CN102418663A - 一种用于海上大功率风电机组的变桨***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海上大功率风电机组的变桨***及其控制方法，所述的***包括每个叶片上独立的变桨驱动***、变桨控制***、限位开关、角度编码器和滑环，所述的变桨驱动***安装在机舱前部的轮毂内，其通信和动力是通过与机舱内的主控制***相连的滑环来实现的；所述的变桨控制***的作用是将来自机舱内主控制***的指令分发给各驱动器，并将角度编码器、旋转编码器、限位开关和叶根传感器检测到的相关信号实时反馈给主控制***。本发明通过在叶根安装受力加速度传感器检测叶片在不同位置的不同受力并反馈给变桨控制***，变桨控制***给驱动***发出相应的指令，从而达到单独修正桨距角的大小，是完全独立的变桨***。

Description

一种用于海上大功率风电机组的变桨***及控制方法

技术领域

本发明属于风力发电机组的驱动自动控制技术，特别就一种用于海上大功率风电机组的变桨***及控制方法。

背景技术

风能是可再生能源中技术最成熟、最具有可开发价值的清洁能源。全球各国都在大力发展陆上风电的同时，也在积极稳妥的推进海上风电的开发。变桨***是变桨距风电机组采用的一种最优启动和限制并稳定机组功率输出的控制***的驱动机构。

目前，陆上的风电机组采用的变桨***从控制方式上可分为集中式变桨***和独立变桨***，而海上风电机组主要采用独立变桨***。无论是陆上还是海上的风电机组，其采用的独立变桨***从动力源角度来分有两种：液压变桨***和电动变桨***，这些独立变桨***虽然每个叶片都有独立的一套变桨驱动***，也能够在一定风速下实现所要的桨距角变化，但是三个叶片的变桨驱动器得到来自主控***的指令使得各桨距角的改变是同步的，即无论在启动过程中、欠功率运行还是额定功率运行时，三个叶片的桨距角始终是相同的，其独立变桨主要体现在两个方面，一是风电机组的某一套变桨***出现故障而不能变桨时，另外两套变桨***能够收桨达到气动刹车的效果并使风电机组紧急停机，二是在调试时能够手动独立的对单个变桨***进行性能测试，但是其不能解决由于风的剪切效应和塔筒的塔影效应造成叶片在旋转的过程中承受周期性的气动力而带来的振动和疲劳问题，尤其是海上风电建设成本高昂、可到达性差、运行和维护费用高等特点，海上风电机组的大型化发展已经是趋势，机组的转子直径越大，这些问题就越突出。所以目前风电市场采用的独立变桨***只是部分独立变桨***，不是完全独立变桨***。

以海上5MW变桨距风电机组为例，如果采用部分独立变桨***，叶片在额定风速下，叶片扫掠过程中的最低端和最高端由于垂直高度上风速增加影响，不同位置输出力矩之差也可达20％左右，这种力矩脉动是普通部分独立变桨***无法解决的。而完全独立循环变桨***可以很好解决垂直高度上的风速变化对风机的影响，减轻输出力矩脉动，减少传动***的故障率，提高***运行可靠性和稳定性，从而提高机组运行寿命。

另外，目前部分独立变桨***采用的液压变桨的***结构复杂，存在漏油，各种阀芯易卡涩，控制精度在冬季和春季有差别和维护不方便等问题。而采用的电动变桨驱动***的电机为直流电机和异步电机，直流电动机存在换向装置，高速换向时还可能有火花，转子容易发热，需要定期维护等缺点；异步电机也存在转子发热，控制方法复杂，不容易实现高精度控制等问题。

综上，目前风电行业普遍采用的部分独立变桨***存在如下问题：

1、液压变桨驱动结构复杂、存在漏油，各种阀芯易卡涩，控制精度在冬季和春季有差别和维护不方便等问题。

2、直流电动机需励磁电流和存在换向装置，高速换向时还可能有火花，转子容易发热，需要定期维护等。

3、异步电机由于励磁电流的存在使转子发热，控制方法复杂，不容易实现高精度控制等问题。

4、不能解决叶片在不同位置由于风的剪切效应和塔筒的塔影效应造成的叶片上变化的气动力带来的转子轴线振动和支撑件的疲劳问题。

对于转子直径非常大的海上风电机组，这些问题越显得突出，而海上风电建设成本高昂、可到达性差、运行和维护费用非常高，必须要避免以上问题。

发明内容

为了避免上述变桨方案中存在的缺点和不足，本发明的目的是要提供一种不仅设计更加合理，结构简单，而且具有节约能源，机组全寿命成本低，工作可靠，维护工作量小，操作安全和使用方便的完全独立循环变桨的用于海上大功率风电机组的变桨***及控制方法。

