CN110513247A - 用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种能对桨叶角度进行自主闭环控制的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，其具备独特的变桨控制系统通信拓扑架构，将变桨控制系统内部一个变桨控制器作为现场总线的主站，且将其它的变桨控制器作为从站。本申请还提供一种用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法。本申请的有益效果在于闭环实现桨叶角度的自主控制，有效提高风力发电机组的安全，可利用率，且提供柔和的载荷。
Description
技术领域
本申请属于风力发电机组变桨控制系统控制领域，具体来说，涉及用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统及方法。
背景技术
传统的风力发电机组变桨控制系统是纯粹的执行器件。风力发电机主控制器设置在风力发电机组的塔底或者机舱，采集安装于机舱不同位置的各种传感器如转速传感器，振动传感器，风速风向传感器的信号，然后经过控制器的处理给出对应的桨叶角度的指令，然后采用现场总线方式经由滑环硬件传送给安装于风力发电机组轮毂内部的变桨控制系统，变桨控制系统依据该桨叶角度指令驱动变桨传动系统执行该桨角指令。
这种变桨控制系统的弊端在于滑环硬件作为现场通信总线信号传递介质，可靠性不是最优，因此有时会出现通信中断的情况。一旦出现通信中断，由于位于轮毂内部的变桨控制系统不能监测风力发电机系统的任何转速，风况，振动情况，为快速使风机处于安全状态，只能以一个约定好的回桨速率将桨叶回到顺桨位置。而该回桨过程中同样由于整个变桨控制系统只能以提前定义好的速率进行回桨控制，并不能通过对风机转速，风况，振动信号的实时判断来实现柔性的回桨，也不能使风机处于在脱离风机主控制器的情况下由变桨控制系统自主进行桨叶角度的闭环控制。
为此，本领域迫切需要开发一种能对桨叶角度进行自主闭环控制的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统及方法。
发明内容
本申请之目的在于提供一种能对桨叶角度进行自主闭环控制的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，从而解决上述现有技术中的问题。本文所述的自主控制系统的特点在于具备独特的变桨控制系统通信拓扑架构，将变桨控制系统内部一个变桨控制器作为现场总线的主站，且将其它的变桨控制器作为从站，从而确保在与主控制器失去通信的情况下，仍能保障各变桨控制器之间的通信。
本申请之目的还在于提供一种能对桨叶角度进行自主闭环控制的风力发电机组变桨控制系统自主控制方法。所述方法包括通过变桨控制系统自主采集风轮转速信号、风轮加速度信号或风况信号；然后基于如上所述的自主控制系统利用作为主站的变桨控制器来处理这些信号，进行运算，得到目标桨叶角度指令；然后通过任意变桨控制器指令变桨执行机构驱动叶片，达到目标桨叶角度。
为了解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，包括变桨控制系统，所述变桨控制系统包括至少第一变桨控制器和第二变桨控制器，其特征在于，所述第一变桨控制器和第二变桨控制器中的至少一个被设置成现场总线通信主站。
在第一方面的一种实施方式中，还包括主控制器，所述主控制器被设置成现场总线通信从站。
在第一方面的另一种实施方式中，所述变桨控制系统还包括第三变桨控制器，所述第三变桨控制器被设置成现场总线通信从站。
在第一方面的另一种实施方式中，所述现场总线为Profibus总线和/或 CANbus总线。
在第二方面中，本申请提供一种用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，所述自主控制方法利用如第一方面所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，所述方法包括下述步骤：
S1：通过变桨控制系统自主采集风轮转速信号、风轮加速度信号和/或风况信号；
S2：在不依赖主控制器的情况下，所述现场总线通信主站对采集到的信号进行运算处理，给出目标桨叶角度指令，并将目标桨叶角度指令传送到相应的变桨控制器；
S3：收到目标桨叶角度指令的变桨控制器向变桨执行机构发出驱动指令，驱动叶片达到目标桨叶角度。
在第二方面的一种实施方式中，在步骤S1中，通过设置在风力发电机组轮毂内部的任意变桨控制器来采集风轮转速信号、风轮加速度信号或风况信号。
在第二方面的另一种实施方式中，在步骤S1中，通过设置在桨叶上的加速度传感器来提供风轮加速度信号。
