CN115929548A - 用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统及方法，该系统中采集模块用于采集复杂山区的偏航环境数据，偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；主控模块用于基于偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；偏航执行模块用于在接收偏航控制指令后松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，偏航电机按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼提供目标转速，偏航减速器将目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。根据本公开的系统，能够提高偏航时的平稳性且减少机械磨损。

Description

用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统及方法

技术领域

本公开涉及风力发电偏航系统技术领域，尤其涉及一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统及方法。

背景技术

偏航系统是大型水平轴风电机组的重要执行机构。机组运行过程中，偏航系统用于保持机舱方向位置。当来流风向变化时，其在主控系统控制下，驱动机舱跟随风向平稳旋转，使风轮正对来流风向，以捕获最大风能，使机组电能产出最大化。

目前大型水平轴风电机组多采用电驱动主动偏航系统，其主要组成包括测风单元、偏航驱动器、液压偏航卡钳、偏航编码器等。其特点是，当机组进行偏航动作时，偏航卡钳背压(低压加压)提供偏航阻尼，偏航驱动器提供驱动力，使机组以一定速度平稳偏航。传统偏航系统在偏航动作启动和停止时，偏航减速器承受冲击较大，容易导致偏航减速器过载受损；偏航动作过程中，偏航阻尼来自于背压的液压偏航卡钳，偏航卡钳摩擦片产生连续滑动摩擦，容易造成摩擦片异常磨损，且往往伴有较强的振动和刺耳的异响；此外，在风速风向发生较大突变时，机组存在偏航失稳风险。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本公开的第一个目的在于提出一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，主要目的在于提高偏航时的平稳性且减少机械磨损。

本公开的第二个目的在于提出一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法。

本公开的第三个目的在于提出一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制设备。

为达上述目的，本公开第一方面实施例提出了一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，包括采集模块、主控模块和偏航执行模块；所述偏航执行模块包括液压刹车，以及依次连接的运动控制器、伺服驱动器、偏航电机和偏航减速器；

采集模块用于采集复杂山区的偏航环境数据，所述偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；

主控模块用于基于所述偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；

偏航执行模块用于在接收所述偏航控制指令后松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于所述调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，偏航电机按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼提供目标转速，偏航减速器将所述目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。

本公开实施例的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，包括采集模块、主控模块和偏航执行模块；偏航执行模块包括液压刹车，以及依次连接的运动控制器、伺服驱动器、偏航电机和偏航减速器；采集模块用于采集复杂山区的偏航环境数据，偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；主控模块用于基于偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；偏航执行模块用于在接收偏航控制指令后松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，偏航电机按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼提供目标转速，偏航减速器将目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。在这种情况下，利用包括风速、风向和湍流强度的偏航环境数据进行偏航动作条件的判断，能够更好地适用于山地复杂风况条件的偏航控制，从而提高机组发电量，利用伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，同时通过齿隙补偿算法能够使得齿轮和齿圈轻柔啮合，避免齿轮和齿圈在电机高扭矩高转速情况下的啮合冲击，提高了偏航时的平稳性且减少了磨损。

在本公开第一方面实施例的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统中，所述偏航动作条件指的是叶轮轴向与风向的角度差值大于预设的角度，且设定延迟时间段内的风速、风向变化量和湍流强度小于对应阈值。

在本公开第一方面实施例的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统中，所述伺服驱动器包括多个变频器，所述偏航电机的数量与变频器数量一致，每个变频器连接一个偏航电机。

在本公开第一方面实施例的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统中，多个偏航电机分为提供驱动力矩的驱动电机和提供电磁阻尼的阻尼电机，所述采集模块还用于采集各偏航电机受到的偏航力矩，所述主控模块基于所述偏航环境数据获得风速、风向和风向变化频率，还基于风速、风向、风向变化频率和偏航力矩确定所需的阻尼电机和驱动电机。

在本公开第一方面实施例的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统中，所述偏航电机采用转速闭环控制方式提供目标转速。