本发明的目的是采用如下的技术方案实现的：

一种用于海上大功率风电机组的变桨***，包括每个叶片上独立的变桨驱动***、变桨控制***、限位开关、角度编码器和滑环。

所述的变桨驱动***安装在机舱前部的轮毂内，其通信和动力是通过与机舱内的主控制***相连的滑环来实现的；变桨驱动***包括驱动***、永磁电动机、减速器、叶根传感器、变桨轴承、旋转编码器和蓄电池，所述的驱动***通过电缆与永磁电动机相连，永磁电动机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出小齿轮与变桨轴承的内齿圈相啮合，旋转编码器在永磁电动机的尾部，蓄电池通过电缆与驱动***和变桨控制***相连；

所述的变桨控制***安装在轮毂内，其作用是将来自机舱内主控制***的指令分发给各驱动器，并将角度编码器检测到叶片桨距角、旋转编码器检测到的永磁电动机的转速、限位开关检测到的信号和叶根传感器检测到的叶片受力加速度实时反馈给主控制***；驱动***用于驱动永磁电动机，实现叶片桨距角的精确控制；永磁电动机是调整叶片桨距角的动力源；减速器通过端部法兰固定在轮毂上，用于将永磁电动机输出的高速度降至叶片变桨所需要的速度；变桨轴承的外圈通过螺栓与轮毂相连，内圈通过螺栓与叶片根部相连，其作用是传递叶片载荷的同时能够提供叶片和轮毂的相对旋转，即变桨；旋转编码器测量永磁电动机的转速；角度编码器的小齿轮与变桨轴承内齿圈相啮合用于测量叶片旋转的角度；叶根传感器测量叶片根部的受力加速度情况；限位开关用于限制叶片转过的极限角度；蓄电池是出于***安全考虑的备用电源。

一种用于海上大功率风电机组的变桨***的控制方法，包括欠功率运行时的控制方法和额定功率运行时的控制方法，具体步骤如下：

A、欠功率运行时的控制方法包括以下步骤：由于此时风速低于额定风速，为了最大限度的捕获风能，叶片的桨距角保持在稍大于0度，追踪最佳功率曲线，使风能利用系数Cp保持最大值以获得最大输出功率；

B、额定功率运行时的控制方法包括以下步骤：由于这时风速高于机组的额定风速，根据机组实际运行时的输出功率与额定功率的偏差值，以偏差变化率Δe作为变桨控制***的偏差输入量，通过计算得出叶片的桨距角，将该桨距角作为三个叶片的统一输入值，然后根据每个叶根传感器检测到的叶片受力加速度的值作为加权系数重新计算出每个叶片的桨距角，如果叶片叶根受力加速度变大，则增大叶片的桨距角，如果叶片叶根受力加速度变小，则减小叶片的桨距角，从而减小转子上的非对称载荷，达到减小叶片转子的轴向颤振的目的；

所述的通过计算得出叶片的桨距角的步骤如下：

在实际运行时，机舱内的主控制***根据采集来的风速计算每个叶片需要调节的桨距角，由主控制***发出桨叶调节命令，变桨控制***给出统一的桨距角信号，如果在额定风速以上额定功率运行阶段，现场运行中的桨距角变化值Δβ_c，通过叶根传感器得到叶根受力加速度变化值Δa，假设修正权系数为l_i，i＝1、2、3，将集中变桨的桨距角修正为每个叶片实际运行需要的变化桨距角Δβ₁、Δβ₂和Δβ₃，其中：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_1=l_1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_2=l_2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_3=l_3\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\end{array}\right.$

保证独立变桨距控制输出的功率能稳定在额定功率附近；

其中修正权系数l_i为：

在额定风速以上时，叶片的桨距角越大，叶片受到的轴向推力就越小，上式的修正权系数能够保证受力大的叶片有更大的桨距角指令，从而减小了其轴向受力。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一、完全的独立变桨

