CN112228275A - 一种风电机组电磁阻尼偏航方法与装置 - Google Patents

一种风电机组电磁阻尼偏航方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风电机组电磁阻尼偏航方法，包括以下步骤：测量风向，根据风向进行偏航判定；计算偏航目标位置；通过偏航电机测速装置测量多个偏航电机的实际转速，根据实际转速计算得出机舱角度位置；根据风向、机舱角度位置与偏航目标位置的偏差，发送偏航控制命令至电磁阻尼偏航系统；电磁阻尼偏航系统根据偏航控制命令调整多个偏航电机的运行方向和转速进行偏航，到达偏航目标位置；还提供了一种实现上述方法的风电机组电磁阻尼偏航装置。本发明可以解决现有技术中存在的风电机组在偏航时，偏航电机输出力矩分配不均、可能存在控制不稳从而影响机舱平稳偏航的技术问题。

Description

一种风电机组电磁阻尼偏航方法与装置
技术领域
本发明涉及风力发电机组技术领域，具体涉及一种风电机组电磁阻尼偏航方法与装置。
背景技术
风力发电机组在运行过程中为了实现风资源利用的最大化，需要控制机头进行偏航对风。现有的偏航驱动方式主要分为电气驱动和液压驱动，大兆瓦机组通常采用变频器控制偏航电机的电气驱动方式。
在现有技术中，授权公告号为CN104632526B的专利，提供了一种基于变频器有效阻尼的偏航系统及偏航方法，其技术方案为：偏航系统包括主控控制器、至少一组偏航电机、与偏航电机分别连接的变频器、刹车系统、位置编码器、解缆保护器，所述一组偏航电机为4个，其中3个为偏航驱动电机，1个在启动和停止过程中为偏航阻尼电机，各变频器分别独立驱动各个偏航电机，1个位置编码器和1个解缆保护器分别安装在偏航齿圈上，各变频器、解缆保护器、位置编码器分别连接主控制器。但其存在的技术问题包括：(1)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；(2)采用固定6电机驱动+2电机阻尼模式，可能造成偏航过程力矩不平衡，偏航驱动器能力未充分应用，在极端情况下不能平稳偏航；(3)偏航过程中，偏航阻尼电机扭矩为零，容易造成偏航失速风险。
授权公告号为CN109653949B的专利，提供了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，其技术方案为：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。其解决的是偏航过程中，偏航驱动电机与偏航阻力电机不同控制逻辑形式，以保证偏航机械结构轻柔啮合，偏航阻力电机阻力动态输出，以维持机舱平稳。但其存在的技术问题包括：(1)规定了具体某个电机作为阻尼电机，无法保证偏航过程中，突变的较大外载超过了如此少的阻尼电机输出能力，导致阻尼不够的情况；(2)固定了偏航阻尼电机后，该偏航阻尼电机变得特别关键，如其失效可能导致整个偏航系统失效；(3)偏航电机的编码器只作为转速测量使用，并未对风电机组偏航系统的本质——偏航对风产生明确的有益影响。
申请公布号为CN109931218A的专利，提供了一种偏航控制系统及其偏航控制方法，其技术方案为：系统包括1个或1个以上的运动控制器、1个或1个以上的变频器或伺服驱动器、1部或1部以上的偏航电机、1个或1个以上的制动电阻模块或能量回馈单元，运动控制器由开关电源或者外部电网供电，运动控制器与风机主控制器通过MODBUS、或者CANopen通讯总线或者模拟信号、数字信号进行通信；解决了偏航驱动电机与阻尼电机严格区分的问题，对所有电机进行动态伺服控制。但其存在以下技术问题：对偏航电机的伺服控制所需的关键量——偏航电机实际转速，是采用计算的方式得出(无速度传感器矢量控制)，而不是实际测得的数值。在目前通用的异步偏航电机情况下，计算出来的实际转速精度是较低的，可能存在控制不稳的现象，达不到机舱平稳偏航的目的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种风电机组电磁阻尼偏航方法，以解决现有技术中存在的风电机组在偏航时，偏航电机输出力矩分配不均、可能存在控制不稳从而影响机舱平稳偏航的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，提供了一种风电机组电磁阻尼偏航方法，
在第一种可实现方式中，包括以下步骤：
测量风向，根据风向进行偏航判定；
计算偏航目标位置；
通过偏航电机测速装置测量多个偏航电机的实际转速，根据实际转速计算得出机舱角度位置；
根据风向、机舱角度位置与偏航目标位置的偏差，发送偏航控制命令至电磁阻尼偏航系统；
电磁阻尼偏航系统根据偏航控制命令调整多个偏航电机的运行方向和转速进行偏航，到达偏航目标位置。
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，偏航电机测速装置包括编码器或旋转变压器。
