CN104912733A - 风力发电机偏航控制方法、控制模块及基于该模块的控制装置 - Google Patents

风力发电机偏航控制方法、控制模块及基于该模块的控制装置 Download PDF

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Abstract

风力发电机偏航控制方法、控制模块及基于该模块的控制装置，涉及风力发电机偏航控制技术。它为了解决瞬时风向对偏航控制造成干扰使偏航单元频繁启动，导致电流输出不稳、控制困难和机舱寿命降低的问题。若风速超出设定值的范围或风向与机舱偏差角度≤16°，偏航单元保持状态，若偏差角度在16°-180°范围内，偏航电机反转，否则偏航电机正转，实现风力发电机的偏航控制。风力发电机偏航控制模块嵌入基于该模块的控制装置中。本发明中偏航单元具备延时启动功能，并采用误差控制，防止了瞬时风速造成的干扰，并能保证了风能的利用率，避免了零度对准造成的启动频繁和控制困难的情况，同时可延长机舱寿命。适用于对风力发电机的偏航控制。

Description

风力发电机偏航控制方法、控制模块及基于该模块的控制装置
技术领域
本发明涉及风力发电机偏航控制技术。
背景技术
风能的利用率和机械寿命是风电机组的一项重要指标，风电机组的控制技术一直被人们广泛研究，多种有效的风电机组控制策略和算法被提出，但大多是关于风力机控制、发电机控制与并网控制的技术，针对偏航控制的技术却未能取得有效发展，因此，对风力机在全面风特性变化范围内和追踪风向的见风使舵过程的动力学建模问题展开研究，对提高风能利用率有着重要的意义。
风向具有随机性，总是在不断改变。为了使风轮在正常工作时，风轮叶片一直正对着风的方向，以充分利用风的能量，在机舱转盘底座上安装了调向机构。风力发电机组的调向机构称为偏航系统，主要分为被动迎风偏航系统和主动迎风系统两大类。前者多用于小型独立风力发电机组，由尾舵控制，在风向变化时被动对风。后者多用于大型并网型风力发电机组，由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。
由于风向的不定性，采用风向标对风力发电做偏航导向时，利用闭环控制使得风向标的信号实时传输至主控制器，很多控制方法都采用机舱与风向标的都采用机舱与风向标的零差值对准操作操作，这样虽然风能利用率高，但是瞬时风向会对偏航控制造成干扰使偏航单元频繁启动，导致电流输出不稳、控制困难等后果。
现有风力发电机偏航控制模块都采用机舱与风向标的零差值对准操作，这样会使偏航单元频繁启动，导致电流输出不稳、控制困难。
现有风力发电机偏航控制装置中的偏航单元实时对风力发电机进行控制，导致机舱的寿命降低一半。
发明内容
本发明是为了解决现有控制方法都采用机舱与风险标的都采用机舱与风险标的零差值对准操作，会造成偏航单元频繁启动，导致电流输出不稳、控制困难，现有风力发电机偏航控制模块都采用机舱与风险标的零差值对准操作，这样会使偏航单元频繁启动，导致电流输出不稳、控制困难，以及现有风力发电机偏航控制装置中的偏航单元实时对风力发电机进行控制，导致机舱的寿命降低一半的问题，从而提供风力发电机偏航控制方法、控制模块及基于该模块的控制装置。
本发明所述的风力发电机偏航控制方法，该方法包括以下步骤：
数据采集步骤：不断地采集风速、风向和机舱转动角度的绝对值；
第一判断步骤：判断风速是否超出风速上限或风速下限，并在判断结果为是时执行状态保持步骤，在判断结果为否时执行计算步骤，风速上限和风速下限均为预先设定的值；
计算步骤:计算风向与机舱的偏差角度，并在该步骤结束之后执行第二判断步骤；
第二判断步骤：判断偏差角度是否≤16°，并在判断结果为是时执行状态保持步骤，在判断结果为否时执行第三判断步骤；
第三判断步骤：判断偏差角度是否大于16°且小于180°，如果判断结果为是,t1时间后执行电机反转步骤，如果判断结果为否，t1时间后执行电机正转步骤；
电机反转步骤：控制偏航电机反转，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤；
