CN107676224A - 用于风力发电机组的偏航系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于风力发电机组的偏航系统，所述偏航系统包括控制器、偏航齿轮和电容器，其中，在控制叶轮执行偏航对风的过程中，电容器的电容值根据偏航齿轮的旋转而改变，其中，在叶轮执行偏航对风之后，控制器根据电容器的电容值确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。采用本发明示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统，结构简单，并能够提高对风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值的测量的准确性和可靠性。

Description

用于风力发电机组的偏航系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种用于风力发电机组的偏航系统。
背景技术
偏航系统(Yaw System)，又称对风装置，是风力发电机机舱的一部分，其作用在于当风向变化时，使风力发电机能快速平稳地对准风向，以便使风轮获得最大的风能，从而保证风力发电机在发电运行时能够充分获取风能。所以，偏航系统是风力发电机组必不可缺少的组成之一，对风力发电机组充分利用风能起着非常巨大的作用。
由于风向是时刻变化的，在风力发电机长时间的运行过程后，多次的偏航对风会造成机舱通往塔底的线缆的缠绕。具体地，由于风力发电机都设有从机舱通往塔底的电缆，在偏航过程中，只有机舱进行偏航旋转，为了防止电缆扭转圈数太多，需对风力发电机进行扭缆保护。
现有的对风力发电机中电缆缠绕角度的测量不准确，且可靠性差。
发明内容
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种用于风力发电机组的偏航系统，能够准确测量风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值，以解决现有技术中对电缆缠绕角度的测量不准确且可靠性差的技术问题。
根据本发明示例性实施例的一方面，提供一种用于风力发电机组的偏航系统，所述偏航系统包括控制器、偏航齿轮和电容器，其中，在控制叶轮执行偏航对风的过程中，电容器的电容值根据偏航齿轮的旋转而改变，其中，在叶轮执行偏航对风之后，控制器根据电容器的电容值确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
可选地，控制器可根据电容器的电容值和与风机零度位置对应的电容值，确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
可选地，所述偏航系统可还包括：用于连接偏航齿轮和电容器的传动机构，其中，电容器可包括第一电容极板和第二电容极板，其中，偏航齿轮的旋转可带动传动机构通过控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化，来改变电容器的电容值。
可选地，所述传动机构可连接到第一电容极板和第二电容极板中的至少一个电容极板，偏航齿轮的旋转可带动传动机构通过控制与所述传动机构相连接的电容极板移动来控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化。
可选地，所述传动机构可包括旋转齿盘和传动齿轮组，传动齿轮组可包括动力齿轮和从动齿轮，旋转齿盘可通过传动轴连接到动力齿轮，其中，偏航齿轮的旋转可带动旋转齿盘转动，旋转齿盘可经由传动轴带动动力齿轮转动，动力齿轮可带动从动齿轮来控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化。
可选地，控制器可根据电容器的电容值、与风机零度位置对应的电容值、偏航齿轮与旋转齿盘之间的传动比、动力齿轮与从动齿轮之间的传动比确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
可选地，可利用以下公式来计算风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值，
θ＝(C0-C1)·n1·n2·360
其中，θ为风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值，C0为与风机零度位置对应的电容值，C1为电容器的电容值，n1为动力齿轮与从动齿轮之间的传动比，n2为偏航齿轮与旋转齿盘之间的传动比。
可选地，与风机零度位置对应的电容值可为电容器的总电容值的一半。
可选地，控制器可根据所述角度值与设定值的比较结果产生解缆控制指令，并根据所述解缆控制指令控制偏航齿轮向风机叶轮轴向相对于风机零度位置的相反方向旋转所述角度值。
可选地，所述偏航系统可还包括：检测装置，用于在风轮执行偏航对风之后检测电容器的电容值，其中，控制器可根据检测装置检测的电容值确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
可选地，所述偏航系统可还包括：偏航电机，根据控制器产生的控制偏航电机旋转的偏航命令产生偏航力矩，以使偏航齿轮根据偏航力矩旋转，带动叶轮执行偏航对风，减速器，设置在偏航电机的轴上，其中，偏航电机产生的偏航力矩可通过减速器作用在偏航齿轮上。
