CN109653949A - 偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法及系统，在偏航过程中，驱动电机和阻尼电机抱闸打开，各驱动电机在驱动变频器的控制下，驱动扭矩从零开始逐步加大；同时，各阻尼电机在阻尼变频器的控制下提供反向阻尼扭矩，反向阻尼扭矩从零开始逐步加大；实现偏航齿轮箱与偏航齿圈之间的齿隙柔性啮合；当驱动电机转速增加到设定值后，机舱匀速偏航进行对风。以偏航位置作为基本最终目标，即在实现机舱偏航对风的前提下，对整个偏航过程实行速度控制和转矩动态分配、阻尼控制，最终实现机舱平稳对风的目的。

Description

偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电偏航系统技术领域，具体涉及风力发电机组偏航方法及系统。
背景技术
近年来，随着风电建设的快速增长，陆上可发开风力资源正逐步减少，相比之下，海上风电有相对较好的风能蕴藏，不占用宝贵的土地资源，不影响人类日常生活，离沿海的电力负荷中心更近，且可开发的储量巨大，未来市场空间广阔。
偏航系统是水平轴风电机组控制系统的重要组成部分，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能，以在相同的风速状态下向电网输送更多的电能。大型海上风电机组一般采用电动的主动式偏航系统来调整机舱并使风轮对准风向。主动式偏航系统一般包括风向测量、偏航驱动装置、偏航阻尼装置、偏航位置测量等几大系统组成。当风力发电机组进行偏航时，为了使偏航过程比较平稳，需要增加一定的阻尼，阻尼扭矩的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性扭矩来确定。一直以来，偏航阻尼采用液压式刹车部分制动的方式使偏航过程保持平稳，偏航过程液压刹车的投入使刹车片磨损加快，并且产生刺耳的噪声和强烈的振动。
如图1所示为传统偏航系统的原理框图，其基本工作原理为：风向传感器获取风向电信号，并将信号传输至主控制器中，主控制器通过特定的算法判断决定目标偏航的方向和角度，主控制器通过变频器控制偏航电机驱动偏航系统动作，为了使机舱在偏航过程中保持平稳运行，避免机舱在整个偏航过程中因突然出现顺时针或逆时针方向的力而导致机舱突然加速或反向运动，因此需要为机舱施加一定的偏航阻尼，传统偏航方式采用液压刹车部分制动的方式提供阻尼，使机舱在偏航过程中无论驱动系统是否出力，偏航制动盘始终存在摩擦阻尼，最终让机舱平稳旋转达到对风目的。对风结束以后，液压刹车完全制动，偏航电机停止工作，偏航过程结束。由于偏航驱动过程中液压刹车钳和偏航制动盘之间存在较大的滑动摩擦，偏航刹车片磨损速度较快，根据风场运行经验，每3-5年就需要更换一次偏航刹车片，在风机寿命年限内需要更换4-7次偏航刹车片，设备成本较高的同时停机维护对发电量也是比较大的损失，海上风电机组维护成本会更高。同时，偏航过程的摩擦也会造成机组较大的振动及刺耳的噪音，对周边的环境有较大的不利影响。
沈阳华创风能有限公司申请的专利(CN201510065193.3)公开了一种基于变频器有效阻尼的偏航系统及偏航方法，采用变频器做阻尼，避免风力发电机组在偏航过程中产生过大振动而造成整机的共振。存在的局限性在于：一是采用四象限变流器，偏航电机处于发电状态时产生电能通过变频器可以回馈到电网，对电网形成谐波干扰，且四象限变频器成本较高；二是采用固定6电机驱动加2电机阻尼模式，可能造成偏航过程扭矩不平衡，在极端情况下不能平稳偏航；三是偏航过程中，偏航阻尼电机扭矩为零，容易造成偏航失速的风险。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法与系统，能够解决偏航过程扭矩不平衡的问题。
本发明提供的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法，包括以下步骤：
S1、偏航开始之前：机舱保持静止，松开偏航液压刹车；
