CN105089930A - 一种风力发电机的偏航控制方法及偏航液压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机的偏航控制方法，布置至少两组个驱动风力发电机偏航的偏航驱动装置，根据风场的风速大小控制所述偏航驱动装置的启动数量，随风场的风速增大控制所述偏航驱动装置的启动数量随之增加；随风场的风速减小控制所述偏航驱动装置的启动数量随之减少。本发明还公开了一种风力发电机的偏航液压控制系统。本发明实现基于载荷需求的偏航驱动力。从而使得风场适应性强，能实现实时对风，偏航误差小，可维护性好，造价成本低，对外部环境要求低。

Description

一种风力发电机的偏航控制方法及偏航液压控制系统

技术领域

本发明涉及风力发电机领域，特别涉及一种风力发电机的偏航控制方法及偏航液压控制系统。

背景技术

风力发电是将风机叶片迎风扫掠面积内截获的风能转化成电能过程。由于实际风力发电过程中，风吹来的方向是不断变化的，大小也不稳定，所以就需要使风力发电设备的风轮总是正对风的最大方向。偏航系统正是实现这一功能的机构。偏航系统主要由偏航测量，偏航控制，偏航驱动和偏航刹车四部分组成。偏航驱动系统主要是接受偏航控制系统的命令，通过偏航传动链驱动偏航回转支撑(一般为滚动轴承，风力机固定在轴承内圈上，塔架固定在轴承外圈上)内外圈相对旋转，使风机转过一个偏航角实现对风。

目前风机偏航驱动系统常采用电机或液压马达驱动偏航齿圈转动来实现，并在电机或液压马达与偏航齿圈间加入减速箱以降低驱动转速；而且齿轮传动是一项比较成熟的技术，结构简单，受力好，容易实现，保障风机良好运行，整机具有可靠性。

随着风机技术的不断发展，全国各地风电厂建设也不断增多，这对风机所需要适应的工况也提出了更高的要求，这使得风力发电机偏航机构所需要适应的偏航载荷也不断变化，这样对偏航传动驱动能力的要求也越来越高。而大型风机都以尽量降低成本，提高风场适应性，增加可靠性，提高寿命为其设计要求，这使得固定驱动能力的偏航越来越满足不了需求。因此，急切需要一种风场偏航载荷适应能力强，可靠性高，维护简单的新型偏航系统来满足目前批量化生产的大功率风力发电机组的特殊要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种风力发电机的偏航控制方法及偏航液压控制系统，以解决实时对风差、偏航误差大、风场适应性差、可靠性差等问题。

一方面，本发明提供了一种风力发电机的偏航控制方法，布置至少两组驱动风力发电机偏航的偏航驱动装置，根据风场的风速大小控制所述偏航驱动装置的启动数量，随风场的风速增大控制所述偏航驱动装置的启动数量随之增加；随风场的风速减小控制所述偏航驱动装置的启动数量随之减少。

进一步地，根据风场的风速负载大小将偏航驱动装置分成至少两组偏航驱动装置；统计分析每组偏航驱动装置的工作频次，使每组偏航驱动装置依次轮流工作。

进一步地，根据风场的风速负载大小将偏航驱动装置分成至少两组偏航驱动装置；当检测到实际风速小于第一风速时，控制启动第一组偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第一风速，控制启动第二组偏航驱动装置和第一组偏航驱动装置。

进一步地，根据风场的风速负载大小将偏航驱动装置分成四组偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第一风速，且小于第二风速时，控制启动第二组偏航驱动装置和第一组偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第二风速，且小于第三风速时，控制启动第三组偏航驱动装置和第二组偏航驱动装置及第一组偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第三风速时，控制启动第四组偏航驱动装置和第三组偏航驱动装置和第二组偏航驱动装置及第一组偏航驱动装置。

进一步地，每组偏航驱动装置均包括布置在风力发电机两侧的两个偏航驱动装置。

进一步地，包括用于对风力发电机刹车制动的偏航刹车制动装置；当需要偏航动作时，偏航刹车制动装置松开，偏航驱动装置动作；当停止偏航动作时，偏航刹车制动装置和偏航驱动装置均制动。

