CN105604786B - 一种风力发电机组非实时变桨控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组非实时变桨控制系统及控制方法，所述系统包括风速传感器、主控制系统、变桨滑环、变桨系统和变桨滑环刷丝控制开关。主控制系统安装于机舱内，分析机舱外风速传感器的风速信息、叶片信息并下达紧急指令、分时段变桨指令。变桨滑环安装于机舱内，用于主控制系统和变桨系统间的电气传输和信息传递。变桨滑环刷丝控制开关安装于机舱内，连接主控制系统和变桨滑环，根据分时段变桨指令来判断开合，控制变桨滑环中滑环与刷丝的接触和分离，继而控制变桨操作的执行和停止，实现非实时变桨操作。本发明可改善滑环磨损、散热等问题，延长滑环寿命，降低风机维护成本，并减少风机变桨驱动能源的浪费。

Description

一种风力发电机组非实时变桨控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种风力发电机组变桨控制系统及控制方法。

背景技术

风能作为清洁能源，是新能源重要的发展方向，风力发电技术也成为发展应用较为成熟的能源技术，而其中海上风电的建设前景潜力很大。变桨系统作为风电机组的重要核心部件之一，保证了风电机组能够适应并完成不同工况下的风电能转换。风机的变桨系统主要有两个作用，一是实时调节风力发电机组叶片的桨距角，在保证风机安全工作的同时实现风能的最大限度利用；二是在发生机组故障或紧急情况如大风袭击时，使风电机组调节叶片的桨距角调至最大。

在风机叶片变桨系统中滑环起着举足轻重的作用，变桨滑环的工作原理：滑动触点通过滑环总成里的旋转接口传输电气信号和能量；电刷(或接触电刷)在旋转的滑环上滑动，并在其旋转过程中保持不间断接触。叶片实时变桨以保证准确对风，最大限度的转换风能，为了确保实时变桨时正确无误的电气信号传输，静止的电刷和旋转的滑环之间需要不间断的接触。在这种工作模式下，变桨滑环刷丝的磨损、散热、电弧等问题称为变桨系统的隐患，也导致变桨系统使用寿命有限、维护成本高昂。

关于变桨系统的已授权中国发明专利中，CN 201110451234.4(一种用于海上大功率风电机组的变桨系统及控制方法)、CN 201210140540.0(一种双馈感应风电机组的预报校正变桨控制方法)和CN 201210337850.1(风力发电机组的变桨控制方法、装置和风力发电机组)等，分别从独立变桨控制、双馈感应预报校正控制、动态性能控制与抑制扰动控制的角度出发，给出了不同的变桨系统控制方法，但提出的创新技术方案仍是基于风力发电机组现有的实时变桨模式，即根据风源情况实时调整桨距角。另一方面，关于滑环结构的专利，如中国实用新型专利CN 201220543620.6(纤维束刷式结构风电滑环)提出的纤维束刷式滑环结构，改善了滑环的耐磨性；实用新型专利CN 201420028094.9(风力发电机变桨滑环)，克服变桨滑环真空浇注一体工艺成型的缺陷，提供一种根据使用要求随意组合装配的变桨滑环通道数，已有专利中滑环结构的改善并没有改变变桨系统的实时控制方式，也没有提供非实时变桨的硬件基础。

现实中在风力发电机组正常工作时，风场的风向和风速虽然实时变化，但在风速稳定时，普遍存在风速波动小的情况，该时段风机叶片桨距角小幅波动，此时为了最大限度地利用风能而实时变桨是不需要的。

经过以上分析，可以看出现有风力发电机组的变桨系统控制技术存在以下缺陷：

(1)风力发电机组叶片变桨系统在实时工作时，变桨滑环和刷丝之间不间断接触，由此引发磨损、散热及清理等问题，这也导致变桨滑环使用寿命有限，风电机组维护成本高。

(2)在风力发电机组正常采风过程中，普遍存在某一时段内风速波动变化不大的情况，叶片实时变桨实现的是叶片桨距角的小幅波动，这种变桨操作是不必要的，也是对变桨驱动能源的一种浪费。

发明内容

为了克服现有技术缺陷，本发明提出一种风力发电机组非实时变桨控制系统及控制方法，可以减少滑环电刷引起的磨损、散热情况，延长变桨系统使用寿命，降低风力发电机组的维护成本，并且降低对变桨驱动能源的浪费。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风力发电机组非实时变桨控制系统，包括风速传感器、主控制系统、变桨滑环、变桨系统和变桨滑环刷丝控制开关。

