CN112112758A - 基于风电机组电液压变桨距控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

基于风电机组电液压变桨距控制系统及控制方法。随着变桨距风力机的广泛应用，致力于通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等技术研究亟待解决。本发明其组成包括：双馈异步发电机（3）、变桨缸（15），所述的双馈异步发电机分别与变换器（4）、励磁控制器（5）、电网（10）连接，所述的励磁控制器分别与变桨距控制器（9）、主控制器（8）、所述的变换器连接，所述的主控制器与所述的变桨距控制器、人机操作界面（6）、计算机（7）连接，所述的双馈异步发电机通过高速轴与增速齿轮箱（2）连接，所述的增速齿轮箱通过低速轴与风轮连接，所述的变换器与所述的电网连接。本发明用于基于风电机组电液压变桨距控制系统。

Description

基于风电机组电液压变桨距控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于风电机组电液压变桨距控制系统及控制方法。
背景技术
变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命，随着变桨距风力机的广泛应用，致力于通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等技术的研究亟待解决；
目前风力发电机向着大型化的方向发展，变桨距控制技术已经成为风力发电的关键技术之一，研制电动变桨距系统实现大型风力机电动变桨距控制技术国产化、产业化的要求十分迫切，掌握电动变桨距控制技术将提高我国风电关键技术的研制能力，降低风力发电的成本；对加快拥有自主知识产权的风电设备研制，大力发展风电事业具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于风电机组电液压变桨距控制系统及控制方法，采用液压变桨距执行机构和电动变桨距执行机构控制，并通过电动机来实现，其结构紧凑、控制灵活、可靠，受到大多数整机厂家的青睐，市场前景十分广阔。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于风电机组电液压变桨距控制系统，其组成包括：双馈异步发电机3、变桨缸15，所述的双馈异步发电机分别与变换器、励磁控制器、电网连接，所述的励磁控制器分别与变桨距控制器、主控制器、所述的变换器连接，所述的主控制器与所述的变桨距控制器、人机操作界面、计算机连接，所述的双馈异步发电机通过高速轴与增速齿轮箱连接，所述的增速齿轮箱通过低速轴与风轮连接，所述的变换器与所述的电网连接。
所述的基于风电机组电液压变桨距控制系统，所述的变桨缸有杆腔通过管路分别与电磁阀C、比例阀连接，所述的比例阀分别通过管路与电磁阀B、单向阀C、单向阀B连接，所述的电磁阀B分别连接所述的变桨缸无杆腔、电磁阀A，所述的电磁阀A分别连接压力传感器A、储压罐A，所述的储压罐A连接单向阀A，所述的单向阀A分别与溢流阀、单向节流阀连接，所述的单向节流阀连接油泵，所述的油泵与油泵电机连接，所述的单向阀B分别与压力传感器B、储压罐B连接，所述的单向阀C、所述的油泵通过管路与液压油箱连接。
一种基于风电机组电液压变桨距控制系统及控制方法，该方法包括如下步骤：首先主控制器控制内容包括：计算风速、偏航优化、功率预测、系统保护、系统时钟、负载统计、故障记录；
当风速高于起动风速时主控制器通过模拟输出单元向比例阀输出1.8V电压，使叶片以0.9°/s的速度变化到15°，若发电机的转速大于800r/min或者转速持续一分钟大于700r/min，则桨叶继续进桨到3°位置，主控制器检测到高速计数单元的转速信号大于1000r/min时发出并网指令，若桨距角在到达3°后2分钟未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1V电压，使桨距角退到15°位置；
当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内；当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定；在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置，发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI控制，功率误差信号经过PI运算后得到桨距角位置；
当风力机在停机状态时，桨距角处于90°的位置，这时气流对桨叶不产生转矩，当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90°以速度1°/s减小到待机角度为15°，若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3°，发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3°不变，当风速高于额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10V－+10V电压，控制比例阀输出流量的方向和大小，变桨距液压缸按比例阀输出的流量和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近，若出现故障或有停机命令时，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度为20°/s；
当满足风力机起动条件时，主控制器发出指令使叶片桨距角从90°匀速减小，当发电机并网后PLC根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上，在有故障停机或急停信号时，主控制器控制电磁阀A和电磁阀C打开，电磁阀B关闭，储压罐1中的液压油迅速进入变桨缸，使得叶片迅速变到桨距角为90°的位置。
有益效果：
1.本发明是一种采用液压变桨距执行机构和电动变桨距执行机构控制，并通过电动机来实现，其中液压控制系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位精确、液压执行机构动态响应速度快等优点，能够保证更加快速、准确地把叶片调节至预定节距；利用电机对桨叶进行控制，不存在非线性、漏油、卡塞等现象发生，本申请具有结构紧凑、控制灵活、可靠，受到大多数整机厂家的青睐，市场前景十分广阔。
本发明变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率，变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，停机安全等。
本发明的变桨距风力机可以根据风速的大小调节气流对叶片的功角，当风速超过额定风速时，输出功率可以稳定在额定功率上，在出现台风的时，可以使叶片处于顺桨，使整个风力机的受力情况大为改善，可以避免大风损害风力机组。在紧急停机或有故障时，变桨距机构可以使叶片迅速顺桨到90°，风轮速度降低，减小风力机负载的冲击，延长风电机组的使用寿命。