本发明提供了一种风力发电机的偏航控制方法，根据风场的风速负荷的大小进行相应的动力配置，随风速增加所需偏航驱动扭矩的增大，偏航驱动装置工作数量也随之增加，实现基于载荷需求的偏航驱动力。从而使得风场适应性强，能实现实时对风，偏航误差小，可维护性好，造价成本低，对外部环境要求低。

偏航驱动实际载荷值的大小及风速档位划分，可根据风速出现频次、幅值，风机的切入风速、额定风速和切出风速等因素确定。在偏航驱动装置控制系统中，统计分析每组偏航驱动装置的工作频次，据此进行优化控制，使每组偏航驱动装置的依次轮流工作，使整机的偏航可靠性提高，使用寿命延长。

另一方面，本发明还提供一种风力发电机的偏航液压控制系统，包括至少两组偏航驱动装置，偏航驱动装置包括偏航液压马达，在每组偏航驱动装置的偏航液压马达中配置相应的偏航驱动油路，在每组偏航驱动油路中包括第一换向阀、平衡阀、偏航液压马达制动油路，平衡阀分别布置偏航液压马达的两条进回油路中，第一换向阀的两个工作油口分别与偏航液压马达的两条进回油路相连；偏航液压马达制动油路中包括第一减压阀、第一单向阀、第二换向阀，油液依次通过第一减压阀、第一单向阀、第二换向阀流向偏航液压马达的制动缸。

进一步地，在偏航液压马达的两条进回油路之间设置有阻尼孔。

进一步地，包括用于对风力发电机刹车制动的偏航刹车油路，在偏航刹车油路中设置有第二减压阀、手动泵、第一溢流阀、液压制动钳、偏航刹车换向阀：第二减压阀的出油口和手动泵的出油口及第一溢流阀的进油口与偏航刹车换向阀的进油口相连，偏航刹车换向阀的工作油口与液压制动钳相连；在第二减压阀的出油口及手动泵的出油口与偏航刹车换向阀的进油口相连油路设置有第二单向阀。

进一步地，包括供油油路和四组偏航驱动油路，供油油路中设置有主泵、主换向阀、第二溢流阀、第三减压阀、油箱；主泵一部分油液通过主换向阀向四组偏航驱动油路中的第一换向阀供油；主泵另一部分油液通过偏航刹车油路中的第二减压阀向液压制动钳供油；主泵另一部分油液通过第三减压阀向主泵的伺服油路供油；第二溢流阀设置在主泵输出油路中；第一换向阀通过主换向阀向油箱回油，每组偏航驱动油路均包括并联布置的两个偏航液压马达。

本发明提出一种风力发电机的偏航液压控制系统，偏航驱动油路采用平衡阀，可以实现偏航系统的自锁，实现机舱总成的定位。原偏航系统的启动和停止依赖于液压制动钳定位；现在可以减少甚至不使用液压制动钳，而只需要利用平衡阀自身的自锁特性，可实现机舱总成定位。因而不会出现位置漂移现象。另外，偏航液压马达制动油路可以对偏航液压马达实现制动，可实现机舱总成定位，因而不会出现位置漂移现象。因此，本发明的偏航液压控制系统具有双重自锁功能，可实现机舱总成定位，因而不会出现位置漂移现象。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的风力发电机的机舱底架示意图；

图2为本发明的偏航驱动装置安装示意图；

图3为本发明的风力发电机的偏航液压控制系统原理示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本优选实施例的一种风力发电机的偏航控制方法为例：

根据风场的风速负载大小布置至少两个驱动风力发电机偏航的偏航驱动装置。偏航驱动装置数量可以偏航驱动实际载荷值的大小和范围，选择每个偏航驱动装置的额定功率和偏航驱动装置的数量。偏航驱动装置可以采用电力或液力的驱动装置，例如：电机或液压马达。另外，还需要根据风场的风速进行风速档位划分，在风速档位划分时，可根据风场的风速大小，风速出现频次、幅值，风机的切入风速、额定风速和切出风速等因素确定。

在偏航控制系统中，根据风场的风速大小控制启动偏航驱动装置数量，随风场的风速增大控制所述偏航驱动装置启动数量随之增加；随风场的风速减小控制所述偏航驱动装置启动数量随之减少。

为了提高整机的偏航可靠性和延长使用寿命，在偏航控制系统中，可以统计分析每组偏航驱动装置的工作频次，据此进行优化控制，使每组偏航驱动装置的依次轮流工作，使整机的偏航可靠性提高，使用寿命延长。

