CN106545467A - 一种风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法，包括以下步骤：主控发送启机指令，主控以设定速度控制桨叶从待机位置到达欲加速位置；变桨控制器计算从测试开始位置到测试结束位置期间系统开桨所需能量；变桨控制器根据计算值进行逻辑判断，判断当前后备电源能量能否满足此次顺桨。本发明在维持原有硬件系统不变的基础上，通过变桨控制器的软件来实现变桨距系统开桨过程中消耗能量的计算，并根据计算值进行逻辑判断。

Description

一种风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组变桨距系统控制方法。

背景技术

风力发电机组变桨距系统的主要功能是通过调整桨叶的桨距角，改变气流对桨叶的攻角，从而控制发电机的输出功率，使风力发电机组具有更好的启动和制动性能，保证风力发电机组可靠运行。当风力发电机组或电网发生故障时，变桨距系统可以控制桨叶顺桨，实现叶轮气动刹车；在风速高于安全运行风速时，可以使桨叶处于顺桨状态，改善风力发电机组的受力状况，避免大风对风力发电机组的损害。

随着电机控制技术的进步，电动变桨距系统受到了众多风力发电机组制造厂商的青睐，国内现有的大功率风力发电机组大多均采用电动变桨距系统。

电动变桨距系统一般由变桨控制器、伺服驱动器、变桨电机、后备电源等设备构成。变桨控制器接收风力发电机组控制系统变桨位置指令，输出转速给定信号给伺服驱动器，由伺服驱动器控制变桨电机的转速，拖动桨叶到达目标位置。每个桨叶的变桨控制柜都配备一套备用电源，风力发电机组正常运行时，系统由电网供电，变桨控制器控制充电器给备用电源充电；当电网掉电时，系统处于故障状态下，需要执行紧急顺桨动作，此时伺服驱动器备用电源供电，驱动桨叶顺到停机位置，风力发电机组安全停机。变桨距系统后备电源是在风力发电机组失去外部电源时保证机组能够安全停机的最后保障，后备电源的能量要满足电机将桨叶从工作状态顺到停机位置。

变桨系统的后备电源，主要有超级电容和蓄电池两种。然而仅仅判断后备电源的能量这种方式只能保证在常规工况下的紧急顺桨。如果在使用电网供电时，由于机械原因导致完成一次开桨所需的能量大于后备电源的能量时，此时系统未做任何预警，若电网故障时则后备电源就无法保证驱动桨叶顺到停机位置，大大降低风电了机组运行的可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法。本发明在开桨过程中，通过对一定时间内的负载转矩积分，计算开桨过程中所消耗的能量。若消耗的能量超过后备电源完成一次紧急顺桨所需能量，则触发转矩过大故障。从而可以提前预警由于开桨转矩过大造成后备电源无法将桨叶顺回安全位置的情况，提高机组运行的可靠性。

本发明风力发电机组变桨系统顺桨能量不足预警方法所应用的变桨系统由变桨控制器控制，所述的变桨控制器通过现场总线与主控系统连接。

所述的变桨系统包括变桨控制器、变桨驱动器和后备电源。变桨控制器通过变桨驱动器控制变桨电机驱动桨叶开桨，变桨控制器的核心部件是PLC。后备电源用于在系统主电源失效时给变桨驱动器供电，用于驱动变桨电机使桨叶到达安全位置。

本发明变桨距系统能量不足预警方法包括以下步骤：

1)主控系统发送启机指令，主控系统以设定速度控制风力发电机桨叶从待机桨距角到达欲加速桨距角；

2)变桨控制器计算桨叶从开始测试桨距角到达结束测试桨距角之间，变桨系统开桨所需能量；

3)变桨控制器根据步骤2)得到的开桨能量的计算值进行逻辑判断，判断当前后备电源能量能否满足此次顺桨。

进一步的，桨叶的停机桨距角为风电机组停机时桨叶所在的位置角度，接近90°，停机桨距角大于待机桨距角；待机桨距角为机组待风准备启动时桨叶所在的位置角度，待机桨距角小于停机桨距角大于开始测试桨距角；开始测试桨距角为机组开桨过程中，选定的进行开桨能量计算的起始角度，开始测试桨距角小于待机桨距角大于结束测试桨距角；结束测试桨距角为机组开桨过程中选定的进行开桨能量计算的结束角度，结束测试角度小于开始测试桨距角，大于欲加速桨距角；欲加速桨距角为机组在开桨过程中，当桨距角到达一定位置时需要等待机组叶轮达到一定转速时才能继续开桨，因此欲加速桨距角小于结束测试角度大于0°。

