CN113090452B - 风力发电机组及其叶片顺桨控制方法和装置 - Google Patents

风力发电机组及其叶片顺桨控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种风力发电机组及其叶片顺桨控制方法和装置，该叶片顺桨控制方法包括：确定风力发电机组处于预设停机模式；针对风力发电机组的各支叶片，计算叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差并将偏差输入预设的反馈控制器，使反馈控制器根据偏差输出相应的加速度；判断叶片的编码器是否运行正常；若叶片的编码器运行正常，则根据叶片的停机速度的给定值和对应停机速度的加速度的和值控制叶片顺桨。其中，不同叶片的停机速度的给定值相同。采用本发明实施例，能够各叶片独立自主完成顺桨控制并且在顺桨过程中保持三支叶片角度的一致性。

Description

风力发电机组及其叶片顺桨控制方法和装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组及其叶片顺桨控制方法和装置。
背景技术
风力发电机组在正常停机或者紧急停机时，均需要对叶片执行顺桨操作，将叶片从0度位置顺桨到89度位置。如果以2度/秒的速度收桨，共需要90/2＝45秒才能完成顺桨。在此过程中，由于三支叶片的变桨驱动器执行的差异、叶片所受扭矩的差异以及速度控制指令执行的差异等原因，三支叶片顺桨时的速度会出现一定的偏差。
并且随着时间的延长，角度偏差会越来越大，导致三支叶片的角度不平衡，进而导致机组载荷和振动增大，影响机组机械寿命。
发明内容
本发明实施例提供了一种风力发电机组及其叶片顺桨控制方法和装置，能够使各叶片独立自主完成顺桨控制并且在顺桨过程中保持三支叶片角度的一致性。
第一方面，本发明实施例提供一种叶片顺桨控制方法，该方法包括：
确定风力发电机组处于预设停机模式；
针对风力发电机组的各支叶片，计算叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差并将偏差输入预设的反馈控制器，使反馈控制器根据偏差输出相应的加速度；
判断叶片的编码器是否运行正常；
若叶片的编码器运行正常，则根据叶片的停机速度的给定值和对应停机速度的加速度的和值控制叶片顺桨。
其中，不同叶片的停机速度的给定值相同。
在第一方面的一些可能实施方式中，在判断叶片的编码器是否运行正常的步骤之后，该方法还包括：若叶片的编码器运行异常，则根据叶片的停机速度的给定值控制叶片顺桨。
在第一方面的一些可能实施方式中，叶片的停机速度的测量值由安装于叶片的变桨电机轴上的编码器采集得到，或者由叶片的变桨电机所属的变桨驱动器的输出频率计算得到。
在第一方面的一些可能实施方式中，计算叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差的步骤，包括：读取叶片的停机速度的给定值；判断所读取的停机速度的给定值是否处于预设允许范围内；若所读取的停机速度的给定值处于预设允许范围内，则计算叶片的停机速度的测量值和所读取的停机速度的给定值之间的偏差。
在第一方面的一些可能实施方式中，预设停机模式包括正常停机模式和/或故障停机模式。
第二方面，本发明实施例提供一种叶片顺桨控制装置，该装置包括：
停机模式确定模块，用于确定风力发电机组处于预设停机模式；
反馈控制模块，用于针对风力发电机组的各支叶片，计算叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差并将偏差输入预设的反馈控制器，使反馈控制器根据偏差输出相应的加速度；
判断处理模块，用于判断叶片的编码器是否运行正常；
顺桨控制模块，用于若叶片的编码器运行正常，则根据叶片的停机速度的给定值和对应停机速度的加速度的和值控制叶片顺桨；
其中，不同叶片的停机速度的给定值相同。
在第二方面的一些可能实施方式中，顺桨控制模块还用于若叶片的编码器运行异常，则根据叶片的停机速度的给定值控制叶片顺桨。
在第二方面的一些可能实施方式中，装置设置于对应叶片的变桨控制器中。
第三方面，本发明实施例提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的顺桨控制装置。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机设备，其上存储有程序，程序被处理器执行时实现如上所述的叶片顺桨控制方法。
