CN103161667A - 一种风电机组载荷的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组载荷的控制系统及其控制方法，所述的控制系统包括风机控制系统、刹车控制系统、变流器控制系统、叶片控制系统、偏航驱动控制系统、塔筒应变传感器、风速传感器、风向传感器、转子速度传感器和叶片应变仪，所述的风机控制系统通过数据线分别与刹车控制系统、变流器控制系统、叶片控制系统、偏航驱动控制系统、塔筒运动传感器、风速传感器、风向传感器、转子速度传感器和叶片应变仪连接。本发明在大风速下存在较大偏航误差的情况下，通过风机控制系统来改变风电机组的运行模式，使风电机组的载荷在正常范围内，从而减小风电机组的载荷。本发明减小风电机组的载荷，降低了风电机组过载的风险，大大减小了风电机组事故的概率。

Description

一种风电机组载荷的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组的控制领域，特别是一种风电机组载荷的控制系统及其控制方法。

背景技术

为了保护风电机组不因过载而破坏，机组在设计时采用了一些控制子系统，如利用叶片控制系统、刹车控制系统和偏航控制系统来限制转子速度和减小结构载荷。传统的风机控制系统可能接收来自一种或多种风向传感器的信息来控制风电机组的方位，例如：风速仪、三维超声风速计、音速探测系统（SODAR）或激光探测系统（LIDAR），这些传感器基本上都固定在风机的结构上，并围绕它的轴随风机一起旋转，来测量风电机组的旋转轴和测量风向之间的角度误差，进而调整风电机组与风向的误差。虽然风机控制系统可以部分地可以减小风电机组叶片、传动链、塔筒和基础上的载荷，但是风机控制系统在收到偏航误差后，偏航控制系统将把偏航误差作为输入来操作电机或液压马达使风电机组相对塔顶旋转。为了减小由于风电机组旋转带来的控制激励载荷和陀螺效应，特别是对于大型风电机组，驱动风电机组偏航的速度是很慢的，偏航速度在3°/S或更低，动态的风将导致风电机组在有很大偏航误差的情况下遭遇相对很大的风速。当偏航角度误差比较大时，例如大约25°，叶片和塔筒上的载荷将超过正常运行的载荷。在如此大偏航误差下的载荷对风电机组结构设计是很关键的。所以风机的传统的控制系统可能不能足够迅速的、准确和有效的调节风电机组的方向来避免可能损坏风电机组的载荷，因此一种更有效的方法和系统是非常有必要的。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以减小风电机组在运行过程中特别是当风速较大其偏航有较大变化时所承受的载荷的风电机组载荷的控制系统及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种风电机组载荷的控制系统，包括风机控制系统、刹车控制系统、变流器控制系统、叶片控制系统、偏航驱动控制系统、塔筒应变传感器、风速传感器、风向传感器、转子速度传感器和叶片应变仪，所述的风机控制系统通过数据线分别与刹车控制系统、变流器控制系统、叶片控制系统、偏航驱动控制系统、塔筒运动传感器、风速传感器、风向传感器、转子速度传感器和叶片应变仪连接；

所述的风机控制系统包括计算机系统和远程设备，所述的计算机系统通过网络与远程设备连接；

所述的计算机系统包括处理器、存储器、显示器、外部接口、内存、网络接口、输入设备和风机传感器，所述的处理器通过母线分别与存储器、处理器、显示器、外部接口、内存、网络接口、输入设备和风机传感器连接，所述的网络接口通过网络与远程设备连接；所述的风机传感器包括塔筒应变传感器、风速传感器、风向传感器、转子速度传感器和叶片应变仪。

本发明所述的母线包括存储总线、外围总线或局部总线；所述的存储器包括随机存取存储器或只读存储器，其存储全部或部分指令；所述的网络接口设备包括广域网网络接口、局域网网络接口、电话网络接口或带有电话和声音的数字网络接口。

一种风电机组载荷的控制系统的控制方法，包括以下步骤：

A、当风电机组运行时，风机控制系统分别从塔底安装的塔筒应变传感器、叶片根部安装的叶片应变仪、风速传感器、风向传感器、转子速度传感器获得载荷、风速、风向和转子转速的数据；并计算机舱的偏航误差；

