CN105201740B - 风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统及方法，该系统包括：振动传感器，在风力发电机组进入偏航状态后，实时采集机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号；信号处理模块，根据机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值，并将振动特征值与设定的振动阈值比较，当振动特征值大于振动阈值时，生成启动调整信号；制动控制模块，当接收到启动调整信号时向风力发电机组偏航系统中的偏航制动器发送调整偏航制动力矩的控制指令。本发明通过对偏航制动力矩的自动控制，提高了机舱和塔筒在偏航时的稳定性和可靠性，同时也缩短了处理机舱和塔筒振动过大问题的时间，提高了风电机组的发电效率。

Description

风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域。更具体地，涉及一种风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统及方法。

背景技术

风力发电机组偏航系统主要有三个功能。第一，正常运行时自动对风，当机舱偏离风向一定角度时，偏航控制系统发出迎风调向指令，机舱开始对风直到保证风轮处于迎风状态，能够最大限度的利用风能，提高发电效率；第二，绕缆时自动解缆，当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，偏航控制系统发出解缆调向指令，机舱开始向电缆缠绕的反方向旋转直到解缆完毕；第三，失速保护时偏离风向，当有特大强风发生时机组自动停机，偏航系统发出背风调向指令，机舱偏向背风状态，以达到风轮免受损坏的目的。

如图1所示，风力发电机组偏航系统主要由两大部分组成，即偏航控制机构和偏航驱动机构。偏航控制机构包括，风向标、风速仪、接近开关、限位开关、偏航控制器。偏航控制机构的主要作用是测试风速、风向以及机舱的偏航角度，通过偏航控制器接收和处理测试信号，根据信号处理结果，发送控制指令。偏航驱动机构包括，偏航驱动装置、偏航轴承、偏航制动器。偏航驱动机构的主要功能是，执行偏航控制机构的偏航指令。

现有技术中偏航驱动机构按照偏航轴承可分为滑动摩擦式偏航机构和滚动轴承式偏航机构，其中滑动摩擦式偏航机构如图2所示，机舱上固定若干个滑动块，直接压在塔筒顶部法兰的上表面。偏航时，滑块在塔筒法兰的上表面滑动，为防止机舱在不偏航时相对塔筒转动，用若干个制动装置来固定，制动装置的上端与机舱连接，下端的滑块与塔筒法兰下表面压紧。当机舱与塔筒相对运动时，制动装置产生摩擦力矩，阻止机舱转动。制动装置上安装有若干压紧调节螺栓，用于调节压紧力。偏航时偏航电机必须克服制动装置产生的摩擦力矩，偏航才能够实现。

滑动摩擦式偏航机构的结构特点和运动特点，使其具有转速低、承载大、摩擦制动的典型特征，上述特征使得风电机组在偏航过程中，容易产生偏航系统扭振失稳，造成机舱和塔筒振动、噪声大幅度增加的现象。通过对偏航系统的扭振模型分析可知，偏航系统扭振失稳产生的实质体现为偏航制动力矩与偏航系统的阻尼比不匹配，当系统处于失稳状态时，可以通过调整偏航制动力矩或者调整系统阻尼比的方式，使系统回归稳定状态，降低振动和噪声。滚动轴承式偏航机构的制动原理与滑动摩擦式相似，虽然滚动轴承的摩擦力矩相对较小，但是偏航过程中偏航制动器的制动力矩较大也会发生系统扭振失稳现象，只是相对滑动摩擦式偏航机构产生扭振失稳的概率较低。

现有技术中，当偏航系统发生扭振失稳现象时，只能停止偏航人工调整偏航制动装置的制动力矩，对于液压锁紧装置，也只能通过人工调整液压系统的工作压力从而调整制动装置的制动力矩。这两种方式均需人工实现，效率低下，会直接影响风电机组的发电效率。再则，系统处于失稳状态下很容发生共振现象，如果不能及时回归稳定状态，不仅会降低发电效率，还会影响偏航系统的稳定性与可靠性，甚至发生机舱严重损坏和倒塔等严重事故。

因此，需要提供一种风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统及方法，解决现有风力发电机组偏航系统在偏航过程中，由于偏航系统扭振失稳导致的机舱和塔筒振动超限处理效率低下以及影响机组偏航稳定性和可靠性的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统，该系统包括：

振动传感器，在风力发电机组处于偏航状态的时段内，实时采集机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号；

