CN111706465A - 一种风力发电机电能储备及停机颤振防护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机电能储备及停机颤振防护系统，由锂电池、线缆、整流器和变频器组成。风力发电机电能储备及停机颤振防护系统对于提高机组寿命，监测机组安全性都具有重要意义。现有的风力发电机停机颤振防护装置多采用柴油机为主控系统供电，使得偏航系统持续对风。但柴油机造价昂贵，且易漏油，主控系统的控制变量多为偏航对风角度，桨距角不作为参与控制的变量。本设计避免了柴油机制造和维护成本高昂的问题，采用锂电池回收叶轮自由转动产生的动能，且添加变桨角度作为控制系统的控制变量，使得风力发电机更加智能有效的对有害振动做出迅速调整和响应。

Description

一种风力发电机电能储备及停机颤振防护系统
技术领域
本发明公开了一种用于风力发电机在停机掉电工况下，预防叶片发生失速颤振的控制系统，属于风力发电机智能控制技术领域，尤其涉及一种能够对低速旋转叶轮的储能装置，以及对叶轮方位角的监测及控制系统。
背景技术
随着可再生能源利用技术在世界范围内的发展，水平轴式风力机得到了广泛的应用，由于电网的不确定性，风力机在特殊情况下将面临电网掉电的状态，在该运行状态下，风力机的控制系统由于没有电力供应，不能对机组提供偏航和变桨的控制，这将导致风力机叶片或塔架在特定风况下，产生失速颤振现象，进而影响机组部件的寿命，或导致局部破坏。因此，一定的电能储备装置及控制系统对于避免机组发生失速颤振具有重要意义。
风力发电机电能储备及停机颤振防护系统包含两部分：第一，风力发电机电能储备装置，第二，停机颤振防护系统。对于风力发电机电能储备装置，由于风力机在停机状态下，叶轮因其自由旋转而产生的动能没有被收集，故采用锂电池收集叶轮系统旋转产生的动能，并以电能的方式加以储存。然后，当风力机经历电网掉电时，其电能储备装置给主控系统供电，以满足偏航、变桨系统对风力机的控制。当机组在特定风况下，发生异常振动时，机组可以通过偏航对风和变桨改变叶轮方位角的方式，避免剧烈振动的持续发生，从而保证机组安全。风力发电机电能储备及停机颤振防护系统对于提高机组寿命，监测机组安全性都具有重要意义。
现有的风力发电机停机颤振防护装置多采用柴油机为主控系统供电，使得偏航系统持续对风。但柴油机造价昂贵，且易漏油，主控系统的控制变量多为偏航对风角度，桨距角不作为参与控制的变量。本设计避免了柴油机制造和维护成本高昂的问题，采用锂电池回收叶轮自由转动产生的动能，且添加变桨角度作为控制系统的控制变量，使得风力发电机更加智能有效的对有害振动做出迅速调整和响应。
发明内容
为了解决风力机在停机掉电情况下，机组发生的失速颤振问题，本发明提供了一种用于风力发电机储能装置以及停机颤振防护系统。其中，发电机储能装置可以在风力机叶轮空转的情况下，收集动能，并为主控系统供电；停机颤振防护系统可以在发生停机颤振时，对风力机施加以偏航和变桨控制来消除有害振动。
为实现上述目的，首先阐述风力发电机的储能装置：该装置由锂电池、线缆、整流器和变频器组成。如图1，当叶轮在停机状态发生低转速转动时，由于转子切割磁感线，在定子绕组中产生交变电压，从而产生电流，整流器的一端叶轮电机定子绕组相连，收集叶轮旋转产生的交流电并将其转化为直流电，另一端与锂电池相连，锂电池在充电后通过线缆将直流电输送至变频器，变频器将直流电转化为50Hz的交流电为主控系统供电，至此完成了叶轮系统储能和电能转化的过程。
停机颤振防护系统的主要功能为监测风力机在电网掉电情况下，叶片的振动情况，当监测到叶片在特定频段发生大幅度振动时，停机颤振系统将开启变桨保护。具体地，当风速高于15米/秒时，且湍流度高于10％时，通过监测风力机中机舱加速度的大小，作为是否开启变桨控制的依据，当轴向机舱加速度大于一定阈值时，将90°附近的停机角度，快速开桨到75°，然后再缓慢收回至90度的停机角度。通过这一系列的变桨动作，叶轮获得了较小的转速，且较小的开桨角度不至于使得叶轮旋转过快，与此同时，叶轮的方位角也发生了改变，并偏离了失速颤振易发的叶轮方位角状态，从而避免了失速颤振的发生。
风力发电机的储能装置和停机颤振防护系统通过控制柜及线缆相连，其具体连接方式和工作顺序为：风力发电机的主控系统位于控制柜中，主控系统工作时，需要从风力发电机中馈电，当电网掉电时，储能装置启动，并为主控系统、偏航电机、变桨电机供电，使得风力发电机的机头在风向改变时，依然保持一定的对风角度。机组在停机状态下的控制变量分别为偏航电机和变桨电机的位置角度，控制柜中的主控系统为偏航电机和变桨电机发送指令，在满足控制判据的条件下，机组进行偏航动作来控制机头的朝向，使偏航对风角度在设置范围内，通过控制最小停机角度，来改变叶轮的方位角。
