CN113864116B - 风力发电机组的控制方法和设备 - Google Patents
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Abstract
提供一种风力发电机组的控制方法和设备。所述方法包括：检测风力发电机组的变桨系统是否发生故障；当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，确定刹车控制回路是否正常工作；当确定刹车控制回路正常工作时，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度；响应于桨距角变化到安全角度，固定叶片的位置使得桨距角不再变化。根据本发明构思的风力发电机组的控制方法和设备可能够在变桨系统出现故障的情况下，提供一种安全收桨方法，同时更简便、快捷地判断叶片的受力方向，有效减小叶片转动速度过快而导致的刹车阀抱闸时的摩擦和振动，保护风力发电机组的机械部件的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组的控制方法和设备，更具体地讲，涉及一种能够在变桨系统出现故障的情况下实现叶片位置的安全保护的风力发电机组的控制方法和设备。
背景技术
变桨系统的一个主要功能是担当风力发电机组的主刹车系统功能，从而保证风力机组安全稳定运行。然而，在风力发电机组运行过程中，变桨系统的驱动器、变桨电机或后备电源都有可能发生故障，而这种故障，很可能导致风力发电机的叶片无法收回到安全位置(例如，桨距角为89度)；如果风力发电机叶片无法收回到安全位置，在风力的作用下，会使风力发电机的转速无法下降，引发风力发电机超速甚至发生飞车危险。
目前，变桨系统的驱动器发生故障后，为使叶片收回或保护风力发电机组的安全，一般可用的方案为：(1)为每个叶片安装两套驱动系统，其缺点在于：一方面会使得系统成本成倍增加，另一方面用于容纳变桨系统的风轮(或轮毂)的内部空间十分有限，因此没有安装两套驱动系统的外在条件；(2)通过背风偏航(即，通过偏航使风力发电机偏航90度)来偏离风向，从而使风力发电机转速下降，实现停机，其缺点在于：如果在收桨到一定角度时偏航到一定角度后，反而会使叶片的受力表面再次与风向垂直，使叶片受力再次加大，一方面会导致风力发电机的风轮转速下降缓慢，一方面还会使风力发电机承受更大的载荷；(3)使用其它驱动装置驱动叶片回桨，其缺点在于：需要较大的能量，能量的来源和保持都有一定的困难；(4)设置单向刹车功能，其缺点在于：磨损刹车盘导致刹车系统失效，不能处理刹车控制回路继电器触点粘连、无法使电机刹车阀抱闸的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在变桨系统出现故障的情况下实现叶片位置的安全保护的风力发电机组的控制方法和设备。
根据本发明构思的一个实施例，提供一种风力发电机组的控制方法，包括：检测风力发电机组的变桨系统是否发生故障；当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，确定刹车控制回路是否正常工作；当确定刹车控制回路正常工作时，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度；响应于桨距角变化到安全角度，固定叶片的位置使得桨距角不再变化。
可选地，确定刹车控制回路是否正常工作的步骤包括：确定刹车控制回路的继电器触点是否正常。
可选地，变桨驱动器包括用于控制刹车控制回路的控制单元，其中，通过刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度的步骤包括：若所述控制单元未发生故障，则通过所述控制单元控制刹车控制回路，进而控制叶片的桨距角的变化速度；若所述控制单元发生故障，则基于风力发电机组的主控系统的串联连接到刹车控制回路的滑环的硬件接线，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。
可选地，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度的步骤包括：使刹车控制回路松闸，并检测用于测量变桨速度的角度传感器是否正常工作；当检测到角度传感器正常工作时，基于由角度传感器测量的叶片的桨距角的变化速度使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换；当检测到角度传感器故障时，以预定周期使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换。
可选地，基于由角度传感器测量的叶片的桨距角的变化速度使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的步骤包括：当桨距角的变化速度小于或等于0，或者大于或等于预设阈值时，使刹车控制回路抱闸；当桨距角的变化速度在第一预定时间段内始终大于0且小于预设阈值时，使刹车控制回路抱闸；响应于刹车控制回路抱闸持续第二预定时间段，使刹车控制回路松闸。
可选地，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度的步骤还包括：当检测到角度传感器无法正常工作时，以预定周期使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换。
可选地，固定叶片的位置使得桨距角不再变化的步骤包括：响应于由于桨距角变化到安全角度而触发限位机构，通过限位机构固定叶片的位置并使刹车控制回路抱闸，使得桨距角不再变化。
可选地，所述控制方法还包括：当确定刹车控制回路无法正常工作时，响应于由于桨距角变化到安全角度而触发限位机构，通过限位机构固定叶片的位置，使得桨距角不再变化。