如上所述，根据本发明实施例中的叶片顺桨方法，各叶片能够根据各自停机速度的测量值和对应停机速度的给定值，独立自主完成顺桨，并且，由于不同叶片的停机速度的给定值相同，因此，三支叶片在顺桨过程中能够保持角度的一致性，从而能够减小停机顺桨过程中的载荷，提高机组机械寿命。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明实施例一提供的风力发电机组的叶片顺桨控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二提供的风力发电机组的叶片顺桨控制方法的顺桨控制逻辑框图；
图3为变桨系统触发“电容电压低”故障停机时三支叶片的桨距角变化曲线；
图4为本发明实施例三提供的风力发电机组的叶片顺桨控制方法的流程示意图；
图5为本发明实施例四提供的风力发电机组的叶片顺桨控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
图1为本发明实施例一提供的叶片顺桨控制方法的流程示意图。如图 1所示，该叶片顺桨方法包括步骤101至步骤105。
在步骤101中，确定风力发电机组处于预设停机模式。
在步骤102中，针对风力发电机组的各支叶片，计算叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差并将偏差输入预设的反馈控制器，使反馈控制器根据偏差输出相应的加速度。
其中，叶片的停机速度的给定值设置在对应叶片的变桨控制器中，不同叶片的变桨控制器的停机速度的给定值的相同。
由于变桨系统是风力发电机组安全的最终保障，从变桨控制器中读出停机速度的给定值后；可以先判断所读取的停机速度的给定值是否处于预设允许范围内，只有在所读取的停机速度的给定值处于预设允许范围内时才参与顺桨控制计算，以保证顺桨控制的准确性。
在一些实施例中，叶片的停机速度的测量值可以由安装于叶片的变桨电机轴上的编码器采集得到。
在一些实施例中，叶片的停机速度的测量值也可以由叶片的变桨电机所属的变桨驱动器的输出频率计算得到，此处不做限定。
在步骤103中，判断叶片的编码器是否运行正常。
在步骤104中，若叶片的编码器运行正常，则根据叶片的停机速度的给定值和对应停机速度的加速度的和值控制叶片顺桨。
在步骤105中，若叶片的编码器运行异常，则根据叶片的停机速度的给定值控制叶片顺桨。
其中，编码器运行异常的情况包括编码器短时跳变或者故障损坏。
检测编码器发生短时跳变的方法包括但不限于：将根据编码器采集的角度值计算出的编码器本身的变化斜率与参考值比较，若变化斜率大于参考值，则确定编码器发生短时跳变，否则确定编码器运行正常。
检测编码器发生故障损坏的方法包括但不限于：根据编码器本身的反馈电平信号等确定编码器是否发生故障，若反馈电平信号正常，则确定编码运行正常，否则确定编码器故障损坏。
图2为本发明实施例提供的风力发电机组的叶片顺桨控制方法的顺桨控制逻辑框图。
图2中示出的反馈控制器为速度-加速度反馈调节器，具体实现形式可以为PID控制器或者PD控制器，其中，PD调节器的积分环节为0，能够有效防止“速度—加速度反馈控制器”超调。具体实施时，还可以对速度—加速度反馈控制器输出的加速度值进行限幅，同时也予给定速度一定的限幅，避免因输出值过大影响风力发电机组的安全运行。
在图2中，V表示叶片的停机速度的测量值，V*表示叶片的停机速度的给定值，速度-加速度反馈控制器的输入为V-V*，输出为加速度a，在，在叶片的编码器运行正常的情况下，顺桨执行机构(比如变桨电机) 根据V*+a控制叶片顺桨。在叶片的编码器运行异常的情况下，顺桨执行机构根据V*控制叶片顺桨。
如上所述，根据本发明实施例中的叶片顺桨方法，各叶片能够根据各自停机速度的测量值和对应停机速度的给定值，独立自主完成顺桨，并且，由于不同叶片的停机速度的给定值相同，因此，三支叶片在顺桨过程中能够保持角度的一致性，从而能够减小停机顺桨过程中的载荷，提高机组机械寿命。
需要说明的是，本发明实施例中的顺桨控制方法在正常停机模式和故障停机模式下均适用。
以正常停机模式为例，现有技术的方法为由主控制器控制变桨系统三支叶片同步收桨。具体为对三支叶片的角度求平均值，之后根据角度平均值进行速度的一致性调节，这种方式的缺点是：当其中一个或两个编码器角度值发生偶然的跳变时会导致计算出的停机速度的给定值发生变化，进而导致速度值发生的变化。