为达上述目的，本公开第二方面实施例提出了一种应用于在本公开第一方面实施例的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，包括：

采集复杂山区的偏航环境数据，所述偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；

基于所述偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；

在接收所述偏航控制指令后控制松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于所述调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将所述目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。

本公开实施例的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，采集复杂山区的偏航环境数据，偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；基于偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；在接收偏航控制指令后控制松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。在这种情况下，利用包括风速、风向和湍流强度的偏航环境数据进行偏航动作条件的判断，能够更好地适用于山地复杂风况条件的偏航控制，从而提高机组发电量，利用伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，同时通过齿隙补偿算法使得齿轮和齿圈轻柔啮合，避免齿轮和齿圈在电机高扭矩高转速情况下的啮合冲击，提高了偏航时的平稳性且减少了磨损。

在本公开第二方面实施例的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法中，所述在接收所述偏航控制指令后控制松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于所述调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将所述目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航，具体包括：在接收到偏航控制指令后，控制偏航电机电磁抱闸打开，基于调节指令通过伺服驱动器控制驱动电机和阻尼电机使得齿轮和齿圈轻柔啮合；啮合完成后控制液压刹车完全打开，运动控制器在收到液压刹车完全打开的第一反馈指令后，进入偏航过程以执行偏航动作；在偏航过程中，利用阻尼电机提供电磁阻尼以保持机舱位置稳定，基于调节指令动态调整偏航电机间的扭矩，以使各偏航电机扭矩平衡，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将所述目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航，同时利用采集模块实时监测偏航负载和转速大小，当超过设定极限值时运动控制器主动停止偏航动作，同时上传风机的主控模块。

在本公开第二方面实施例的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法中，还包括：当机舱偏航角度为最优对风角偏时，控制偏航电机进行减速，待机舱完全静止后，风机主控模块控制液压刹车从完全打开的状态变成完全抱闸的状态；在收到液压刹车完全抱闸的第二反馈指令后，停止偏航电机，并在偏航电机完全停止后启动电机抱闸，偏航结束。

在本公开第二方面实施例的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法中，所述偏航动作条件指的是叶轮轴向与风向的角度差值大于预设的角度，且设定延迟时间段内的风速、风向变化量和湍流强度小于对应阈值。

为达上述目的，本公开第三方面实施例提出了一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本公开的第二方面实施例提出的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法。

本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本公开实施例所提供的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的框图；

图2为本公开实施例所提供的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制方法的流程示意图；

图3为本公开实施例所提供的另一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制方法的流程示意图；

图4是用来实现本公开实施例的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法的控制设备的框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。还应当理解，本公开中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。

下面结合具体的实施例对本公开进行详细说明。

本公开实施例提供了用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统及方法，主要目的在于提高偏航时的平稳性且降低磨损。

图1为本公开实施例所提供的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的框图。如图1所示，本公开实施例提供的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统10包括采集模块11、主控模块12和偏航执行模块13。偏航执行模块13包括液压刹车，以及依次连接的运动控制器、伺服驱动器、偏航电机和偏航减速器。

在本实施例中，采集模块11用于采集复杂山区的偏航环境数据，偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度。在这种情况下，由于复杂山区的风况具有风速大、风向变化快、湍流强的特点，比平原地区的风机偏航更难控制，因此，采集包括风速、风向和湍流强度的偏航环境数据，用于后续的偏航动作条件的判断，能够更好地适用于山地复杂风况条件的偏航控制，从而提高机组发电量。

在一些实施例中，采集模块11可以包括风速仪、风向传感器、湍流测量仪等采集设备。其中，风速仪用于实时采集风速，风向传感器用于实时采集风向，湍流测量仪用于实时采集湍流强度。