进一步的，预开桨标志表示风电机组的三个桨叶处于停机桨距角与待机桨距角之间时的标志位；

进一步的，主控系统发送位置指令给变桨控制器启动调桨，风电机组的三个桨叶的桨距角均小于停机桨距角，大于开始测试桨距角，则在程序中置位预开桨标志位；当三个桨叶的桨距角均小于结束测试桨距角，则将预开桨标志位清0；

进一步的，当无变桨系统故障且预开桨标志位为1，同时三个桨叶的桨距角平均值小于开始测试桨距角，且变桨系统调桨的方向为开桨方向，三个桨叶的调桨速度均为负值时，则置位开桨标志；

进一步的，开桨标志位为1时，主控系统以设定速度执行开桨，并开始计时，变桨控制器根据当前驱动器上传的电机转矩值与电机转速值，利用电机功率与电机转矩转速的关系，以及电机运行的时间，对变桨系统所需能量进行积分计算，计算方法如下：

E＝P×T_im (1)

其中，E为变桨系统开桨所需能量值，P为变桨系统开桨过程中电机输出功率，T_im为开桨过程中电机输出功率的时间，T_orq为驱动器上传瞬时电机转矩值，n为驱动器上传电机转速值，T_sample为变桨PLC采样周期，N为测试计时期间数据的采样次数。变桨控制器根据公式(3)做相关运算即可得出开桨期间所消耗的能量值。

进一步的，当风电机组的三个桨叶的桨距角均小于结束测试桨距角，则计时结束，置位测试结束标志，变桨控制器输出开桨所需能量值；

进一步的，变桨控制器根据开桨所需能量进行逻辑判断，判断当前后备电源能量能否满足此次顺桨。

本发明在维持原有硬件系统不变的基础上，通过变桨控制器来实现变桨系统开桨能量的计算，并根据计算值进行逻辑判断。本发明在不额外增加系统成本的基础上能够有效提高风电机组运行的可靠性。

附图说明

图1是采用超级电容作为后备电源的变桨系统实施例示意图；

图2是变桨系统顺桨能量不足预警方法流程图；

图3是停机桨距角、待机桨距角、开始测试桨距角、结束测试桨距角、欲加速桨距角的之间关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

应用本发明风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法的变桨系统由控制器通过现场总线进行控制。

图1所示的采用超级电容作为后备电源的变桨系统实施例中，主控制器为主控PLC，变桨控制器为变桨PLC；主控PLC通过CANopen控制连接变桨系统，变桨PLC通过CANopen控制变桨驱动器。

本发明方法包括以下步骤：

1)主控发送启机指令，主控以设定速度控制桨叶从待机桨距角到达欲加速桨距角；

2)变桨控制器计算从开始测试桨距角到结束测试桨距角期间系统开桨所需能量；

3)变桨控制器根据计算值进行逻辑判断，判断当前后备电源能量能否满足此次顺桨。

如图2所示，当机组满足启动条件时，主控PLC控制变桨系统将三个桨叶从停机桨距角启动到待机桨距角，当桨叶1、桨叶2、桨叶3的桨距角同时等于待机角度时，预开桨标志位置1，表明变桨系统准备进入启动开桨状态；当变桨系统无故障且三个桨叶的桨距角的平均值小于开始测试桨距角α₁，大于结束测试桨距角α₂，同时变桨系统调桨的方向为开桨方向，调桨的速度平均值小于零，此时置位开桨标志位。变桨控制器开始计时并开始积分计算开桨所需能量。当三个桨叶的桨距角平均值小于结束测试桨距角，则开桨标志位清零，预开桨标志位清零，同时开桨测试结束标志位置1，更新开桨所需能量值。当所计算的能量值大于仿真的完成一次紧急顺桨所需能量值，则触发驱动转矩过大故障，执行顺桨停机。