可选地，第一电容极板和第二电容极板可由金属材料制成，通过对第一电容极板和第二电容极板进行密封来形成电容器。
根据本发明示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统，结构简单，并能够提高对风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值的测量的准确性和可靠性。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的详细描述，本发明示例性实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚：
图1示出根据本发明第一示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统的结构框图；
图2示出根据本发明第二示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统的结构框图；
图3示出根据本发明示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统中各部件的连接示意图；
图4和图5分别示出根据本发明示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统中的检测装置的示例图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，一些示例性实施例在附图中示出。
图1示出根据本发明第一示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统的结构框图。
如图1所示，根据本发明第一示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统包括控制器10、偏航电机20、偏航齿轮30、风轮40和电容器50。
具体说来，控制器10用于产生控制偏航电机20旋转的偏航命令。这里，控制器10可产生用于控制偏航电机20顺时针或逆时针旋转的偏航命令。
偏航电机20根据偏航命令产生偏航力矩。
优选地，根据本发明第一示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统可还包括减速器(图中未示出)，设置在偏航电机20的轴上。这里，为减少偏航时的陀螺力矩，偏航电机20产生的偏航力矩可通过与其同轴连接的减速器作用在偏航齿轮30上。
偏航齿轮30根据偏航力矩旋转，以带动风轮40执行偏航对风。在偏航对风过程中，电容器50的电容值根据偏航齿轮30的旋转而改变。
在风轮执行偏航对风之后，偏航电机20停止工作，偏航过程结束。此时，控制器10根据电容器50的电容值确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
例如，控制器10可根据电容器50的电容值和与风机零度位置对应的电容值，确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。优选地，与风机零度位置对应的电容值可为电容器的总电容值的一半，电容器50的总电容值可以选用较大的容值，以提高测量分辨率以及范围。作为示例，风机零度位置的方向可指正北方向。
应理解，风力发电机组在运行过程中，由于风轮执行偏航对风，连续跟踪风向可能造成由机舱通往塔底的电缆缠绕。为了防止电缆缠绕造成电缆损坏甚至电缆扭断，可进行扭缆保护，例如，在确定出风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值之后，控制器10可根据确定出的角度值判断是否需要进行解缆操作。作为示例，控制器10可在执行下次偏航对风之前，根据确定出的角度值判断是否需要进行解缆操作。如需要进行解缆操作，则控制器10先控制偏航电机20执行解缆操作，解缆操作完成之后，控制器10再控制偏航电机20执行偏航对风过程。
具体说来，控制器10可根据所述角度值与设定值的比较结果产生解缆控制指令，偏航电机20根据所述解缆控制指令带动偏航齿轮30向风机叶轮轴向相对于风机零度位置的相反方向旋转所述角度值。
图2示出根据本发明第二示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统的结构框图。
如图2所示，根据本发明第二示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统包括控制器100、偏航电机200、偏航齿轮300、风轮400、传动机构500、电容器600和检测装置700。
这里，图2中的控制器100、偏航电机200、偏航齿轮300和风轮400与图1中的控制器10、偏航电机20、偏航齿轮30和风轮40相同，本发明对此部分内容不再赘述。
传动机构500用于连接偏航齿轮300和电容器500，偏航齿轮300的旋转带动传动机构500动作，使得与传动机构500相连的电容器600的容值发生变化。这里，利用电容器600的可调节性，来实现对风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值的测量。