在一些实施例中，采集模块11还用于采集各偏航电机受到的偏航力矩。

在一些实施例中，采集模块11还包括力矩传感器，力矩传感器用于采集各偏航电机受到的偏航力矩。

在一些实施例中，风速仪、风向传感器、湍流测量仪和力矩传感器的数量可以分别为多个。

在本实施例中，主控模块12用于基于偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令。

在本实施例中，偏航动作条件指的是叶轮轴向与风向的角度差值大于预设的角度，且设定延迟时间段内的风速、风向变化量和湍流强度小于对应阈值。在这种情况下，相较于现有技术中仅依据叶轮轴向与风向的角度差值判断偏航动作条件是否满足，本公开考虑到复杂山区的风况具有风速大、风向变化快、湍流强的特点，若仅依据叶轮轴向与风向，偏航动作条件容易频繁满足，从而频繁执行偏航操作，造成偏航系统机械损耗，缩短偏航系统寿命，因此，在偏航动作条件中增加风速和湍流强度，基于风速区间、湍流区间、风向变化的多变量条件判断，以降低偏航操作的执行频率，减少了偏航系统机械损耗，减低对偏航系统寿命的影响。其中，设定延迟时间段可以基于复杂山区的环境数据(例如偏航环境数据)和风电场机组的运维情况确定。例如主控模块12基于偏航环境数据和风电场机组的运维数据通过对应的算法程序计算获得设定延迟时间段。

在本实施例中，若偏航动作条件不满足，主控模块12控制偏航执行模块13处于液压刹车模式。在液压刹车模式下，偏航执行模块13的液压刹车处于抱紧状态。

在本实施例中，若偏航动作条件满足，主控模块12控制偏航执行模块13处于电磁阻尼模式。在这种情况下，基于风速区间、湍流区间、风向变化的多变量条件判断，主控模块12执行相应的偏航动作模式，使得偏航执行模块13在电磁阻尼模式和液压刹车模式自由切换，确保偏航过程平稳安全。

在本实施例中，在电磁阻尼模式下，主控模块12生成最优对风角偏和偏航控制指令。其中，主控模块12基于偏航环境数据通过算法程序计算获得最优对风角偏。

在本实施例中，主控模块12生成偏航控制指令后，还基于智能算法生成调节指令。其中智能算法包括齿隙补偿算法。在这种情况下，由于传统液压阻尼偏航系统由于没有齿隙补偿算法，在开始偏航时，转动盘的偏航齿轮箱输出小齿轮与偏航轴承齿圈会在电机高扭矩高转速情况下啮合，对整个机械结构造成冲击，控制系统利用齿隙补偿算法在偏航开始时让偏航齿轮与齿圈轻柔啮合，利用大小齿轮轻柔啮合的消隙动作环节，避免了齿轮和齿圈在电机高扭矩高转速情况下的啮合冲击，降低了偏航系统机械磨损以及对偏航系统寿命的影响，保证了偏航的安全性和平稳性。

在本实施例中，主控模块12生成的调节指令还包括所需的阻尼电机和驱动电机信息。具体地，主控模块12还用于在电磁阻尼模式下，基于偏航环境数据获得风速、风向和风向变化频率，然后基于风速、风向、风向变化频率和偏航力矩利用智能算法确定所需的阻尼电机和驱动电机。换言之，主控模块12基于风速、风向、风向变化频率和偏航力矩从所有的偏航电机中确实阻尼电机和驱动电机各自的数量和位置。

在本实施例中，主控模块12例如为主控制器。

在本实施例中，偏航执行模块13包括液压刹车，以及依次连接的运动控制器、伺服驱动器、偏航电机和偏航减速器。

在本实施例中，偏航执行模块13用于在接收偏航控制指令后松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，偏航电机按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼提供目标转速，偏航减速器将目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。

在本实施例中，运动控制器用于在接收到主控模块12发送的偏航控制指令和调节指令后通过伺服驱动器对偏航电机进行控制。

在本实施例中，伺服驱动器包括多个变频器，偏航电机的数量与变频器数量一致，每个变频器连接一个偏航电机。换言之，偏航电机与变频器一一对应，各变频器分别连接不同的偏航电机。