停机桨距角、待机桨距角、开始测试桨距角、结束测试桨距角和欲加速桨距角的之间关系示意图如图3所示，停机桨距角为机组停机时桨叶所在的位置角度，接近90°，停机桨距角大于待机桨距角；待机桨距角为机组待风准备启动时桨叶所在的位置角度，待机桨距角小于停机桨距角大于开始测试桨距角；开始测试桨距角为机组开桨过程中，选定的进行开桨能量计算的起始角度，开始测试桨距角小于待机桨距角大于结束测试桨距角；结束测试桨距角为机组开桨过程中选定的进行开桨能量计算的结束角度，结束测试角度小于开始测试桨距角，大于欲加速桨距角；欲加速桨距角为机组在开桨过程中，当桨距角到达一定位置时需要等待机组叶轮达到一定转速时才能继续开桨，因此欲加速桨距角小于结束测试角度大于0°。

通过上述方法计算得到的从开始测试桨距角到结束测试桨距角之间系统开桨所消耗的能量可以间接反映整个开桨过程90°～0°所消耗的能量，因此当计算值大于一次紧急顺桨所需能量的仿真值的80％，则由变桨PLC触发相应的故障，表示目前由电网供电开桨所消耗的能量已经接近或大于使用后备电源顺桨执行一次顺桨所需的能量，表明变桨电机、桨叶齿轮或变桨减速箱存在一定问题，需要检修。若计算的能量小于仿真值得80％，则标志变桨系统正常，则继续启机运行。

由于驱动器上传的实时转矩值并不能完全反应实际电机的负载转矩，具有一定的偏差，因此通过本发明方法计算出的开桨能量也具有一定的误差，但是通过本发明得出的能量值对于判断后备电源能否满足特殊情况下的顺桨仍然具备一定的参考性，能够提高机组运行的可靠性。

Claims (6)

1.一种风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法，其特征在于：所述变桨距系统顺桨能量不足预警方法包括以下步骤：

1)主控系统发送启机指令，主控系统以设定速度控制桨叶从待机桨距角到达欲加速桨距角；

2)变桨控制器计算从开始测试桨距角到结束测试桨距角期间系统开桨所需能量；

3)变桨控制器根据计算值进行逻辑判断，判断当前后备电源能量能否满足此次顺桨。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法，其特征在于：所述的待机桨距角大于开始测试桨距角，开始测试桨距角大于结束测试桨距角，结束测试桨距角大于欲加速桨距角。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法，其特征在于：主控发送位置指令给变桨控制器启动调桨，三个轴桨距角均小于停机桨距角，大于开始测试桨距角，则置位预开桨标志位；当三个桨叶的桨距角均小于结束测试桨距角，则预开桨标志位清0；当无变桨系统故障，且预开桨标志位为1，同时风机三个桨叶的桨距角平均值小于开始测试桨距角，且变桨系统调桨的方向为开桨方向，三个桨叶的调桨速度均为负值时，则置位开桨标志；主控以设定速度执行开桨，并开始计时，根据当前驱动器上传电机转矩值与电机转速值对系统所需能量进行积分计算。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法，其特征在于：当风电机组的三个桨叶的桨距角均小于结束测试桨距角，则计时结束，置位测试结束标志，变桨控制器输出开桨所需能量值。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法，其特征在于：变桨控制器根据开桨所需能量进行逻辑判断，判断当前后备电源能量能否满足此次顺桨。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨距系统顺桨能量不足预警方法，其特征在于：所述步骤2)变桨控制器计算从开始测试桨距角到结束测试桨距角期间系统开桨所需能量的方法如下；

根据当前驱动器上传的电机转矩值与电机转速值，利用电机功率与电机转矩转速的关系，以及电机运行的时间，对变桨系统所需能量进行积分计算，计算方法如下：

E＝P×T_im (1)

$P=\frac{T_{orq}\×n}{9.55}---\left(2\right)$

$E=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{T}_{orq}\×n}{9.55}=\frac{\underset{N}{\Σ}{T}_{orq}\×n\×T_{sample}}{9.55}---\left(3\right)$

其中，E为变桨系统开桨所需能量值，P为变桨系统开桨过程中电机输出功率，T_im为开桨过程中电机输出功率的时间，T_orq为驱动器上传瞬时电机转矩值，n为驱动器上传电机转速值，T_sample为变桨PLC采样周期，N为测试计时期间数据的采样次数。