CN103352800A - 一种风电机组的独立变桨方法与独立变桨控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风电机组的独立变桨方法与独立变桨控制装置,独立变桨方法包括如下步骤:1)测量风轮方位角;2)通过风轮方位角计算各个风轮叶片方位角;3)设定风轮叶片独立变桨公式;4)利用步骤3)设定的风轮叶片独立变桨公式计算风轮叶片独立变桨角度,对风电机组叶片独立变桨。本发明的有益效果是:在现有非独立变桨的风电机组机型上经过简单的改造即可实现独立变桨功能,能够适当的降低风机叶片的疲劳载荷,延长机组的使用寿命,控制简单可靠,成本较低。

Description

一种风电机组的独立变桨方法与独立变桨控制装置
技术领域
本发明涉及一种风电机组的独立变桨方法与独立变桨控制装置。
背景技术
目前,大型风力发电机组的变桨控制技术普遍仍采用三个叶片同步变桨的控制技术,风轮在转动过程中,三个叶片的角度一致。但是,由于风速在垂直方向上的差异性,会造成风轮在不同方位上受力不均衡,风轮上的不均衡载荷会给变桨轴承、轮毂、塔筒、主轴承等关键部件造成较大的疲劳载荷,降低机组的使用寿命,而且还会增加风机整机成本。而独立变桨方法则会控制叶片在不同的方位有不同的变桨角度,使风轮在不同方位上受力均衡,从而降低叶片的疲劳载荷和整机成本,并在现有基础上延长风机机组的使用寿命。所以,随着风机功率和叶片长度进一步增加,独立变桨技术将会得到更广泛的应用。
但是,当前的独立变桨技术均需要在叶片根部安装叶片形变传感器,以检测叶根部位受力,这大大增加了风机成本,并且其控制比较复杂,测量数据易出现误差,不便于调试使用;另外,当前的独立变桨技术主要以叶根部位受力作为参考,这样会使风机频繁变桨,从而会降低变桨轴承,变桨电机等部件的使用寿命。由于以上技术的限制,目前独立变桨技术在风电领域仍未得到大规模应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电机组的独立变桨方法,用以解决当前的独立变桨方法控制复杂的问题。
为实现上述目的,本发明的方案包括:
一种风电机组的独立变桨方法,包括如下步骤:
1)测量风轮方位角;
2)通过风轮方位角计算各个风轮叶片方位角;
3)按照所述风轮叶片方位角与风速的关系设定由所述风轮叶片方位角计算风轮叶片独立变桨角度的公式,令风轮叶片独立变桨具有如下规律,在风轮叶片从位于风速最快位置至风速最慢位置的变化过程中对应设定风轮叶片独立变桨角度从预设较小值变化至预设较大值,在风轮叶片从位于风速最慢位置至最快位置的变化过程中对应设定风轮叶片独立变桨角度从预设较大值变化至预设较小值;
4)利用步骤3)设定的公式计算风轮叶片独立变桨角度,对风电机组叶片独立变桨。
上述步骤3)中所述的公式包括公式:β=β12,β1=k*sin(θ),式中β1为风轮叶片独立变桨角度变化值,β2为预设独立变桨角度基值,β为风轮叶片独立变桨角度,θ为所述叶片方位角,k为增益系数,增益系数k通过对风机经过载荷计算选取。
风轮在转动过程中对所述风轮方位角进行可靠性校对,具体校验方法为:在风机主轴法兰端面附近主机架上安装一个接近感应开关,接近感应开关配套挡片安装于所述的法兰,风轮每转一周在固定位置触发所述接近感应开关,通过实验预先记录风轮处于所述固定位置的风轮方位角;正常运行时,在所述接近感应开关被触发瞬间,将此时测量的风轮方位角与所述预先记录的风轮方位角进行比较,若两者偏差在允许值以内,认为测量的风轮方位角准确。
上述的允许值为10°。
当风速高于设定限值时,启用独立变桨功能,当风速低于设定限值时,关闭独立变桨功能。
该风电机组独立变桨方法利用已有的用于检测风机主轴转速的增量式编码器测量所述的风轮方位角。
一种风电机组的独立变桨控制装置,包括:
1)测量风轮方位角的测量模块;
2)通过风轮方位角计算各个风轮叶片方位角的模块;
3)利用设定的风轮叶片独立变桨角度公式计算风轮叶片独立变桨角度的运算模块,所述公式设定方法为,按照所述风轮叶片方位角与风速的关系设定由所述风轮叶片方位角计算风轮叶片独立变桨角度的公式,令风轮叶片独立变桨具有如下规律,在风轮叶片从位于风速最快位置至风速最慢位置的变化过程中对应设定风轮叶片独立变桨角度从预设较小值变化至预设较大值,在风轮叶片从位于风速最慢位置至最快位置的变化过程中对应设定风轮叶片独立变桨角度从预设较大值变化至预设较小值。
