CN103742362A - 直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统及方法。所述独立变桨控制系统包括控制器和驱动装置。控制器被配置为：基于风力发电机组的叶轮的方位角对三个叶片根部的y方向载荷进行park变换，计算出d轴方向和q轴方向的载荷分量；对d轴方向和q轴方向的载荷分量进行比例积分运算，得到d轴方向和q轴方向的桨距角；对d轴方向和q轴方向的桨距角进行逆park变换，得到叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率；将叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率分别与根据叶轮转速计算得到的统一变桨速率相加，得到风力发电机组需求的各个叶片的变桨速率，并产生与变桨速率对应的变桨速率命令。驱动装置根据从控制器接收的变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角。
Description
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统及方法。
背景技术
目前，双馈风力发电机组(简称风机)的变桨系统采用的是减速器驱动变桨轴承来实现叶片桨距角的改变，实现在额定风速以上时风机的恒功率运行。
常规的直驱风力发电机组采用齿形带驱动变桨轴承来实现风机的稳定运行，采用了统一变桨控制，对三个叶片进行统一变桨。然而，由于风切变(即，风速在水平方向和垂直方向的突然变化)、湍流、扰动效应、风机塔筒的塔影效应、叶片的重力、离心力等因素的影响，各个叶片的载荷会发生不规则变化，包括周期性不均匀载荷和瞬间冲击载荷。这些载荷的不规则变化加剧了叶片的疲劳损害，并且引起风机的轮毂、主轴、塔架等部件的疲劳损害，统一变桨策略没有将风机运行过程中的载荷变化考虑在内，因此不能满足实际应用的需求。
发明内容
为了克服风力发电机组在统一变桨控制中存在的不足，本发明提供一种独立变桨控制系统，该独立变桨控制系统通过测量不均衡载荷，并将其引入到变桨控制中，来降低风机在运行过程中所形成的极限载荷与疲劳载荷，并满足在额定风速以上时实现风力发电机组的恒功率控制的要求。
根据本发明的一方面，提供一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统，所述独立变桨控制系统包括控制器和驱动装置。控制器被配置为：基于风力发电机组的叶轮的方位角对风力发电机组的三个叶片根部的y方向载荷进行park变换，计算出d轴方向和q轴方向的载荷分量；对d轴方向和q轴方向的载荷分量进行比例积分运算，得到d轴方向和q轴方向的桨距角；对d轴方向和q轴方向的桨距角进行逆park变换，得到变桨控制期望输出的叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率，其中，所述变桨速率是基于叶轮的方位角和三个叶片根部的y方向载荷所计算得到的，且三个叶片的变桨速率不同；将叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率分别与根据叶轮转速计算得到的统一变桨速率相加，得到风力发电机组需求的各个叶片的变桨速率，并产生与变桨速率对应的变桨速率命令。驱动装置根据从控制器接收的变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角，以降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
驱动装置包括：三个变桨轴承，安装在风力发电机组的叶轮上；三个齿形带，分别安装在三个变桨轴承上；三个变桨电机，所述三个变桨电机的驱动轴分别连接到三个齿形带，其中，变桨电机从控制器接收针对三个叶片的变桨速率命令，根据变桨速率命令驱动齿形带运动，齿形带驱动变桨轴承以分别改变三个叶片的桨距角，从而降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
通过安装在三个叶片根部的载荷传感器检测三个叶片根部的y方向载荷。
通过安装在风力发电机组的滑环内的旋转编码器检测叶轮的方位角。
d轴方向和q轴方向是根据三个叶片所在的空间位置以park变换为基础所形成的空间矢量方向，q轴方向与d轴方向垂直。
根据本发明的另一方面，提供一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制方法，所述独立变桨控制方法包括：基于风力发电机组的叶轮的方位角对风力发电机组的三个叶片根部的y方向载荷进行park变换；计算出d轴方向和q轴方向的载荷分量；对d轴方向和q轴方向的载荷分量进行比例积分运算，得到d轴方向和q轴方向的桨距角；对d轴方向和q轴方向的桨距角进行逆park变换，得到变桨控制期望输出的叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率，其中，所述变桨速率是基于叶轮的方位角和三个叶片根部的y方向载荷所计算得到的，且三个叶片的变桨速率不同；将叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率分别与根据叶轮转速计算得到的统一变桨速率相加，得到风力发电机组需求的各个叶片的变桨速率，并产生与变桨速率对应的变桨速率命令；根据变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角，以降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