根据本发明构思的一个实施例，提供一种风力发电机组的控制设备，包括：检测单元，被配置为检测风力发电机组的变桨系统是否发生故障；控制单元，被配置为：当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，确定刹车控制回路是否正常工作，并且当确定刹车控制回路正常工作时，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度；限位机构，被配置为：响应于桨距角变化到安全角度，固定叶片的位置使得桨距角不再变化。
可选地，变桨驱动器包括用于控制刹车控制回路的控制单元，其中，控制单元被配置为：若所述控制单元未发生故障，则通过所述控制单元控制刹车控制回路，进而控制叶片的桨距角的变化速度；若所述控制单元发生故障，则基于风力发电机组的主控系统的串联连接到刹车控制回路的滑环的硬件接线，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。
可选地，限位机构包括：叶片旋转触发机构，安置在叶片轴承上；第一限位机构，安装在轮毂的在叶片的桨距角为第一安全桨距角的位置处，并且被配置为阻止叶片朝着桨距角大于第一安全桨距角的方向旋转；叶片锁机构，安装在轮毂的在叶片的桨距角为第二安全桨距角的位置处，并且被配置为当叶片旋转触发机构沿收桨方向滑过叶片锁机构之后，将叶片旋转触发机构限制在叶片锁机构与第一叶片限位机构之间；第二限位机构，安装在轮毂的在叶片的桨距角为第三安全桨距角的位置处，并且被配置为阻止叶片朝着桨距角小于第三安全桨距角的方向旋转。
可选地，限位机构响应于由于桨距角变化到安全角度而触发，并且控制单元被配置为响应于限位机构被触发而使刹车控制回路抱闸，从而使得桨距角不再变化；或者/并且，当控制单元确定刹车控制回路无法正常工作时，限位机构响应于由于桨距角变化到安全角度而触发，使得桨距角不再变化。
根据本发明构思的一个实施例，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的风力发电机组的控制方法。
根据本发明构思的一个实施例，提供一种计算装置，包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的风力发电机组的控制方法。
根据本发明构思的实施例的上述方法不需要进行叶片方位角的检测，不需要对叶片在每个时刻的受力及其受力方向进行检测，而是通过检测叶轮转动过程中叶片的最终受力结果(即，叶片的变桨方向)，判断叶片的受力方向，因此判断更简便、快捷；同时，通过控制刹车控制回路在抱闸与松闸之间切换，可以有效减小叶片转动速度过快而导致的刹车阀抱闸时的摩擦和振动。
此外，包括第一叶片限位机构和第二叶片限位机构的叶片限位机构以及叶片锁机构可使叶片的位置只在其工作允许范围内，有效防止叶片扫塔或失去控制，保护变桨系统及整机的安全。同时，包括在第一叶片限位机构中的机械锁死装置可防止叶片再次因为重力作用而向0度方向转动，还可避免因刹车控制回路粘连或刹车阀松动无法抱闸的情况下，叶片向大于90度方向转动，保护风力发电机组的机械部件的安全。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本公开的以上和/或其他方面将变得清楚和更容易理解，其中：
图1是示出根据本发明构思的实施例的风力发电机组的控制方法的流程图；
图2是示出根据本发明构思的实施例的确定刹车控制回路是否正常工作的方法的流程图；
图3是示出根据本发明构思的实施例的通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度的方法的流程图；
图4是示出根据本发明构思的实施例的使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的方法的流程图；
图5是示出根据本发明构思的实施例的风力发电机组的控制设备的框图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明构思的实施例。
变桨系统是风力发电机组的控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。变桨系统可通过调节叶片的桨距角，来改变气流对叶片的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。
典型的变桨系统可包括：变桨控制器、变桨驱动器、刹车控制回路、变桨电机和角度传感器等。变桨控制器可在接收到来自风力发电机组的主控系统的变桨命令和/或检测到变桨系统发生故障而自主顺桨时向变桨驱动器发送变桨指令。变桨驱动器可响应于来自变桨控制器的指令来控制刹车控制回路松闸并且控制变桨电机转动。刹车控制回路可基于变桨驱动器的控制而阻止或允许叶片的变桨操作。变桨电机可基于变桨驱动器的控制而向期望的方向转动，从而实现叶片的变桨操作。角度传感器可感测叶片的桨距角。在一个示例中，角度传感器可用编码器或旋转变压器来实现。变桨驱动器可采集角度传感器的感测信号以计算变桨电机的转速，并将计算的转速与变桨控制器发送给变桨驱动器的指令中的给定速度进行比较。如果计算的转速小于给定速度，则变桨驱动器可增大变桨电机的转速；如果计算的转速大于给定速度，则变桨驱动器可减小变桨电机的转速，最终使变桨电机的转速与给定速度一致。
在风力发电机组的运行过程中，变桨系统的变桨驱动器、刹车控制回路、变桨电机等组件都可能发生故障，而这些故障，很可能导致风力发电机组的叶片无法收回到安全位置(例如，桨距角为89度)。如果风力发电机组的叶片无法收回到安全位置，则在风力的作用下，会使风力发电机组的叶轮的转速无法下降，引发风力发电机超速甚至发生飞车危险。
此外，海上风资源及其质量要远高于陆上，因此海上风电已经成为一种趋势。海上风力发电机组的安全比陆地风力发电机组更重要，因为如果风力发电机组在海上发生飞车、倒塔或叶片扫塔，则叶轮、机舱会直接沉入海里，从而引起下列问题：第一，由于海水的浸泡，会使控制柜内各个电气元件尤其是控制器失效，无法复原故障数据，导致无法找寻故障原因，从而造成更大的安全隐患；第二，海上打捞的成本投入很大，耗时也更久；第三，还会给海洋环保带来巨大的影响，影响船只航行搁浅等一系列问题；第四，由于海水是导电液体，如果出现严重故障，导致高压漏电，也会造成进一步的危害。因此，在叶片桨距角卡滞在小角度时，需要采用一定的方法使叶片可以收回到安全位置。