为了提高偏航的稳定性和可靠性，每组偏航驱动装置均包括布置在风力发电机两侧的两个偏航驱动装置。

例如：根据风场的风速负载大小将偏航驱动装置分成四组偏航驱动装置和四个档位风速；当检测到实际风速小于第一风速6m/s时，控制器启动第一组偏航驱动装置A、A’，共计2个偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第一风速6m/s，且小于第二风速15m/s时，控制器启动第二组偏航驱动装置C、C’和第一组偏航驱动装置A、A’，共计4个偏航驱动装置。当检测到实际风速大于第二风速15m/s，且小于第三风速20m/s时，启动第三组偏航驱动装置B、B’和第二组偏航驱动装置C、C’及第一组偏航驱动装置A、A’，共计6个偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第三风速20m/s时，启动第四组偏航驱动装置D、D’和第三组偏航驱动装置B、B’和第二组偏航驱动装置C、C’及第一组偏航驱动装置A、A’，共计8个偏航驱动装置。第一风速、第二风速、第三风速的数值可以根据风场的风速实际需要进行设计。

为了实现机舱总成定位，防止位置漂移现象。包括用于对风力发电机刹车制动的偏航刹车制动装置；当需要偏航动作时，偏航刹车制动装置松开，偏航驱动装置动作；当停止偏航动作时，偏航刹车制动装置和偏航驱动装置均制动。

下面结合图1和图2及图3，对本发明的优选实施例作进一步详细说明，本优选实施例的一种风力发电机的偏航液压控制系统为例：

风机包括机舱总成和风机塔筒，机舱总成通过回转支撑101安装在风机塔筒上，风机塔筒固定在地面上，机舱总成包括机舱底架100和风力发电机。如图2所示，回转支撑101的内圈安装在机舱底架100的下部，外圈固定安装在风机塔筒之上。

如图1所示，在机舱底架上开设有用于安装偏航驱动装置A、A’、B、B’、C、C’、D、D’的8个安装孔，8个安装孔对称布置。如图2所示，8个安装孔内安装有8个偏航驱动装置A、A’、B、B’、C、C’、D、D’，偏航驱动装置包括偏航液压马达、减速机、偏航齿轮，液压马达与减速机的输入轴连接，减速机的输出轴与偏航齿轮连接，偏航齿轮与回转支撑啮合。将8个偏航驱动装置分成四组。将偏航驱动装置A、A’为第一组偏航驱动装置；将偏航驱动装置C、C’为第二组偏航驱动装置；将偏航驱动装置B、B’为第三组偏航驱动装置；将偏航驱动装置D、D’为第四组偏航驱动装置。

如图3所示，在每组偏航驱动装置的偏航液压马达中配置相应的偏航驱动油路，共4组偏航驱动油路。第一组偏航驱动装置A、A’对应的偏航驱动油路对称的偏航液压马达为7.1、7.2；第二组偏航驱动装置C、C’对应的偏航驱动油路对称的偏航液压马达为7.3、7.4；第三组偏航驱动装置B、B’对应的偏航驱动油路对称的偏航液压马达为7.5、7.6；第四组偏航驱动装置D、D’对应的偏航驱动油路对称的偏航液压马达为7.7、7.8。

每组偏航驱动油路结构相同，现以第一组偏航驱动装置A、A’对应的偏航驱动油路为例说明：偏航驱动油路由第一换向阀DT4、DT5、平衡阀6、两个偏航液压马达7.1、7.2组成，两个偏航液压马达7.1、7.2并联，油液依次通过第一换向阀DT4、DT5进油口、一侧平衡阀6、偏航液压马达7.1、7.2、另一侧平衡阀6、第一换向阀DT4、DT5出油口。另外，在偏航液压马达7.1、7.2的两条进回油路之间设置有阻尼孔10。

偏航液压马达的两条进回油路中设置平衡阀6，可以实现偏航系统的自锁，实现机舱总成的定位。原偏航系统的启动和停止依赖于液压制动钳定位；现在可以减少甚至不使用液压制动钳，而只需要利用平衡阀6自身的自锁特性，可实现机舱总成定位。因而不会出现位置漂移现象。