优选地，电容器600可包括第一电容极板和第二电容极板，在第一电容极板和第二电容极板之间的全部空间或部分空间填充介质。作为示例，第一电容极板和第二电容极板可由金属材料制成，通过对第一电容极板和第二电容极板进行密封来形成电容器600。这里，由于电容器600的极板采用封闭结构，所以其金属部分不容易老化，并且电容器600没有弹片，不会因为弹片弹力失效而导致发生异常。
具体说来，偏航齿轮300的旋转带动传动机构500通过控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化，来改变电容器600的电容值。
传动机构500可连接到第一电容极板和第二电容极板中的至少一个电容极板，偏航齿轮300的旋转带动传动机构500通过控制与传动机构500相连接的电容极板移动来控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化。
这里，由于对电容器600的调节是通过改变第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离来实现的，属于无接触调整，其器件磨损小，失效率低，可以有效保证角度测量的准确性，从而降低风力发电机组的故障率，降低发电量损失。
优选地，传动机构500可包括旋转齿盘和传动齿轮组，电容器600可由偏航凸轮的旋转转盘和传动齿轮组来驱动。例如，传动齿轮组可包括动力齿轮和从动齿轮，旋转齿盘可通过传动轴连接到动力齿轮。具体地，偏航齿轮300的旋转带动旋转齿盘转动，旋转齿盘经由传动轴带动动力齿轮转动，动力齿轮带动从动齿轮来控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化。
检测装置700可用于在风轮400执行偏航对风之后检测电容器600的电容值。控制器100根据检测装置700检测的电容值确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
这里，检测装置700可为能够检测电容器600的电容值的装置。作为示例，检测装置700可为CAV424元件或555定时器。然而本发明不限于此，还可通过其他器件来检测电容器600的电容值。
优选地，针对偏航系统的传动机构500包括旋转齿盘和传动齿轮组的情况，控制器100可根据电容器600的电容值、与风机零度位置对应的电容值、偏航齿轮300与旋转齿盘之间的传动比、动力齿轮与从动齿轮之间的传动比确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
例如，可利用以下公式来计算风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值，
θ＝(C0-C1)·n1·n2·360 (1)
公式(1)中，θ为风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值，C0为与风机零度位置对应的电容值，C1为电容器的电容值，n1为动力齿轮与从动齿轮之间的传动比，n2为偏航齿轮与旋转齿盘之间的传动比。
应理解，上述电容器600由旋转转盘和传动齿轮组来驱动仅为示例，本领域技术人员来可采用其他方式来使电容器600的电容值根据偏航齿轮300的旋转而改变。
下面参照图3来介绍图2所示的偏航系统的各部件的实际连接示意图。
图3示出根据本发明示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统中各部件的连接示意图。
如图3所示，当执行偏航对风过程时，偏航齿轮300带动旋转齿盘501转动，旋转齿盘501带动传动轴11转动，传动轴11带动传动齿轮组502中的动力齿轮1转动，动力齿轮1与从动齿轮2啮合并组成传动齿轮组502(即，图中所示齿轮盒502)，以驱动电容器600的第一电容极板和第二电容极板中的至少一个电容极板移动，从而改变电容器600的电容值。
图4示出检测装置为CAV424模块的示例图，这里，以检测装置700为CAV424模块为例介绍对电容器600的电容值的测量过程。电容器600的两个极板接入到CAV424模块中，检测通道13的输入端与CAV424模块的输出端连接，检测通道13的输出端接入到控制器100的模拟量采集模块14的检测通道上。控制器100采集检测通道13的电压值，将电压值转换为电容值，并通过与电容器600的总电容值对比，即可得出电容器600的电容极板移动的角度或位置，再根据风力发电机组的齿轮传动比和风机零度位置对应的电容值，计算得出风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
作为示例，参照图4，CAV424是一个集成的C/V转换器，并包含完整的片上电容信号处理单元。该CAV424检测到待测电容与一个固定参考电容的电容相对变化量。对于参考电容可能的5％到100％的电容变化。
CAV424的测量原理是通过一个外接电容Cosc与内部构成一个频率可调的参考振荡器驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。如图4所示，二个被控制的积分器的振幅是由电容CX1和CX2来决定，CX1作参考电容而CX2作为被测电容。CX1和CX2包含了输入端与地端的所有电容，并在特性上一致，这样环境变化时芯片的两个输入端同时变化，其差值基本保持不变。当被测电容器的电容变化时，由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较二个振幅的差值得到的信号反映出CX1和CX2的相对变化量，该差值信号通过后级的低通滤波器整流滤波到达可调增益的差分输出级。这里，通过CAV424测得的电容值即为公式(1)中C1的电容值。
