CN105971823A - 一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法，属于风电技术领域。该方法采用磁悬浮偏航系统对偏航阻尼进行实时平稳控制：风向改变时，首先计算风力作用于机舱的风力转矩T_W；如果T_W小于机舱偏航所需驱动转矩T_N，则使机舱悬浮上升至平衡点，偏航电机定子正向馈电产生正向电磁转矩；如果T_W大于T_N但小于2T_N，则使机舱悬浮上升至平衡点，定子反向馈电产生反向电磁转矩以增大偏航阻尼；如果T_W大于2T_N，则不悬浮，调节偏航电机转子的电流，使其产生的电磁吸力小于机舱重力,将产生摩擦阻力矩以增大偏航阻尼，定子正向馈电；使机舱按给定的偏航转速偏航。本发明对偏航阻尼进行实时调控，具有无噪音、对风准确、维护简便等优点。

Description

一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，尤其是一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

偏航系统是水平轴风力发电机组必不可少的组成部分，目前国内外大中型风力发电机组均采用主动偏航的齿轮驱动偏航系统。该偏航系统一般由偏航大齿圈、侧面轴承、滑垫保持装置、上下及侧面滑动衬垫、偏航驱动装置、调整螺栓、偏航限位开关、接近开关、风速风向仪等组成。其中，偏航驱动装置包括偏航电机、减速齿轮箱、小齿轮，它通过螺栓紧固在机舱主机架上。

这种偏航系统的工作原理是：当风向变化时，控制系统控制偏航驱动装置中的偏航电机往风向变化的方向同步运转，偏航电机通过减速齿轮箱带动小齿轮旋转，而小齿轮与偏航大齿圈相啮合，但偏航大齿圈通过螺栓紧固在塔筒法兰上，不可旋转，则只能是小齿轮围绕着偏航大齿圈旋转带动主机架旋转，直到风轮轴线与风向仪测得的风向相一致。

由上可知，这种偏航系统的偏航驱动转矩由偏航驱动装置产生，并经由齿轮传动体系驱动机舱主动迎风。但偏航系统在风电机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩，以保证偏航过程平稳顺畅而不产生振动。目前的方法是通过调节偏航系统中的调整螺栓的旋入深度来调整滑动衬垫与大齿圈之间的紧密程度，从而达到调节偏航阻尼的目的。阻尼力矩的大小是根据机舱(包括风轮)总的惯性力矩来确定的。

然而，这种偏航系统在偏航过程中，机头自重和风轮叶片受力不均匀所产生的偏心力矩以及风力作用于机舱和塔架的风力载荷引起的弯曲力矩等结构性动态力矩极易导致偏航阻尼力矩发生变化，而且随着时间的推移，零部件疲劳、调整螺栓松动等原因，原来调整好的偏航阻尼将发生变化。偏航系统阻尼力矩过小或过大，会造成偏航定位不准确，同时偏航阻尼力矩过大，还会产生异常噪声，这是目前这种偏航系统发生的常见故障之一。而解决这种故障的唯一办法是维修人员登上几十米高的塔架现场调节、甚至更换调整螺栓，以便得到新的最佳偏航阻尼。

由此可见，传统型偏航系统存在故障率高、偏航阻尼不能自动调节、维护不便等缺陷。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足，提供一种能够实时、自动调控风电机组偏航阻尼的方法，彻底消除因偏航阻尼力矩变化而造成的偏航噪音大、对风不准确的故障。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

采用一种磁悬浮偏航系统以取代齿轮驱动的偏航系统，所述磁悬浮偏航系统包括偏航电机、悬浮支架、气隙传感器、风速风向仪，所述偏航电机为盘式同步电机，包括转子、定子， 所述转子与转子控制器相连，所述定子与定子控制器相连。

本发明一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，当风向改变时，偏航启动，计算风力作用于风电机组机舱而产生的风力转矩T_W；

步骤2，如果风力转矩T_W小于机舱偏航所需驱动转矩T_N，则首先启动悬浮，即调节所述转子的电流，使其产生的电磁吸力大于风电机组机舱重力，使整个机舱悬浮上升状态至悬浮平衡点，然后给所述定子正向馈电，所述偏航电机将产生正向电磁转矩T_e，即电磁转矩T_e与机舱转矩T_W的方向一致，以减小偏航阻尼，偏航电机按第一偏航系统运动方程驱动机舱按给定的偏航转速进行偏航；