信号处理模块，根据所述机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值，并将所述振动特征值与设定的振动阈值比较，当所述振动特征值大于所述振动阈值时，生成启动调整信号；

制动控制模块，当接收到所述启动调整信号时向风力发电机组偏航系统中的偏航制动器发送调整偏航制动力矩的控制指令。

优选地，所述振动特征值为振动烈度值，所述振动阈值为振动烈度阈值。

优选地，所述信号处理模块和制动控制模块分别集成于风力发电机组偏航系统中的偏航控制器中。

一种风力发电机组偏航制动力矩的自动控制方法，该方法包括如下步骤：

S1、在风力发电机组处于偏航状态的时段内，采集机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号；

S2、根据所述机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值；

S3、将所述振动特征值与设定的振动阈值比较，

当所述振动特征值大于等于所述振动阈值时，调整风力发电机组偏航系统中的偏航制动器的偏航制动力矩以降低所述振动特征值，转入步骤S1；

当所述振动特征值小于所述振动阈值时，转入步骤S1采集下一时刻的机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号。

优选地，所述振动特征值为振动烈度值，所述振动阈值为振动烈度阈值。

该系统和方法通过对风力发电机组偏航控制机构中偏航制动力矩进行闭环控制，使得风力发电机组在偏航过程中制动力矩可根据机舱和塔筒的振动情况进行自动调整，及时调整制动力矩可以有效消除偏航系统扭振失稳现象，从而快速解决因扭振失稳导致的机舱和塔筒振动超限问题，提高了风力发电机组的发电效率，同时也提高了风力发电机组偏航时的稳定性和可靠性，降低了造成机舱严重损坏和倒塔事故的可能性。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可及时消除由偏航扭振失稳导致的机舱和塔筒振动过大的现象，使偏航系统及时回归稳定状态，提高了机舱和塔筒在偏航时的稳定性和可靠性，同时也缩短了处理机舱和塔筒振动过大问题的时间，提高了风电机组的发电效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出风力发电机组偏航系统的架构图。

图2示出滑动摩擦式偏航机构的结构图。

图3示出实施例1提供的风力发电机组偏航制动力矩自动控制系统的架构图。

图4示出实施例2提供的风力发电机组偏航制动力矩自动控制方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图3所示，本实施例提供风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统，在现有的风力发电机组偏航系统的控制机构中增加了振动传感器，信号处理模块和制动控制模块。振动传感器，在风力发电机组处于偏航状态的时段内，实时采集机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号，以此反映机舱和塔筒的振动情况，为调整偏航制动力矩提供数据支持；信号处理模块通过对机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号的实时处理与判断，可以反映出偏航系统是否处于失稳状态，同时可以通过制动控制模块调整偏航制动力矩，通过调整最终使系统恢复至稳定状态，即机舱振动恢复至正常状态，从而实现偏航制动力矩的闭环控制。

本实施例提供风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统包括：

振动传感器，在风力发电机组处于偏航状态的时段内，实时采集机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号；

信号处理模块，根据机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值，并将振动特征值与设定的振动阈值比较，当振动特征值大于振动阈值时，生成启动调整信号；

制动控制模块，当接收到启动调整信号时向风力发电机组偏航系统中的偏航制动器发送调整偏航制动力矩的控制指令。

其中

振动特征值为振动烈度值，振动阈值为振动烈度阈值。

信号处理模块根据机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值的计算方法为常用的物理学中的振动计算方法。

振动阈值根据风力发电机组的工作现场的风场、风力发电机组组件结构的实际情况，结合风力发电机组的工作过程数据而设定，不同的风场、不同的组件结构设定的振动阈值不尽相同，本实施例中不一一罗列。

调整偏航制动力矩的控制指令控制偏航制动器调整偏航制动力矩的幅度不宜过大，应为小幅地调整，而其中每次调整的幅度为根据振动特征值与振动阈值之间的差值得出的，差值越大，则调整幅度也相对的较大；差值越小，即振动特征值越接近振动阈值，则调整幅度越小，调整幅度值由信号处理器计算得出，包含在启动调整信号中发送至制动控制模块，制动控制模块根据启动调整信号中的调整幅度值生成调整偏航制动力矩的控制指令并将该控制指令发送至风力发电机组偏航系统中的偏航制动器。