B、当在一定的风速下出现机舱的偏航误差超出预定偏航误差时，风机控制系统将风电机组从当前的运行模式切换到停机模式或载荷减小模式；

C、当风电机组达到预定偏航误差值、预定风速值和/或预定应变值后，风电机组进入停机模式；风机控制系统命令叶片控制系统朝旗位方向或失速方向慢慢地变桨，或要求变流器控制系统采用转子扭矩使正在运转的风电机组转子的速度降下来；在某些情况下，同时命令刹车控制系统动作，这些动作最终将风电机组停下来，停下来后，偏航驱动控制系统将使机舱重新朝风向定位，待定位结束后，风电机组才允许重新运转；

D、在一定的环境和运行条件下，当载荷加载在风电机组的塔筒和基础上而没有对风电机组构成直接损坏时，为了使载荷减小到安全水平避免长期累积而损坏风电机组，这时风机控制系统指示风电机组减小功率进入载荷减小的运行模式，载荷减小模式包括减小风电机组的输出功率和/或转子的转速，载荷减小模式是通过改变风机控制器、变流器和变桨系统中的设置来实现的；在改变这些设置后，在转子上加载扭矩可减小转子速度；在一定的偏航角度误差情况下，载荷减小模式的运行将减小风电机组转子速度并能保持风电机组并网和产生一定的功率；

E、当风电机组在减小功率运行的过程中，如果偏航控制系统使机舱的偏航误差在可接受的范围内或已完全对风后，风机控制系统将命令风电机组重新以满额定功率运行。

本发明所述的预定的偏航误差值为不超过45°，所述的预定的风速值不超过10m/s，所述的预定应变值对应的载荷为额定载荷的20%以上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在大风速下存在较大偏航误差的情况下，通过风机控制系统来改变风电机组的运行模式，使风电机组的载荷在正常范围内，从而减小风电机组的载荷。

2、本发明减小风电机组的载荷，降低了风电机组过载的风险，大大减小了风电机组事故的概率。

3、本发明减小风电机组的载荷，可以降低风电机组的设计裕度，使风电机组重量更轻，从而更进一步降低风电机组的重力载荷，并降低了风电机组的成本。

4、本发明载荷减小的运行模式，相对现有立即停机来调整方位，待达到目的方位后再重新启动的运行模式，风电机组年发电量得到了提高，从而提高了效益。

5、本发明提出了一种监控和减小风电机组及其塔筒、基础载荷的控制系统。该控制系统检测各种环境和运行条件，并使风电机组以一种或多种预设定好的模式运行，包括停机模式和载荷减小模式，从而来保证风电机组的载荷在安全水准。其控制系统采取基于传感器测量的参数来决定是否保护风电机组。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1是基于传感器参数的风电机组控制系统。

图2是风机控制系统中的计算系统的配置方案图。

图3是风电机组的运行模式图。

图中：1、塔筒应变传感器，2、风机控制系统，3、刹车控制系统，4、变流器控制系统，5、叶片控制系统，6、偏航驱动控制系统，7、风速传感器，8、风向传感器，9、转子速度传感器，10、叶片应变仪，11、计算机系统，12、存储器，13、介质，14、指令，15、显示器，16、风机传感器，17、网络接口，18、BIOS，19、内存，20、处理器，21、母线，22、网络，23、远程设备。

具体实施方式

下面结合附图对发明进行进一步说明。

如图1所示，风机控制系统2采用风向传感器8和风速传感器7来判断作用在风电机组上的载荷，并采取相应的动作来保护风电机组。为了更具体的确定偏航误差，采用低通滤波器来计算偏航误差，算子是通过一个指数加权移动来平均风向和机舱方位。风速可能通过杯式风速仪、激光仪或超声仪来确定，这些设备可以提供瞬时的风速或提供预先确定时间段内平均计算过的风速。塔筒应变传感器1、风速传感器7、风向传感器8、转子速度传感器9和叶片应变仪10向风机控制系统2反馈所检测到的信息，同时风机控制系统2将根据反馈的信息向刹车控制系统3、变流器控制系统4、叶片控制系统5和偏航驱动控制系统6发出相应的动作指令14。