电机正转步骤：控制偏航电机正转，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤；
第四判断步骤：判断偏航电机的旋转圈数是否大于旋转圈数上限，并在判断结果为是时执行停止转动步骤，在判断结果为否时执行状态保持步骤，旋转圈数上限为预先设定的值；
状态保持步骤：偏航电机保持原状态t2时间，并在该步骤结束之后执行第一判断步骤；
停止转动步骤：控制偏航电机停止转动，并在该步骤结束之后执行解缆步骤；
解缆步骤：控制偏航电机解缆，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤。
本发明所述的风力发电机偏航控制模块，该控制模块包括以下单元：
数据采集单元：不断地采集风速、风向和机舱转动角度的绝对值；
第一判断单元：判断风速是否超出风速上限或风速下限，并在判断结果为是时启动状态保持单元，在判断结果为否时启动计算单元，风速上限和风速下限均为预先设定的值；
计算单元:计算风向与机舱的偏差角度，并在该单元结束之后启动第二判断单元；
第二判断单元：判断偏差角度是否≤16°，并在判断结果为是时启动状态保持单元，在判断结果为否时启动第三判断单元；
第三判断单元：判断偏差角度是否大于16°且小于180°，如果判断结果为是,t1时间后启动电机反转单元，如果判断结果为否，t1时间后启动电机正转单元；
电机反转单元：控制偏航电机反转，并在该单元结束之后启动第四判断单元；
电机正转单元：控制偏航电机正转，并在该单元结束之后启动第四判断单元；
第四判断单元：判断偏航电机的旋转圈数是否大于旋转圈数上限，并在判断结果为是时启动停止转动单元，在判断结果为否时启动状态保持单元，旋转圈数上限为预先设定的值；
状态保持单元：偏航电机保持原状态t2时间，并在该单元结束之后启动第一判断单元；
停止转动单元：控制偏航电机停止转动，并在该单元结束之后启动解缆单元；
解缆单元：控制偏航电机解缆，并在该单元结束之后启动第四判断单元。
基于上述风力发电机偏航控制模块的控制装置，它包括测速单元、测向单元、主控制器、停止转动单元和偏航单元；测向单元包括风向标和滤波器；
测速单元的输出端连接主控制器的测速信号输入端，测向单元的输出端连接主控制器的测向信号输入端，停止转动单元的油路信号输出端连接主控制器的油路信号输入端，主控制器的停止转动控制信号输出端连接停止转动单元的控制信号输入端，偏航单元的机舱转动角度的绝对值信号输出端连接主控制器的偏航控制信号输入端，主控制器的偏航控制信号输出端连接偏航单元的控制信号输入端；
主控制器内嵌入有软件实现的风力发电机偏航控制模块。
上述测速单元采用风速传感器实现。
上述测向单元中的滤波器为低通滤波器。
上述停止转动单元包括紧急停机装置和安全停机装置。
上述停止转动单元包括比例电磁换向阀。
上述偏航单元采用位置传感器来采集机舱转动角度的绝对值。
上述位置传感器选用绝对式传感器。
本发明所述的风力发电机偏航控制装置，测速单元将风速进行处理后以电信号传输至主控制器，主控制器对电信号进行处理后得出风速，根据已设定风速限定值输出相应控制信号。测向单元将测得的风向以电信号的形式传输至主控制器，主控制器将信号进行处理后得出风的角度。停止转动单元用于对风力发电机进行停机制动。偏航单元用于接收主控制器的指令，并根据指令调整自身工作状态，实现风力发电机偏航控制。本发明中，主控制器不断调整偏差角度，使偏差角度不超过16度，保证了风能的利用率，偏航单元具备延时启动功能，偏航单元不必实时对风力发电机进行控制，防止了瞬时风速造成的干扰，可使机舱寿命延长一倍。
本发明所述的风力发电机偏航控制模块采用误差控制和延迟启动，若风速超出设定值的上限、下限或风向与机舱偏差角度小于或等于16°，偏航单元保持停转状态，如果偏差角度在16°-180°范围内，则在1分钟后偏航电机反转(即t1＝1分钟)，否则1分钟后偏航电机正转。本模块不断调整风向与机舱的偏差角度，使该偏差角度控制在16度以内，在保证风能的利用率的同时，避免了零度对准造成的电流输出不稳、启动频繁和控制困难的问题，同时可延长机舱寿命；采用延迟控制的方式，防止了瞬时风速造成的干扰。