另外，为了对偏航液压马达7.1、7.2实现制动，偏航驱动油路还包括偏航液压马达制动油路。偏航液压马达制动油路中包括第一减压阀4.3、第一单向阀、第二换向阀DT6，油液依次通过第一减压阀4.3、第一单向阀、第二换向阀DT6流向偏航液压马达的制动缸。油液经过第一减压阀4.3减压后，保证第一减压阀4.3出口压力不变。第一单向阀起到防止油液反向流动。偏航液压马达制动油路可以对偏航液压马达实现制动，可实现机舱总成定位，因而不会出现位置漂移现象。因此，本发明的偏航液压控制系统双重自锁功能，可实现机舱总成定位，因而不会出现位置漂移现象。

为了进一步实现机舱总成定位，防止位置漂移现象，还增加了偏航刹车制动装置，偏航刹车制动装置包括刹车制动盘和液压制动钳8，采用液压制动钳8提供动力，对机舱总成定位进行刹车制动。液压制动钳8配置有偏航刹车油路，在偏航刹车油路中设置有第二减压阀4.2、手动泵3、第一溢流阀5.2、液压制动钳8、偏航刹车换向阀DT1：油液经过第二减压阀4.2减压后，保证第二减压阀4.2出口压力不变。油液然后经过偏航刹车换向阀DT1向液压制动钳8供油。第一溢流阀5.2起到稳压和安全保护作用。在第二减压阀4.2的出油口及手动泵3的出油口与偏航刹车换向阀DT1的进油口相连油路设置有第二单向阀。第二单向阀防止油液反向流动。

为了向偏航刹车油路和四组偏航驱动油路供油，还包括供油油路，供油油路中设置有主泵1、主换向阀DT3、第二溢流阀5.1、第三减压阀4.1、油箱9；主泵1一部分油液通过主换向阀DT3向4组偏航驱动油路中的第一换向阀DT4、DT5、DT7、DT8、DT9、DT10、DT11、DT12供油；主泵1另一部分油液通过偏航刹车油路中的第二减压阀4.2向液压制动钳8供油；主泵1另一部分油液通过第三减压阀4.1向主泵1的伺服油路供油，主泵1的伺服油路是控制主泵1的排量；第二溢流阀5.1设置在主泵输出油路中，第二溢流阀5.1起到稳压和安全保护作用；第一换向阀DT4、DT5、DT7、DT8、DT9、DT10、DT11、DT12通过主换向阀DT3向油箱9回油。

本偏航液压控制系统工作过程如下：

在正向偏航时，当检测到实际风速小于第一风速6m/s时，控制器控制主换向阀DT3、第二换向阀DT6、第一换向阀的DT4得电；如果是反向偏航时，第一换向阀DT5得电。偏航液压马达7.1、7.2驱动机舱总成旋转。

在正向偏航时，当检测到实际风速大于第一风速6m/s，且小于第二风速15m/s时，控制器控制主换向阀DT3、第二换向阀DT6、第一换向阀的DT4、DT7得电；如果是反向偏航时，第一换向阀DT5、DT8得电。偏航液压马达7.1、7.2、7.3、7.4驱动机舱总成旋转。

在正向偏航时，当检测到实际风速大于第二风速15m/s，且小于第三风速20m/s时，控制器控制主换向阀DT3、第二换向阀DT6、第一换向阀的DT4、DT7、DT9得电；如果是反向偏航时，第一换向阀DT5、DT8、DT10得电。偏航液压马达7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6驱动机舱总成旋转。

在正向偏航时，当检测到实际风速大于第三风速20m/s时，控制器控制主换向阀DT3、第二换向阀DT6、第一换向阀的DT4、DT7、DT9、DT11得电；如果是反向偏航时，第一换向阀DT5、DT8、DT10、DT12得电。偏航液压马达7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8驱动机舱总成旋转。

如果不需要偏航时，控制器控制偏航刹车换向阀DT1得电，液压制动钳8处于刹车制动状态。也就是说，偏航驱动装置在常态时处于松开状态。只有向偏航刹车油路供油时，偏航驱动装置才处于刹车制动状态。