步骤3，如果风力转矩T_W大于机舱偏航所需驱动转矩T_N，但小于2T_N，则首先启动悬浮，即调节所述转子的电流，使其产生的电磁吸力大于风电机组机舱重力，使整个机舱悬浮上升至悬浮平衡点，然后给所述定子反向馈电，所述偏航电机将产生反向电磁转矩T_e，即电磁转矩T_e与风力转矩T_W的方向相反，以增大偏航阻尼，偏航电机按第一偏航系统运动方程驱动机舱按给定的偏航转速进行偏航；

步骤4，如果风力转矩T_W大于两倍的机舱偏航所需驱动转矩T_N，则不启动悬浮，根据风力的大小调节所述转子的电流，使其产生的电磁吸力小于风电机组机舱的重力,则机舱不会悬浮，机舱与塔架仍保持接触，在偏航过程中将产生摩擦阻力矩T_f以增大偏航阻尼，然后给所述定子正向馈电，所述偏航电机按第二偏航系统运动方程驱动机舱按给定的偏航转速进行偏航。

所述步骤1中的风力作用于风电机组机舱的风力转矩T_W按下式计算：

$T_W=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}Al{\left(V_{W}sin\mathrm{\θ}\right)}^2{C}_W$

式中，ρ为空气密度，A为机舱迎风面积，l为机舱绕塔架轴线的转动半径，V_W为风速，θ为风向角，C_W为转矩系数。

所述步骤2和步骤3中的第一偏航系统运动方程为：

$T_W+T_e-T_L=J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}$

式中，T_W为风力作用于风电机组机舱的风力转矩，T_e为偏航电机产生的电磁转矩，且满足T_e＝T_N-T_W，T_L为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。

所述步骤4中的第二偏航系统运动方程为：

$T_W+T_e-T_f-T_L=J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}$

式中，T_W为风力作用于风电机组机舱的风力转矩，T_f为摩擦阻力矩，T_e为偏航电机产生的电磁转矩，且满足T_e＝T_N-T_W+T_f，T_L为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。

所述步骤4中的摩擦阻力矩为：

T_f＝f×R＝kF×R

式中，f为机舱与塔架之间的摩擦力，R为塔架半径，k为摩擦系数，F为机舱作用在塔架上 的垂直方向上的合力，且F＝mg-F_em，其中mg为机舱重力，F_em为转子通电后产生的电磁吸力。

本发明的有益效果是：本控制方法可根据风力大小，对偏航阻尼力矩进行实时动态调控，使系统在偏航过程中始终保持最佳偏航阻尼，实现偏航准确定位，避免异常噪音，确保风电机组在偏航过程中平稳运行、系统性能实时最优，同时还具有偏航能耗低(因为利用了风力产生的风力转矩T_W进行辅助偏航)、维护简便等优点。

附图说明

附 图 1为磁悬浮偏航系统的构成示意图。

附 图 2为磁悬浮偏航系统的控制器连接示意图。

附 图 3为风力作用于机舱的示意图。

附 图 4为转子与定子之间力学分析示意图。

附 图 5本发明控制方法实施流程图。

图中标号：1-转子；2-定子；3-悬浮支架；4-气隙传感器；5-转子控制器；6-定子控制器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如 图 1所示，磁悬浮偏航系统包括偏航电机、悬浮支架3、气隙传感器4、风速风向仪，偏航电机为盘式同步电机，它包括转子1、定子2，转子1采用直流励磁，具有直流绕组，定子2具有三相绕组。转子1通过悬浮支架3与机舱固定，即悬浮支架3的一端与转子1用螺栓固定，另一端与机舱固定；定子2固定在塔架上。气隙传感器4用于检测转子1与定子2之间的气隙长度。

如 图 2所示，转子1及气隙传感器4与转子控制器5相连，定子2与定子控制器6相连。

本发明一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法，为了实现风电机组偏航过程中实时调控偏航阻尼，具体包括以下步骤：

步骤1，当风速风向仪测得风向改变时，偏航启动，根据风速风向仪测得的风速和风向角计算风力作用于风电机组机舱而产生的风力转矩T_W：

如 图 3所示，风力作用于机舱的示意图，将风速V_W分解为两个分量，即V_Wsinθ和V_Wcosθ，其中，V_Wsinθ为垂直作用于机舱侧面的速度分量，它将使机舱产生偏转。由空气动力学理论，根据流向机舱的气流来计算机舱在风力作用下产生的机械转矩，即风力转矩T_W：