目前市场上所有风电机组的变桨***，有液压变桨***和电动变桨***，这些变桨***虽然有三套独立的变桨驱动，但是都不具备根据叶片上的载荷不同来单独的调整单个叶片的桨距角。风机在全部的运行过程中，三个叶片的桨距角始终是相同的。本发明通过在叶根安装受力加速度传感器，检测叶片在不同位置的不同受力并反馈给变桨控制***，变桨控制***根据一定的控制策略给驱动***发出相应的指令来驱动永磁电动机，从而达到单独修正桨距角的大小，是完全独立变桨***。

二、结构简单、体积和重量小、维护方便

1、相比结构复杂、布线复杂、维护困难、存在漏油和卡涩风险的液压变桨***，本发明的电动变桨***适应能力强、响应快、精度高、结构简单、无泄漏、无污染和维护方便，坚固耐用，成本低。

2、与直流电机和异步电机相比，本发明的永磁电动机无电刷和换向器，结构简单，工作可靠，维护和保养简单，在转子上装有特殊材料和形状的永磁体，能自己形成恒定的磁场，从而它不需要无功励磁电流，效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，同时它还能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，且在相同功率下，其体积和重量小。

随着海上风场的数量不断增加，其位置将可能处于距离海岸越来越远的远海地区，与陆上风场相比，海上风场更难接近，海上风机的维护需要花费更高费用，其停机将会带来更大的发电量损失，所以海上风场的运行的稳定性和可靠性及其重要。所以采用永磁同步电动机的独立变桨距***特别适合海上风电场。

三、叶片和传动支撑件的受力得到改善

叶片在转动过程中，尤其处于额定风速之上时，由于风速梯度的影响，转子旋转平面内不同位置的叶片所受力不一样，叶片会在垂直于风轮扫掠面上拍打震荡，同时使传动链和塔筒等支撑部件产生受激震荡，风力发电机组容量越大，风轮直径越大，载荷的不均匀性问题越突出。采用完全独立变桨，每个桨叶的桨距角可以根据叶片的受力不同而实时单独动态的改变其桨距角，从而可以从整体上改善桨叶的受力情况和优化转子上的载荷，在稳定发电机的输出功率的同时，实现减小叶片轴向颤振的目的，同时减小叶片、传动部件和支撑部件因附加的疲劳载荷而过早失效破坏，所以特别适合大功率机组。

四、全寿命成本优化、发电量高

本发明能够使风电机组的支撑结构部件的设计载荷更优化，更轻、更便宜的部件将会降低运输和安装费用，降低部件故障风险，提高风电机组的使用寿命、风电机组的效率和风能利用率，从而提高了风电机组服役期的发电量，使机组的全寿命成本最低、效益最高。

附图说明

本发明共有附图2幅，其中：

图1是电动完全独立循环变桨***构成图。

图2是电动完全独立循环变桨***控制框图。

图中：1、变桨控制***，2、驱动***，3、永磁电动机，4、减速器，5、限位开关，6、叶根传感器，7、变桨轴承，8、旋转编码器，9、蓄电池，10、滑环，11、角度编码器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地说明。如图1所示，一种用于海上大功率风电机组的变桨***，包括每个叶片上独立的变桨驱动***2、变桨控制***1、限位开关5、角度编码器11和滑环10，所述的变桨驱动***2安装在机舱前部的轮毂内，其通信和动力是通过与机舱内的主控制***相连的滑环10来实现的；变桨驱动***2包括驱动***2、永磁电动机3、减速器4、叶根传感器6、变桨轴承7、编码器8和蓄电池9，所述的驱动***2通过电缆与永磁电动机3相连，永磁电动机3的输出轴与减速器4的输入轴相连，减速器4的输出小齿轮与变桨轴承7的内齿圈相啮合，旋转编码器8在永磁电动机3的尾部，蓄电池9通过电缆与驱动***2和变桨控制***1相连；所述的变桨控制***1安装在轮毂内，其作用是将来自机舱内主控制***的指令分发给各驱动器，并将角度编码器8检测到叶片桨距角、旋转编码器11检测到的永磁电动机的转速、限位开关5检测到的信号和叶根传感器6检测到的叶片受力加速度实时反馈给主控制***；驱动***2用于驱动永磁电动机3，实现叶片桨距角的精确控制；永磁电动机3是调整叶片桨距角的动力源；减速器4通过端部法兰固定在轮毂上，用于将永磁电动机3输出的高速度降至叶片变桨所需要的速度；变桨轴承7的外圈通过螺栓与轮毂相连，内圈通过螺栓与叶片根部相连，其作用是传递叶片载荷的同时能够提供叶片和轮毂的相对旋转，即变桨；旋转编码器8测量永磁电动机3的转速；角度编码器11的小齿轮与变桨轴承内齿圈相啮合用于测量叶片旋转的角度；叶根传感器6测量叶片根部的受力加速度情况；限位开关5用于限制叶片转过的极限角度；蓄电池9是出于***安全考虑的备用电源。