所述变桨滑环刷丝控制开关直接控制刷丝与滑环的接触状态，若变桨滑环接收的指令为变桨则变桨滑环刷丝控制开关工作，使刷丝与变桨滑环的滑环接触，若变桨滑环接收的指令为不变桨则变桨滑环刷丝控制开关工作，使变桨滑环的滑环与刷丝分离。

主控制系统通过分时段定时变桨指令来控制变桨滑环刷丝的开闭状态，进而在风机叶片不需要变桨工作时，实现变桨滑环刷丝的非实时变桨工作状态。

一种风力发电机组非实时变桨控制系统的控制方法，具体步骤如下：

步骤1：风速传感器记录风向及风速，并将实时信息传递给主控制系统。

步骤2：一方面，主控制系统分析风速信息以及紧急指令，判断是否为紧急变桨情形。另一方面，主控制系统设置分时段定时变桨指令，设定时间周期为N的等间时段，并计算各等间时段内的平均风速，风机只在各时段结束时判断是否变桨。

主控制系统设定变桨指令的具体步骤为：设置变桨最大风速容差值V_ref，用于判断相邻时段的平均风速变化是否满足变桨，当前等间时段平均风速为V₂，风机上一次变桨的等间时段平均风速为V₁。若|V₂-V₁|≤V_ref，视为两个时段的平均风速变化小，主控制系统的变桨指令为不变桨，则刷丝控制开关工作，使刷丝与滑环脱离；若 |V₂-V₁|＞V_ref，视为两个时段的平均风速变化大，刷丝与滑环闭合，主控制系统的变桨指令为变桨。

步骤3：当出现机组故障、强风袭击这类特殊情况时，主控制系统下达紧急变桨指令，变桨滑环刷丝闭合，刷丝滑环接触并产生磨损。

步骤4：若不是紧急变桨情形，变桨滑环刷丝控制开关根据主控制系统的分时段变桨指令，判断当前时刻是否需要变桨：

a)若指令为变桨，刷丝控制开关闭合，变桨滑环正常工作，变桨系统调节叶片变桨，并向主控制系统反馈叶片桨距角及叶片应力信息；

b)若指令为不变桨，变桨滑环刷丝控制开关打开，变桨滑环的滑环与刷丝分离。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)风力发电机组叶片变桨系统经过结构和控制方法的创新，不再采用现有的实时变桨工作模式，而采用分时段定时变桨模式。在风力发电机组不变桨时，变桨滑环中滑环与刷丝之间的磨损、散热、电弧及清理等难题得到有效缓解，可以延长变桨滑环的使用寿命，降低风电机组的维护成本。

(2)分时段定时变桨的工作模式，避免了实时变桨过程中叶片桨距角持续小幅波动的现象，变桨操作的减少也使得变桨所需能源大幅降低，可以减少对变桨系统驱动能源的浪费。

附图说明

图1是风力发电机组非实时变桨控制系统示意图。

图2是风力发电机组非实时变桨控制系统的控制方法流程图。

图3是分时段记录的实时风速和平均风速对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行进一步阐述说明。

如图1所示，一种风力发电机组非实时变桨控制系统，包括风速传感器1，主控制系统2，变桨滑环开关3，变桨滑环4，变桨系统5。

风速传感器1安装在机舱外，连接主控制系统2，测量风速及风向，并向主控制系统2发送实时信息。

主控制系统2安装于机舱内，通过变桨滑环开关2与变桨滑环4相连，分析风速信息、紧急指令、叶片信息并下达变桨指令。

变桨滑环4安装于机舱内，用于主控制系统2和变桨系统5之间的电气传输、变桨信息及叶片信息传递，并为变桨系统5提供动力。

变桨滑环开关3连接主控制系统2和变桨滑环4，具体操作是接收判断主控制系统2的变桨指令，若指令为变桨则开关闭合，变桨滑环4的滑环与刷丝接触，若指令为不变桨则开关打开，变桨滑环4的滑环与刷丝分离。进一步的优选方案，变桨滑环开关可以用电磁继电器或限位开关实现。

变桨系统5安装在机舱以及叶片轮毂内，用于变桨操作，并向主控制系统2反馈叶片桨距角及应力状况信息。在实际工程中，变桨系统5包括减速器，驱动能源部件，测速传感器，机轴，角度编码器，应力传感器。其中变桨驱动可以通过液桨驱动，也可以采用电机驱动。

如图2所示，一种风力发电机组非实时变桨控制系统的控制方法，具体步骤如下：

步骤1：风速传感器1记录风向及风速，并将实时信息传递给主控制系统2，实时风速记录如图3中的实时风速曲线所示。

步骤2：一方面，主控制系统2分析风速信息以及紧急指令，判断是否为紧急变桨情形。另一方面，主控制系统2设置分时段定时变桨指令，如图3所示，设定时间周期为N的等间时段，并计算各等间时段内的平均风速，风机只在各时段结束时判断是否变桨。