在本实施例中，偏航电机采用转速闭环控制方式提供目标转速。通过伺服驱动器一拖一控制各偏航电机，使有的偏航电机作为驱动电机，有的偏航电机作为阻尼电机，从而提供驱动力矩和阻尼力矩(即电磁阻尼)，以使机舱以一定的偏航速度运行，从而保证偏航速度平稳。另外基于调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，使得偏航执行模块13具备偏航电机动态转矩调节和力矩限制功能，可最大限度平衡偏航电机出力，降低机械损坏发生的概率。

考虑到在运动中提供一定的阻尼会可以减弱机械振动，让运动更平稳，在传统的偏航系统中是靠偏航制动器利用摩擦力提供阻尼进行偏航，这种方式容易使偏航过程不平稳，在偏航到位后容易因大风导致机舱转动，因此，在本实施例中，将所有的偏航电机分为提供驱动力矩的驱动电机和提供电磁阻尼的阻尼电机。在偏航过程中，偏航制动器完全松开(即偏航电机抱闸打开)，由变频器控制一部分偏航电机提供驱动力矩，同时由变频器控制其中单个或多个偏航电机提供阻尼力矩，等偏航到位后，偏航制动器抱闸锁死，防止因大风导致机舱转动，保证了偏航的安全性和平稳性。偏航控制器在其内嵌智能算法控制下实现对偏航电机的一拖一伺服驱动，具备电机负载动态平衡及电机驱动/制动的动态配置功能，增加了偏航减速器的使用寿命也提高了偏航系统的可靠性。

在本实施例中，各偏航电机的启动和运行受伺服驱动器中对应的各变频器控制。

在一些实施例中，当有个别偏航电机出现故障时，本公开的控制系统的主控模块12能立即识别故障并控制偏航执行模块13的偏航电机进行偏航减速停机。在负载允许的情况下，通过快速配置即可使其余正常偏航电机继续进行偏航动作。在等待电机维修的期间，尽可能使风机保持正常发电的工作状态，实现故障穿越，提高风机的可利用率。

另外，在一些实施例中，控制系统可实时监控每台偏航电机的运行状态和运行数据，并存储在本地或上传终端，至少包含每台电机的力矩、速度和智能偏航系统状态。

在本实施例中，偏航减速器在偏航过程中起到降速作用。具体地，驱动偏航电机进行偏航，由于偏航电机是高速旋转机构，将偏航电机连接偏航减速器，然后偏航减速器与转动盘的偏航齿轮连接，相当于输入高转速，转输出低转速，再和偏航齿圈连接，减小了齿轮有齿圈间的碰撞和摩擦损伤。

在一些实施例中，还可以根据需要匹配高性能摩擦垫。

在本实施例中，利用主控模块12和偏航执行模块13在电磁阻尼模式下执行智能偏航控制过程如下：

1)偏航开始：主控模块判断满足偏航动作条件时，主控模块生成最优对风角偏、偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令，运动控制器接收偏航控制指令后通过伺服驱动器控制松开偏航电机的电磁抱闸，然后运动控制器基于接收的调节指令通过伺服驱动器控制驱动电机和阻尼电机运行，以确保齿轮和齿圈轻柔啮合，避免齿轮和齿圈在电机高扭矩高转速情况下的啮合冲击。运动控制器监测到啮合完成后，运动控制器控制松开液压刹车，在运动控制器收到液压刹车完全打开的反馈后开始进入偏航过程；

2)偏航过程：在偏航过程中，利用阻尼电机提供反向阻尼来保持机舱(风轮)位置稳定，运动控制器基于接收的调节指令通过伺服驱动器实时配置驱动电机和阻尼电机，并使偏航电机逐渐升速至额定转速，以使电机间实现负载平衡，通过动态调整偏航电机间的扭矩，以做到各偏航电机扭矩平衡，偏航减速器将额定转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。在整个偏航过程中，液压刹车可处于完全打开的状态，即液压刹车片、刹车盘完全没有滑动摩擦，避免刹车片滑动磨损；同时在偏航过程中，运动控制器实时监测偏航负载和转速大小，当超过设定极限值时主动停止偏航动作，同时通知风机的主控模块12(该情况风机不停机)。