本发明解决了目前的变桨距风力机大多采用三个桨叶统一控制的方式，即三个桨叶变换是一致的，由于现代大型风力机叶片比较大，一般几十米甚至上百米，所以整个风轮扫过面上的风速并不均匀，由此会产生叶片的扭矩波动并影响到风力机传动机构的机械应力及疲劳寿命，由于叶片尺寸较大，每个叶片有十几吨甚至几十吨重，叶片在运行的不同位置受力状况也是不一样的，故叶片重力对风轮力矩的影响也是不能忽略的，显然对三个叶片进行独立控制更加合理，本申请通过独立变桨控制，可以大大减小风力机叶片负载的波动及转矩的波动，进而减小了传动机构和齿轮箱的疲劳度以及塔架的振动，而输出功率能基本恒定在额定功率附近。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明液压变桨距控制系统结构示意图。
图3是本发明的风力机启动变桨控制流程图。
其中：1、风轮，2、增速齿轮箱，3、双馈异步发电机，4、变换器，5、励磁控制器，6、人机操作界面，7、计算机，8、主控制器，9、变桨距控制器，10、电网，11、压力传感器A，12、储压罐A ，13、电磁阀A ，14、电磁阀B，15、变桨缸，16、电磁阀C，17、比例阀，18、压力传感器B ，19、储压罐A ，20、单向阀C， 21、单向阀B，22、溢流阀，23、液压油箱，24、油泵，25、油泵电机，26、单向阀A，27、单向节流阀。
具体实施方式
实施例1：
一种基于风电机组电液压变桨距控制系统，其组成包括：双馈异步发电机3、变桨缸15，其特征是：所述的双馈异步发电机分别与变换器4、励磁控制器5、电网10连接，所述的励磁控制器分别与变桨距控制器9、主控制器8、所述的变换器连接，所述的主控制器与所述的变桨距控制器、人机操作界面6、计算机7连接，所述的双馈异步发电机通过高速轴与增速齿轮箱2连接，所述的增速齿轮箱通过低速轴与风轮1连接，所述的变换器与所述的电网连接。
实施例2：
根据实施例1所述的基于风电机组电液压变桨距控制系统，所述的变桨缸有杆腔通过管路分别与电磁阀C16、比例阀17连接，所述的比例阀分别通过管路与电磁阀B14、单向阀C20、单向阀B21连接，所述的电磁阀B分别连接所述的变桨缸无杆腔、电磁阀A13，所述的电磁阀A分别连接压力传感器A11、储压罐A12，所述的储压罐A连接单向阀A26，所述的单向阀A分别与溢流阀22、单向节流阀27连接，所述的单向节流阀连接油泵24，所述的油泵与油泵电机25连接，所述的单向阀B分别与压力传感器B18、储压罐B19连接，所述的单向阀C、所述的油泵通过管路与液压油箱23连接。
实施例3：
根据实施例1-2所述的基于风电机组电液压变桨距控制系统的控制方法，该方法包括如下步骤：首先主控制器控制内容包括：计算风速、偏航优化、功率预测、系统保护、系统时钟、负载统计、故障记录；
当风速高于起动风速时主控制器通过模拟输出单元向比例阀输出1.8V电压，使叶片以0.9°/s的速度变化到15°，若发电机的转速大于800r/min或者转速持续一分钟大于700r/min，则桨叶继续进桨到3°位置，主控制器检测到高速计数单元的转速信号大于1000r/min时发出并网指令，若桨距角在到达3°后2分钟未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1V电压，使桨距角退到15°位置；
当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内；当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定；在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置，发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI控制，功率误差信号经过PI运算后得到桨距角位置；
当风力机在停机状态时，桨距角处于90°的位置，这时气流对桨叶不产生转矩，当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90°以速度1°/s减小到待机角度为15°，若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3°，发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3°不变，当风速高于额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10V－+10V电压，控制比例阀输出流量的方向和大小，变桨距液压缸按比例阀输出的流量和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近，若出现故障或有停机命令时，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度为20°/s；
当满足风力机起动条件时，主控制器发出指令使叶片桨距角从90°匀速减小，当发电机并网后PLC根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上，在有故障停机或急停信号时，主控制器控制电磁阀A和电磁阀C打开，电磁阀B关闭，储压罐1中的液压油迅速进入变桨缸，使得叶片迅速变到桨距角为90°的位置；
在变桨距控制系统中，高风速段的变桨距调节功率是非常重要的部分，若退桨速度过慢则会出现过功率或过电流现象，甚至会烧毁发电机；若桨距调节速度过快，不但会出现过调节现象，使输出功率波动较大，而且会缩短变桨缸和变桨轴承的使用寿命，会影响发电机的输出功率，使发电量降低，在本系统中在过功率退桨和欠功率进桨时采用不同的变桨速度，退桨速度较进桨速度大，这样可以防止在大的阵风时出现发电机功率过高现象；
本申请在风力发电系统中，变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命，通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况，变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性，现代的大型风力发电机大多采用变桨距控制，这种变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点；
本申请的变桨距风力发电机的优越性突出，既能提高风力机运行的可靠性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线，采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速下始终保持最佳转换效率，使输出功率最大，从而提高系统性能。随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是大势所趋；
本申请的桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，节距角的变化同液压缸位移成正比，当液压缸活塞杆向左移动到最大位置时，节距角为90°，而活塞杆向右移动最大位置时，节距角一般为-5°。液压缸的位移由电液比例阀进行精确控制，在负载变化不大的情况下，电液比例方向阀的输入电压与液压缸的速度成正比，为进行精确的液压缸位置控制，必须引入液压缸位置检测与反馈控制；
电机变桨距控制机构可对每个桨叶采用一个电机进行单独调节，电机通过主动齿轮与桨叶轮毅内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距角进行控制，位移传感器采集桨叶节距角的变化与电机形成闭环PID负反馈控制，在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电机由UPS供电，将桨叶调节为顺桨位置。