现有的风力发电机组偏航系统中的偏航控制器中包含可编程模块。信号处理模块和制动控制模块均可集成于风力发电机组偏航系统中的偏航控制器中，不会增加硬件成本。信号处理模块和制动控制模块也可外置于偏航控制器，此时，信号处理模块需要与偏航控制器通信以确定偏航过程中偏航制动力矩的数值范围，通信的数据包括但不仅限于：偏航速度、方向，偏航驱动功率。

应用本实施例提供风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统的风力发电机组偏航系统中的偏航制动器为液压制动器，制动控制模块通过控制液压系统中的调压阀改变系统压力，从而调整制动器的制动力矩，偏航制动器执行制动控制模块的指令，实时调整制动力矩保证在稳定状态下完成偏航。

实施例2

如图4所示，本实施例提供的风力发电机组偏航制动力矩的自动控制方法，在风力发电机组处于偏航状态的时段内，在开始时偏航控制器会根据风速、风向、偏航系统调向的速度初步设定偏航制动力矩值，随后的偏航过程中(利用信号处理模块)将(振动传感器)采集到的机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号进行处理并判断振动是否超限，如果振动超限则(利用制动控制模块)对偏航制动力矩值进行自动调整，直至系统恢复稳定状态，如果振动正常则继续偏航至结束，偏航结束后利用偏航控制器将制动力矩值调整至非偏航状态下的正常值，保证在非偏航状态下机舱不会自由摆动。

本实施例提供的风力发电机组偏航制动力矩的自动控制方法包括如下步骤：

S1、在风力发电机组处于偏航状态的时段内，采集机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号；

S2、根据机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值；

S3、将振动特征值与设定的振动阈值比较，

当振动特征值大于等于振动阈值时，调整风力发电机组偏航系统中的偏航制动器的偏航制动力矩以降低振动特征值，转入步骤S1；

当振动特征值小于振动阈值时，转入步骤S1采集下一时刻的机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号。

整个流程在风力发电机组的偏航状态结束时停止。

其中

振动特征值为振动烈度值，振动阈值为振动烈度阈值。

根据机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值的计算方法为常用的物理学中的振动计算方法。

振动阈值根据风力发电机组的工作现场的风场、风力发电机组组件结构的实际情况，结合风力发电机组的工作过程数据而设定，不同的风场、不同的组件结构设定的振动阈值不尽相同，本实施例中不一一罗列。

步骤S3中偏航制动力矩的调整幅度不宜过大，采取的策略应为小幅地调整制动力矩再回到步骤S1采集下一时刻的振动信号，然后进入S2计算振动特征值，再进入步骤S3进行判断比较，如果振动特征值还大于等于振动阈值则再小幅地调整制动力矩，以此类推，将制动力矩逐渐调整直至振动特征值小于振动阈值为止，而其中每次调整的幅度为根据振动特征值与振动阈值之间的差值得出的，差值越大，则调整幅度也相对的较大；差值越小，即振动特征值越接近振动阈值，则调整幅度越小。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统，其特征在于，该系统包括：

振动传感器，在风力发电机组处于偏航状态的时段内，实时采集机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号；

信号处理模块，根据所述机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值，并将所述振动特征值与设定的振动阈值比较，当所述振动特征值大于所述振动阈值时，生成启动调整信号；

制动控制模块，当接收到所述启动调整信号时向风力发电机组偏航系统中的偏航制动器发送调整偏航制动力矩的控制指令。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统，其特征在于，所述振动特征值为振动烈度值，所述振动阈值为振动烈度阈值。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航制动力矩的自动控制系统，其特征在于，所述信号处理模块和制动控制模块均集成于风力发电机组偏航系统中的偏航控制器中。

4.一种风力发电机组偏航制动力矩的自动控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、在风力发电机组处于偏航状态的时段内，采集机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号；

S2、根据所述机舱和塔筒之间的扭振信号和径向振动信号计算得到振动特征值；

S3、将所述振动特征值与设定的振动阈值比较，

当所述振动特征值大于等于所述振动阈值时，调整风力发电机组偏航系统中的偏航制动器的偏航制动力矩以降低所述振动特征值，转入步骤S1；

当所述振动特征值小于所述振动阈值时，转入步骤S1。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组偏航制动力矩的自动控制方法，其特征在于，所述振动特征值为振动烈度值，所述振动阈值为振动烈度阈值。