风力发电机组包括驱动装置，所述驱动装置包括：三个变桨轴承，安装在风力发电机组的叶轮上；三个齿形带，分别安装在三个变桨轴承上；三个变桨电机，所述三个变桨电机的驱动轴分别连接到三个齿形带，其中，变桨电机根据变桨速率命令驱动齿形带运动，齿形带驱动变桨轴承以分别改变三个叶片的桨距角，从而降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
通过安装在三个叶片根部的载荷传感器检测三个叶片根部的y方向载荷。
通过安装在风力发电机组的滑环内的旋转编码器检测叶轮的方位角。
d轴方向和q轴方向是根据三个叶片所在的空间位置以park变换为基础所形成的空间矢量方向，q轴方向与d轴方向垂直。
根据本发明，为了实现降低机组载荷、减小机组疲劳的目的，在统一变桨控制系统的基础上，将叶片根部载荷与叶轮方位角引入机组控制系统，实现机组的独立变桨控制系统。机组控制系统可根据叶片载荷的变化情况，计算出三个叶片各自的变桨速率，将变桨速率指令发送给变桨系统，使得变桨电机驱动齿形带，来实现三个叶片不同的变桨速率，控制平衡叶轮面内的载荷，满足在额定风速以上时实现风力发电机组的恒功率控制的要求，提高风力发电机组的安全性与可靠性。
附图说明
通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
图1是示出根据本发明的独立变桨控制系统的驱动装置的主视图；
图2是沿图1中的A-A线截取的剖视图；
图3是示出根据本发明的独立变桨控制系统的驱动装置的俯视图；
图4示出了根据本发明的独立变桨控制系统的控制器的独立变桨控制算法。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的实施例。
首先，简要解释一下变桨的概念。风力发电机组的每个桨叶(即，叶片)与叶轮旋转平面(叶轮旋转时桨叶柄所扫过的平面)形成一个角度，称为安装角，也称为桨距角。当桨距角为0°左右时，风能利用系数相对最大，这个角度范围称为发电状态桨叶频繁动作角度范围。如果桨距角增大，则风能利用系数将明显减小。当桨距角为90°左右时，桨叶静止，这个角度范围称为停机角度范围，此时风力发电机组停机。通过改变桨距角（该操作可称为“变桨”），当风速低于额定风速时追踪最大风速以尽可能吸收风能，当风速高于额定风速时，通过调整桨叶的桨距角，改变气流对桨叶的作用，可以保持风力发电机功率恒定。可通过安装在叶轮上的变桨电机驱动齿形带，齿形带驱动变桨轴承，从而调整各个桨叶的桨距角。
基于齿形带的直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统主要包括两部分，一个基于齿形带的独立变桨控制系统驱动设备，另一个是执行基于独立变桨的控制算法的控制器，二者可形成基于齿形带的直驱永磁风电机机组的独立变桨控制系统。该系统既可以简化机组设计结构，又可以降低机组设计载荷，提高机组的市场竞争力。
图1是示出根据本发明的独立变桨控制系统的驱动装置的主视图，图2是沿图1中的A-A线截取的剖视图，图3是示出根据本发明的独立变桨控制系统的驱动装置的俯视图。
驱动装置根据从独立变桨控制系统的控制器接收的变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角。
具体，参照图1至图3，驱动装置包括三个变桨轴承1、三个齿形带2和三个变桨电机3。三个变桨轴承1安装在风力发电机组的叶轮上。三个齿形带2分别安装在三个变桨轴承1上。三个变桨电机3的驱动轴分别连接到三个齿形带2。变桨电机3从独立变桨控制系统的控制器接收针对三个叶片的变桨速率命令，根据变桨速率命令驱动齿形带2运动。齿形带2驱动变桨轴承1，以分别改变三个叶片的桨距角，从而实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
图4示出了根据本发明的独立变桨控制系统的控制器执行的独立变桨控制算法。
参照图4，通过安装在三个叶片根部的载荷传感器检测三个叶片根部的y方向载荷（My1，My2，My3）；通过安装在风力发电机组的滑环内的旋转编码器检测叶轮的方位角。三个叶片根部的y方向载荷以及叶轮方位角作为控制器的输入。
控制器基于叶轮方位角对三个叶片根部的y方向载荷进行park变换，计算出d轴方向和q轴方向的载荷分量Md与Mq（这里，d轴方向和q轴方向是根据三个叶片所在的空间位置以park变换为基础所形成的空间矢量方向，q轴方向与d轴方向垂直）。然后，控制器对d轴方向和q轴方向的载荷分量Md与Mq进行比例积分(PI)运算，得到d轴方向和q轴方向的桨距角。控制器对d轴方向和q轴方向的桨距角进行逆park变换，得到变桨控制期望输出的叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率，这里，所述变桨速率是由控制器基于叶轮的方位角和三个叶片根部的y方向载荷所计算得到的，且三个叶片的变桨速率不同。然后，控制器将叶轮转子不平衡桨距角分别与根据叶轮转速计算得到的统一变桨速率相加，得到风力发电机组需求的各个叶片的变桨速率，并产生与变桨速率对应的变桨速率命令。可采用统一变桨算法计算统一变桨速率，统一变桨算法基于叶轮转速来计算三个叶片的统一变桨速率。风力发电机组的统一变桨算法属于现有技术，对于本领域技术人员来说是已知的，因此这里不再进行详细描述。
接着，驱动装置可根据从独立变桨控制系统的控制器接收的变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角，从而实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