此外，由于风力发电机叶片桨距角的转动范围有限(只有例如0～90度是其正常工作范围)，因此在叶片收回到90度左右而无法停止变桨电机运行的情况下，也会造成下列安全隐患：一方面，必然会超出允许范围导致相关结构件损坏，损耗机械部件；另一方面，如果叶片桨距角转动范围过大，则会使叶片的叶尖转到靠近塔筒的方向，如果叶轮还在转速，就有可能发生扫塔的危险。因此，在叶片桨距角大于90度位置后，也需要进行叶片位置的安全保护。
下面将参照图1至图5来描述能够在变桨系统出现故障的情况下实现叶片位置的安全保护的风力发电机组的控制方法和设备。
图1是示出根据本发明构思的实施例的风力发电机组的控制方法的流程图。
在步骤S1中，检测风力发电机组的变桨系统是否发生故障。
在一个示例中，可通过检测故障字来确定风力发电机组的变桨系统是否发生故障。在另一示例中，可通过检测变桨系统的各个组件的输出信号是否异常来确定风力发电机组的变桨系统是否发生故障。然而，以上仅是示例，并且本发明构思不限于此。
在步骤S2中，当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，确定刹车控制回路是否正常工作。
根据本发明构思的实施例，确定刹车控制回路是否正常工作可包括确定刹车控制回路的继电器触点是否正常。在一个实施例中，继电器触点是否正常可表示继电器触点是否发生粘连。例如，当刹车控制回路的继电器触点发生粘连(即，刹车控制回路的继电器触点始终保持接触)时，刹车控制回路将始终处于抱闸状态并且无法执行松闸操作。此外，在一些情况下，由于刹车控制回路的继电器触点接触不良，因此刹车控制回路施加给叶片的抱闸力不足，从而导致叶片在风力和叶片自身重力的作用下仍然存在一定的变桨速度。因此，当刹车控制回路的继电器触点发生粘连时，叶片可能仍然存在变桨运动并且无法通过刹车控制回路来控制叶片位置。然而，实施例不限于此，继电器触点是否正常还可表示除了继电器触点是否发生粘连之外的其他异常情况。
在下文中，将参照图2详细描述确定刹车控制回路是否正常工作的方法。
在步骤S3中，当确定刹车控制回路正常工作时，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度。
如上所述，确定刹车控制回路是否正常工作可包括确定刹车控制回路的继电器触点是否正常(例如，是否发生粘连)。因此，刹车控制回路正常工作指的是刹车控制回路的继电器触点正常(例如，没有发生粘连)。也就是说，在步骤S3中，当确定刹车控制回路的继电器触点正常(例如，没有发生粘连)时，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。
在刹车控制回路能够正常工作(即，刹车控制回路的继电器触点正常)的情况下，根据本发明构思的实施例，变桨驱动器可包括用于控制刹车控制回路的控制单元。在这种情况下，根据本发明构思的实施例，若控制单元未发生故障，则通过控制单元控制刹车控制回路，进而控制叶片的桨距角的变化速度。也就是说，当变桨驱动器中的用于控制刹车控制回路的控制单元能够正常工作时，可在该控制单元的控制下，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。例如，变桨控制器可通过与变桨驱动器之间的can通信来控制刹车控制回路进行操作。然而，若控制单元发生故障，则变桨系统将无法控制刹车控制回路。在这种情况下，根据本发明构思的实施例，可基于风力发电机组的主控系统的串联接到刹车控制回路的滑环的硬件接线，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。
根据本发明构思的实施例，上述通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度的步骤可包括：通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度。例如，当刹车控制回路的继电器触点互相分离时，可实现松闸从而允许叶片的变桨运动；当刹车控制回路的继电器触点互相接触时，可实现抱闸从而阻止叶片的变桨运动。因此，可通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来实现叶片在允许变桨与阻止变桨之间切换。换言之，当刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，叶片时而进行变桨，时而停止变桨，从而叶片的变桨速度可受到控制。
在下文中，将参照图3详细描述通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度的方法。
在步骤S4中，响应于桨距角变化到安全角度，固定叶片的位置使得桨距角不再变化。
安全角度可以是例如80度至100度范围内的桨距角。当叶片的桨距角处于安全角度的范围内时，由于叶面的迎风面较小，因此叶片受到风力的作用小，使得叶片不会因为风力作用而旋转过快，从而保证风力发电机组的安全。
根据本发明构思的实施例，固定叶片的位置使得桨距角不再变化的步骤可包括：通过限位机构来固定叶片的位置，使得桨距角不再变化。
根据本发明构思的实施例，限位机构可包括物理限位机构。物理限位机构可包括：叶片锁机构、叶片限位机构以及叶片旋转触发机构。叶片锁机构和叶片限位机构均可设置在轮毂上，叶片旋转触发机构可设置在叶片轴承上。叶片锁机构为弹簧结构并且可设置有防撞胶垫，防撞胶垫可有效减缓撞击时的振动。叶片旋转触发机构和叶片锁机构的接触面均为斜坡面，使得当叶片朝着收桨方向(即，90度)旋转时，随叶片旋转而旋转的叶片旋转触发机构的接触面可自行滑过叶片锁机构的接触面，而当叶片朝着开桨方向(即，0度)旋转时，由于叶片锁机构的弹簧结构的作用，导致随叶片旋转而旋转的叶片旋转触发机构无法滑过叶片锁机构。换言之，叶片锁机构具有允许叶片旋转触发机构沿收桨方向滑过而不允许叶片旋转触发机构沿开桨方向滑过的结构。
