CN115653831A - 一种风力发电机组应急偏航控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种风力发电机组应急偏航控制系统和方法，包括风况数据单元、工作状态单元、应急远程控制中心和应急调控单元；风况数据单元用于获取当前风速和当前风向；工作状态单元用于获取风机的当前偏航状态和当前转速；应急远程控制中心用于根据当前风速、当前风向、预设的转速阈值、当前偏航状态和当前转速，生成应急偏航方案，并基于应急偏航方案向风机发送应急偏航控制指令；应急调控单元用于根据应急偏航控制指令调控风机的偏航状态，使风机退出正常偏航状态并进入应急偏航状态。本申请提供两类调控方案，既保证有效调控，又保障机组安全，同时设置了恢复正常偏航功能，本申请结构简单，可在现有风机偏航控制系统的基础上进行加装。

Description

一种风力发电机组应急偏航控制系统和方法

技术领域

本申请属于新能源技术领域，具体涉及一种风力发电机组应急偏航控制系统和方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴量巨大，越来越受到世界各国的重视。风向具有随机性，总是在不断改变。为了使风轮正常工作时，风轮叶片一直正对着风的方向，以充分利用风的能量，在机舱转盘底座上安装调向机构，风力发电机组的调向机构称为偏航装置。偏航装置可以调整风机轮毂朝向与风向的夹角，使风机能够及时跟踪风向的变化，捕获更大的风能。

但是，当出现一些恶劣天气状况，或者风机出现异常工作状态时，为了保证风机安全，需要进行紧急的偏航控制。紧急偏航和正常偏航的控制逻辑，决定了风机工作安全和工作效率。

发明内容

本申请提出了一种风力发电机组应急偏航控制系统和方法，明确紧急偏航和正常偏航的控制逻辑，保证风机安全和工作效率。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种风力发电机组应急偏航控制系统，包括风况数据单元、工作状态单元、应急远程控制中心和应急调控单元；

所述风况数据单元用于获取当前风速和当前风向；

所述工作状态单元用于获取风机的当前偏航状态和当前转速；

所述应急远程控制中心用于根据所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成应急偏航方案，并基于所述应急偏航方案向所述风机发送应急偏航控制指令；

所述应急调控单元用于根据所述应急偏航控制指令调控所述风机的偏航状态，使所述风机退出正常偏航状态并进入应急偏航状态。

优选的，所述风况数据单元通过风速监测设备获得所述当前风速，以及通过风向监测设备获得所述当前风向。

优选的，所述当前偏航状态包括舵机转向数据和扇叶转角数据；

所述正常偏航状态指的是由风机的偏航控制装置产生，并通过风机的调整设备调整风机的所述舵机转向数据和所述扇叶转角数据。

优选的，所述应急远程控制中心包括应急方案单元、远程控制单元和报警单元；

所述应急方案单元用于根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的应急偏航方案；

所述远程控制单元用于根据所述应急偏航方案以及该应急偏航方案对应的风机编号，生成该编号风机对应的应急偏航控制指令；

所述报警单元用于发出报警信息。

优选的，所述应急方案单元包括实时解算单元和历史数据单元；

所述应急偏航方案包括实时解算参考方案和历史数据参考方案；

所述实时解算单元用于根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的实时解算参考方案；

所述历史数据单元用于根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的历史数据参考方案。

优选的，所述应急偏航控制指令包括风机编号，以及中断指令、应急转向数据和应急转角数据；

所述应急偏航状态包括舵机的应急转向和扇叶的应急转角；

所述应急调控单元包括中断单元和调控单元；

所述中断单元用于根据风机编号和所述中断指令，通过风机的调整设备，控制风机退出正常偏航状态；

所述调控单元用于根据风机编号，以及所述应急转向数据，通过风机的调整设备，调整舵机的应急转向，以及根据所述应急转角数据，通过风机的调整设备，调整扇叶的应急转角。

优选的，所述应急调控单元还包括恢复单元；

所述恢复单元用于监测所述当前风速和所述当前风向，当所述当前风速和所述当前风向恢复至安全阈值时，所述恢复单元向所述应急远程控制中心发出恢复偏航请求；

所述应急远程控制中心根据所述恢复偏航请求，生成恢复偏航控制指令；

所述恢复单元还用于根据所述恢复偏航控制指令，通过风机的调整设备，控制风机的偏航状态，使风机退出应急偏航状态。

优选的，当风机的进入应急偏航状态后，风机工作依然不正常时，以及当风机在应急偏航状态和正常偏航状态之间重复时，所述报警单元发出异常报警信息。

为实现上述目的，本申请还提供了一种风力发电机组应急偏航控制方法，包括如下步骤；

获取当前风速和当前风向；

获取风机的当前偏航状态和当前转速；

根据所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成应急偏航方案，并基于所述应急偏航方案向所述风机发送应急偏航控制指令；