该独立变桨控制装置还包括风轮在转动过程中对所述风轮方位角进行可靠性校对的校对模块。
本发明的有益效果是:可以在现有非独立变桨的风电机组机型上经过简单的改造即可实现独立变桨功能,不仅能够适当的降低风机叶片的疲劳载荷,延长机组的使用寿命,而且控制简单可靠,不需要额外增设过多硬件,成本较低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示,控制器采用PLC,PLC内部功能模块应包括风轮叶片方位角计算模块、风轮方位角可靠性校验模块、独立变桨控制模块,PLC采样连接用于测量风轮方位角的编码器、用于校验风轮方位角的接近感应开关,PLC输出连接独立变桨驱动器,独立变桨驱动器控制连接变桨电机。接近感应开关安装于主轴法兰盘附近主机架上,接近感应开关的配套挡片安装在主轴法兰盘位置,随主轴转动,确保开关可以正常感应到挡片。通过风机上已有的用于检测风机主轴转速的增量式编码器去检测风轮的方位角,通过安装在主轴法兰盘端面的接近感应开关对编码器测得的风轮方位角进行可靠性判定。
本发明的控制流程如图2所示,具体包括如下步骤:
1)确定叶片方位角
在风机安装完成后,每个叶片的方位与风轮的方位之间的相对角度是固定不变的。因此,可以通过测得风轮的方位角,进而计算得到每个叶片的实际方位角。由于主轴编码器的初始安装位置与风轮的初始位置不确定,因此需要首先确定风轮方位的机械参考零位。为了计算方便,将叶片标号为1#、2#、3#,在这里选用1#叶片竖直向上的位置为风轮的机械参考零位,该位置可以在设计轮毂和主轴端面的时候标识出来,以此标识1#叶片位置竖直向上。
风机运行之前,需要通过该机械参考零位对主轴编码器测得的风轮方位角进行校准,该过程需通过手动进行。校准方法为:让风轮缓慢转动,当主轴风轮参考零位刻度线(即1#叶片竖直向上)与轮毂端面刻度线重合的时候,通过高速轴刹车使风机停止转动,此时,通过后台软件记下当前风轮方位角度θ0,将其作为机械零位补偿角度参数值写入到风机主控程序的参数文件中,该值将被永久保存。这样,1#叶片的实际方位角θ1=实际测得的风轮方位角度θ-机械零位补偿角度θ0,由于2#叶片和3#叶片在瞬时针方位上分别相差120°和240°,从而可以根据1#叶片位置得出2#和3#叶片的方位角。
2)叶片位置可靠性校核
上述步骤利用编码器对叶片的方位测量,若在实际运行过程中出现编码器损坏会导致记录数据不准确,进而导致叶片的独立变桨角度计算错误,这对风机的正常运行会产生较大的安全隐患,因此,需要对测得的风轮方位角进行可靠性校对。在这里选择在风机主轴法兰端面附近安装一接近感应开关,这样风轮在转动过程中每转一圈都会在固定位置触发该接近开关。在风机调试期间,将该角度值确定后作为参数值写入到风机程序中。风机在运行期间,当接近感应开关被触发时,将测得的风轮方位角与该参数值进行比较,若两者偏差在10°以内时,则认为测得的风轮方位角数值准确,否则,则认为测得的风轮方位角是错误的,风机报告故障,并关闭独立变桨功能。
3)叶片独立变桨角度计算
在测得叶片的方位角度之后,需要根据叶片的角度进行正弦差值运行,利用公式β1=k*sin(θ)计算出该叶片独立变桨所需的角度,在这里β1为独立变桨角度变化值,θ为实际测得的叶片方位角度,k为增益系数,该值需要对风机经过载荷计算后合理选取,不同的变桨角度对应的k值也将会有所不同,k值的选取需要经过仿真得到,在不同风速下,通过仿真叶片在0°(竖直向上)、90°(水平向右)、180°(竖直向下)、270°(水平向右)时叶根部位受力情况,以叶片在180°(竖直向下)方位作为参考,此时叶片受力最小,然后让叶片处于0°(竖直向上)方位,此时叶片受力最大,逐步增大叶片角度,直至受力与在180°方位一致,此时可以将增加的角度△θ做为k值,该值为估算值,可以根据不同的风况做成表,以供在程序中查询;从而保证叶片在不同方位所受风的推力一致。
4)独立变桨功能的启用
