CN105604786A - 一种风力发电机组非实时变桨控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组非实时变桨控制系统及控制方法，所述系统包括风速传感器、主控制系统、变桨滑环、变桨系统和变桨滑环开关。主控制系统安装于机舱内，分析机舱外风速传感器的风速信息、叶片信息并下达紧急指令、分时段变桨指令。变桨滑环安装于机舱内，用于主控制系统和变桨系统间的电气传输和信息传递。变桨滑环开关安装于机舱内，连接主控制系统和变桨滑环，根据分时段变桨指令来判断开合，控制变桨滑环中滑环与刷丝的接触和分离，继而控制变桨操作的执行和停止，实现非实时变桨操作。本发明可改善滑环磨损、散热等问题，延长滑环寿命，降低风机维护成本，并减少风机变桨驱动能源的浪费。

Description

一种风力发电机组非实时变桨控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种风力发电机组变桨控制系统及控制方法。

背景技术

风能作为清洁能源，是新能源重要的发展方向，风力发电技术也成为发展应用较为成熟的能源技术，而其中海上风电的建设前景潜力很大。变桨系统作为风电机组的重要核心部件之一，保证了风电机组能够适应并完成不同工况下的风电能转换。风机的变桨系统主要有两个作用，一是实时调节风力发电机组叶片的桨距角，在保证风机安全工作的同时实现风能的最大限度利用；二是在发生机组故障或紧急情况如大风袭击时，使风电机组调节叶片的桨距角调至最大。

在风机叶片变桨系统中滑环起着举足轻重的作用，变桨滑环的工作原理：滑动触点通过滑环总成里的旋转接口传输电气信号和能量；电刷(或接触电刷)在旋转的滑环上滑动，并在其旋转过程中保持不间断接触。叶片实时变桨以保证准确对风，最大限度的转换风能，为了确保实时变桨时正确无误的电气信号传输，静止的电刷和旋转的滑环之间需要不间断的接触。在这种工作模式下，变桨滑环刷丝的磨损、散热、电弧等问题称为变桨系统的隐患，也导致变桨系统使用寿命有限、维护成本高昂。

关于变桨系统的已授权中国发明专利中，CN201110451234.4(一种用于海上大功率风电机组的变桨系统及控制方法)、CN201210140540.0(一种双馈感应风电机组的预报校正变桨控制方法)和CN201210337850.1(风力发电机组的变桨控制方法、装置和风力发电机组)等，分别从独立变桨控制、双馈感应预报校正控制、动态性能控制与抑制扰动控制的角度出发，给出了不同的变桨系统控制方法，但提出的创新技术方案仍是基于风力发电机组现有的实时变桨模式，即根据风源情况实时调整桨距角。另一方面，关于滑环结构的专利，如中国实用新型专利CN201220543620.6(纤维束刷式结构风电滑环)提出的纤维束刷式滑环结构，改善了滑环的耐磨性；实用新型专利CN201420028094.9(风力发电机变桨滑环)，克服变桨滑环真空浇注一体工艺成型的缺陷，提供一种根据使用要求随意组合装配的变桨滑环通道数，已有专利中滑环结构的改善并没有改变变桨系统的实时控制方式，也没有提供非实时变桨的硬件基础。

现实中在风力发电机组正常工作时，风场的风向和风速虽然实时变化，但在风速稳定时，普遍存在风速波动小的情况，该时段风机叶片桨距角小幅波动，此时为了最大限度地利用风能而实时变桨是不需要的。

经过以上分析，可以看出现有风力发电机组的变桨系统控制技术存在以下缺陷：

(1)风力发电机组叶片变桨系统在实时工作时，变桨滑环和刷丝之间不间断接触，由此引发磨损、散热及清理等问题，这也导致变桨滑环使用寿命有限，风电机组维护成本高。

(2)在风力发电机组正常采风过程中，普遍存在某一时段内风速波动变化不大的情况，叶片实时变桨实现的是叶片桨距角的小幅波动，这种变桨操作是不必要的，也是对变桨驱动能源的一种浪费。

发明内容

为了克服现有技术缺陷，本发明提出一种风力发电机组非实时变桨控制系统及控制方法，可以减少滑环电刷引起的磨损、散热情况，延长变桨系统使用寿命，降低风力发电机组的维护成本，并且降低对变桨驱动能源的浪费。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风力发电机组非实时变桨控制系统，包括风速传感器、主控制系统、变桨滑环、变桨系统和变桨滑环开关。