比如，若轴1的角度是5度，轴2的角度是5.2度，轴3的角度是5.3 度，其平均值就变成了(5+5.2+10)/3＝5.166度，如果以5.166度作为目标角度可以实现对速度的微调。但若轴1的角度是5度，轴2的角度是5.2 度，而轴3的角度突然跳变为 10度，那么其平均值就变成了(5+5.2+10) /3＝6.73度，如果以6.73度作为目标角度就会导致三支叶片的速度输出值变大。若速度反馈控制器所限幅的最大值是4度/秒，即使计算得到的速度输出值为4.5度/秒，也会按照4度/秒输出，即三支叶片的速度输出值都是 4度/秒，从而失去角度调节的作用。
应用本发明实施例中的顺桨控制方法，在正常停机模式下，可以由三支叶片根据各自停机速度的测量值和对应停机速度的给定值，独立完成顺桨反馈控制。如此设置，一方面不会由于角度值的突变，而导致三个轴的角度平均值的突变，也不会产生由于角度平均值的突变，导致速度输出值的突变或调节功能的失效。另一方面不会受到主控制器和变桨控制器之间通信中断的影响，提高顺桨控制时的可靠性。
以故障停机模式为例，现有技术的方法为由变桨系统的三支叶片自主收桨，即不再执行主控制器发送的速度命令，由于三支叶片的变桨驱动器执行的差异、叶片所受扭矩的差异以及速度控制指令执行的差异等原因，仍会造成三支叶片角度的不平衡。
图3为变桨系统触发“电容电压低”故障停机时三支叶片的桨距角变化曲线。其中，曲线301为轴1和轴2的桨距角变化曲线，曲线302为轴 3的桨距角变化曲线轴2的桨距角变化曲线。
从图3可以看出，轴1、轴2的顺桨速度明显慢于轴3的收桨速度，且在t1时刻，三支叶片的角度差值最大达到5度。因此，某一轴发生故障收桨后，会导致叶片不平衡度的增大。
应用本发明实施例中的顺桨控制方法，在故障停机模式下，各叶片能够基于速度-加速度反馈控制器独立完成顺桨，由于不同叶片的停机速度的给定值相同，因此，三支叶片能够在顺桨过程中能够保持角度的一致性，减小停机顺桨过程中的载荷，提高机组机械寿命。
如上所述，本发明实施例中的叶片顺桨控制方法以变桨系统内部的自主停机速度为目标速度(为变桨程序内部设置的顺桨参数值，即停机速度的给定值)，然后根据编码器所测的实际速度或者根据变桨驱动器所测的频率折算出的速度为反馈速度，输入到速度-加速度控制器中，速度-加速度控制器根据目标速度和反馈速度的偏差值进行PID运算，输出加速度值，此加速度值与给定速度求取矢量和，即得出最终的给定速度发送给执行结构，从而实现对变桨速度的调节。
与传统的角度-速度控制器相比，由于不需要主控制器的参与，即不需要由主控通过通信转发的三个轴柜的变桨角度值，因此不会受到DP通信中断的影响，能够更大限度地保证最大变桨系统故障时的紧急收桨。
图4为本发明实施例三提供的叶片顺桨控制方法的流程示意图，适用于故障停机模式下的紧急自主收桨。自主收桨是指变桨系统内部发生故障后，变桨系统优先于主控控制器而自己执行的紧急顺桨。
如图4所示，该叶片顺桨控制方法包括步骤401至步骤406。
在步骤401中，读取变桨控制器内部设置的自主停机速度值，并进行参数检验。
在步骤402中，检测风力发电机组运行模式，判断是否触发自主收桨故障；若是，则执行步骤403，否则跳转至结束。
在步骤403中，计算实际变桨速度并调用速度-加速度反馈控制器。
在步骤404中，判断编码器角度是否发生跳变，若是，则执行步骤 405，否则执行步骤406。
在步骤405中，执行变桨系统内部设置的自主收桨速度值，以防止控制器输出的速度值过大，导致调节失效的问题。
在步骤406中，执行变桨控制器输出自主调节的速度指令，即根据速度-加速度反馈控制器输出的加速度和对应的变桨系统内部设置的自主收桨速度值的和值，对叶片角度进行一致性调节。
根据本发明实施例中的叶片顺桨方法，一方面，各叶片能够根据自主停机速度值和实际变桨速度独立自主完成顺桨，由于不同叶片的停机速度的给定值相同，因此，三支叶片在顺桨过程中能够保持角度的一致性，从而能够减小停机顺桨过程中的载荷，提高机组机械寿命。另一方面，顺桨过程中引入了对编码器角度跳变的检测，并且在检测到编码器角度跳变时执行变桨系统内部设置的自主收桨速度值，能够防止控制器输出的速度值过大，导致调节失效的问题。
图5为本发明实施例四提供的叶片顺桨控制装置的结构示意图，图1- 图4中的解释说明可以应用于本实施例。如图5所示，该叶片顺桨控制装置包括：停机模式确定模块501(其可以具有与步骤101对应的功能)、反馈控制模块502(其可以具有与步骤102对应的功能)、判断处理模块 503(其可以具有与步骤103对应的功能)和顺桨控制模块504(其可以具有与步骤104对应的功能)。