此外，叶片限位机构可包括设置在轮毂的在叶片的桨距角为第一安全桨距角(例如，95～100度左右)的位置处的第一叶片限位机构，使得第一叶片限位机构可阻止叶片朝着桨距角大于第一安全桨距角(例如，100度)的方向旋转。叶片锁机构可设置在轮毂的在桨距角为第二安全桨距角(例如，90度左右)的位置处，使得当叶片旋转触发机构沿收桨方向滑过叶片锁机构之后，叶片旋转触发机构被限制在叶片锁机构与第一叶片限位机构之间，从而叶片旋转触发机构的两侧分别被叶片锁机构和第一叶片限位机构锁定而无法移动，完成叶片锁定过程。在一个优选实施例中，第一叶片限位机构还可包括机械锁死装置，以防止叶片再次因为重力作用而向0度方向转动，还可避免因刹车控制回路粘连或刹车阀松动无法抱闸的情况下，叶片向大于90度方向转动，保护风力发电机组的机械部件的安全。
此外，在一个优选实施例中，叶片限位机构除了可包括第一叶片限位机构之外，还可进一步包括设置在叶片的桨距角为第三安全桨距角(例如，-5度左右)的位置处的第二叶片限位机构，使得第二叶片限位机构可阻止叶片朝着桨距角小于第三安全桨距角(例如，-5度)的方向旋转。因此，包括第一叶片限位机构和第二叶片限位机构的叶片限位机构以及叶片锁机构可使叶片的位置只在其工作允许范围内，有效防止叶片扫塔或失去控制，保护变桨系统及整机的安全。然而，应理解，以上仅是示例，并且物理限位机构的形式不限于此。
此外，在一个优选实施例中，限位机构还可包括虚拟限位。虚拟限位是在机械限位机构失效的情况下进行的一种电气控制。虚拟限位可包括设置在变桨驱动器内部的最大角度虚拟限位(即，允许的最大变桨角度)。在刹车控制回路能够正常工作并且变桨驱动器中的用于控制刹车控制回路的控制单元没有发生故障的情况下，当物理限位机构损坏而无法限制叶片的位置时，变桨控制器可响应于最大角度虚拟限位被触发而控制刹车控制回路抱闸，从而禁止桨距角进一步变化。
根据本发明构思的实施例，通过限位机构来固定叶片的位置，使得桨距角不再变化的步骤可包括：响应于由于桨距角变化到安全角度而触发限位机构，通过限位机构固定叶片的位置并使刹车控制回路抱闸，使得桨距角不再变化。可在执行步骤S1、步骤S2、步骤S3时，并行地执行响应于由于桨距角变化到安全角度而触发限位机构，通过限位机构固定叶片的位置并使刹车控制回路抱闸，使得桨距角不再变化的步骤。
如上所述，限位机构可包括第一叶片限位机构。可在第一叶片限位机构上安装触发器，使得当叶片旋转触发机构与第一叶片限位机构上的触发器接触时，产生触发信号。该触发信号表明叶片已被固定在叶片锁机构与第一叶片限位机构之间，即，该触发信号表明叶片的桨距角变化到安全角度。同时，使刹车控制回路抱闸可进一步固定叶片的位置并且可防止因限位机构损坏而导致的固定不牢的问题。
上述响应于由于桨距角变化到安全角度而触发限位机构，通过限位机构固定叶片的位置并使刹车控制回路抱闸，使得桨距角不再变化的步骤是在刹车控制回路能够正常工作的前提下进行的操作。然而，当确定刹车控制回路无法正常工作(例如，刹车控制回路的继电器触点不正常)时，根据本发明构思的实施例，可响应于由于桨距角变化到安全角度而触发限位机构，通过限位机构固定叶片的位置，使得桨距角不再变化。也就是说，当确定刹车控制回路无法正常工作时，不通过刹车控制回路来控制叶片的变桨速度，并且而是仅通过叶片的自由变桨运动触发限位机构来实现对叶片的位置的固定。
图2是示出根据本发明构思的实施例的确定刹车控制回路是否正常工作的方法的流程图。
在步骤S21中，当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，使变桨驱动器复位。
变桨驱动器的复位也可称为变桨驱动器的重启。变桨驱动器的复位或重启的原理为：变桨驱动器被断电并再次通电后会进行程序初始化以及参数初始化，从而可能在初始化完成之后修复故障。当复位或重启后的变桨驱动器没有故障时，可使用变桨驱动器控制叶片收桨。也就是说，当故障被修复时，变桨系统可在没有发生故障的情况下继续使用变桨驱动器来执行变桨操作。
在步骤S22中，当复位后的变桨驱动器仍然存在故障时，确定刹车控制回路是否正常工作。
当复位或重启后的变桨驱动器仍然存在故障时，表明变桨驱动器的故障无法通过变桨驱动器的复位或重启来消除。此时，需要确定刹车控制回路是否正常工作以便确定是否可以通过刹车控制回路来控制叶片的变桨速度。
然而，当复位后的变桨驱动器没有故障时(即，变桨驱动器的故障可以通过变桨驱动器的复位或重启来消除时)，可使用变桨驱动器控制叶片收桨。
图3是示出根据本发明构思的实施例的通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度的方法的流程图。
在步骤S31中，使刹车控制回路松闸，并检测用于测量变桨速度的角度传感器是否正常工作。
当刹车控制回路松闸后，叶片将在风力以及自身重力的作用下进行自由变桨运动。在这种情况下，叶片的自由变桨运动的变桨方向可能是收桨方向也可能是开桨方向。因此，需要检测变桨系统的角度传感器是否可以正常工作以便确定是否可以根据角度传感器感测的自由变桨运动的变桨方向来控制叶片的自由变桨运动。
在步骤S32中，当检测到角度传感器正常工作时，基于由角度传感器测量的叶片的桨距角的变化速度使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换；当检测到角度传感器故障时，以预定周期使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换。
当变桨系统出现故障时，为了保证系统安全，通常需要使叶片的桨距角朝着收桨方向变化，从而使叶片承受的风力最小并且使叶片的转速降低。因此，当检测到角度传感器正常工作时，可以通过角度传感器来判断叶片的自由变桨运动的变桨方向，从而通过刹车控制回路的松闸和抱闸来控制自由变桨运动的变桨方向保持期望的方向(即，收桨方向)。在优选实施例中，每当刹车控制回路松闸时，均可执行步骤S31和步骤S32，从而不断地控制自由变桨运动的变桨方向。
在下文中，将参照图4详细描述使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的方法。