所述风速传感器安装在机舱外，连接主控制系统，测量风速及风向。

所述主控制系统安装于机舱内，通过变桨滑环开关与变桨滑环相连，分析风速信息、叶片信息，下达紧急指令、分时段定时变桨指令。

所述变桨滑环安装于机舱内，保证主控制系统和变桨系统之间的电气传输、变桨信息及叶片信息传递，并为变桨系统提供动力。

所述变桨系统安装在机舱以及叶片轮毂内，执行变桨操作，并向主控制系统反馈叶片桨距角及叶片应力信息。

所述变桨滑环开关安装在机舱内，接收判断主控制系统的分时段定时变桨指令，若指令为变桨则变桨滑环开关闭合，变桨滑环的滑环与刷丝接触，若指令为不变桨则变桨滑环开关打开，变桨滑环的滑环与刷丝分离。进一步的优选方案，变桨滑环开关可以采用电磁继电器或者限位开关实现功能。

主控制系统通过分时段定时变桨指令来控制变桨滑环的工作状态，进而控制风机叶片变桨的执行和停止，以实现风力发电机组的非实时变桨操作。

一种风力发电机组非实时变桨控制系统的控制方法，具体步骤如下：

步骤1：风速传感器记录风向及风速，并将实时信息传递给主控制系统。

步骤2：一方面，主控制系统分析风速信息以及紧急指令，判断是否为紧急变桨情形。另一方面，主控制系统设置分时段定时变桨指令，设定时间周期为N的等间时段，并计算各等间时段内的平均风速，风机只在各时段结束时判断是否变桨。

主控制系统设定变桨指令的具体步骤为：设置变桨最大风速容差值V_ref，用于判断相邻时段的平均风速变化是否满足变桨，当前等间时段平均风速为V₂，风机上一次变桨的等间时段平均风速为V₁。若|V₂-V₁|≤V_ref，视为两个时段的平均风速变化小，主控制系统的变桨指令为不变桨；若|V₂-V₁|＞V_ref，视为两个时段的平均风速变化大，主控制系统的变桨指令为变桨。

步骤3：当出现机组故障、强风袭击这类特殊情况时，主控制系统下达紧急变桨指令，变桨滑环开关闭合，变桨滑环正常工作，变桨系统调节叶片桨距角至最大，并向主控制系统反馈叶片桨距角和叶片应力信息。

步骤4：若不是紧急变桨情形，变桨滑环开关根据主控制系统的分时段变桨指令，判断当前时刻是否需要变桨：

a)若指令为变桨，变桨滑环开关闭合，变桨滑环正常工作，变桨系统调节叶片变桨，并向主控制系统反馈叶片桨距角及叶片应力信息；

b)若指令为不变桨，变桨滑环开关打开，变桨滑环的滑环与刷丝分离，变桨系统停止变桨。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)风力发电机组叶片变桨系统经过结构和控制方法的创新，不再采用现有的实时变桨工作模式，而采用分时段定时变桨模式。在风力发电机组不变桨时，变桨滑环中滑环与刷丝之间的磨损、散热、电弧及清理等难题得到有效缓解，可以延长变桨滑环的使用寿命，降低风电机组的维护成本。

(2)分时段定时变桨的工作模式，避免了实时变桨过程中叶片桨距角持续小幅波动的现象，变桨操作的减少也使得变桨所需能源大幅降低，可以减少对变桨系统驱动能源的浪费。

附图说明

图1是风力发电机组非实时变桨控制系统示意图。

图2是风力发电机组非实时变桨控制系统的控制方法流程图。

图3是分时段记录的实时风速和平均风速对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行进一步阐述说明。

如图1所示，一种风力发电机组非实时变桨控制系统，包括风速传感器1，主控制系统2，变桨滑环开关3，变桨滑环4，变桨系统5。

风速传感器1安装在机舱外，连接主控制系统2，测量风速及风向，并向主控制系统2发送实时信息。

主控制系统2安装于机舱内，通过变桨滑环开关2与变桨滑环4相连，分析风速信息、紧急指令、叶片信息并下达变桨指令。

变桨滑环4安装于机舱内，用于主控制系统2和变桨系统5之间的电气传输、变桨信息及叶片信息传递，并为变桨系统5提供动力。

变桨滑环开关3连接主控制系统2和变桨滑环4，具体操作是接收判断主控制系统2的变桨指令，若指令为变桨则开关闭合，变桨滑环4的滑环与刷丝接触，若指令为不变桨则开关打开，变桨滑环4的滑环与刷丝分离。进一步的优选方案，变桨滑环开关可以用电磁继电器或限位开关实现。

变桨系统5安装在机舱以及叶片轮毂内，用于变桨操作，并向主控制系统2反馈叶片桨距角及应力状况信息。在实际工程中，变桨系统5包括减速器，驱动能源部件，测速传感器，机轴，角度编码器，应力传感器。其中变桨驱动可以通过液桨驱动，也可以采用电机驱动。