3)偏航结束：基于最优对风角偏当机舱偏航到达指定的位置之后，控制系统进行减速，偏航电机逐渐降速至零，待机舱完全静止后，控制液压刹车从完全打开的状态变成完全抱闸的状态；在收到液压刹车完全抱闸的反馈后，停止偏航电机，并在偏航电机完全停止后投入电机抱闸。液压刹车和电机抱闸都在完全停止后投入，避免了额外的机械疲劳和磨损。

本公开的实施例提出的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，包括采集模块、主控模块和偏航执行模块；偏航执行模块包括液压刹车，以及依次连接的运动控制器、伺服驱动器、偏航电机和偏航减速器；采集模块用于采集复杂山区的偏航环境数据，偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；主控模块用于基于偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；偏航执行模块用于在接收偏航控制指令后松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，偏航电机按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼提供目标转速，偏航减速器将目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。在这种情况下，利用包括风速、风向和湍流强度的偏航环境数据进行偏航动作条件的判断，能够更好地适用于山地复杂风况条件的偏航控制，从而提高机组发电量，利用伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，同时通过齿隙补偿算法能够使得齿轮和齿圈轻柔啮合，避免齿轮和齿圈在电机高扭矩高转速情况下的啮合冲击，提高了偏航时的平稳性且减少了磨损。另外，针对目前传统液压阻尼偏航系统存在的问题，结合山地复杂地形风场机组运行实践，本公开的控制系统采用适用于山地复杂风况的优化偏航控制策略，实现了对机组主控软件的改进升级，降低了偏航系统故障率，基于风速区间、湍流区间、风向变化的多变量条件判断，执行相应的偏航动作模式，并匹配最优对风角偏、设定延迟时间段，使电磁阻尼模式和液压刹车模式自由切换，确保偏航过程平稳安全。采用伺服驱动器控制偏航电机，可控制偏航电机产生电磁阻尼代替液压阻尼，设有大小齿轮轻柔啮合的消隙动作环节，利用伺服驱动消隙动作控制，可有效降低偏航启停对齿啮合的冲击；电磁阻尼工作模式允许液压卡钳零压偏航，降低偏航动作对摩擦垫的磨损，以及偏航过程中多发的振动和异响问题。具备电机负载动态平衡、驱动电机/阻尼电机动态分配、电机负载限制、电机故障识别/故障穿越等功能，还降低了偏航系统故障停机时间，提高机组发电量。

基于上述的实施例提出的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，本公开还提出一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法。

图2为本公开实施例所提供的一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制方法的流程示意图。如图2所示，该用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S11，采集复杂山区的偏航环境数据，偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；

步骤S12，基于偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；

步骤S13，在接收偏航控制指令后控制松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。

可选地，步骤S12中，偏航动作条件指的是叶轮轴向与风向的角度差值大于预设的角度，且设定延迟时间段内的风速、风向变化量和湍流强度小于对应阈值。

可选地，用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法中，还包括：采集各偏航电机受到的偏航力矩；基于偏航环境数据获得风速、风向和风向变化频率；基于风速、风向、风向变化频率和偏航力矩确定所需的阻尼电机和驱动电机。

可选地，偏航电机采用转速闭环控制方式提供目标转速。

图3为本公开实施例所提供的另一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制方法的流程示意图。如图3所示，结合系统实施例中的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，该用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S21，采集复杂山区的偏航环境数据，偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；