图4是示出根据本发明构思的实施例的使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的方法的流程图。
在步骤S321中，当桨距角的变化速度小于或等于0，或者大于或等于预设阈值时，使刹车控制回路抱闸。
桨距角的变化速度小于或等于0可表示桨距角朝着0度方向(即，开桨方向)变化，这可导致叶片的迎风面积增大，并且使叶片的旋转速度增大，对风力发电机的安全造成威胁，因此需要立即抱闸以停止叶片的桨距角朝着开桨方向变化。桨距角的变化速度大于或等于预设阈值可表示叶片的变桨速度过大，可能在抱闸时引起震动，因此，需要立即抱闸从而防止叶片的变桨速度过大而导致的抱闸时的震动。在一个示例中，预设阈值可预先设置。例如，预设阈值可以是2～4度/秒。然而，以上仅是示例，并且预设阈值不限于此。
在步骤S322中，当桨距角的变化速度在第一预定时间段内始终大于0且小于预设阈值时，使刹车控制回路抱闸。也就是说，当刹车控制回路保持松闸状态持续第一预定时间段并且桨距角的变化速度始终大于0且小于预设阈值，则刹车控制回路从松闸状态进入抱闸状态(即，松闸状态最多持续第一预定时间段)。
在步骤S323中，响应于刹车控制回路抱闸持续第二预定时间段，使刹车控制回路松闸。也就是说，当刹车控制回路保持抱闸状态持续第二预定时间段，则刹车控制回路从抱闸状态进入松闸状态(即，抱闸状态最多持续第二预定时间段)。根据本发明构思的实施例，第一预定时间段和第二预定时间段可相同或不同。
因此，通过在第二预定时间段内抱闸并且在第一预定时间段内松闸，使得叶片始终以安全的变桨速度朝着收桨方向进行自由变桨运动，可以有效减小叶片变桨速度过快而导致的刹车控制回路抱闸时的摩擦和振动。
上述步骤S321和步骤S323是在角度传感器能够正常工作的前提下进行的操作。然而，当检测到角度传感器无法正常工作时，根据本发明构思的实施例，可以以预定周期使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换。通过以预定周期使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，使叶片始终以安全的变桨速度进行自由变桨运动，可以有效减小叶片变桨速度过快而导致的刹车控制回路抱闸时的摩擦和振动。
根据本发明构思的实施例的上述方法不需要进行叶片方位角的检测，不需要对叶片在每个时刻的受力及其受力方向进行检测，而是通过检测叶轮转动过程中叶片的最终受力结果(即，叶片的变桨方向)，判断叶片的受力方向，因此判断更简便、快捷；同时，通过控制刹车控制回路在抱闸与松闸之间切换，可以有效减小叶片转动速度过快而导致的刹车阀抱闸时的摩擦和振动。
图5是示出根据本发明构思的实施例的风力发电机组的控制设备的框图。
参照图5，风力发电机组的控制设备100可包括检测单元110、控制单元120、限位机构130。
检测单元110可被配置为检测风力发电机组的变桨系统是否发生故障。
在一个示例中，可通过检测故障字来确定风力发电机组的变桨系统是否发生故障。在另一示例中，可通过检测变桨系统的各个组件的输出信号是否异常来确定风力发电机组的变桨系统是否发生故障。然而，以上仅是示例，并且本发明构思不限于此。
控制单元120可被配置为：当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，确定刹车控制回路是否正常工作。
根据本发明构思的实施例，确定刹车控制回路是否正常工作可包括确定刹车控制回路的继电器触点是否正常。在一个实施例中，继电器触点是否正常可表示继电器触点是否发生粘连。例如，当刹车控制回路的继电器触点发生粘连时，叶片可能仍然存在变桨运动并且无法通过刹车控制回路来控制叶片位置。然而，实施例不限于此，继电器触点是否正常还可表示除了继电器触点是否发生粘连之外的其他异常情况。
下面，将详细描述确定刹车控制回路是否正常工作的处理。
根据本发明构思的实施例，确定刹车控制回路是否正常工作的处理可包括：当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，使变桨驱动器复位。
变桨驱动器的复位也可称为变桨驱动器的重启。变桨驱动器的复位或重启的原理为：变桨驱动器被断电并再次通电后会进行程序初始化以及参数初始化，从而可能在初始化完成之后修复故障。当复位或重启后的变桨驱动器没有故障时，可使用变桨驱动器控制叶片收桨。也就是说，当故障被修复时，变桨系统可在没有发生故障的情况下继续使用变桨驱动器来执行变桨操作。
此外，根据本发明构思的实施例，使变桨驱动器复位之后，当复位后的变桨驱动器仍然存在故障时，确定刹车控制回路是否正常工作。
当复位或重启后的变桨驱动器仍然存在故障时，表明变桨驱动器的故障无法通过变桨驱动器的复位或重启来消除。此时，需要确定刹车控制回路是否正常工作以便确定是否可以通过刹车控制回路来控制叶片的变桨速度。
然而，当复位后的变桨驱动器没有故障时(即，变桨驱动器的故障可以通过变桨驱动器的复位或重启来消除时)，可使用变桨驱动器控制叶片收桨。
控制单元120可还被配置为：当确定刹车控制回路正常工作时，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度。
如上所述，确定刹车控制回路是否正常工作可包括确定刹车控制回路的继电器触点是否正常(例如，是否发生粘连)。因此，刹车控制回路正常工作指的是刹车控制回路的继电器触点正常(例如，没有发生粘连)。也就是说，第一控制器130可被配置为：当确定刹车控制回路的继电器触点正常(例如，没有发生粘连)时，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。
在刹车控制回路能够正常工作(即，刹车控制回路的继电器触点正常)的情况下，根据本发明构思的实施例，变桨驱动器可包括用于控制刹车控制回路的控制单元。在这种情况下，根据本发明构思的实施例，若控制单元未发生故障，则通过控制单元控制刹车控制回路，进而控制叶片的桨距角的变化速度。也就是说，当变桨驱动器中的用于控制刹车控制回路的控制单元能够正常工作时，可在该控制单元的控制下，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。例如，变桨控制器可通过与变桨驱动器之间的can通信来控制刹车控制回路进行操作。然而，若控制单元发生故障，则变桨系统将无法控制刹车控制回路。在这种情况下，根据本发明构思的实施例，可基于风力发电机组的主控系统的串联接到刹车控制回路的滑环的硬件接线，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。