结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，电磁阻尼偏航系统根据偏航控制命令进行偏航，具体如下：
偏航电机电磁刹车释放；
偏航液压刹车释放；
偏航电机低速转动消隙；
判断偏航刹车压力；
偏航电机启动运行；
接收到偏航停止命令，进行减速；
偏航停止。
结合第三种可实现方式，在第四种可实现方式中，当接收到偏航停止命令，进行减速时，变频器持续输出。
结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，风电机组设有运动控制器，运动控制器根据偏航方向、偏航目标转速、偏航力矩限制，动态调整偏航电机的出力大小和方向。
结合第一种可实现方式，在第六种可实现方式中，偏航电机采用转速闭环控制方式进行控制；在偏航过程中各偏航电机既可作为驱动电机提供驱动力，又可作为阻尼电机提供阻力。
第二方面，提供了一种风电机组电磁阻尼偏航装置，在第七种可实现方式中，装置包括偏航变频器、偏航电机、偏航电机测速装置；
偏航变频器与偏航电机相连接，偏航电机测速装置安装在偏航电机尾部。
装置执行用于第一到第六任意一种可实现方式提供的风电机组电磁阻尼偏航方法。
第三方面，提供了一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现第一到第六任意一种可实现方式提供的风电机组电磁阻尼偏航方法。
由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
1.通过偏航电机测速装置测量偏航电机的实际转速，根据实际转速计算得出机舱角度位置，以判断偏航停机位置，使偏航对风精度更高。
2.不固定某个偏航电机作为阻力电机，采用偏航电机均可做驱动电机也可作阻尼电机的转速闭环控制方式，偏航电机既可提供驱动力也可提供阻力，以恒定机舱偏航速度为目标，可以实现驱动力和阻力的最大化利用，保证偏航速度平稳。
3.采用变频器伺服控制偏航电机，偏航电机动态调节输出转矩，在各个偏航电机间进行动态力矩平衡分配且限制最大力矩输出，既可以保证各偏航驱动的力矩平衡，又使承受的力矩不超过最大机械承受能力。
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为本发明实施例1偏航变频器、偏航电机的电气连接示意图；
图2为本发明实施例1的结构安装位置示意图；
图3为本发明实施例1电磁阻尼偏航系统的架构图；
图4为本发明实施例1电磁阻尼偏航的工作流程图；
图5为本发明实施例1机舱角度位置的计算流程图；
图6为本发明实施例1偏航驱动的控制流程图；
图7为本发明实施例1偏航驱动的控制时序图；
图8为本发明实施例1偏航电机动态力矩分配及最大力矩限制的控制方式示意图；
附图标记：
1-偏航轴承，2-偏航刹车，3-偏航制动盘，4-偏航电机，5-偏航齿轮箱。
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。
实施例1
本发明提供一种风电机组电磁阻尼偏航方法，包括以下步骤：
测量风向，根据风向进行偏航判定；
计算偏航目标位置；
通过偏航电机测速装置测量多个偏航电机的实际转速，根据实际转速计算得出机舱角度位置；
根据风向、机舱角度位置与偏航目标位置的偏差，发送偏航控制命令至电磁阻尼偏航系统；
电磁阻尼偏航系统根据偏航控制命令，调整多个偏航电机的运行方向和转速进行偏航，到达偏航目标位置。
以下对实施例1工作原理进行详细说明：
在本实施例中，风电机组使用的电磁阻尼偏航系统，主要包括偏航变频器、偏航电机、偏航电机测速装置、液压刹车装置，等等。偏航变频器、偏航电机的电气连接关系如图1所示，结构安装位置如图2所示。
电磁阻尼偏航系统工作时的系统架构如图3所示，偏航时的工作过程如图4所示，按以下步骤进行：
1.测量风向，根据风向进行偏航判定
在本实施例中，风电机组测量风向的方式不做限定，举例说明，可采用风速风向仪进行测量。当风电机组的叶轮与测得的实时风向之间的角度偏差值大于预设的偏航启动设定值时，主控制器会进行启动偏航。
2.计算偏航目标位置
主控制器根据实时风向、叶轮当前位置，计算出偏航目标位置。偏航目标位置是偏航后能使叶轮处于正对迎风方向的位置。
3.通过偏航电机测速装置测量偏航电机的实际转速，根据实际转速计算得出机舱角度位置
偏航电机测速装置包括编码器或旋转变压器。编码器或旋转变压器安装在偏航电机尾部。通过编码器或旋转变压器可以精确测量偏航电机的实际转速，再通过偏航电机的实际转速，按电机圈数乘以传动比，计算出机舱角度位置。这样得出的机舱角度位置，精确度更高。机舱角度位置的计算流程如图5所示，计算可通过主控制器进行。
4.根据风向、机舱角度位置与偏航目标位置的偏差，发送偏航控制命令至电磁阻尼偏航系统
风电机组的主控制器根据风向、机舱角度位置与偏航位置的偏差，将偏航控制命令发送至本实施例中的电磁阻尼偏航系统。在本实施例中，风电机组设有运动控制器，偏航控制命令通过主控制器发送至运动控制器。
5.电磁阻尼偏航系统根据偏航控制命令进行偏航，调整偏航电机的运行方向和转速，到达偏航目标位置