根据所述应急偏航控制指令调控所述风机的偏航状态，使所述风机退出正常偏航状态并进入应急偏航状态。

优选的，所述应急偏航方案包括实时解算参考方案和历史数据参考方案；

根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的实时解算参考方案；

根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的历史数据参考方案。

本申请的有益效果为：

本申请公开了一种风力发电机组应急偏航控制系统和方法，可提供两种应急偏航调控方案，既保证有效调控，又保障机组紧急情况下的运行安全；同时设置了恢复正常偏航功能，提高风机工作效率。本申请结构简单，可在现有风机偏航控制系统的基础上进行加装，通过紧急终端信号介入风机的偏航控制，具有广泛的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一的风力发电机组应急偏航控制系统结构示意图。

图2为本申请实施例二的风力发电机组应急偏航控制方法流程示意图。

具体实施方式

风力发电机组的偏航控制系统，主要是用来根据风向，主动调整机组舵机的转向，使扇叶更好的对准风向，提高风力利用效率。在一些更先进的偏航控制系统上面，甚至还可以调节扇叶的角度，使扇叶更好的接收风力。

但是，由于风力放电通常部署于风能丰富的地区，这些地区也很容易出现恶劣天气，此时就需要紧急调整偏航状态，以防止因恶劣天气造成风机危险。或者风机工作不正常，而长时间的异常工作则可能会损坏机组。因此，紧急情况下的偏航控制，对风力发电机组的运行安全至关重要。

但由于早期的风机发电机组中并没有紧急偏航控制功能，而整体改造又成本很高，且效率低，所以加装具有紧急偏航控制系统的方式更符合现实情况。而加装的控制系统如何介入正常偏航控制、以及如何恢复正常的偏航控制，是本申请技术方案的重点。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

首先，需要说明的是，本申请技术方案，采用的是加装紧急偏航控制系统的方式，将紧急偏航控制逻辑嵌入到原有的正常的偏航控制系统和控制逻辑之中，因此，很多的功能设备并不属于本申请技术方案内容，而只需要连接现有装置即可。对于这些现有装置，本申请技术方案及实施例均不再赘述。

实施例一

如图1所示，为本申请实施例的风力发电机组应急偏航控制系统结构示意图，主要包括风况数据单元、工作状态单元、应急远程控制中心和应急调控单元。

其中，风况数据单元用于获取当前风速和当前风向；工作状态单元用于获取风机的当前偏航状态和当前转速；应急远程控制中心用于根据当前风速、当前风向、预设的转速阈值、当前偏航状态和当前转速，生成应急偏航方案，并基于应急偏航方案向风机发送应急偏航控制指令；应急调控单元用于根据应急偏航控制指令调控风机的偏航状态，使风机退出正常偏航状态并进入应急偏航状态。

下面，结合本实施例，具体介绍各个功能部分的具体实现方式。

在本实施例中，风况数据单元通过风速监测设备获得当前风速，以及通过风向监测设备获得当前风向。具体的获取方式，可以通过直接连接原风机已安装的风力监测设备和风向监测设备实现，也可通过数据线直接接收风力数据，在此不再赘述。

由于本申请技术方案是要将紧急偏航控制嵌入到风机自身原本正常的偏航控制中，因此还需要获取当前的偏航状态，用以计算出合适的偏航数据。在本实施例中，当前偏航状态包括舵机转向数据和扇叶转角数据。正常偏航指令由风机的偏航控制装置产生，并通过风机调整设备调整风机的舵机转向数据和扇叶转角数据，该控制状态下的偏航即为正常偏航状态。正常偏航的控制逻辑，不属于本申请技术方案内容，在此不再赘述。

在本实施例中，应急远程控制中心由应急方案单元、远程控制单元和报警单元组成。具体的，应急方案单元用于根据当前编号风机的当前风速、当前风向、预设的转速阈值、当前偏航状态和当前转速，生成当前编号风机对应的应急偏航方案；远程控制单元用于根据应急偏航方案以及该应急偏航方案对应的风机编号，生成该编号风机对应的应急偏航控制指令；报警单元用于发出报警信息。在本实施例中，为了便于区分每一台风机，并便于控制每一台风机，因此为每一台风机分配了一个独有的编号。

进一步的，在本实施例中，应急方案单元又包括实时解算单元和历史数据单元。相应的，应急偏航方案包括实时解算参考方案和历史数据参考方案。

实时解算单元用于根据当前编号风机的当前风速、当前风向、预设的转速阈值、当前偏航状态和当前转速，生成当前编号风机对应的实时解算参考方案。该方案是针对当前的风速、风向，进行理论计算，即在当前风速、风向条件下，计算舵机转向角度和扇叶转角各为多少度时，可以保证风机转速在预设的紧急安全阈值内。通常，在一些极端天气状况下，风速的变化时非常剧烈的，因此该紧急安全阈值的范围要尽可能小一些，以便流程足够的安全空间。例如，通常风机的安全转速在15-30转，则紧急安全阈值可设置为20-25转。这是一个纯数学计算过程，可通过多种不同的计算公式实现，在此不再赘述，本申请及本实施例也不做限定。相应的，历史数据单元用于生成当前编号风机对应的历史数据参考方案。该历史数据指的是历史上有过相似情况时的实际调控数据，可在历史数据库中通过搜索的方式，提供多个选择。