根据本发明构思的实施例，上述通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度的处理可包括：通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度。例如，当刹车控制回路的继电器触点互相分离时，可实现松闸从而允许叶片的变桨运动；当刹车控制回路的继电器触点互相接触时，可实现抱闸从而阻止叶片的变桨运动。因此，可通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来实现叶片在允许变桨与阻止变桨之间切换。
下面，将详细描述通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度的处理。
根据本发明构思的实施例，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度的处理可包括：使刹车控制回路松闸，并检测用于测量变桨速度的角度传感器是否正常工作。
当刹车控制回路松闸后，叶片将在风力以及自身重力的作用下进行自由变桨运动。在这种情况下，叶片的自由变桨运动的变桨方向可能是收桨方向也可能是开桨方向。因此，需要检测变桨系统的角度传感器是否可以正常工作以便确定是否可以根据角度传感器感测的自由变桨运动的变桨方向来控制叶片的自由变桨运动。
此外，根据本发明构思的实施例，在检测用于测量变桨速度的角度传感器是否正常工作之后，当检测到角度传感器正常工作时，基于由角度传感器测量的叶片的桨距角的变化速度使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换。
当变桨系统出现故障时，为了保证系统安全，通常需要使叶片的桨距角朝着收桨方向变化，从而使叶片承受的风力最小并且使叶片的转速降低。因此，当检测到角度传感器正常工作时，可以通过角度传感器来判断叶片的自由变桨运动的变桨方向，从而通过刹车控制回路的松闸和抱闸来控制自由变桨运动的变桨方向保持期望的方向(即，收桨方向)。在优选实施例中，每当刹车控制回路松闸时，均可执行使刹车控制回路松闸并检测用于测量变桨速度的角度传感器是否正常工作的处理，以及当检测到角度传感器正常工作时基于由角度传感器测量的叶片的桨距角的变化速度使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的处理，从而不断地控制自由变桨运动的变桨方向。
下面，将详细描述使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的处理。
根据本发明构思的实施例，使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的处理的包括：当桨距角的变化速度小于或等于0，或者大于或等于预设阈值时，使刹车控制回路抱闸。
桨距角的变化速度小于或等于0可表示桨距角朝着0度方向(即，开桨方向)变化，这可导致叶片的迎风面积增大，并且使叶片的旋转速度增大，对风力发电机的安全造成威胁，因此需要立即抱闸以停止叶片的桨距角朝着开桨方向变化。桨距角的变化速度大于或等于预设阈值可表示叶片的变桨速度过大，可能在抱闸时引起震动，因此，需要立即抱闸从而防止叶片的变桨速度过大而导致的抱闸时的震动。在一个示例中，预设阈值可预先设置。例如，预设阈值可以是2～4度/秒。然而，以上仅是示例，并且预设阈值不限于此。
此外，根据本发明构思的实施例，当桨距角的变化速度在第一预定时间段内始终大于0且小于预设阈值时，使刹车控制回路抱闸。也就是说，当刹车控制回路保持松闸状态持续第一预定时间段并且桨距角的变化速度始终大于0且小于预设阈值，则刹车控制回路从松闸状态进入抱闸状态(即，松闸状态最多持续第一预定时间段)。
此外，根据本发明构思的实施例，响应于刹车控制回路抱闸持续第二预定时间段，使刹车控制回路松闸。也就是说，当刹车控制回路保持抱闸状态持续第二预定时间段，则刹车控制回路从抱闸状态进入松闸状态(即，抱闸状态最多持续第二预定时间段)。根据本发明构思的实施例，第一预定时间段和第二预定时间段可相同或不同。
因此，通过在第二预定时间段内抱闸并且在第一预定时间段内松闸，使得叶片始终以安全的变桨速度朝着收桨方向进行自由变桨运动，可以有效减小叶片变桨速度过快而导致的刹车控制回路抱闸时的摩擦和振动。
上述当桨距角的变化速度小于或等于0，或者大于或等于预设阈值时使刹车控制回路抱闸的处理，以及当桨距角的变化速度在第一预定时间段内始终大于0且小于预设阈值时使刹车控制回路抱闸的处理是在角度传感器能够正常工作的前提下进行的操作。然而，当检测到角度传感器无法正常工作时，根据本发明构思的实施例，可以以预定周期使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换。通过以预定周期使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，使叶片始终以安全的变桨速度进行自由变桨运动，可以有效减小叶片变桨速度过快而导致的刹车控制回路抱闸时的摩擦和振动。
根据本发明构思的实施例的上述处理不需要进行叶片方位角的检测，不需要对叶片在每个时刻的受力及其受力方向进行检测，而是通过检测叶轮转动过程中叶片的最终受力结果(即，叶片的变桨方向)，判断叶片的受力方向，因此判断更简便、快捷；同时，通过控制刹车控制回路在抱闸与松闸之间切换，可以有效减小叶片转动速度过快而导致的刹车阀抱闸时的摩擦和振动。
限位机构130可被配置为：响应于桨距角变化到安全角度，固定叶片的位置使得桨距角不再变化。