S2、偏航过程中：驱动电机和阻尼电机抱闸打开，各驱动电机在驱动变频器的控制下，驱动扭矩从零开始逐步加大；同时，各阻尼电机在阻尼变频器的控制下提供反向阻尼扭矩，反向阻尼扭矩从零开始逐步加大；实现偏航齿轮箱与偏航齿圈之间的柔性啮合；当驱动电机转速增加到设定值后，机舱匀速偏航进行对风；偏航过程中采用动态扭矩分配控制方法，保证各驱动电机的驱动扭矩动态平衡，偏航阻尼电机的阻尼扭矩平衡；
S3、偏航结束：完成对风后，减小驱动电机的驱动扭矩，增大阻尼电机的阻力扭矩至恒定值，当阻尼电机提供的驱动扭矩等于驱动电机的阻尼扭矩时，机舱停止；此时，偏航液压刹车完全制动，驱动电机和偏航阻尼电机扭矩逐步减小至零，在完全静止的状态下驱动电机和阻尼电机抱闸，偏航过程结束。
进一步的，在S2偏航过程中，偏航过程中采用动态扭矩分配控制方法具体为：驱动电机的控制由速度控制环和转矩控制环组成，在满足偏航速度的前提下，通过偏航传感器检测出各驱动电机转矩出力信息，并反馈至主控制器，主控制器进行计算及动态控制，使分配至各驱动电机的扭矩相等。
进一步的，若某一个驱动电机出现故障，主控制器在剩余的驱动电机之间进行再分配，分配至剩余各驱动电机的扭矩相等。
进一步的，当预设的阻尼电机提供的阻尼不足以稳定机头位置时，驱动电机转换为阻尼电机。
进一步的，在S2偏航过程中，当液压刹车系统完全打开后，驱动电机的扭矩进一步增大，阻尼变频器控制阻尼电机额外增加阻尼，驱动电机运转时，带动阻尼电机动作，阻尼电机处于发电模式，阻尼电机发出的电能回馈至直流母排线，为驱动电机提供电能。
进一步的，当直流母排线上的电容器电压存储的电压达到预设的最高值时，偏航斩波器接通偏航制动电阻发热耗能。
偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航系统，包括依顺次相连接的风向传感器、主控制器、运动控制器、驱动变频器、驱动电机和偏航齿圈；运动控制器和偏航齿圈之间还依顺次连接有阻尼变频器和阻尼电机；运动控制器和偏航齿圈之间还连接有液压刹车；风向传感器获取风向电信号，并将风向电信号传输至主控制器，所述主控制器进行判断决定机舱偏航的方向和角度；主控制器向运动控制器发送偏航启动和偏航方向的指令；运动控制器通过控制驱动变频器控制驱动电机提供偏航过程中需要的驱动扭矩，运动控制器通过控制阻尼变频器控制阻尼电机提供偏航过程的反方向阻尼扭矩，液压刹车完全制动。
进一步的，偏航齿圈上还设置有偏航传感器，所述偏航传感器探测偏航齿圈实际偏航状态，并反馈至主控制器；驱动电机为M个，所述阻尼电机为N个，所述M和N均大于等于1，且M大于N；M个所述驱动电机给定相同的转速，在偏航过程中所述主控制器根据偏航传感器反馈的实际偏航状态对各驱动电机的转速和转矩实现动态分配。
进一步的，驱动变频器与驱动电机之间设置有转矩滞环比较器，驱动变频器进行PI调节；转矩滞环比较器为M个，M个所述转矩滞环比较器并联；转矩滞环比较器依顺次连接有矢量选择单元、PWM逆变器和转矩计算器，转矩计算器将计算的结果反馈至转矩滞环比较器进行直接动态控制，转矩滞环比较器、矢量选择单元、PWM逆变器和转矩计算器构成转矩控制环；PWM逆变器还与驱动电机连接，驱动电机将实际运行状态反馈至驱动变频器，驱动变频器、转矩滞环比较器、矢量选择单元、PWM逆变器、驱动电机构成速度控制环。
进一步的，驱动电机通过矢量选择单元进行矢量变换，将驱动电机的出力方向和运行方向解耦，从而实现驱动电机出力可以与运转方向不同。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果：
1.本发明提供一种偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法及系统，在偏航过程中，驱动电机和阻尼电机抱闸打开，各驱动电机在驱动变频器的控制下，驱动扭矩从零开始逐步加大；同时，各阻尼电机在阻尼变频器的控制下提供反向阻尼扭矩，反向阻尼扭矩从零开始逐步加大；实现偏航齿轮箱与偏航齿圈之间的齿隙柔性啮合；当驱动电机转速增加到设定值后，机舱匀速偏航进行对风。以偏航位置作为基本最终目标，即在实现机舱偏航对风的前提下，对整个偏航过程实行速度控制和转矩动态分配、阻尼控制，最终实现机舱平稳对风的目的。