研究发现，在机舱角度与风向差值在20度内，风能损失约为4.5％。因此机舱和风向精确地零度对准没有必要。风向容易突变，且瞬时风向对偏航控制造成很大的干扰，为了防止偏航单元频繁启动，偏航单元应当延迟启动。本发明所述的风力发电机偏航控制方法采用误差控制和延迟启动，若风速超出设定值的上限、下限或风向与机舱偏差角度小于或等于16°，偏航单元保持停转状态，如果偏差角度在16°-180°范围内，则在1分钟后偏航电机反转(即t1＝1分钟)，否则1分钟后偏航电机正转。本方法不断调整风向与机舱的偏差角度，使该偏差角度控制在16度以内，在保证风能的利用率的同时，避免了零度对准造成的电流输出不稳、启动频繁和控制困难的问题，同时可延长机舱寿命；采用延迟控制的方式，防止了瞬时风速造成的干扰。
本发明可用于风力发电机的偏航控制。
附图说明
图1为具体实施方式三所述的风力发电机偏航控制装置的结构示意图。
图2为具体实施方式一所述的风力发电机偏航控制方法的控制流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的风力发电机偏航控制方法，该方法包括以下步骤：
数据采集步骤：不断地采集风速、风向和机舱转动角度的绝对值；
第一判断步骤：判断风速是否超出风速上限或风速下限，并在判断结果为是时执行状态保持步骤，在判断结果为否时执行计算步骤，风速上限和风速下限均为预先设定的值；
计算步骤:计算风向与机舱的偏差角度，并在该步骤结束之后执行第二判断步骤；
第二判断步骤：判断偏差角度是否≤16°，并在判断结果为是时执行状态保持步骤，在判断结果为否时执行第三判断步骤；
第三判断步骤：判断偏差角度是否大于16°且小于180°，如果判断结果为是,t1时间后执行电机反转步骤，如果判断结果为否，t1时间后执行电机正转步骤；
电机反转步骤：控制偏航电机反转，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤；
电机正转步骤：控制偏航电机正转，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤；
第四判断步骤：判断偏航电机的旋转圈数是否大于旋转圈数上限，并在判断结果为是时执行停止转动步骤，在判断结果为否时执行状态保持步骤，旋转圈数上限为预先设定的值；
状态保持步骤：偏航电机保持原状态t2时间，并在该步骤结束之后执行第一判断步骤；
停止转动步骤：控制偏航电机停止转动，并在该步骤结束之后执行解缆步骤；
解缆步骤：控制偏航电机解缆，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤。
t1为1分钟，t2的范围为秒数量级至分钟数量级。
当用采集风向实时值作为偏航停止条件判断依据时，因风向干扰波动的存在，机舱很难在当前的真实风向上停止，易造成偏航电机短时启动及频繁启动现象，显然不合理。通常，将滤波处理后的风向数据作为偏航停止条件判断，但风向滤波时间常数较大，延时明显，这样会造成偏航过程中实际目标值已经达到而滤波值却相差很大，会造成偏过目标位置现象，所以偏航系统在启动后旋转角度为固定值比较合理。
本发明所述的风力发电机偏航控制方法采用误差控制和延迟启动，若风速超出设定值的上限、下限或风向与机舱偏差角度小于或等于16°，偏航单元保持停转状态，如果偏差角度在16°-180°范围内，则在1分钟后偏航电机反转，否则1分钟后偏航电机正转。本方法防止了瞬时风速造成的干扰，在保证了风能的利用率的同时，避免了零度对准造成的启动频繁和控制困难的情况，同时可延长机舱寿命。
具体实施方式二：本实施方式所述的风力发电机偏航控制模块，该控制模块包括以下单元：
数据采集单元：不断地采集风速、风向和机舱转动角度的绝对值；
第一判断单元：判断风速是否超出风速上限或风速下限，并在判断结果为是时启动状态保持单元，在判断结果为否时启动计算单元，风速上限和风速下限均为预先设定的值；
计算单元:计算风向与机舱的偏差角度，并在该单元结束之后启动第二判断单元；
第二判断单元：判断偏差角度是否≤16°，并在判断结果为是时启动状态保持单元，在判断结果为否时启动第三判断单元；
第三判断单元：判断偏差角度是否大于16°且小于180°，如果判断结果为是,t1时间后启动电机反转单元，如果判断结果为否，t1时间后启动电机正转单元；