安全角度可以是例如80度至100度范围内的桨距角。当叶片的桨距角处于安全角度的范围内时，由于叶面的迎风面较小，因此叶片受到风力的作用小，使得叶片不会因为风力作用而旋转过快，从而保证风力发电机组的安全。
根据本发明构思的实施例，限位机构130可包括物理限位机构。物理限位机构可包括：叶片锁机构、叶片限位机构以及叶片旋转触发机构。叶片锁机构和叶片限位机构均可设置在轮毂上，叶片旋转触发机构可设置在叶片轴承上。叶片锁机构为弹簧结构并且可设置有防撞胶垫，防撞胶垫可有效减缓撞击时的振动。叶片旋转触发机构和叶片锁机构的接触面均为斜坡面，使得当叶片朝着收桨方向(即，90度)旋转时，随叶片旋转而旋转的叶片旋转触发机构的接触面可自行滑过叶片锁机构的接触面，而当叶片朝着开桨方向(即，0度)旋转时，由于叶片锁机构的弹簧结构的作用，导致随叶片旋转而旋转的叶片旋转触发机构无法滑过叶片锁机构。换言之，叶片锁机构具有允许叶片旋转触发机构沿收桨方向滑过而不允许叶片旋转触发机构沿开桨方向滑过的结构。
此外，叶片限位机构可包括设置在轮毂的在叶片的桨距角为第一安全桨距角(例如，95～100度左右)的位置处的第一叶片限位机构，使得第一叶片限位机构可阻止叶片朝着桨距角大于第一安全桨距角(例如，100度)的方向旋转。叶片锁机构可设置在轮毂的在桨距角为第二安全桨距角(例如，90度左右)的位置处，使得当叶片旋转触发机构沿收桨方向滑过叶片锁机构之后，叶片旋转触发机构被限制在叶片锁机构与第一叶片限位机构之间，从而叶片旋转触发机构的两侧分别被叶片锁机构和第一叶片限位机构锁定而无法移动，完成叶片锁定过程。在一个优选实施例中，第一叶片限位机构还可包括机械锁死装置，以防止叶片再次因为重力作用而向0度方向转动，还可避免因刹车控制回路粘连或刹车阀松动无法抱闸的情况下，叶片向大于90度方向转动，保护风力发电机组的机械部件的安全。
此外，在一个优选实施例中，叶片限位机构除了可包括第一叶片限位机构之外，还可进一步包括设置在叶片的桨距角为第三安全桨距角(例如，-5度左右)的位置处的第二叶片限位机构，使得第二叶片限位机构可阻止叶片朝着桨距角小于第三安全桨距角(例如，-5度)的方向旋转。因此，包括第一叶片限位机构和第二叶片限位机构的叶片限位机构以及叶片锁机构可使叶片的位置只在其工作允许范围内，有效防止叶片扫塔或失去控制，保护变桨系统及整机的安全。然而，应理解，以上仅是示例，并且物理限位机构的形式不限于此。
此外，在一个优选实施例中，限位机构130还可包括虚拟限位。虚拟限位是在机械限位机构失效的情况下进行的一种电气控制。虚拟限位可包括设置在变桨驱动器内部的最大角度虚拟限位(即，允许的最大变桨角度)。在刹车控制回路能够正常工作并且变桨驱动器中的用于控制刹车控制回路的控制单元没有发生故障的情况下，当物理限位机构损坏而无法限制叶片的位置时，变桨控制器可响应于最大角度虚拟限位被触发而控制刹车控制回路抱闸，从而禁止桨距角进一步变化。
下面，将详细描述通过限位机构来固定叶片的位置的方法。
根据本发明构思的实施例，限位机构130响应于由于桨距角变化到安全角度而触发，并且控制单元120被配置为响应于限位机构被触发而使刹车控制回路抱闸，从而使得桨距角不再变化。
可在执行检测风力发电机组的变桨系统是否发生故障的处理、当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时确定刹车控制回路是否正常工作的处理、当确定刹车控制回路正常工作时通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度的处理、当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时使变桨驱动器复位的处理、当复位后的变桨驱动器仍然存在故障时确定刹车控制回路是否正常工作的处理、使刹车控制回路松闸并检测用于测量变桨速度的角度传感器是否正常工作的处理、当检测到角度传感器正常工作时基于由角度传感器测量的叶片的桨距角的变化速度使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的处理、当桨距角的变化速度小于或等于0或者大于或等于预设阈值时使刹车控制回路抱闸的处理、以及当桨距角的变化速度在第一预定时间段内始终大于0且小于预设阈值时使刹车控制回路抱闸的处理时，并行地执行限位机构130响应于由于桨距角变化到安全角度而触发，并且控制单元120被配置为响应于限位机构被触发而使刹车控制回路抱闸，从而使得桨距角不再变化的处理。
如上所述，限位机构130可包括第一叶片限位机构。可在第一叶片限位机构上安装触发器，使得当叶片旋转触发机构与第一叶片限位机构上的触发器接触时，产生触发信号。该触发信号表明叶片已被固定在叶片锁机构与100度叶片限位机构之间，即，该触发信号表明叶片的桨距角变化到安全角度。同时，使刹车控制回路抱闸可进一步固定叶片的位置并且可防止因限位机构损坏而导致的固定不牢的问题。
上述限位机构响应于由于桨距角变化到安全角度而触发，并且控制单元被配置为响应于限位机构被触发而使刹车控制回路抱闸，从而使得桨距角不再变化的处理是在刹车控制回路能够正常工作的前提下进行的操作。然而，当控制单元120确定刹车控制回路无法正常工作(例如，刹车控制回路的继电器触点不正常)时，根据本发明构思的实施例，限位机构响应于由于桨距角变化到安全角度而触发，使得桨距角不再变化。也就是说，当确定刹车控制回路无法正常工作时，不通过刹车控制回路来控制叶片的变桨速度，并且而是仅通过叶片的自由变桨运动触发限位机构来实现对叶片的位置的固定。
根据本发明构思的实施例的上述方法不需要进行叶片方位角的检测，不需要对叶片在每个时刻的受力及其受力方向进行检测，而是通过检测叶轮转动过程中叶片的最终受力结果(即，叶片的变桨方向)，判断叶片的受力方向，因此判断更简便、快捷；同时，通过控制刹车控制回路在抱闸与松闸之间切换，可以有效减小叶片转动速度过快而导致的刹车阀抱闸时的摩擦和振动。
此外，包括第一叶片限位机构和第二叶片限位机构的叶片限位机构以及叶片锁机构可使叶片的位置只在其工作允许范围内，有效防止叶片扫塔或失去控制，保护变桨系统及整机的安全。同时，包括在第一叶片限位机构中的机械锁死装置可防止叶片再次因为重力作用而向0度方向转动，还可避免因刹车控制回路粘连或刹车阀松动无法抱闸的情况下，叶片向大于90度方向转动，保护风力发电机组的机械部件的安全。