2.本发明提供一种偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法及方法，当液压刹车完全松开后，驱动电机的扭矩进一步增大，阻尼变频器控制阻尼电机额外增加阻尼，驱动电机运转时，带动阻尼电机动作，阻尼电机处于发电模式，阻尼电机发出的电能回馈至直流母排线，为驱动电机提供电能，无需将发电状态阻尼电机产生的能力回馈至风电机组供电网络，避免产生的谐波对风电机组供电网络的电能质量产生不利的影响。
3.本发明提供一种偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法及方法，驱动变频器和阻尼变频器均选用二象限变频器，相对于四象限变频器能够降低成本，利于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为传统偏航系统的原理框图。
图2为偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航系统的偏航原理框图。
图3为偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航系统的控制系统框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
请参阅图1，本实施例提供的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法，包括以下步骤：
S1、偏航开始之前：机舱保持静止，松开偏航液压刹车；
S2、偏航过程中：驱动电机和阻尼电机抱闸打开，各驱动电机在驱动变频器的控制下，驱动扭矩从零开始逐步加大；同时，各阻尼电机在阻尼变频器的控制下提供反向阻尼扭矩，反向阻尼扭矩从零开始逐步加大；实现偏航齿轮箱与偏航齿圈之间的柔性啮合；当驱动电机转速增加到设定值后，机舱匀速偏航进行对风；偏航过程中采用动态扭矩分配控制方法，保证各驱动电机的驱动扭矩动态平衡，偏航阻尼电机的阻尼扭矩平衡；
偏航过程中，驱动变频器在循环时间内根据偏航传感器探测的偏航系统负载实时调整各驱动电机的扭矩，快速的响应动态负载以进行动态扭矩分配，实现整个偏航系统的负载平衡；动态扭矩分配具体为：在满足偏航速度的前提下，通过偏航传感器检测出各驱动电机转矩出力信息，并反馈至主控制器，主控制器进行计算及动态控制，使分配至各驱动电机的扭矩相等。
若某一个驱动电机出现故障，主控制器在剩余的驱动电机之间进行再分配，分配至剩余各驱动电机的扭矩相等。
在大风情况下，当预设的阻尼电机提供的阻尼不足以稳定机头位置时，驱动电机根据需求转换为阻尼电机，协助稳定机头位置。
另外，当液压刹车完全松开后，驱动电机的扭矩进一步增大，阻尼变频器控制阻尼电机额外增加阻尼，驱动电机运转时，带动阻尼电机动作，阻尼电机处于发电模式，阻尼电机发出的电能回馈至直流母排线，为驱动电机提供电能。当直流母排线上的电容器电压存储的电压达到预设的最高值时，偏航斩波器接通偏航制动电阻发热耗能。无需将发电状态阻尼电机产生的能力回馈至风电机组供电网络，避免产生的谐波对风电机组供电网络的电能质量产生不利的影响。
S3、偏航结束：完成对风后，减小驱动电机的驱动扭矩，增大阻尼电机的阻力扭矩至恒定值，当阻尼电机提供的驱动扭矩等于驱动电机的阻尼扭矩时，机舱停止；此时，偏航液压刹车完全制动，驱动电机和偏航阻尼电机扭矩逐步减小至零，在完全静止的状态下驱动电机和阻尼电机抱闸，偏航过程结束。
如图2-3所示，偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航系统，包括依顺次相连接的风向传感器、主控制器、运动控制器、驱动变频器、驱动电机和偏航齿圈；运动控制器和偏航齿圈之间还依顺次连接有阻尼变频器和阻尼电机；运动控制器和偏航齿圈之间还连接有液压刹车；