在第二方面的另一种实施方式中，所述加速度传感器为MPU9250传感器。
在第二方面的另一种实施方式中，所述风轮转速通过风轮加速度信号解算得到，具体解算过程如下：
由于X,Y和Z轴三个方向的加速度矢量和恒等于重力加速度，则得到下述式 (1)：
因为az＝0，得到下述式(2)：
利用三角函数关系，分别得到下述式(3)-(6)：
对风轮所在位置取实时微分得出角速度，得到下述式(7)：
把式(6)代入式(7)，得到下述式(8)：
其中ω表示风轮转速，ax，ay和az分别表示风轮在X,Y和Z轴方向上的加速度分量，且Z轴垂直于风轮旋转平面；g表示重力加速度；θ表示风轮加速度与永远垂直向下的重力加速度g之间的夹角。
在第二方面的另一种实施方式中，通过设置在风力发电机组轮毂内部的风速风向传感器来提供风况信号。
在第二方面的另一种实施方式中，收到目标桨叶角度指令的变桨控制器向变桨执行机构发出驱动指令，驱动叶片达到目标桨叶角度包括：
(1)变桨控制器检测到风轮实际转速之后，与目标风轮转速相比较，得出转速差异；
(2)通过风机气动模型的换算得出风机叶片桨叶角度需要调整的值，从而驱动变桨执行机构将桨叶调整到目标角度。
在第二方面的另一种实施方式中，在步骤S3中，所述收到目标桨叶角度指令的变桨控制器为被设置成通信主站的变桨控制器。
在第二方面的另一种实施方式中，在步骤S3中，所述收到目标桨叶角度指令的变桨控制器为被设置成通信从站的变桨控制器。
在第三方面中，本申请提供一种用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，所述方法包括(1)通过变桨控制系统自主采集风轮和风况信号；(2)通过作为通信主站的变桨控制器处理信号，得到目标桨叶角度指令，并传送给相应变桨控制器； (3)收到指令的变桨控制器指令变桨执行机构驱动叶片达到目标桨叶角度。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于通过采用独特的变桨控制系统通信拓扑架构，将变桨控制系统内部一个变桨控制器作为现场总线的主站，且将其它的变桨控制器作为从站，闭环实现桨叶角度的自主控制，有效提高风力发电机组的安全，可利用率，且提供柔和的载荷。
附图说明
图1显示根据本申请的变桨控制系统通信拓扑架构示意图。
图2显示根据本申请的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法。
具体实施方式
下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。
传统的风力发电机组变桨控制系统是纯粹的执行器件，在与风力发电机主控制器失去通信的情况下，不能实现桨叶角度的自主闭环控制。为了克服上述弊端，本申请提供一种能对桨叶角度进行自主闭环控制的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统及方法。
用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统
在一种实施方式中，为了确保在与风机主控制器通信丢失情况下变桨控制系统内部各个变桨控制器之间仍然能实现通信，将变桨控制系统内部一个变桨控制器设置作为现场总线的主站，且将其它变桨控制器作为从站。
参考图1，图1显示根据本申请的变桨控制系统通信拓扑架构示意图。
在图1所示的实施方式中，用于风机总控制系统包括主控制器，滑环和变桨控制系统，其中变桨控制系统包括变桨控制器A，变桨控制器B和变桨控制器C。滑环可作为主控制器和变桨控制系统之间现场总线通信的信号传递介质。
与现有技术的风机总控制系统相比，图1所示的特点在于将变桨控制器A设置成现场总线主站，将其余变桨控制器B和变桨控制C设置成现场总线通信从站。从而即使在与主控制器失去通信的情况下，变桨控制器A、变桨控制器B和变桨控制器C之间仍然能保持通信。
在一种具体实施方式中，变桨控制器A，变桨控制器B和变桨控制器C设置在同一变桨柜之中。在另一种具体实施方式中，变桨控制器A，变桨控制器B和变桨控制器C设置在不同变桨柜之中。
在图1所所示的实施方式中，主控制器被设置成变桨控制器A的现场总线从站。但在另一种实施方式中，主控制器可被设置成现场总线通信主站，将变桨控制器A的同时设置成主控制器的现场总线从站以及其余变桨控制器的现场总线通信主站。在这种情况下，常规情况下，变桨控制系统仍然作为纯执行器工作。
本文没有特别限定所用的现场总线。在一种具体实施方式中，所述现场总线可为Profibus总线。在另一种具体实施方式中，现场总线可为CANbus总线。在另一种具体实施方式中，主控制器和变桨控制器之间的现场总线为Profibus总线。在另一种具体实施方式中，各变桨控制器之间的现场总线可为CANbus总线。