针对图2中的第一个环节：电能储备装置，其运行步骤为：
步骤一：当机组停机掉电后，叶片的桨距角设定为固定的87°。
步骤二：在步骤一的基础上，叶轮在风的作用下发生低转速的自由转动，该转动切割电机定转子之间的磁感线，从而产生电动势和电流，交变的电流经过整流器成为直流电，并储存在电池中。
步骤三：电池通过逆变器转化为主控系统可用频率的交流电。
步骤四：主控系统在供电后为停机颤振系统提供监测和发送指令的功能。
针对图2中的第二个环节:停机颤振防护系统，其运行步骤为：
步骤一：偏航对风角度通过传感器反馈到主控系统中，主控系统判断当偏航对风角度在±15°范围外时，则启动偏航系统，将偏航对风角度控制在±15°范围以内。
步骤二：在偏航对风角度调节完毕后，通过机舱加速度x方向的传感器(x方向为机舱指向机头的方向)，监测机组的加速度信号，并将获得的信号在叶片一阶摆振频率±20％范围内进行带同滤波。
步骤三：将滤波后的信号的有效值与设定加速度阈值进行比较，若该有效值大于阈值，则表明叶片发生失速颤振。
步骤四：当叶片发生失速颤振时，主控系统向变桨系统发送指令，以最大开桨速度(例如-7°/秒)进行变桨，开桨到设置桨距角(如75°)时，变桨停止，在次过程中，监测机舱加速度，若低于阈值，则叶片的失速颤振得到控制，未发生持续时间的破坏性振动。
步骤五：当叶片的颤振得到控制时，此时以一定的便将速度(如5°/秒)进行顺桨，直到初始的顺桨角度(如87°)，此时的叶轮方位角得到改变，不易发生失速颤振。
本发明的技术优势是：风力发电机电能储备及停机颤振防护系统对于提高机组寿命，监测机组安全性都具有重要意义。现有的风力发电机停机颤振防护装置多采用柴油机为主控系统供电，使得偏航系统持续对风。但柴油机造价昂贵，且易漏油，主控系统的控制变量多为偏航对风角度，桨距角不作为参与控制的变量。本设计避免了柴油机制造和维护成本高昂的问题，采用锂电池回收叶轮自由转动产生的动能，且添加变桨角度作为控制系统的控制变量，使得风力发电机更加智能有效的对有害振动做出迅速调整和响应。
附图说明
图1储能装置连接示意图。
图2风力发电机停机颤振防护装置运行流程图。
图3停机偏航角度稳定性区间。
图4易发生失速颤振的叶轮方位角。
图5不易发生失速颤振的叶轮方位角。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
风力发电机电能储备及停机颤振防护系统包含两部分：第一，风力发电机电能储备装置，第二，停机颤振防护系统。对于风力发电机电能储备装置，由于风力机在停机状态下，叶轮因其自由旋转而产生的动能没有被收集，故采用锂电池收集叶轮系统旋转产生的动能，并以电能的方式加以储存。然后，当风力机经历电网掉电时，其电能储备装置给主控系统供电，以满足偏航、变桨系统对风力机的控制。当机组在特定风况下，发生异常振动时，机组可以通过偏航对风和变桨改变叶轮方位角的方式，避免剧烈振动的持续发生，从而保证机组安全。
当机组停机掉电时，设定停机桨距角为87°，此时，叶轮在风载的作用下发生自由转动，叶轮带动电机转子切割磁感线产生交流电，电流经过整流器储存在电池当中当中，电池同时产生电流经过变频器为主控系统供电。
主控系统监测偏航对风角度，当偏航对风误差大于±15°时，机组发出偏航指令，跟踪目标风向，直到导正到目标偏航误差区间内为止。
与此同时，主控系统监测机组机舱轴向加速度信号，该信号经过一阶摆振频率±20％的带通滤波器，滤波后的加速度统计10s内的有效值，若该有效值大于停机颤振阈值时，则判定此时机组发生停机失速颤振，启动变桨控制策略以阻止颤振的持续发生，在判定停机颤振发生时，以最大开桨速度向目标桨距角75°变桨，由于桨距角的调整，叶轮在风载作用下将获得一定的转速，并改变了叶轮的方位角，当叶轮远离了失速颤振易发的叶轮方位角时，颤振得到消减。接着，当监测的轴向机舱加速度滤波后的有效值小于阈值时，机组以最大变桨速度顺桨，直到回到停机桨距角87°，此时叶轮将平衡在新的方位角，完成停机颤振的抑制。
在此控制过程中，滤波后的加速度统计间隔为1s，若开桨过程中，颤振未得到消除，则维持桨距角在75°，直到滤波后的机舱加速度有效值低于设定阈值，进行顺桨动作达到停机桨距角。