假如：偏航液压控制系统发生故障，主泵无法向偏航刹车油路供油，也就是偏航驱动装置处于松开状态。风力发电机在风场的风力的作用下，会使机舱总成无法定位，出现位置漂移。为了防止此类情况出现，本发明还有两道保险。其一是平衡阀6自身的自锁特性，可实现机舱总成定位，不会出现位置漂移现象。其二是偏航液压马达制动油路可以对偏航液压马达7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8实现制动，可实现机舱总成定位，因而不会出现位置漂移现象。因此，本发明的偏航液压控制系统具有双重自锁功能，在偏航液压控制系统出现故障的情况下，也可实现机舱总成定位，因而不会出现位置漂移现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机的偏航控制方法，其特征在于，布置至少两组驱动风力发电机偏航的偏航驱动装置，根据风场的风速大小控制所述偏航驱动装置的启动数量，随风场的风速增大控制所述偏航驱动装置的启动数量随之增加；随风场的风速减小控制所述偏航驱动装置的启动数量随之减少。

2.根据要权利要求1所述的偏航控制方法，其特征在于：根据风场的风速负载大小将偏航驱动装置分成至少两组偏航驱动装置；统计分析每组偏航驱动装置的工作频次，使每组偏航驱动装置依次轮流工作。

3.根据要权利要求1所述的偏航控制方法，其特征在于：根据风场的风速负载大小将偏航驱动装置分成至少两组偏航驱动装置；当检测到实际风速小于第一风速时，控制启动第一组偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第一风速，控制启动第二组偏航驱动装置和第一组偏航驱动装置。

4.根据权利要求3所述的偏航控制方法，其特征在于：根据风场的风速负载大小将偏航驱动装置分成四组偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第一风速，且小于第二风速时，控制启动第二组偏航驱动装置和第一组偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第二风速，且小于第三风速时，控制启动第三组偏航驱动装置和第二组偏航驱动装置及第一组偏航驱动装置；当检测到实际风速大于第三风速时，控制启动第四组偏航驱动装置和第三组偏航驱动装置和第二组偏航驱动装置及第一组偏航驱动装置。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的偏航控制方法，其特征在于：每组偏航驱动装置均包括布置在风力发电机两侧的两个偏航驱动装置。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的偏航控制方法，其特征在于：包括用于对风力发电机刹车制动的偏航刹车制动装置；当需要偏航动作时，偏航刹车制动装置松开，偏航驱动装置动作；当停止偏航动作时，偏航刹车制动装置和偏航驱动装置均制动。

7.一种风力发电机的偏航液压控制系统，其特征在于，包括至少两组偏航驱动装置，偏航驱动装置包括偏航液压马达，在每组偏航驱动装置的偏航液压马达中配置相应的偏航驱动油路，在每组偏航驱动油路中包括第一换向阀、平衡阀、偏航液压马达制动油路，平衡阀分别布置偏航液压马达的两条进回油路中，第一换向阀的两个工作油口分别与偏航液压马达的两条进回油路相连；偏航液压马达制动油路中包括第一减压阀、第一单向阀、第二换向阀，油液依次通过第一减压阀、第一单向阀、第二换向阀流向偏航液压马达的制动缸。

8.根据权利要求7所述的偏航液压控制系统，其特征在于：在偏航液压马达的两条进回油路之间设置有阻尼孔。

9.根据权利要求8所述的偏航液压控制系统，其特征在于：包括用于对风力发电机刹车制动的偏航刹车油路，在偏航刹车油路中设置有第二减压阀、手动泵、第一溢流阀、液压制动钳、偏航刹车换向阀：第二减压阀的出油口和手动泵的出油口及第一溢流阀的进油口与偏航刹车换向阀的进油口相连，偏航刹车换向阀的工作油口与液压制动钳相连；在第二减压阀的出油口及手动泵的出油口与偏航刹车换向阀的进油口相连油路设置有第二单向阀。

10.根据权利要求9所述的偏航液压控制系统，其特征在于：包括供油油路和四组偏航驱动油路，供油油路中设置有主泵、主换向阀、第二溢流阀、第三减压阀、油箱；主泵一部分油液通过主换向阀向四组偏航驱动油路中的第一换向阀供油；主泵另一部分油液通过偏航刹车油路中的第二减压阀向液压制动钳供油；主泵另一部分油液通过第三减压阀向主泵的伺服油路供油；第二溢流阀设置在主泵输出油路中；第一换向阀通过主换向阀向油箱回油，每组偏航驱动油路均包括并联布置的两个偏航液压马达。