此外，应该理解，根据本发明示例性实施例的设备中的各个检测器和/或控制器可被实现为硬件组件和/或软件组件。本领域技术人员根据限定的各个检测器和/或控制器所执行的处理，可以例如使用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实现各个单元。
此外，根据本发明的实施例的风力发电机组的控制方法可以被实现为计算机可读存储介质中的程序指令。本领域技术人员可以根据对上述方法的描述来实现该程序指令。当该程序指令在计算机中被执行时实现本发明的上述方法。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (12)
1.一种风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
检测风力发电机组的变桨系统是否发生故障；
当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，确定刹车控制回路是否正常工作；
当确定刹车控制回路正常工作时，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度；
响应于桨距角变化到安全角度，固定叶片的位置使得桨距角不再变化。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，确定刹车控制回路是否正常工作的步骤包括：
确定刹车控制回路的继电器触点是否正常。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，变桨驱动器包括用于控制刹车控制回路的控制单元，
其中，通过刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度的步骤包括：
若所述控制单元未发生故障，则通过所述控制单元控制刹车控制回路，进而控制叶片的桨距角的变化速度；
若所述控制单元发生故障，则基于风力发电机组的主控系统的串联连接到刹车控制回路的滑环的硬件接线，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度的步骤包括：
使刹车控制回路松闸，并检测用于测量变桨速度的角度传感器是否正常工作；
当检测到角度传感器正常工作时，基于由角度传感器测量的叶片的桨距角的变化速度使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，基于由角度传感器测量的叶片的桨距角的变化速度使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换的步骤包括：
当桨距角的变化速度小于或等于0，或者大于或等于预设阈值时，使刹车控制回路抱闸；
当桨距角的变化速度在第一预定时间段内始终大于0且小于预设阈值时，使刹车控制回路抱闸；
响应于刹车控制回路抱闸持续第二预定时间段，使刹车控制回路松闸。
6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度的步骤还包括：
当检测到角度传感器无法正常工作时，以预定周期使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换。
7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，固定叶片的位置使得桨距角不再变化的步骤包括：
响应于由于桨距角变化到安全角度而触发限位机构，通过限位机构固定叶片的位置并使刹车控制回路抱闸，使得桨距角不再变化。
8.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
当确定刹车控制回路无法正常工作时，响应于由于桨距角变化到安全角度而触发限位机构，通过限位机构固定叶片的位置，使得桨距角不再变化。
9.一种风力发电机组的控制设备，其特征在于，所述控制设备包括：
检测单元，被配置为检测风力发电机组的变桨系统是否发生故障；
控制单元，被配置为：当检测到变桨系统的变桨驱动器发生故障时，确定刹车控制回路是否正常工作，并且当确定刹车控制回路正常工作时，通过使刹车控制回路在松闸与抱闸之间切换，来控制叶片的桨距角的变化速度；
限位机构，被配置为：响应于桨距角变化到安全角度，固定叶片的位置使得桨距角不再变化。
10.如权利要求9所述的控制设备，其特征在于，变桨驱动器包括用于控制刹车控制回路的控制单元，
其中，控制单元还被配置为：
若所述控制单元未发生故障，则通过所述控制单元控制刹车控制回路，进而控制叶片的桨距角的变化速度；若所述控制单元发生故障，则基于风力发电机组的主控系统的串联连接到刹车控制回路的滑环的硬件接线，通过刹车控制回路来控制叶片的桨距角的变化速度。
11.如权利要求9所述的控制设备，其特征在于，限位机构包括：
叶片旋转触发机构，安置在叶片轴承上；
第一限位机构，安装在轮毂的在叶片的桨距角为第一安全桨距角的位置处，并且被配置为阻止叶片朝着桨距角大于第一安全桨距角的方向旋转；
叶片锁机构，安装在轮毂的在叶片的桨距角为第二安全桨距角的位置处，并且被配置为当叶片旋转触发机构沿收桨方向滑过叶片锁机构之后，将叶片旋转触发机构限制在叶片锁机构与第一限位机构之间；
第二限位机构，安装在轮毂的在叶片的桨距角为第三安全桨距角的位置处，并且被配置为阻止叶片朝着桨距角小于第三安全桨距角的方向旋转。
12.如权利要求11所述的控制设备，其特征在于，限位机构响应于由于桨距角变化到安全角度而触发，并且控制单元被配置为响应于限位机构被触发而使刹车控制回路抱闸，从而使得桨距角不再变化；或者/并且，
当控制单元确定刹车控制回路无法正常工作时，限位机构响应于由于桨距角变化到安全角度而触发，使得桨距角不再变化。
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