步骤S22，基于偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；

步骤S23，在接收到偏航控制指令后，控制偏航电机电磁抱闸打开，基于调节指令通过伺服驱动器控制驱动电机和阻尼电机使得齿轮和齿圈轻柔啮合；

步骤S24，啮合完成后控制液压刹车完全打开，运动控制器在收到液压刹车完全打开的第一反馈指令后，进入偏航过程以执行偏航动作；

步骤S25，在偏航过程中，利用阻尼电机提供反向阻尼以保持机舱位置稳定，主控模块(即主控制器)基于调节指令动态调整偏航电机间的扭矩，以使各偏航电机扭矩平衡，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航，同时利用采集模块实时监测偏航负载和转速大小，当超过设定极限值时运动控制器主动停止偏航动作，同时上传风机的主控模块；

步骤S26，当机舱偏航角度为最优对风角偏时，控制偏航电机进行减速，待机舱完全静止后，风机主控模块控制液压刹车从完全打开的状态变成完全抱闸的状态；

步骤S27，在收到液压刹车完全抱闸的第二反馈指令后，停止偏航电机，并在偏航电机完全停止后启动电机抱闸，偏航结束。

可选地，在步骤S25中，主控模块根据实际风载情况(例如根据采集模块采集的偏航环境数据和各偏航电机受到的偏航力矩等数据)，利用偏航控制算法动态调整电机间的扭矩。

步骤S23至步骤S25为结合系统实施例中的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统在偏航动作条件满足情况下步骤S13包括的具体智能偏航控制过程。

本公开的实施例提出的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，采集复杂山区的偏航环境数据，偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；基于偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；在接收偏航控制指令后控制松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。在这种情况下，利用包括风速、风向和湍流强度的偏航环境数据进行偏航动作条件的判断，能够更好地适用于山地复杂风况条件的偏航控制，从而提高机组发电量，利用伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，同时通过齿隙补偿算法使得齿轮和齿圈轻柔啮合，避免齿轮和齿圈在电机高扭矩高转速情况下的啮合冲击，提高了偏航时的平稳性且减少了磨损。另外，针对目前传统液压阻尼偏航系统存在的问题，结合山地复杂地形风场机组运行实践，本公开的控制方法采用适用于山地复杂风况的优化偏航控制策略，实现了对机组主控软件的改进升级，降低了偏航系统故障率，基于风速区间、湍流区间、风向变化的多变量条件判断，执行相应的偏航动作模式，并匹配最优对风角偏、设定延迟时间段，使电磁阻尼模式和液压刹车模式自由切换，确保偏航过程平稳安全。采用伺服驱动器控制偏航电机，可控制偏航电机产生电磁阻尼代替液压阻尼，设有大小齿轮轻柔啮合的消隙动作环节，利用伺服驱动消隙动作控制，可有效降低偏航启停对齿啮合的冲击；电磁阻尼工作模式允许液压卡钳零压偏航，降低偏航动作对摩擦垫的磨损，以及偏航过程中多发的振动和异响问题。具备电机负载动态平衡、驱动电机/阻尼电机动态分配、电机负载限制、电机故障识别/故障穿越等功能，还降低了偏航系统故障停机时间，提高机组发电量。

需要说明的是，前述对用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统实施例的解释说明也适用于该实施例的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，此处不再赘述。

根据本公开的实施例，本公开还提供了一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制设备。

图4是用来实现本公开实施例的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法的控制设备的框图。控制设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。控制设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴电子设备和其它类似的计算装置。本公开所示的部件、部件的连接和关系、以及部件的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本公开中描述的和/或者要求的本公开的实现。

如图4所示，控制设备20包括计算单元21，其可以根据存储在只读存储器(ROM)22中的计算机程序或者从存储单元28加载到随机访问存储器(RAM)23中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 23中，还可存储控制设备20操作所需的各种程序和数据。计算单元21、ROM 22以及RAM 23通过总线24彼此相连。输入/输出(I/O)接口25也连接至总线24。

控制设备20中的多个部件连接至I/O接口25，包括：输入单元26，例如键盘、鼠标等；输出单元27，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元28，例如磁盘、光盘等，存储单元28与计算单元21通信连接；以及通信单元29，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元29允许控制设备20通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他电子设备交换信息/数据。