在本实施例中，应急偏航控制指令包括风机编号，以及中断指令、应急转向数据和应急转角数据。相应的，应急偏航状态包括舵机的应急转向和扇叶的应急转角。相应的，应急调控单元分为中断单元和调控单元。具体的，中断单元根据风机编号和中断指令，通过风机的调整设备停止执行风机原本的偏航控制，控制风机退出正常偏航状态；随后，调控单元根据风机编号，以及应急转向数据，通过风机自身的调整设备，调整舵机的应急转向，并根据应急转角数据，通过风机自身的调整设备，调整扇叶的应急转角。不过，应急偏航状态的实现，需要根据机组能够实现的偏航功能确定，多数机组可能并不支持局部扇叶角度偏转功能，则只执行舵机的应急转向。

下面，具体介绍本实施例中应急偏航控制指令的产生逻辑：

当突发大风天气时，此时风力很大，风速很快，扇叶能够获得更高能量的风力，达到更高的转速。但过高的转速，可能会超过机组的承受能力，从而造成机组设备损坏。在本实施例中，应急远程控制中的的应急方案单元实时根据当前风速，计算得到风机的理论转速。当理论转速大于预设的转速阈值的最大值时，说明风机需要进入应急状态。此时，报警单元发出报警信息。

应急偏航控制指令中的舵机的应急转向数据，和扇叶的应急转角数据，均需根据当前风力计算出最终的偏航状态后，再结合当前的偏航状态，计算出应急调整的数据。应急方案单元中的实时解算单元开始计算，生成实时解算参考方案，同时历史数据单元开始搜索历史上类似状态下的调控数据，生成历史数据参考方案。

在本实施例中，鉴于紧急偏航控制中受影响因素较多，且安全风险较大，所以采用保守策略，由相关技术人员在综合当前风速、风向后，综合研判实时解算参考方案和历史数据参考方案后，由技术人员作出最终的调控方案，作为该风机的应急偏航控制指令。若当前数个风机情况相同，则也可批量生产应急偏航控制指令。

应急偏航控制指令的优先级高于正常的偏航指令，从而使得风机调整设备优先执行应急偏航控制指令。

另外，在本实施例中，还在应急调控单元中增设了恢复单元。恢复单元用于实时监测风速和风向，当风力趋缓，风速和风向恢复至安全阈值，根据风速计算的理论转速恢复到正常工作状态区间时，恢复单元向应急远程控制中心发出恢复偏航请求，技术人员确认后，生成恢复偏航控制指令。恢复单元再根据恢复偏航控制指令，通过风机的调整设备，控制风机的偏航状态，使风机退出应急偏航状态，恢复接收正常的偏航控制指令，并调整舵机转向和扇叶角度。

但是，当风机的进入应急偏航状态后，风机工作依然不正常时，以及当风机在应急偏航状态和正常偏航状态之间重复时，此时意味着风机可能已经出现故障，报警单元将发出异常报警信息。

需要说明的是，本实施例中的管控中心，具有远程控制风机工作的功能，以及向维修、维护人员发出报警信息的功能。具体的功能实现，不是本申请技术方案内容，在此不做详细介绍。

实施例二

如图2所示，为本申请提供的风力发电机组应急偏航控制方法流程示意图，主要包括如下步骤；

S102.获取当前风速和当前风向。

具体的，可通过风速监测设备获得当前风速，通过风向监测设备获得当前风向。具体的获取方式，可以通过直接连接原风机已安装的风力监测设备和风向监测设备实现，也可通过数据线直接接收风力数据，在此不再赘述。

S104.获取风机的当前偏航状态和当前转速。

具体的，当前偏航状态包括舵机转向数据和扇叶转角数据。正常偏航指令由风机的偏航控制装置产生，并通过风机调整设备调整风机的舵机转向数据和扇叶转角数据，该控制状态下的偏航即为正常偏航状态。正常偏航的控制逻辑，不属于本申请技术方案内容，在此不再赘述。

S106.根据当前风速、当前风向、预设的转速阈值、当前偏航状态和当前转速，生成应急偏航方案，并基于应急偏航方案向风机发送应急偏航控制指令。其中，应急偏航方案包括实时解算参考方案和历史数据参考方案。