实施例
机组发生停机掉电，叶轮发生自由转动，电机储能，风向突变使得偏航停机角度为20°，电池为主控系统供电，主控系统为偏航电机下指令，使得偏航系统启动，向0°偏航对风角度偏航。与此同时，叶片发生失速颤振，主控系统监测到10s内的机舱加速度有效值为0.25g，大于0.1g的停机颤振阈值，主控系统向变桨电机发送变桨指令，以最大变桨速度-7°/s向目标桨距角75°变桨，当变桨到83°时，10s内的机舱加速度有效值低于停机颤振阈值，这时，机组快速顺桨至87°，叶轮方位角维持在稳定状态，停机颤振得到消除。

Claims (5)

1.一种风力发电机电能储备及停机颤振防护系统，其特征在于：由锂电池、线缆、整流器和变频器组成；当叶轮在停机状态发生低转速转动时，由于转子切割磁感线，在定子绕组中产生交变电压，从而产生电流，整流器的一端叶轮电机定子绕组相连，收集叶轮旋转产生的交流电并将其转化为直流电，另一端与锂电池相连，锂电池在充电后通过线缆将直流电输送至变频器，变频器将直流电转化为50Hz的交流电为主控系统供电，至此完成叶轮系统储能和电能转化的过程。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机电能储备及停机颤振防护系统，其特征在于：停机颤振防护系统的功能为监测风力机在电网掉电情况下，叶片的振动情况，当监测到叶片在特定频段发生大幅度振动时，停机颤振系统将开启变桨保护；当风速高于15米/秒时，且湍流度高于10％时，通过监测风力机中机舱加速度的大小，作为是否开启变桨控制的依据，当轴向机舱加速度大于阈值时，将90°附近的停机角度，快速开桨到75°，然后再缓慢收回至90度停机角度；通过变桨动作，叶轮获得了较小的转速，且较小的开桨角度不至于使得叶轮旋转过快，叶轮的方位角也发生了改变，并偏离失速颤振易发的叶轮方位角状态，从而避免失速颤振的发生。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机电能储备及停机颤振防护系统，其特征在于：风力发电机的储能装置和停机颤振防护系统通过控制柜及线缆相连，具体连接方式和工作顺序为：风力发电机的主控系统位于控制柜中，主控系统工作时，需要从风力发电机中馈电，当电网掉电时，储能装置启动，并为主控系统、偏航电机、变桨电机供电，使得风力发电机的机头在风向改变时，依然保持一定的对风角度；机组在停机状态下的控制变量分别为偏航电机和变桨电机的位置角度，控制柜中的主控系统为偏航电机和变桨电机发送指令，在满足控制判据的条件下，机组进行偏航动作来控制机头的朝向，使偏航对风角度在设置范围内，通过控制最小停机角度，来改变叶轮的方位角。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机电能储备及停机颤振防护系统，其特征在于：电能储备装置运行步骤为，
步骤一：当机组停机掉电后，叶片的桨距角设定为固定的87°；
步骤二：在步骤一的基础上，叶轮在风的作用下发生低转速的自由转动，该转动切割电机定转子之间的磁感线，从而产生电动势和电流，交变的电流经过整流器成为直流电，并储存在电池中；
步骤三：电池通过逆变器转化为主控系统用频率的交流电；
步骤四：主控系统在供电后为停机颤振系统提供监测和发送指令的功能。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机电能储备及停机颤振防护系统，其特征在于：停机颤振防护系统，其运行步骤为：
步骤一：偏航对风角度通过传感器反馈到主控系统中，主控系统判断当偏航对风角度在±15°范围外时，则启动偏航系统，将偏航对风角度控制在±15°范围以内；
步骤二：在偏航对风角度调节完毕后，通过机舱加速度x方向的传感器，监测机组的加速度信号，并将获得的信号在叶片一阶摆振频率±20％范围内进行带同滤波；
步骤三：将滤波后的信号的有效值与设定加速度阈值进行比较，若该有效值大于阈值，则表明叶片发生失速颤振；
步骤四：当叶片发生失速颤振时，主控系统向变桨系统发送指令，以最大开桨速度进行变桨，开桨到设置桨距角时，变桨停止，在次过程中，监测机舱加速度，若低于阈值，则叶片的失速颤振得到控制，未发生持续时间的破坏性振动；
步骤五：当叶片的颤振得到控制时，此时将速度进行顺桨，直到初始的顺桨角度，此时叶轮方位角得到改变，不发生失速颤振。
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