Claims (3)

1.一种基于风电机组电液压变桨距控制系统，其组成包括：双馈异步发电机、变桨缸，其特征是：所述的双馈异步发电机分别与变换器、励磁控制器、电网连接，所述的励磁控制器分别与变桨距控制器、主控制器、所述的变换器连接，所述的主控制器与所述的变桨距控制器、人机操作界面、计算机连接，所述的双馈异步发电机通过高速轴与增速齿轮箱连接，所述的增速齿轮箱通过低速轴与风轮连接，所述的变换器与所述的电网连接。
2.根据权利要求1所述的基于风电机组电液压变桨距控制系统，其特征是：所述的变桨缸有杆腔通过管路分别与电磁阀C、比例阀连接，所述的比例阀分别通过管路与电磁阀B、单向阀C、单向阀B连接，所述的电磁阀B分别连接所述的变桨缸无杆腔、电磁阀A，所述的电磁阀A分别连接压力传感器A、储压罐A，所述的储压罐A连接单向阀A，所述的单向阀A分别与溢流阀、单向节流阀连接，所述的单向节流阀连接油泵，所述的油泵与油泵电机连接，所述的单向阀B分别与压力传感器B、储压罐B连接，所述的单向阀C、所述的油泵通过管路与液压油箱连接。
3.一种权利要求1-2之一所述的基于风电机组电液压变桨距控制系统及控制方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
首先主控制器控制内容包括：计算风速、偏航优化、功率预测、系统保护、系统时钟、负载统计、故障记录；
当风速高于起动风速时主控制器通过模拟输出单元向比例阀输出1.8V电压，使叶片以0.9°/s的速度变化到15°，若发电机的转速大于800r/min或者转速持续一分钟大于700r/min，则桨叶继续进桨到3°位置，主控制器检测到高速计数单元的转速信号大于1000r/min时发出并网指令，若桨距角在到达3°后2分钟未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1V电压，使桨距角退到15°位置；
当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内；当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定；在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置，发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI控制，功率误差信号经过PI运算后得到桨距角位置；
当风力机在停机状态时，桨距角处于90°的位置，这时气流对桨叶不产生转矩，当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90°以速度1°/s减小到待机角度为15°，若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3°，发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3°不变，当风速高于额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10V－+10V电压，控制比例阀输出流量的方向和大小，变桨距液压缸按比例阀输出的流量和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近，若出现故障或有停机命令时，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度为20°/s；
当满足风力机起动条件时，主控制器发出指令使叶片桨距角从90°匀速减小，当发电机并网后PLC根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上，在有故障停机或急停信号时，主控制器控制电磁阀A和电磁阀C打开，电磁阀B关闭，储压罐1中的液压油迅速进入变桨缸，使得叶片迅速变到桨距角为90°的位置。
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