根据当前编号风机的当前风速、当前风向、预设的转速阈值、当前偏航状态和当前转速，生成当前编号风机对应的实时解算参考方案。根据当前编号风机的当前风速、当前风向、预设的转速阈值、当前偏航状态和当前转速，生成当前编号风机对应的历史数据参考方案。

应急偏航控制指令包括风机编号，以及中断指令、应急转向数据和应急转角数据。相应的，应急偏航状态包括舵机的应急转向和扇叶的应急转角。

S108.根据应急偏航控制指令调控风机的偏航状态，使风机退出正常偏航状态并进入应急偏航状态。

应急偏航控制指令中的舵机的应急转向数据，和扇叶的应急转角数据，均需根据当前风力计算出最终的偏航状态后，再结合当前的偏航状态，计算出应急调整的数据。

不过，应急偏航状态的实现，需要根据机组能够实现的偏航功能确定，多数机组可能并不支持局部扇叶角度偏转功能，则只执行舵机的应急转向。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组应急偏航控制系统，其特征在于，包括风况数据单元、工作状态单元、应急远程控制中心和应急调控单元；

所述风况数据单元用于获取当前风速和当前风向；

所述工作状态单元用于获取风机的当前偏航状态和当前转速；

所述应急远程控制中心用于根据所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成应急偏航方案，并基于所述应急偏航方案向所述风机发送应急偏航控制指令；

所述应急调控单元用于根据所述应急偏航控制指令调控所述风机的偏航状态，使所述风机退出正常偏航状态并进入应急偏航状态。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组应急偏航控制系统，其特征在于，

所述风况数据单元通过风速监测设备获得所述当前风速，以及通过风向监测设备获得所述当前风向。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组应急偏航控制系统，其特征在于，

所述当前偏航状态包括舵机转向数据和扇叶转角数据；

所述正常偏航状态指的是由风机的偏航控制装置产生，并通过风机的调整设备调整风机的所述舵机转向数据和所述扇叶转角数据。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组应急偏航控制系统，其特征在于，

所述应急远程控制中心包括应急方案单元、远程控制单元和报警单元；

所述应急方案单元用于根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的应急偏航方案；

所述远程控制单元用于根据所述应急偏航方案以及该应急偏航方案对应的风机编号，生成该编号风机对应的应急偏航控制指令；

所述报警单元用于发出报警信息。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组应急偏航控制系统，其特征在于，

所述应急方案单元包括实时解算单元和历史数据单元；

所述应急偏航方案包括实时解算参考方案和历史数据参考方案；

所述实时解算单元用于根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的实时解算参考方案；

所述历史数据单元用于根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的历史数据参考方案。

6.根据权利要求4所述的风力发电机组应急偏航控制系统，其特征在于，

所述应急偏航控制指令包括风机编号，以及中断指令、应急转向数据和应急转角数据；

所述应急偏航状态包括舵机的应急转向和扇叶的应急转角；

所述应急调控单元包括中断单元和调控单元；

所述中断单元用于根据风机编号和所述中断指令，通过风机的调整设备，控制风机退出正常偏航状态；

所述调控单元用于根据风机编号，以及所述应急转向数据，通过风机的调整设备，调整舵机的应急转向，以及根据所述应急转角数据，通过风机的调整设备，调整扇叶的应急转角。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组应急偏航控制系统，其特征在于，所述应急调控单元还包括恢复单元；

所述恢复单元用于监测所述当前风速和所述当前风向，当所述当前风速和所述当前风向恢复至安全阈值时，所述恢复单元向所述应急远程控制中心发出恢复偏航请求；

所述应急远程控制中心根据所述恢复偏航请求，生成恢复偏航控制指令；

所述恢复单元还用于根据所述恢复偏航控制指令，通过风机的调整设备，控制风机的偏航状态，使风机退出应急偏航状态。

8.根据权利要求4所述的风力发电机组应急偏航控制系统，其特征在于，

当风机的进入应急偏航状态后，风机工作依然不正常时，以及当风机在应急偏航状态和正常偏航状态之间重复时，所述报警单元发出异常报警信息。

9.一种风力发电机组应急偏航控制方法，其特征在于，包括如下步骤；

获取当前风速和当前风向；

获取风机的当前偏航状态和当前转速；

根据所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成应急偏航方案，并基于所述应急偏航方案向所述风机发送应急偏航控制指令；

根据所述应急偏航控制指令调控所述风机的偏航状态，使所述风机退出正常偏航状态并进入应急偏航状态。

10.根据权利要求9所述的风力发电机组应急偏航控制方法，其特征在于，

所述应急偏航方案包括实时解算参考方案和历史数据参考方案；

根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的实时解算参考方案；

根据当前编号风机的所述当前风速、所述当前风向、预设的转速阈值、所述当前偏航状态和所述当前转速，生成所述当前编号风机对应的历史数据参考方案。

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