根据本发明，为了实现降低机组载荷、减小机组疲劳的目的，在统一变桨控制系统的基础上，将叶片根部y方向载荷与叶轮方位角引入机组控制系统，实现机组的独立变桨控制系统。机组控制系统可根据叶片载荷的变化情况，计算出三个叶片各自的变桨速率，将变桨速率指令发送给变桨系统，使得变桨电机驱动齿形带，进而齿形带驱动变桨轴承，来实现三个叶片不同的变桨速率，控制平衡叶轮面内的载荷，提高机组的安全性与可靠性，以满足在额定风速以上时实现风力发电机组的恒功率控制的要求。此外，采用齿形带方式来实现驱动变桨轴承的方式的直驱独立变桨控制系统，在结构设计上更加安全、稳定、经济，维护更加方便。
通过采用基于齿形带的直驱风力发电机组的独立变桨控制系统，与双馈风力发电机机组采用减速器的变桨系统相比较，采用齿形带驱动方式，机组结构设计简单可靠、安装与维护更加方便；与现有的机组统一变桨系统相比较，采用独立变桨控制算法，可以有效降低机组叶根疲劳载荷与主轴疲劳载荷，允许同一风区增大叶轮直径，提高年发电量，使同一风机应用在不同风区成为可能。
根据本发明的独立变桨控制系统的主要结构设简单可靠，安装与维护方便，能够降低机组设计成本，提高风机市场竞争能力。
虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。
Claims (10)
1.一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统，包括：
控制器，被配置为：基于风力发电机组的叶轮的方位角对风力发电机组的三个叶片根部的y方向载荷进行park变换，计算出d轴方向和q轴方向的载荷分量；对d轴方向和q轴方向的载荷分量进行比例积分运算，得到d轴方向和q轴方向的桨距角；对d轴方向和q轴方向的桨距角进行逆park变换，得到变桨控制期望输出的叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率；将叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率分别与根据叶轮转速计算得到的统一变桨速率相加，得到风力发电机组需求的各个叶片的变桨速率，并产生与变桨速率对应的变桨速率命令；
驱动装置，根据从控制器接收的变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角，以降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
2.根据权利要求1所述的独立变桨控制系统，其中，驱动装置包括：
三个变桨轴承，安装在风力发电机组的叶轮上；
三个齿形带，分别安装在三个变桨轴承上；
三个变桨电机，所述三个变桨电机的驱动轴分别连接到三个齿形带，
其中，变桨电机从控制器接收针对三个叶片的变桨速率命令，根据变桨速率命令驱动齿形带运动，齿形带驱动变桨轴承以分别改变三个叶片的桨距角，从而实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
3.根据权利要求1所述的独立变桨控制系统，其中，通过安装在三个叶片根部的载荷传感器检测三个叶片根部的y方向载荷。
4.根据权利要求1所述的独立变桨控制系统，其中，通过安装在风力发电机组的滑环内的旋转编码器检测叶轮的方位角。
5.根据权利要求1所述的独立变桨控制系统，其中，d轴方向和q轴方向是根据三个叶片所在的空间位置以park变换为基础所形成的空间矢量方向，q轴方向与d轴方向垂直。
6.一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制方法，包括：
基于风力发电机组的叶轮的方位角对风力发电机组的三个叶片根部的y方向载荷进行park变换；
计算出d轴方向和q轴方向的载荷分量；
对d轴方向和q轴方向的载荷分量进行比例积分运算，得到d轴方向和q轴方向的桨距角；
对d轴方向和q轴方向的桨距角进行逆park变换，得到变桨控制期望输出的叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率；
将叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率分别与根据叶轮转速计算得到的统一变桨速率相加，得到风力发电机组需求的各个叶片的变桨速率，并产生与变桨速率对应的变桨速率命令；
根据变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角，以降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
7.根据权利要求6所述的独立变桨控制方法，其中，风力发电机组包括驱动装置，所述驱动装置包括：
三个变桨轴承，安装在风力发电机组的叶轮上；
三个齿形带，分别安装在三个变桨轴承上；
三个变桨电机，所述三个变桨电机的驱动轴分别连接到三个齿形带，
其中，变桨电机根据变桨速率命令驱动齿形带运动，齿形带驱动变桨轴承以分别改变三个叶片的桨距角，从而实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。
8.根据权利要求6所述的独立变桨控制方法，其中，通过安装在三个叶片根部的载荷传感器检测三个叶片根部的y方向载荷。
9.根据权利要求6所述的独立变桨控制方法，其中，通过安装在风力发电机组的滑环内的旋转编码器检测叶轮的方位角。
10.根据权利要求6所述的独立变桨控制方法，其中，d轴方向和q轴方向是根据三个叶片所在的空间位置以park变换为基础所形成的空间矢量方向，q轴方向与d轴方向垂直。
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