应指出，虽然图1中显示变桨控制系统包括3个变桨控制器，但并不限于此。在一种具体实施方式中，变桨控制系统可根据需要包括4个、5个、6个、或10 个变桨控制器。
风力发电机组变桨控制系统自主控制方法
在另一种实施方式中，本申请提出一种风力发电机组变桨控制系统自主控制方法，所述方法包括在风力发电机组轮毂内部分别安装风轮转速测量传感器，振动加速度传感器，激光风速风向测量传感器，上述传感器采集的信号均送入变桨控制系统，在常规情况下变桨控制系统仍然工作于纯执行器状态。当变桨控制系统与风机主控制器之间通信丢失时，变桨控制系统切换到自主控制状态，通过对采集到的风轮转速信号，加速度信号，风况信号进行处理，闭环实现桨叶角度的自主控制，以提高风力发电机组的安全，可利用率，提供柔和的载荷。
参考图2，图2显示根据本申请的一个实施例的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法。所述方法可包括(1)通过变桨控制系统自主采集风轮和风况信号； (2)通过作为通信主站的变桨控制器处理信号，得到目标桨叶角度指令，并传送给相应变桨控制器；(3)收到指令的变桨控制器指令变桨执行机构驱动叶片达到目标桨叶角度。
在一种具体实施方式中，本申请提供一种用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，所述自主控制方法利用如上文所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，所述方法包括下述步骤：S1：通过变桨控制系统自主采集风轮转速信号、风轮加速度信号和/或风况信号；
S2：在不依赖主控制器的情况下，所述现场总线通信主站对采集到的信号进行运算处理，给出目标桨叶角度指令，并将目标桨叶角度指令传送到相应的变桨控制器；
S3：收到目标桨叶角度指令的变桨控制器向变桨执行机构发出驱动指令，驱动叶片达到目标桨叶角度。
在一种具体实施方式中，在步骤S1中，通过设置在风力发电机组轮毂内部的变桨控制器来采集风轮转速信号、风轮加速度信号和/或风况信号。在另一种具体实施方式中，在步骤S1中，通过设置在桨叶上的加速度传感器来提供风轮加速度信号，所述加速度传感器可为MPU9250传感器。
在一种具体实施方式中，所述风轮转速通过风轮加速度信号解算得到。在一种具体实施方式中，加速度传感器可以采集X,Y,Z三个方向的加速度，安装于风机轮毂内，三个方向的加速度矢量和恒等于重力加速度，于是随着叶轮在0到360 度的角度范围内旋转，X，Y，Z三个方向的加速度值随着0到360度的不同位置会呈现不同的加速度值，但矢量和恒等于重力加速度，于是每个时刻通过采集到不同的X，Y，Z三个方向的加速度值在坐标系中与永远垂直向下的重力加速度比较即可知道X，Y，Z三个方向与重力加速度垂直方向的夹角，从而可以知道当前叶轮处于 0到360度的角度位置，再对该位置取实时微分得出角速度，该角速度即为风轮转速。
接下来将详细描述风轮转速ω的推导过程，其中ax，ay和az分别表示风轮在 X,Y和Z轴方向上的加速度分量，且Z轴垂直于风轮旋转平面；g表示重力加速度；θ表示风轮加速度与永远垂直向下的重力加速度g之间的夹角。
首先，X,Y和Z轴三个方向的加速度矢量和恒等于重力加速度，则得到下述式 (1)：
因为az＝0，得到下述式(2)：
利用三角函数关系，分别得到下述式(3)-(6)：
对风轮所在位置取实时微分得出角速度，得到下述式(7)：
把式(6)代入式(7)，得到下述式(8)：
在另一种具体实施方式中，在步骤S1中，通过设置在风力发电机组轮毂内部的风速风向传感器来提供风况信号。该风速风向传感器可随轮毂转动，也可不随轮毂转动。在一种具体实施方式中，通过安装在轮毂内部的激光测风设备测到的风轮前方的极限风况、风剪切直接在轮毂内部传递给变桨控制器，从而保证在轮毂与机舱通讯丢失的情况下不需依赖机舱后部的风速传感器来判断风况条件，从根本上保证风机的安全。
在另一种具体实施方式中，收到目标桨叶角度指令的变桨控制器向变桨执行机构发出驱动指令，驱动叶片达到目标桨叶角度包括：
(1)变桨控制器检测到风轮实际转速之后，与目标风轮转速相比较，得出转速差异；
(2)通过风机气动模型的换算得出风机叶片桨叶角度需要调整的值，从而驱动变桨执行机构将桨叶调整到目标角度。
在另一种具体实施方式中，在步骤S3中，所述收到目标桨叶角度指令的变桨控制器为被设置成通信主站的变桨控制器。
在另一种具体实施方式中，在步骤S3中，所述收到目标桨叶角度指令的变桨控制器为被设置成通信从站的变桨控制器。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。
Claims (14)
1.一种用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，包括变桨控制系统，所述变桨控制系统包括至少第一变桨控制器和第二变桨控制器，其特征在于，所述第一变桨控制器和第二变桨控制器中的至少一个被设置成现场总线通信主站。
