保护控制器的转速处理电路。

8.根据权利要求7所述的风电机组叶片收桨失效时的安全保护装置，其特征在于所述的转速处理电路包括采集电路、整形电路和滤波电路。