其中，停机模式确定模块501用于确定风力发电机组处于预设停机模式；反馈控制模块502用于针对风力发电机组的各支叶片，计算叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差并将偏差输入预设的反馈控制器，使反馈控制器根据偏差输出相应的加速度。判断处理模块 503用于判断叶片的编码器是否运行正常。顺桨控制模块504用于若叶片的编码器运行正常，则根据叶片的停机速度的给定值和对应停机速度的加速度的和值控制叶片顺桨。
在一些实施例中，顺桨控制模块504还用于若叶片的编码器运行异常，则根据叶片的停机速度的给定值控制叶片顺桨。
其中，不同叶片的停机速度的给定值相同。
如上所述，根据本发明实施例中的叶片顺桨控制装置，各叶片能够根据各自停机速度的测量值和对应停机速度的给定值，独立自主完成顺桨，并且，由于不同叶片的停机速度的给定值相同，因此，三支叶片在顺桨过程中能够保持角度的一致性，从而能够减小停机顺桨过程中的载荷，提高机组机械寿命。
需要说明的是，本发明实施例中的变流器故障检测装置可以设置对应叶片的变桨控制器中，从而不需要变更任何硬件，也可以是具有独立运算功能的逻辑器件，此处不进行限定。
本发明实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的顺桨控制装置。
本发明实施例还提供一种计算机设备，其上存储有程序，程序被处理器执行时实现如上所述的叶片顺桨控制方法。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。

Claims (8)

1.一种风力发电机组的叶片顺桨控制方法，其特征在于，所述方法包括：
确定风力发电机组处于预设停机模式；
针对所述风力发电机组的各支叶片，计算所述叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差，并将所述偏差输入预设的反馈控制器，使所述反馈控制器根据所述偏差输出相应的加速度；
判断所述叶片的编码器是否运行正常；
若所述叶片的编码器运行正常，则根据所述叶片的停机速度的给定值和对应停机速度的加速度的和值控制所述叶片顺桨；
其中，不同叶片的停机速度的给定值相同；
在所述判断所述叶片的编码器是否运行正常的步骤之后，所述方法还包括：
若所述叶片的编码器运行异常，则根据所述叶片的停机速度的给定值控制所述叶片顺桨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片的停机速度的测量值由安装于所述叶片的变桨电机轴上的编码器采集得到，或者由所述叶片的变桨电机所属的变桨驱动器的输出频率计算得到。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差的步骤，包括：
读取所述叶片的停机速度的给定值；
判断所读取的停机速度的给定值是否处于预设允许范围内；
若所读取的停机速度的给定值处于所述预设允许范围内，则计算所述叶片的停机速度的测量值和所读取的停机速度的给定值之间的偏差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述预设停机模式包括正常停机模式和/或故障停机模式。
5.一种风力发电机组的叶片顺桨控制装置，其特征在于，所述装置包括：
停机模式确定模块，用于确定风力发电机组处于预设停机模式；
反馈控制模块，用于针对风力发电机组的各支叶片，计算所述叶片的停机速度的测量值和对应停机速度的给定值之间的偏差并将所述偏差输入预设的反馈控制器，使所述反馈控制器根据所述偏差输出相应的加速度；
判断处理模块，用于判断所述叶片的编码器是否运行正常；
顺桨控制模块，用于若所述叶片的编码器运行正常，则根据所述叶片的停机速度的给定值和对应停机速度的加速度的和值控制所述叶片顺桨；
其中，不同叶片的停机速度的给定值相同；
所述顺桨控制模块还用于若所述叶片的编码器运行异常，则根据所述叶片的停机速度的给定值控制所述叶片顺桨。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置设置于对应叶片的变桨控制器中。
7.一种风力发电机组，其特征在于，包括如权利要求5或6所述的顺桨控制装置。
8.一种计算机设备，其上存储有程序，其中，程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的叶片顺桨控制方法。
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