图2显示了风机控制系统2的计算机系统11内设备的具体组成。在计算机系统11内，很多指令14指示风机控制系统2在基于传感器检测的参数上进行模式切换。可以采用多种计算设备来执行具体设置的指令14来要求计算机系统11按照预期来执行一种或多种方法。计算机系统11包括处理器20和存储器12，处理器20和存储器12以及其他部件之间通过母线21进行通讯。存储器12可以为随机存取存储器12（例如：静态RAM“SRAM”，动态RAM“DRAM”等），只读存储器12以及存储器12的组合。一个基本的输入\输出系统BIOS18，包括用于帮助在计算机系统11之间传递信息的通道。计算机系统11也可包括物理可读存储介质13。物理可读存储设备可通过合适的接口连接到母线21上。接口可以为SCSI，串行ATA，通用串行总线（USB），IEEE1294（firewire）以及组合。指令14可以全部或部分地存储在物理可读介质13内。指令14也可以全部或部分地存储在处理器20内。计算机系统11也接收来自风电机组的一种或多种传感器的信息。包括但不限于风向传感器8、风速传感器7、转子速度传感器9、或叶片应变仪10。使用者可以通过存储器12和/或网络接口17设备向风机控制系统2输入命令和/或其他信息。网络接口17设备用于将计算机系统11连接到不同的网络22上或多种远程设备23。与风机控制系统2通讯的信息是通过网络接口17设备来实现的。显示器15包括但不限于液晶显示器15（LCD），阴极射线管（CRT），等离子显示器15，发光二级管等。除了显示器15，计算机系统11还包括其他外围输出设备。这些外围输出设备通过外围接口连接到母线21上。

如图3所示，当风电机组运行时，如果在一定的风速同时也存在预设偏航误差幅值以上的偏航误差时，其相应可预知的载荷加载在风电机组上，然后风机控制系统2将风电机组从正常运行模式切换到停机模式或载荷减小的模式。当风电机组进入停机模式，风机控制系统2命令叶片控制系统5朝旗位方向（远离风）或失速方向（向风）慢慢地变桨，也可能另外要求变流器控制系统4采用转子扭矩使正在运转的风电机组转子的速度降下来。在某些情况下，应用的转子扭矩可能达到风电机组额定输出转矩的50%到100%。这些动作最终将风电机组停下来，停下来后，偏航驱动控制系统6将使机舱重新朝风向定位，这样风电机组才允许重新运转。在一定的环境和运行条件下，风机控制系统2可能指示风电机组进入较小功率的模式，当载荷加载在风电机组的塔筒和基础上而没有对风电机组构成直接损坏时，载荷减小的模式来使载荷减小到安全水平避免长期累计而损坏机组。载荷减小模式包括减小风电机组的额定输出功率和/或转子的转速，该模式是通过改变风机控制器、变流器和变桨系统中的设置来实现的。在改变这些设置后，在转子上加载扭矩可能减小转子速度。在一定的偏航角度误差情况下，该运行模式将减小风电机组转子速度并能保持风电机组并网和产生功率。当减小风电机组的功率后，偏航驱动控制系统6使风机重新对风以便风电机组能重新以满额定功率运行。减小风电机组转速来达到减小载荷从而使风机运行在较大的偏航角度误差的情况下，因此该控制方法在不采取完全停机的情况下来控制载荷。

塔底或叶片根部安装相应的塔筒应变传感器1或叶片应变仪10，塔筒应变传感器1或叶片应变仪10分别反应塔底载荷或叶片应变的信息。风机控制系统2然后根据这些传感器如风向、风速和应变片提供的信息来决定进入何种模式。当一个或几个传感器的测量值超过预定值，比如：预定偏航误差值（不超过45°）、预定风速值不超过（10m/s）和/或预定应变值对应的载荷（额定载荷的20%或以上）后，风电机组将进入停机模式。

当需要决定是否要在目前运行模式和另外的模式之间切换时，风机控制系统2可能考虑偏航误差的变化率和以前提到的因素或可能采用前面提到的某一个因素来替代偏航误差的变化率。偏航误差变化率可能降低偏航误差的阈值来促使风电机组进入某种运行模式。

风机控制系统2也使用转子速度来决定是否需要从一种模式切换到另外一种模式。风机控制系统2采用偏航误差、风速或前面提到的其他因素的最大值，或可能查询组合了偏航误差、风速或前面提到因素的不同组合的表格或算法来决定什么时候进入某个模式。与预先设定好的45°偏航误差、风机塔底应变传感器1或叶片应变仪10测量的载荷和风速相比，相对小的偏航误差可能使风机进入某种模式，例如载荷减小的模式。或者甚至在高风速下，相对较小的偏航误差可能不需要切换正在运行的模式。这些功能可以方便地使用一种或多种设备按照目前规范规定来编程，由有经验的程序员按照目前的规范要求所编写的程序应具有可读性。采用合适的设备来执行软件和/或软件模块的硬件。