$T_W=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}Al{\left(V_{W}sin\mathrm{\θ}\right)}^2{C}_W---\left(1\right)$

式中，ρ为空气密度，A为机舱迎风面积，l为机舱绕塔架轴线的转动半径，V_W为风速(由风速仪测得)，θ为风向角(由风向仪测得)，C_W为偏航转矩系数(通过实验获得)。

步骤2，如果风力转矩T_W小于机舱偏航所需驱动转矩T_N，则首先启动悬浮控制，即转子控制器5按式(2)不断调节控制转子1的励磁电流i，使其产生的电磁吸力F_em大于风电机组机舱的重力mg，使整个机舱悬浮上升至悬浮平衡点，其工作原理是：

如 图 4所示，根据电磁学理论，当转子1绕组通入励磁电流i后，在转子1和定子2之 间将产生向上的电磁吸力F_em，按下式计算：

$F_{em}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}S}{4}\·\frac{i^2}{{\mathrm{\δ}}^2}---\left(2\right)$

式中，μ₀为真空磁导率，N为转子励磁线圈的匝数，S为电磁铁(即转子1)的磁极表面有效面积，i为转子1的励磁电流，δ为转子1与定子2之间气隙长度(由气隙传感器4测得，一般起始气隙长度设为15mm)。

由式(2)可知，通过调节转子1的励磁电流i，就能控制其产生的电磁吸力F_em的大小，当电磁吸力F_em大于机舱重力mg时，转子1将向上移动，由于转子1通过悬浮支架3与机舱连接固定，这样机舱就会悬浮起来，转子1与定子2之间的气隙长度δ就会变小。转子控制器5通过气隙传感器4实时检测气隙长度δ，以此形成闭环反馈，来实时控制励磁电流i的大小，就能使机舱到达设定的悬浮平衡点位置(平衡点位置的气隙长度δ₀一般设为8-10mm)。

机舱到达设定的悬浮平衡点位置后，定子控制器6给定子2的绕组正向通入三相交流电，则偏航电机将产生与风力转矩T_W方向一致的正向电磁转矩T_e以减小偏航阻尼，机舱按下述运动方程以给定的偏航转速进行偏航：

$T_W+T_e-T_L=J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(3\right)$

式中，T_e为正值，且满足T_e＝T_N-T_W。

步骤3，如果T_N<T_W<2T_N，则同样也首先启动悬浮控制，即转子控制器5按式(2)不断调节控制转子1的励磁电流i，使其产生的电磁吸力F_em大于风电机组机舱的重力mg，使整个机舱悬浮上升至悬浮平衡点，然后定子控制器6给定子2的绕组反向通入三相交流电，则偏航电机产生的电磁转矩T_e与机舱转矩T_W的方向相反，使偏航阻尼得以增大，机舱按下述运动方程以给定的偏航转速进行偏航：

$T_W+T_e-T_L=J\frac{d\mathrm{\&omega;}}{dt}---\left(4\right)$

式中，T_e为负值，且满足T_e＝T_N-T_W。

步骤4，如果T_W≥2T_N，则不启动悬浮，首先根据风力转矩T_W的大小，转子控制器5仍按式(2)调节转子1的励磁电流i，但使其产生的电磁吸力F_em小于风电机组机舱的重力mg，即F_em<mg。此时，机舱不会悬浮，仍与塔架保持接触，则机舱作用在塔架上的压力F为F＝mg-F_em，这样在偏航过程中，机舱与塔架之间就会产生摩擦力f，也就产生了摩擦阻力矩T_f，因而增大了偏航阻尼。风力转矩T_W越大，则使转子1的励磁电流i越小，即电磁吸力F_em越小，则机舱作用在塔架上的压力F就越大，摩擦力f也就越大，摩擦阻力矩T_f则越大，使得偏航阻尼越大。

摩擦阻力矩T_f可按下式计算：

T_f＝f×R＝kF×R (5)

式中，f为机舱与塔架之间的摩擦力，R为塔架半径，k为摩擦系数，F为机舱作用在塔架上的压力，即机舱作用在塔架上的垂直方向上的合力，且F＝mg-F_em。

由式(2)、式(5)可见，只要控制转子1励磁电流i的大小，就能控制电磁吸力F_em 的大小，从而就能控制机舱与塔架之间摩擦力f的大小，也就能控制摩擦阻力矩T_f的大小。