如图2所示，一种风力发电机组非实时变桨控制系统的控制方法，具体步骤如下：

步骤1：风速传感器1记录风向及风速，并将实时信息传递给主控制系统2，实时风速记录如图3中的实时风速曲线所示。

步骤2：一方面，主控制系统2分析风速信息以及紧急指令，判断是否为紧急变桨情形。另一方面，主控制系统2设置分时段定时变桨指令，如图3所示，设定时间周期为N的等间时段，并计算各等间时段内的平均风速，风机只在各时段结束时判断是否变桨。

主控制系统2设定变桨指令的具体步骤为：设置变桨最大风速容差值V_ref，用于判断相邻时段的平均风速变化是否满足变桨，当前等间时段平均风速为V₂，风机上一次变桨的等间时段平均风速为V₁。若|V₂-V₁|≤V_ref，视为两个时段的平均风速变化小，主控制系统的变桨指令为不变桨；若|V₂-V₁|＞V_ref，视为两个时段的平均风速变化大，主控制系统的变桨指令为变桨。

步骤3：当出现机组故障、强风袭击这类特殊情况时，主控制系统2下达紧急变桨指令，变桨滑环开关3闭合，变桨滑环4正常工作，变桨系统5调节叶片桨距角至最大，并向主控制系统2反馈叶片桨距角和叶片应力信息。

步骤4：若不是紧急变桨情形，变桨滑环开关3根据主控制系统2的分时段变桨指令，判断当前时刻是否需要变桨：

a)若指令为变桨，变桨滑环开关3闭合，变桨滑环4正常工作，变桨系统5调节叶片变桨，并向主控制系统1反馈叶片桨距角及叶片应力信息；

b)若指令为不变桨，变桨滑环开关3打开，变桨滑环4的滑环与刷丝分离，变桨系统5停止变桨。

风力发电机组非实时变桨控制系统引入变桨滑环开关，主控制系统参考风机工作状况和风速情况下达变桨指令，变桨滑环开关根据变桨指令来控制变桨滑环的工作状态，进而控制变桨系统的变桨操作，风力发电机组采用分时段定时变桨的工作模式，实现了非实时变桨操作，减小了滑环磨损等情况，也改善了变桨驱动系统的能源消耗。

Claims (3)

1.一种风力发电机组非实时变桨控制系统，其特征在于：包括风速传感器、主控制系统、变桨滑环、变桨系统和变桨滑环开关；

所述风速传感器安装在机舱外，连接主控制系统，测量风速及风向；

所述主控制系统安装于机舱内，通过变桨滑环开关与变桨滑环相连，分析风速信息、叶片信息，下达紧急指令、分时段定时变桨指令；

所述变桨滑环安装于机舱内，保证主控制系统和变桨系统之间的电气传输、变桨信息及叶片信息传递，并为变桨系统提供动力；

所述变桨系统安装在机舱以及叶片轮毂内，执行变桨操作，并向主控制系统反馈叶片桨距角及叶片应力信息；

所述变桨滑环开关安装在机舱内，接收判断主控制系统的分时段定时变桨指令，若指令为变桨则变桨滑环开关闭合，变桨滑环的滑环与刷丝接触，若指令为不变桨则变桨滑环开关打开，变桨滑环的滑环与刷丝分离。

2.一种风力发电机组非实时变桨控制系统的控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：风速传感器记录风向及风速，并将实时信息传递给主控制系统；

步骤2：一方面，主控制系统分析风速信息以及紧急指令，判断是否为紧急变桨情形；另一方面，主控制系统设置分时段定时变桨指令，设定时间周期为N的等间时段，并计算各等间时段内的平均风速，风机只在各时段结束时判断是否变桨；

主控制系统设定变桨指令的具体步骤为：设置变桨最大风速容差值V_ref，用于判断相邻时段的平均风速变化是否满足变桨，当前等间时段平均风速为V₂，风机上一次变桨的等间时段平均风速为V₁；若|V₂-V₁|≤V_ref，视为两个时段的平均风速变化小，主控制系统的变桨指令为不变桨；若|V₂-V₁|＞V_ref，视为两个时段的平均风速变化大，主控制系统的变桨指令为变桨；

步骤3：当出现机组故障、强风袭击这类特殊情况时，主控制系统下达紧急变桨指令，变桨滑环开关闭合，变桨滑环正常工作，变桨系统调节叶片桨距角至最大，并向主控制系统反馈叶片桨距角和叶片应力信息；

步骤4：若不是紧急变桨情形，变桨滑环开关根据主控制系统的分时段变桨指令，判断当前时刻是否需要变桨：

a)若指令为变桨，变桨滑环开关闭合，变桨滑环正常工作，变桨系统调节叶片变桨，并向主控制系统反馈叶片桨距角及叶片应力信息；

b)若指令为不变桨，变桨滑环开关打开，变桨滑环的滑环与刷丝分离，变桨系统停止变桨。

3.根据权利要求1所述一种风力发电机组非实时变桨控制系统，其特征在于：变桨滑环开关采用电磁继电器或者限位开关实现。