2.如权利要求1所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，其特征在于，还包括主控制器，所述主控制器被设置成现场总线通信从站。
3.如权利要求1所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，其特征在于，所述变桨控制系统还包括第三变桨控制器，所述第三变桨控制器被设置成现场总线通信从站。
4.如权利要求1或2所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，其特征在于，所述现场总线为Profibus总线和/或CANbus总线。
5.一种用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，所述自主控制方法利用如权利要求1-4中任一项所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制系统，所述方法包括下述步骤：
S1：通过变桨控制系统自主采集风轮转速信号、风轮加速度信号和/或风况信号；
S2：在不依赖主控制器的情况下，所述现场总线通信主站对采集到的信号进行运算处理，给出目标桨叶角度指令，并将目标桨叶角度指令传送到相应的变桨控制器；
S3：收到目标桨叶角度指令的变桨控制器向变桨执行机构发出驱动指令，驱动叶片达到目标桨叶角度。
6.如权利要求5所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，其特征在于，在步骤S1中，通过设置在风力发电机组轮毂内部的任意变桨控制器来采集风轮转速信号、风轮加速度信号或风况信号。
7.如权利要求5所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，其特征在于，在步骤S1中，通过设置在桨叶上的加速度传感器来提供风轮加速度信号。
8.如权利要求7所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，其特征在于，所述加速度传感器为MPU9250传感器。
9.如权利要求7所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，其特征在于，所述风轮转速通过风轮加速度信号解算得到，具体解算过程如下：
由于X,Y和Z轴三个方向的加速度矢量和恒等于重力加速度，则得到下述式(1)：
因为az＝0，得到下述式(2)：
利用三角函数关系，分别得到下述式(3)-(6)：
对风轮所在位置取实时微分得出角速度，得到下述式(7)：
把式(6)代入式(7)，得到下述式(8)：
其中ω表示风轮转速，ax，ay和az分别表示风轮在X,Y和Z轴方向上的加速度分量，且Z轴垂直于风轮旋转平面；g表示重力加速度；θ表示风轮加速度与永远垂直向下的重力加速度g之间的夹角。
10.如权利要求5所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，其特征在于，在步骤S1中，通过设置在风力发电机组轮毂内部的风速风向传感器来提供风况信号。
11.如权利要求5所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，其特征在于，在步骤S3中，收到目标桨叶角度指令的变桨控制器向变桨执行机构发出驱动指令，驱动叶片达到目标桨叶角度包括：
(1)变桨控制器检测到风轮实际转速之后，与目标风轮转速相比较，得出转速差异；
(2)通过风机气动模型的换算得出风机叶片桨叶角度需要调整的值，从而驱动变桨执行机构将桨叶调整到目标角度。
12.如权利要求5所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，其特征在于，在步骤S3中，所述收到目标桨叶角度指令的变桨控制器为被设置成通信主站的变桨控制器。
13.如权利要求5所述的用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，其特征在于，在步骤S3中，所述收到目标桨叶角度指令的变桨控制器为被设置成通信从站的变桨控制器。
14.一种用于风力发电机组变桨系统的自主控制方法，所述方法包括(1)通过变桨控制系统自主采集风轮和风况信号；(2)通过作为通信主站的变桨控制器处理信号，得到目标桨叶角度指令，并传送给相应变桨控制器；(3)收到指令的变桨控制器指令变桨执行机构驱动叶片达到目标桨叶角度。
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