除图4所示的CAV424之外，还可使用常用的频率生成电路来检测电容器600的电容值，图5示出检测装置为NE555定时器的示例图。
例如，NE555定时器生成脉冲电压，通过调整电阻R1、R2的阻值及电容C1的容值，可以改变生成的斜波信号的频率。这里，电阻R1、R2可设置为固定值，C1是电容器600，产生的频率信号输入频率电压转换芯片(例如LM2907)，将频率值转换为电压值，控制器100采集所述电压值，并进行公式换算，即可获得电容器600的电容值，并通过与电容器600的总电容值对比，即可得出电容器600的电容极板移动的角度或位置，再根据风力发电机组的齿轮传动比和风机零度位置对应的电容值，计算得出风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
采用本发明示例性实施例的用于风力发电机组的偏航系统，结构简单，并能够提高对风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值的测量的准确性和可靠性。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (12)

1.一种用于风力发电机组的偏航系统，其特征在于，所述偏航系统包括控制器、偏航齿轮和电容器，
其中，在控制叶轮执行偏航对风的过程中，电容器的电容值根据偏航齿轮的旋转而改变，
其中，在叶轮执行偏航对风之后，控制器根据电容器的电容值确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
2.如权利要求1所述的偏航系统，其特征在于，控制器根据电容器的电容值和与风机零度位置对应的电容值，确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
3.如权利要求1或2所述的偏航系统，其特征在于，所述偏航系统还包括：用于连接偏航齿轮和电容器的传动机构，
其中，电容器包括第一电容极板和第二电容极板，
其中，偏航齿轮的旋转带动传动机构通过控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化，来改变电容器的电容值。
4.如权利要求3所述的偏航系统，其特征在于，所述传动机构连接到第一电容极板和第二电容极板中的至少一个电容极板，偏航齿轮的旋转带动传动机构通过控制与所述传动机构相连接的电容极板移动来控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化。
5.如权利要求3所述的偏航系统，其特征在于，所述传动机构包括旋转齿盘和传动齿轮组，传动齿轮组包括动力齿轮和从动齿轮，旋转齿盘通过传动轴连接到动力齿轮，
其中，偏航齿轮的旋转带动旋转齿盘转动，旋转齿盘经由传动轴带动动力齿轮转动，动力齿轮带动从动齿轮来控制第一电容极板和第二电容极板之间的相对面积和/或相对距离发生变化。
6.如权利要求5所述的偏航系统，其特征在于，控制器根据电容器的电容值、与风机零度位置对应的电容值、偏航齿轮与旋转齿盘之间的传动比、动力齿轮与从动齿轮之间的传动比确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
7.如权利要求6所述的偏航系统，其特征在于，利用以下公式来计算风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值，
θ＝(C0-C1)·n1·n2·360
其中，θ为风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值，C0为与风机零度位置对应的电容值，C1为电容器的电容值，n1为动力齿轮与从动齿轮之间的传动比，n2为偏航齿轮与旋转齿盘之间的传动比。
8.如权利要求2-7中任一项所述的偏航系统，其特征在于，与风机零度位置对应的电容值为电容器的总电容值的一半。
9.如权利要求1所述的偏航系统，其特征在于，控制器根据所述角度值与设定值的比较结果产生解缆控制指令，并根据所述解缆控制指令控制偏航齿轮向风机叶轮轴向相对于风机零度位置的相反方向旋转所述角度值。
10.如权利要求1所述的偏航系统，其特征在于，所述偏航系统还包括：检测装置，用于在风轮执行偏航对风之后检测电容器的电容值，
其中，控制器根据检测装置检测的电容值确定风机叶轮轴向相对于风机零度位置的角度值。
11.如权利要求1所述的偏航系统，其特征在于，所述偏航系统还包括：
偏航电机，根据控制器产生的控制偏航电机旋转的偏航命令产生偏航力矩，以使偏航齿轮根据偏航力矩旋转，带动叶轮执行偏航对风，
减速器，设置在偏航电机的轴上，
其中，偏航电机产生的偏航力矩通过减速器作用在偏航齿轮上。
12.如权利要求3所述的偏航系统，其特征在于，第一电容极板和第二电容极板由金属材料制成，电容器是通过将第一电容极板和第二电容极板密封而形成的。
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