然后定子控制器6给定子2的绕组正向通入三相交流电，则偏航电机产生正向电磁转矩T_e，机舱按下述运动方程以给定的偏航转速进行偏航：

$T_W+T_e-T_f-T_L=J\frac{d\mathrm{\&omega;}}{dt}---\left(6\right)$

式中，T_f为摩擦阻力矩，T_e为正值，且满足T_e＝T_N-T_W+T_f。

为了进一步说明，图 5给出了本发明控制方法的实施流程图，原理如下：

首先，风速风向仪始终监测风速和风向，当检测到风向发生变化时，则根据测得的风向角θ和风速V_W计算风力作用在机舱上形成的风力转矩T_W。

然后，判断T_W的大小：

如果T_W≤T_N，则进入步骤2；

如果T_N＜T_W＜2T_N，则进入步骤3；

如果T_W≥2T_N，则进入步骤4。

但是随着偏航的进行，风向角θ会逐渐变小，再加上风速V_W也可能发生变化，所以风力转矩T_W会发生变化，因此，每一步完成后必须重新计算风力转矩T_W，然后重新判断T_W的大小，再执行相应的步骤。

由上可知，本发明采用与传统的人工机械调节偏航阻尼完全不同的调控机制，可以根据风向、风速实时状况，实现快速动态地自动调控偏航阻尼力矩的大小，使其达到最佳偏航阻尼状态，使系统平稳运行，且能准确定位。

Claims (4)

1.一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法，采用磁悬浮偏航系统以取代齿轮驱动的偏航系统，所述磁悬浮偏航系统包括偏航电机、悬浮支架、气隙传感器、风速风向仪，所述偏航电机包括转子、定子，所述转子与转子控制器相连，所述定子与定子控制器相连，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，当风向改变时，偏航启动，计算风力作用于风电机组机舱而产生的风力转矩T_W；

步骤2，如果风力转矩T_W小于机舱偏航所需驱动转矩T_N，则首先启动悬浮，即调节所述转子的电流，使其产生的电磁吸力大于机舱重力，使机舱悬浮上升至悬浮平衡点，然后给所述定子正向馈电，所述偏航电机将产生正向电磁转矩T_e，即电磁转矩T_e与机舱转矩T_W的方向一致，偏航电机按第一偏航系统运动方程驱动机舱按给定的偏航转速进行偏航；

步骤3，如果风力转矩T_W大于机舱偏航所需驱动转矩T_N，但小于2T_N，则首先启动悬浮，即调节所述转子的电流，使其产生的电磁吸力大于机舱重力，使机舱悬浮上升至悬浮平衡点，然后给所述定子反向馈电，所述偏航电机将产生反向电磁转矩T_e，即电磁转矩T_e与风力转矩T_W的方向相反，偏航电机按第一偏航系统运动方程驱动机舱按给定的偏航转速进行偏航；

步骤4，如果风力转矩T_W大于两倍的机舱偏航所需驱动转矩T_N，则不启动悬浮，根据风力的大小调节所述转子的电流，使其产生的电磁吸力小于风电机组机舱的重力,然后给所述定子正向馈电，所述偏航电机按第二偏航系统运动方程驱动机舱按给定的偏航转速进行偏航。

2.根据权利要求1所述一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法，其特征在于：所述步骤1中的风力作用于风电机组机舱的风力转矩T_W为：

式中，ρ为空气密度，A为机舱迎风面积，l为机舱绕塔架轴线的转动半径，V_W为风速，θ为风向角，C_W为转矩系数。

3.根据权利要求1所述一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法，其特征在于：所述步骤2和步骤3中的第一偏航系统运动方程为：

式中，T_W为风力作用于风电机组机舱的风力转矩，T_e为偏航电机产生的电磁转矩，且满足T_e＝T_N-T_W，T_L为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。

4.根据权利要求1所述一种自动调控风电机组偏航阻尼的方法，其特征在于：所述步骤4中的第二偏航系统运动方程为：

式中，T_W为风力作用于风电机组机舱的风力转矩，T_f为摩擦阻力矩，T_e为偏航电机产生的电磁转矩，且满足T_e＝T_N-T_W+T_f，T_L为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。