Claims (4)

1.一种风电机组载荷的控制系统，其特征在于：包括风机控制系统（2）、刹车控制系统（3）、变流器控制系统（4）、叶片控制系统（5）、偏航驱动控制系统（6）、塔筒应变传感器（1）、风速传感器（7）、风向传感器（8）、转子速度传感器（9）和叶片应变仪（10），所述的风机控制系统（2）通过数据线分别与刹车控制系统（3）、变流器控制系统（4）、叶片控制系统（5）、偏航驱动控制系统（6）、塔筒运动传感器、风速传感器（7）、风向传感器（8）、转子速度传感器（9）和叶片应变仪（10）连接；

所述的风机控制系统（2）包括计算机系统（11）和远程设备（23），所述的计算机系统（11）通过网络（22）与远程设备（23）连接；

所述的计算机系统（11）包括处理器（20）、存储器（12）、处理器（20）、显示器（15）、外部接口、内存（19）、网络接口（17）、输入设备和风机传感器（16），所述的处理器（20）通过母线（21）分别与存储器（12）、处理器（20）、显示器（15）、外部接口、内存（19）、网络接口（17）、输入设备和风机传感器（16）连接，所述的网络接口（17）通过网络（22）与远程设备（23）连接；所述的风机传感器（16）包括塔筒应变传感器（1）、风速传感器（7）、风向传感器（8）、转子速度传感器（9）和叶片应变仪（10）。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组载荷的控制系统，其特征在于：所述的母线（21）包括存储总线、外围总线或局部总线；所述的存储器（12）包括随机存取存储器（12）或只读存储器（12），其存储全部或部分指令（14）；所述的网络接口（17）设备包括广域网网络接口（17）、局域网网络接口（17）、电话网络接口（17）或带有电话和声音的数字网络接口（17）。

3.一种风电机组载荷的控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、当风电机组运行时，风机控制系统（2）分别从塔底安装的塔筒应变传感器（1）、叶片根部安装的叶片应变仪（10）、风速传感器（7）、风向传感器（8）、转子速度传感器（9）获得载荷、风速、风向和转子转速的数据；并计算机舱的偏航误差；

B、当在一定的风速下出现机舱的偏航误差超出预定偏航误差时，风机控制系统（2）将风电机组从当前的运行模式切换到停机模式或载荷减小模式；

C、当风电机组达到预定偏航误差值、预定风速值和/或预定应变值后，风电机组进入停机模式；风机控制系统（2）命令叶片控制系统（5）朝旗位方向或失速方向慢慢地变桨，或要求变流器控制系统（4）采用转子扭矩使正在运转的风电机组转子的速度降下来；在某些情况下，同时命令刹车控制系统（3）动作，这些动作最终将风电机组停下来，停下来后，偏航驱动控制系统（6）将使机舱重新朝风向定位，待定位结束后，风电机组才允许重新运转；

D、在一定的环境和运行条件下，当载荷加载在风电机组的塔筒和基础上而没有对风电机组构成直接损坏时，为了使载荷减小到安全水平避免长期累积而损坏风电机组，这时风机控制系统（2）指示风电机组减小功率进入载荷减小的运行模式，载荷减小模式包括减小风电机组的输出功率和/或转子的转速，载荷减小模式是通过改变风机控制器、变流器和变桨系统中的设置来实现的；在改变这些设置后，在转子上加载扭矩可减小转子速度；在一定的偏航角度误差情况下，载荷减小模式的运行将减小风电机组转子速度并能保持风电机组并网和产生一定的功率；

E、当风电机组在减小功率运行的过程中，如果偏航控制系统使机舱的偏航误差在可接受的范围内或已完全对风后，风机控制系统（2）将命令风电机组重新以满额定功率运行。

4.根据权利要求3所述的一种风电机组载荷的控制系统的控制方法，其特征在于：所述的预定的偏航误差值为不超过45°，所述的预定的风速值不超过10m/s，所述的预定应变值对应的载荷为额定载荷的20%以上。

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