风向传感器获取风向电信号，并将风向电信号传输至主控制器，主控制器进行判断决定机舱偏航的方向和角度；主控制器向运动控制器发送偏航启动和偏航方向的指令；运动控制器通过控制驱动变频器控制驱动电机提供偏航过程中需要的驱动扭矩，运动控制器通过控制阻尼变频器控制阻尼电机提供偏航过程的反方向阻尼扭矩，液压刹车完全制动。以偏航位置作为基本最终目标，即在实现机舱偏航对风的前提下，对整个偏航过程实行速度控制和转矩动态分配、阻尼控制，最终实现机舱平稳对风的目的。
在整个偏航系统运行过程中，实行偏航转速控制、转矩动态分配、驱动电机和阻尼电机协同控制。各驱动电机具有统一的目标，给定相同的目标转速n，各驱动电机根据实际的运行状态以相同的目标转速为前提，通过PI主控制器和运动控制器实行转矩分配。阻尼电机通过矢量控制，在保证偏航系统正向运转的前提下，阻尼电机提供反向阻尼，最终使阻力、驱动力、外部在载荷力为零，达到机舱均匀偏航的目的，使机舱在整个偏航过程中平稳。
偏航齿圈上还设置有偏航传感器，偏航传感器探测偏航齿圈实际偏航状态，并反馈至主控制器；驱动电机为M个，阻尼电机为N个，M和N均大于等于1，且M大于N；M个所述驱动电机给定相同的转速，在偏航过程中所述主控制器根据偏航传感器反馈的实际偏航状态对各驱动电机的转速和转矩实现动态分配。即：在满足偏航速度的前提下，通过偏航传感器检测出各驱动电机转矩出力信息，并反馈至主控制器，主控制器进行计算及动态控制，使分配至各驱动电机的扭矩相等。若某一个驱动电机出现故障，主控制器在剩余的驱动电机之间进行再分配，分配至剩余各驱动电机的扭矩相等。
驱动变频器与驱动电机之间设置有转矩滞环比较器，驱动变频器进行PI 调节；转矩滞环比较器为M个，M个所述转矩滞环比较器并联；转矩滞环比较器依顺次连接有矢量选择单元、PWM逆变器和转矩计算器，转矩计算器将计算的结果反馈至转矩滞环比较器进行直接动态控制，转矩滞环比较器、矢量选择单元、PWM逆变器和转矩计算器构成转矩控制环；PWM逆变器还与驱动电机连接，驱动电机将实际运行状态反馈至驱动变频器，驱动变频器、转矩滞环比较器、矢量选择单元、PWM逆变器、驱动电机构成速度控制环。
转矩滞环比较器输入为转矩给定值Te1*(由速度控制环给出)和转矩计算器计算的反馈值Te1，转矩滞环比较器输出为转矩偏差信号ΔT。当转矩计算器计算出反馈值和转矩给定值存在正差时，驱动变频器增大输出；当转矩计算器计算出反馈值和转矩给定值存在负差时，驱动变频器减小输出。
在大风情况下，当预设的阻尼电机提供的阻尼不足以稳定机头位置时，驱动电机根据需求转换为阻尼电机，协助稳定机头位置。通过矢量选择单元进行矢量变换，将驱动电机的出力方向和运行方向解耦，从而实现驱动电机出力可以与运转方向不同，即驱动电机可以实现反向处理，而运转方向与阻尼电机一致。
本实施例中驱动变频器和阻尼变频器均选用二象限变频器，相对于四象限变频器能够降低成本，利于推广。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、偏航开始之前：机舱保持静止，液压刹车完全松开；
S2、偏航过程中：驱动电机和阻尼电机抱闸打开，各驱动电机在驱动变频器的控制下，驱动扭矩从零开始逐步加大；同时，各阻尼电机在阻尼变频器的控制下提供反向阻尼扭矩，反向阻尼扭矩从零开始逐步加大；实现偏航齿轮箱与偏航齿圈之间的柔性啮合；当驱动电机转速增加到设定值后，机舱匀速偏航进行对风；偏航过程中采用动态扭矩分配控制方法，保证各驱动电机的驱动扭矩动态平衡，偏航阻尼电机的阻尼扭矩平衡；
S3、偏航结束：完成对风后，减小驱动电机的驱动扭矩，增大阻尼电机的阻力扭矩至恒定值，当阻尼电机提供的驱动扭矩等于驱动电机的阻尼扭矩时，机舱停止；此时，液压刹车完全制动，驱动电机和偏航阻尼电机扭矩逐步减小至零，在完全静止的状态下驱动电机和阻尼电机抱闸，偏航过程结束。