电机反转单元：控制偏航电机反转，并在该单元结束之后启动第四判断单元；
电机正转单元：控制偏航电机正转，并在该单元结束之后启动第四判断单元；
第四判断单元：判断偏航电机的旋转圈数是否大于旋转圈数上限，并在判断结果为是时启动停止转动单元，在判断结果为否时启动状态保持单元，旋转圈数上限为预先设定的值；
状态保持单元：偏航电机保持原状态t2时间，并在该单元结束之后启动第一判断单元；
停止转动单元：控制偏航电机停止转动，并在该单元结束之后启动解缆单元；
解缆单元：控制偏航电机解缆，并在该单元结束之后启动第四判断单元。
具体实施方式三：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式二所述的风力发电机偏航控制模块的控制装置，它包括测速单元1、测向单元2、主控制器3、停止转动单元4和偏航单元5；测向单元2包括风向标和滤波器；
测速单元1的输出端连接主控制器3的测速信号输入端，测向单元2的输出端连接主控制器3的测向信号输入端，停止转动单元4的油路信号输出端连接主控制器3的油路信号输入端，主控制器3的停止转动控制信号输出端连接停止转动单元4的控制信号输入端，偏航单元5的机舱转动角度的绝对值信号输出端连接主控制器3的偏航控制信号输入端，主控制器3的偏航控制信号输出端连接偏航单元5的控制信号输入端；
主控制器3内嵌入有软件实现的风力发电机偏航控制模块。
偏航单元具备延时启动功能，防止了瞬时风速造成的干扰。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的风力发电机偏航控制装置作进一步说明，本实施方式中，测速单元1采用风速传感器实现。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的风力发电机偏航控制装置作进一步说明，本实施方式中，测向单元2中的滤波器为低通滤波器。
低通滤波器可以过滤扰动风向得到主风向。原始采集风向信号进入滤波前，设置一个特定数据跳过滤波器的判断区间。如果当前采集信号落在这一区间，则不经滤波器直接作为下一步的输出信号，因采集风向落入这一区间的最大可能情况是在低风速启动过程中，所以采集数据不会一直落入此区间，这样的处理可明显降低传递函数滞后时间，避免风向与机舱偏转角度的实际值与滤波后得到的风向与机舱偏转角度值相差很大。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三所述的风力发电机偏航控制装置作进一步说明，本实施方式中，停止转动单元4包括紧急停机装置和安全停机装置。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式三所述的风力发电机偏航控制装置作进一步说明，本实施方式中，停止转动单元4包括比例电磁换向阀。
停止转动单元4的油路上连接有比例电磁换向阀。采用电液比例电磁换向阀实时将油路信号传输至主控制器，实现主控制器对油路的闭环控制，提高了主控制器对停止转动单元的响应速度及控制精确性。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式三所述的风力发电机偏航控制装置作进一步说明，本实施方式中，偏航单元5采用位置传感器来采集机舱转动角度的绝对值。
位置传感器将机舱转动角度的绝对值传输至主控制器，主控制器根据机舱转动角度的绝对值得到旋转圈数。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八所述的风力发电机偏航控制装置作进一步说明，本实施方式中，位置传感器选用绝对式传感器。

Claims (9)

1.风力发电机偏航控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
数据采集步骤：不断地采集风速、风向和机舱转动角度的绝对值；
第一判断步骤：判断风速是否超出风速上限或风速下限，并在判断结果为是时执行状态保持步骤，在判断结果为否时执行计算步骤，风速上限和风速下限均为预先设定的值；