主控制系统2设定变桨指令的具体步骤为：设置变桨最大风速容差值V_ref，用于判断相邻时段的平均风速变化是否满足变桨，当前等间时段平均风速为V₂，风机上一次变桨的等间时段平均风速为V₁。若|V₂-V₁|≤V_ref，视为两个时段的平均风速变化小，主控制系统的变桨指令为不变桨；若|V₂-V₁|＞V_ref，视为两个时段的平均风速变化大，主控制系统的变桨指令为变桨。

步骤3：当出现机组故障、强风袭击这类特殊情况时，主控制系统2下达紧急变桨指令，变桨滑环开关3闭合，变桨滑环4正常工作，变桨系统5调节叶片桨距角至最大，并向主控制系统2反馈叶片桨距角和叶片应力信息。

步骤4：若不是紧急变桨情形，变桨滑环开关3根据主控制系统2的分时段变桨指令，判断当前时刻是否需要变桨：

a)若指令为变桨，变桨滑环开关3闭合，变桨滑环4正常工作，变桨系统5调节叶片变桨，并向主控制系统1反馈叶片桨距角及叶片应力信息；

b)若指令为不变桨，变桨滑环开关3打开，变桨滑环4的滑环与刷丝分离，变桨系统5停止变桨。

风力发电机组非实时变桨控制系统引入变桨滑环开关，主控制系统参考风机工作状况和风速情况下达变桨指令，变桨滑环开关根据变桨指令来控制变桨滑环的工作状态，进而控制变桨系统的变桨操作，风力发电机组采用分时段定时变桨的工作模式，实现了非实时变桨操作，减小了滑环磨损等情况，也改善了变桨驱动系统的能源消耗。

Claims (1)

1.一种风力发电机组非实时变桨控制系统，其特征在于：包括风速传感器、主控制系统、变桨滑环、变桨系统和变桨滑环开关；

所述风速传感器安装在机舱外，连接主控制系统，测量风速及风向；

所述主控制系统安装于机舱内，通过变桨滑环开关与变桨滑环相连，分析风速信息、叶片信息，下达紧急指令、分时段定时变桨指令；

所述变桨滑环安装于机舱内，保证主控制系统和变桨系统之间的电气传输、变桨信息及叶片信息传递，并为变桨系统提供动力；

所述变桨系统安装在机舱以及叶片轮毂内，执行变桨操作，并向主控制系统反馈叶片桨距角及叶片应力信息；

所述变桨滑环开关安装在机舱内，接收判断主控制系统的分时段定时变桨指令，若指令为变桨则变桨滑环开关闭合，变桨滑环的滑环与刷丝接触，若指令为不变桨则变桨滑环开关打开，变桨滑环的滑环与刷丝分离，改善滑环磨损；

所述一种风力发电机组非实时变桨控制系统通过控制方法对风机叶片进行控制，具体步骤如下：

步骤1：风速传感器记录风向及风速，并将实时信息传递给主控制系统；

步骤2：一方面，主控制系统分析风速信息以及紧急指令，判断是否为紧急变桨情形；另一方面，主控制系统设置分时段定时变桨指令，设定时间周期为N的等间时段，并计算各等间时段内的平均风速，风机只在各时段结束时判断是否变桨；

主控制系统设定变桨指令的具体步骤为：设置变桨最大风速容差值V_ref，用于判断相邻时段的平均风速变化是否满足变桨，当前等间时段平均风速为V₂，风机上一次变桨的等间时段平均风速为V₁；若|V₂-V₁|≤V_ref，视为两个时段的平均风速变化小，主控制系统的变桨指令为不变桨，则刷丝控制开关工作，使刷丝与滑环脱离；若|V₂-V₁|＞V_ref，视为两个时段的平均风速变化大，刷丝与滑环闭合，主控制系统的变桨指令为变桨；

步骤3：当出现机组故障、强风袭击这类特殊情况时，主控制系统下达紧急变桨指令，变桨滑环刷丝闭合，刷丝滑环接触并产生磨损；

步骤4：若不是紧急变桨情形，变桨滑环刷丝控制开关根据主控制系统的分时段变桨指令，判断当前时刻是否需要变桨：

a)若指令为变桨，变桨滑环刷丝控制开关闭合，变桨滑环正常工作，变桨系统调节叶片变桨，并向主控制系统反馈叶片桨距角及叶片应力信息；

b)若指令为不变桨，变桨滑环刷丝控制开关打开，变桨滑环的滑环与刷丝分离。