2.根据权利要求1所述的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法，其特征在于：在S2偏航过程中，偏航过程中采用动态扭矩分配控制方法具体为：驱动电机的控制由速度控制环和转矩控制环组成，在满足偏航速度的前提下，通过偏航传感器检测出各驱动电机转矩出力信息，并反馈至主控制器，主控制器进行计算及动态控制，使分配至各驱动电机的扭矩相等。
3.根据权利要求2所述的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法，其特征在于：若某一个驱动电机出现故障，主控制器在剩余的驱动电机之间进行再分配，分配至剩余各驱动电机的扭矩相等。
4.根据权利要求2所述的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法，其特征在于：当预设的阻尼电机提供的阻尼不足以稳定机头位置时，驱动电机转换为阻尼电机。
5.根据权利要求1所述的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法，其特征在于：在S2偏航过程中，当液压刹车系统完全松开后，驱动电机的扭矩进一步增大，阻尼变频器控制阻尼电机额外增加阻尼，驱动电机运转时，带动阻尼电机动作，阻尼电机处于发电模式，阻尼电机发出的电能回馈至直流母排线，为驱动电机提供电能。
6.根据权利要求5所述的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航方法，其特征在于：当直流母排线上的电容器电压存储的电压达到预设的最高值时，偏航斩波器接通偏航制动电阻发热耗能。
7.偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航系统，其特征在于：包括依顺次相连接的风向传感器、主控制器、运动控制器、驱动变频器、驱动电机和偏航齿圈；所述运动控制器和偏航齿圈之间还依顺次连接有阻尼变频器和阻尼电机；所述运动控制器和偏航齿圈之间还连接有液压刹车；
所述风向传感器获取风向电信号，并将风向电信号传输至主控制器，所述主控制器进行判断决定机舱偏航的方向和角度；所述主控制器向运动控制器发送偏航启动和偏航方向的指令；所述运动控制器通过控制驱动变频器控制驱动电机提供偏航过程中需要的驱动扭矩，所述运动控制器通过控制阻尼变频器控制阻尼电机提供偏航过程的反方向阻尼扭矩，所述液压刹车完全制动。
8.根据权利要求7所述的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航系统，其特征在于：所述偏航齿圈上还设置有偏航传感器，所述偏航传感器探测偏航齿圈实际偏航状态，并反馈至主控制器；
所述驱动电机为M个，所述阻尼电机为N个，所述M和N均大于等于1，且M大于N；M个所述驱动电机给定相同的转速，在偏航过程中所述主控制器根据偏航传感器反馈的实际偏航状态对各驱动电机的转速和转矩实现动态分配。
9.根据权利要求8所述的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航系统，其特征在于：所述驱动变频器与驱动电机之间设置有转矩滞环比较器，所述驱动变频器进行PI调节；所述转矩滞环比较器为M个，M个所述转矩滞环比较器并联；转矩滞环比较器依顺次连接有矢量选择单元、PWM逆变器和转矩计算器，所述转矩计算器将计算的结果反馈至转矩滞环比较器进行直接动态控制，所述转矩滞环比较器、矢量选择单元、PWM逆变器和转矩计算器构成转矩控制环；所述PWM逆变器还与驱动电机连接，所述驱动电机将实际运行状态反馈至驱动变频器，驱动变频器、转矩滞环比较器、矢量选择单元、PWM逆变器、驱动电机构成速度控制环。
10.根据权利要求9所述的偏航电机提供电磁阻尼的风力发电机组偏航系统，其特征在于：所述驱动电机通过矢量选择单元进行矢量变换，将驱动电机的出力方向和运行方向解耦，从而实现驱动电机出力可以与运转方向不同。
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