在本实施例中，根据偏航控制命令，具体会进行偏航液压刹车、偏航电机电磁刹车、偏航变频器输出、偏航电机起动。执行上述操作时，控制流程如图6所示，流程包括：
偏航电机电磁刹车释放；
偏航液压刹车释放；
偏航电机低速转动消隙；
判断偏航刹车压力；
偏航电机启动运行；
接收到偏航停止命令，进行减速；
偏航停止。
控制时序如图7所示，具体如下：
(1)在主控制器发出偏航命令需求后，同时释放偏航电机电磁刹车、偏航液压刹车。经过消隙等待时间T1的时长后，偏航电机以低速执行转动，执行时长为消隙时间T2，目的是为了实现偏航驱动器与偏航齿圈之间的齿隙柔性啮合。
(2)消隙完成后，偏航电机开始加速，按照设定的加速斜率加速运行，运行时长为偏航加速时间T3。
(3)出现停机命令后按照斜率减速，当经过时长为液压投入等待时间T4后，液压开始投入。当经过时长为偏航停止时间T5，投入电机电磁刹车。减速时，变频器会持续出力以稳住电机速度按照设定曲线减速，以防止速度失控。
以下对T1～T5分别加以描述：
消隙等待时间T1：收到偏航命令后，释放电机电磁刹车；
消隙时间T2：消隙设定目标，同时满足刹车压力低于目标值，若不满足，则继续执行消隙；
偏航加速时间T3：加速目标速度偏航电机额定转速；
液压投入等待时间T4：收到偏航停止命令后，投入液压刹车；
偏航停止时间T5：停止后同时投入电机电磁刹车。
在本实施例中，偏航电机运行时，对输出转矩进行限幅控制，使单个偏航电机的转矩输出不超过机械传动结构的承受极限。偏航电机动态力矩分配及最大力矩限制的控制方式如图8所示；具体的，在偏航过程中，动态调节偏航电机的出力大小和方向；正常偏航时各偏航电机一起出力向前推，维持机舱偏航速度。遇到载荷突变情况，比如机舱因外载超目标转速前进时，各偏航电机为了维持目标速度，会反向出力提供阻力，反向力作用于机舱，让其不被外载加速，从而维持目标偏航速度。
上述技术方案，不固定某个偏航电机作为阻力电机，采用偏航电机既可做驱动电机也可作阻尼电机的转速闭环控制方式，既可作为驱动电机提供驱动力，又可作为阻尼电机提供阻力，以恒定机舱偏航速度为目标，可以实现驱动力和阻力的最大化利用，保证偏航速度平稳。同时，采用变频器伺服控制偏航电机，偏航电机动态调节输出转矩，在各个偏航电机间进行动态力矩平衡分配且限制最大力矩输出，既可以保证各偏航驱动的力矩平衡，又使承受的力矩不超过最大机械承受能力。
实施例2
在本实施例中，提供了一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现实施例1中提供的风电机组电磁阻尼偏航方法。
最后应说明的是：以上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 (8)

1.一种风电机组电磁阻尼偏航方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量风向，根据风向进行偏航判定；
计算偏航目标位置；
通过偏航电机测速装置测量多个偏航电机的实际转速，根据实际转速计算得出机舱角度位置；
根据风向、机舱角度位置与偏航目标位置的偏差，发送偏航控制命令至电磁阻尼偏航系统；
电磁阻尼偏航系统根据偏航控制命令，调整多个偏航电机的运行方向和转速进行偏航，到达偏航目标位置。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组电磁阻尼偏航方法，其特征在于：所述偏航电机测速装置包括编码器或旋转变压器。
3.根据权利要求1所述的一种风电机组电磁阻尼偏航方法，其特征在于，电磁阻尼偏航系统根据偏航控制命令进行偏航，具体如下：
偏航电机电磁刹车释放；
偏航液压刹车释放；
偏航电机低速转动消隙；
判断偏航刹车压力；
偏航电机启动运行；
接收到偏航停止命令，进行减速；
偏航停止。
4.根据权利要求3所述的一种风电机组电磁阻尼偏航方法，其特征在于：当接收到偏航停止命令，进行减速时，变频器持续输出。
5.根据权利要求1所述的一种风电机组电磁阻尼偏航方法，其特征在于：风电机组设有运动控制器，运动控制器根据偏航方向、偏航目标转速、偏航力矩限制，动态调整偏航电机的出力大小和方向。
6.根据权利要求1所述的一种风电机组电磁阻尼偏航方法，其特征在于：偏航电机采用转速闭环控制方式进行控制；在偏航过程中各偏航电机既可作为驱动电机提供驱动力，又可作为阻尼电机提供阻力。
7.一种风电机组电磁阻尼偏航装置，其特征在于：
所述装置包括偏航变频器、偏航电机、偏航电机测速装置；
所述偏航变频器与偏航电机相连接，所述偏航电机测速装置安装在所述偏航电机尾部；
所述装置用于执行权利要求1-6任一所述的风电机组电磁阻尼偏航方法。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1-6中任一所述的风电机组电磁阻尼偏航方法。
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