风机在运行过程中,若一直启动独立变桨功能,其变桨将会比较频繁,从而会降低变桨轴承,变桨电机等部件的使用年限,因此在小风况下禁用独立变桨功能。当检测到的风速或者发电功率、叶片变桨角度高于一定限值后,为了降低风机的疲劳载荷,启用独立变桨功能,在这里,设通过风机变桨控制计算得到的变桨角度为β2,则风机每个叶片的实际变桨角度β=β12,即当前每个叶片的变桨角度等于由风机变桨控制计算得到的变桨角度β2与独立计算得到的变桨角度β1的叠加。否则,当风速或者发电功率、叶片角度低于一定限值后,关闭独立变桨功能,则风机叶片的变桨角度β=β2
通过这种方法实现非全时段独立变桨功能,一方面可以降低风机的疲劳载荷,另一方面不会对风机部件的使用年限造成太大影响。
5)错误异常处理
为了保证风机的运行安全,风机在独立变桨运行期间会通过接近感应开关对风轮的方位角度进行可靠性检测,当发现测得风轮的方位角度不可信时,独立变桨功能将被禁止,并且风机会报出相应的故障;另外,在运行过程中也将会对三个叶片的最大变桨角度偏差进行检测,当三个叶片的变桨角度最大偏差值超出允许范围时,风机也将报错停机。

Claims (8)

1.一种风电机组的独立变桨方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)测量风轮方位角;
2)通过风轮方位角计算各个风轮叶片方位角;
3)按照所述风轮叶片方位角与风速的关系设定由所述风轮叶片方位角计算风轮叶片独立变桨角度的公式,令风轮叶片独立变桨具有如下规律,在风轮叶片从位于风速最快位置至风速最慢位置的变化过程中对应设定风轮叶片独立变桨角度从预设较小值变化至预设较大值,在风轮叶片从位于风速最慢位置至最快位置的变化过程中对应设定风轮叶片独立变桨角度从预设较大值变化至预设较小值;
4)利用步骤3)设定的公式计算风轮叶片独立变桨角度,对风电机组叶片独立变桨。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组的独立变桨方法,其特征在于,所述的公式包括公式:β=β12,β1=k*sin(θ),式中β1为风轮叶片独立变桨角度变化值,β2为预设独立变桨角度基值,β为风轮叶片独立变桨角度,θ为所述叶片方位角,k为增益系数,增益系数k通过对风机经过载荷计算选取。
3.根据权利要求1所述的一种风电机组的独立变桨方法,其特征在于,风轮在转动过程中对所述风轮方位角进行可靠性校对,具体校验方法为:在风机主轴法兰端面附近主机架上安装一个接近感应开关,接近感应开关配套挡片安装于所述的法兰,风轮每转一周在固定位置触发所述接近感应开关,通过实验预先记录风轮处于所述固定位置的风轮方位角;正常运行时,在所述接近感应开关被触发瞬间,将此时测量的风轮方位角与所述预先记录的风轮方位角进行比较,若两者偏差在允许值以内,认为测量的风轮方位角准确。
4.根据权利要求3所述的一种风电机组的独立变桨方法,其特征在于,所述的允许值为10°。
5.根据权利要求1所述的一种风电机组的独立变桨方法,其特征在于,当风速高于设定限值时,启用独立变桨功能,当风速低于设定限值时,关闭独立变桨功能。
6.根据权利要求1所述的一种风电机组的独立变桨方法,其特征在于,利用已有的用于检测风机主轴转速的增量式编码器测量所述的风轮方位角。
7.一种风电机组的独立变桨控制装置,其特征在于,包括:
1)测量风轮方位角的测量模块;
2)通过风轮方位角计算各个风轮叶片方位角的模块;
3)利用设定的风轮叶片独立变桨角度公式计算风轮叶片独立变桨角度的运算模块,所述公式设定方法为,按照所述风轮叶片方位角与风速的关系设定由所述风轮叶片方位角计算风轮叶片独立变桨角度的公式,令风轮叶片独立变桨具有如下规律,在风轮叶片从位于风速最快位置至风速最慢位置的变化过程中对应设定风轮叶片独立变桨角度从预设较小值变化至预设较大值,在风轮叶片从位于风速最慢位置至最快位置的变化过程中对应设定风轮叶片独立变桨角度从预设较大值变化至预设较小值。
8.根据权利要求7所述的一种风电机组的独立变桨控制装置,其特征在于,还包括风轮在转动过程中对所述风轮方位角进行可靠性校对的校对模块。
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