计算步骤:计算风向与机舱的偏差角度，并在该步骤结束之后执行第二判断步骤；
第二判断步骤：判断偏差角度是否≤16°，并在判断结果为是时执行状态保持步骤，在判断结果为否时执行第三判断步骤；
第三判断步骤：判断偏差角度是否大于16°且小于180°，如果判断结果为是，t1时间后执行电机反转步骤，如果判断结果为否，t1时间后执行电机正转步骤；
电机反转步骤：控制偏航电机反转，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤；
电机正转步骤：控制偏航电机正转，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤；
第四判断步骤：判断偏航电机的旋转圈数是否大于旋转圈数上限，并在判断结果为是时执行停止转动步骤，在判断结果为否时执行状态保持步骤，旋转圈数上限为预先设定的值；
状态保持步骤：偏航电机保持原状态t2时间，并在该步骤结束之后执行第一判断步骤；
停止转动步骤：控制偏航电机停止转动，并在该步骤结束之后执行解缆步骤；
解缆步骤：控制偏航电机解缆，并在该步骤结束之后执行第四判断步骤。
2.风力发电机偏航控制模块，其特征在于，该控制模块包括以下单元：
数据采集单元：不断地采集风速、风向和机舱转动角度的绝对值；
第一判断单元：判断风速是否超出风速上限或风速下限，并在判断结果为是时启动状态保持单元，在判断结果为否时启动计算单元，风速上限和风速下限均为预先设定的值；
计算单元:计算风向与机舱的偏差角度，并在该单元结束之后启动第二判断单元；
第二判断单元：判断偏差角度是否≤16°，并在判断结果为是时启动状态保持单元，在判断结果为否时启动第三判断单元；
第三判断单元：判断偏差角度是否大于16°且小于180°，如果判断结果为是，t1时间后启动电机反转单元，如果判断结果为否，t1时间后启动电机正转单元；
电机反转单元：控制偏航电机反转，并在该单元结束之后启动第四判断单元；
电机正转单元：控制偏航电机正转，并在该单元结束之后启动第四判断单元；
第四判断单元：判断偏航电机的旋转圈数是否大于旋转圈数上限，并在判断结果为是时启动停止转动单元，在判断结果为否时启动状态保持单元，旋转圈数上限为预先设定的值；
状态保持单元：偏航电机保持原状态t2时间，并在该单元结束之后启动第一判断单元；
停止转动单元：控制偏航电机停止转动，并在该单元结束之后启动解缆单元；
解缆单元：控制偏航电机解缆，并在该单元结束之后启动第四判断单元。
3.基于权利要求2所述的风力发电机偏航控制模块的控制装置，其特征在于，它包括测速单元(1)、测向单元(2)、主控制器(3)、停止转动单元(4)和偏航单元(5)；测向单元(2)包括风向标和滤波器；
测速单元(1)的输出端连接主控制器(3)的测速信号输入端，测向单元(2)的输出端连接主控制器(3)的测向信号输入端，停止转动单元(4)的油路信号输出端连接主控制器(3)的油路信号输入端，主控制器(3)的停止转动控制信号输出端连接停止转动单元(4)的控制信号输入端，偏航单元(5)的机舱转动角度的绝对值信号输出端连接主控制器(3)的偏航控制信号输入端，主控制器(3)的偏航控制信号输出端连接偏航单元(5)的控制信号输入端；
主控制器(3)内嵌入有软件实现的风力发电机偏航控制模块。
4.根据权利要求3所述的风力发电机偏航控制装置，其特征在于，所述测速单元(1)采用风速传感器实现。
5.根据权利要求3所述的风力发电机偏航控制装置，其特征在于，所述测向单元(2)中的滤波器为低通滤波器。
6.根据权利要求3所述的风力发电机偏航控制装置，其特征在于，所述停止转动单元(4)包括紧急停机装置和安全停机装置。
7.根据权利要求3所述的风力发电机偏航控制装置，其特征在于，所述停止转动单元(4)包括比例电磁换向阀。
8.根据权利要求3所述的风力发电机偏航控制装置，其特征在于，所述偏航单元(5)采用位置传感器来采集机舱转动角度的绝对值。
9.根据权利要求8所述的风力发电机偏航控制装置，其特征在于，所述位置传感器选用绝对式传感器。
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