计算单元21可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元21的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元21执行上述所描述的各个方法和处理，例如执行用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法。例如，在一些实施例中，执行用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元28。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 22和/或通信单元29而被载入和/或安装到控制设备20上。当计算机程序加载到RAM 23并由计算单元21执行时，可以执行上述描述的执行用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元21可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法。

本公开中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑电子设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本公开在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，其特征在于，包括采集模块、主控模块和偏航执行模块；所述偏航执行模块包括液压刹车，以及依次连接的运动控制器、伺服驱动器、偏航电机和偏航减速器；

采集模块用于采集复杂山区的偏航环境数据，所述偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；

主控模块用于基于所述偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；

偏航执行模块用于在接收所述偏航控制指令后松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于所述调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，偏航电机按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼提供目标转速，偏航减速器将所述目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。

2.根据权利要求1所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，其特征在于，所述偏航动作条件指的是叶轮轴向与风向的角度差值大于预设的角度，且设定延迟时间段内的风速、风向变化量和湍流强度小于对应阈值。

3.根据权利要求2所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，其特征在于，所述伺服驱动器包括多个变频器，所述偏航电机的数量与变频器数量一致，每个变频器连接一个偏航电机。

4.根据权利要求3所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，其特征在于，多个偏航电机分为提供驱动力矩的驱动电机和提供电磁阻尼的阻尼电机，所述采集模块还用于采集各偏航电机受到的偏航力矩，所述主控模块基于所述偏航环境数据获得风速、风向和风向变化频率，还基于风速、风向、风向变化频率和偏航力矩确定所需的阻尼电机和驱动电机。

5.根据权利要求4所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统，其特征在于，所述偏航电机采用转速闭环控制方式提供目标转速。

6.一种应用于权利要求1-5中任一项所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

采集复杂山区的偏航环境数据，所述偏航环境数据包括风速、风向和湍流强度；

基于所述偏航环境数据判断偏航动作条件是否满足，若满足，则生成最优对风角偏和偏航控制指令，并基于齿隙补偿算法生成调节指令；

在接收所述偏航控制指令后控制松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于所述调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将所述目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航。

7.根据权利要求6所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，其特征在于，所述在接收所述偏航控制指令后控制松开偏航电机的电磁抱闸以及打开液压刹车，基于所述调节指令通过伺服驱动器动态调节偏航电机的驱动力矩和电磁阻尼，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将所述目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航，具体包括：

在接收到偏航控制指令后，控制偏航电机电磁抱闸打开，基于调节指令通过伺服驱动器控制驱动电机和阻尼电机使得齿轮和齿圈轻柔啮合；

啮合完成后控制液压刹车完全打开，运动控制器在收到液压刹车完全打开的第一反馈指令后，进入偏航过程以执行偏航动作；

在偏航过程中，利用阻尼电机提供电磁阻尼以保持机舱位置稳定，基于调节指令动态调整偏航电机间的扭矩，以使各偏航电机扭矩平衡，按照调节后的驱动力矩和电磁阻尼通过偏航电机提供目标转速，通过偏航减速器将所述目标转速降速后控制偏航齿轮进行偏航，同时利用采集模块实时监测偏航负载和转速大小，当超过设定极限值时运动控制器主动停止偏航动作，同时上传风机的主控模块。

8.根据权利要求7所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，其特征在于，还包括：

当机舱偏航角度为最优对风角偏时，控制偏航电机进行减速，待机舱完全静止后，风机主控模块控制液压刹车从完全打开的状态变成完全抱闸的状态；

在收到液压刹车完全抱闸的第二反馈指令后，停止偏航电机，并在偏航电机完全停止后启动电机抱闸，偏航结束。

9.根据权利要求8所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法，其特征在于，所述偏航动作条件指的是叶轮轴向与风向的角度差值大于预设的角度，且设定延迟时间段内的风速、风向变化量和湍流强度小于对应阈值。

10.一种用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求6-9中任一项所述的用于复杂山区的风力发电机组智能偏航控制系统的控制方法。

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