如图2所示，一种用于海上大功率风电机组的变桨***的控制方法，包括欠功率运行时的控制方法和额定功率运行时的控制方法，具体步骤如下：

A、欠功率运行时的控制方法包括以下步骤：由于此时风速低于额定风速，为了最大限度的捕获风能，叶片的桨距角保持在稍大于0度，追踪最佳功率曲线，使风能利用系数Cp保持最大值以获得最大输出功率；

B、额定功率运行时的控制方法包括以下步骤：由于这时风速高于机组的额定风速，根据机组实际运行时的输出功率与额定功率的偏差值，以偏差变化率Δe作为变桨控制***1的偏差输入量，通过计算得出叶片的桨距角，将该桨距角作为三个叶片的统一输入值，然后根据每个叶根传感器6检测到的叶片受力加速度的值作为加权系数重新计算出每个叶片的桨距角，如果叶片叶根受力加速度变大，则增大叶片的桨距角，如果叶片叶根受力加速度变小，则减小叶片的桨距角，从而减小转子上的非对称载荷，达到减小叶片转子的轴向颤振的目的；

所述的通过计算得出叶片的桨距角的步骤如下：

在实际运行时，机舱内的主控制***根据采集来的风速计算每个叶片需要调节的桨距角，由主控制***发出桨叶调节命令，变桨控制***1给出统一的桨距角信号，如果在额定风速以上额定功率运行阶段，现场运行中的桨距角变化值Δβ_c，通过叶根传感器6得到叶根受力加速度变化值Δa，假设修正权系数为l_i，i＝1、2、3，将集中变桨的桨距角修正为每个叶片实际运行需要的变化桨距角Δβ₁、Δβ₂和Δβ₃，其中：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_1=l_1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_2=l_2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_3=l_3\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\end{array}\right.$

保证独立变桨距控制输出的功率能稳定在额定功率附近；

其中修正权系数l_i为：

在额定风速以上时，叶片的桨距角越大，叶片受到的轴向推力就越小，上式的修正权系数能够保证受力大的叶片有更大的桨距角指令，从而减小了其轴向受力。

本发明的具体实施步骤进一步说明如下：

1、欠功率运行

风速较小时，低于机组额定风速时，桨距角保持在略大于0度附近，采取转矩控制，追踪最佳功率曲线，捕获最大风能；

2、额定功率运行

风速高于额定风速而低于切出风速时，采取变桨距控制，根据每个桨叶的受力，实时动态调整每个桨叶的桨距角，尽可能地减小叶片的拍打振动和转子的轴向受力不平衡，同时使发电机的输出功率稳定在额定功率附近。

3、在独立变桨控制时，采取如下步骤实现：

1)主控制***根据采集来的风速计算叶片需要集中调节的桨距角，由主控制***发出实际桨距角变化值指令Δβ_c；

2)通过叶根传感器6得到每个叶片上受力加速度变化值Δa，将实时的载荷信息进行处理；

3)将需集中变桨距角Δβ_c修正为每个叶片实际的桨距角Δβ₁、Δβ₂、Δβ₃；

4)将修正得到的每个叶片的桨距角输入到相应永磁电动机3的驱动器，再经过变桨控制***1去实现各叶片的动态实时桨距角；

5)返回步骤1)，循环执行步骤2)、3)、4)。

Claims (2)

1.一种用于海上大功率风电机组的变桨***，其特征在于：包括每个叶片上独立的变桨驱动***(2)、变桨控制***(1)、限位开关(5)、角度编码器(11)和滑环(10)，所述的变桨驱动***(2)安装在机舱前部的轮毂内，其通信和动力是通过与机舱内的主控制***相连的滑环(10)来实现的；变桨驱动***包括驱动***(2)、永磁电动机(3)、减速器(4)、叶根传感器(6)、变桨轴承(7)、旋转编码器(8)和蓄电池(9)，所述的驱动***(2)通过电缆与永磁电动机(3)相连，永磁电动机(3)的输出轴与减速器(4)的输入轴相连，减速器(4)的输出小齿轮与变桨轴承(7)的内齿圈相啮合，编码器(8)在永磁电动机(3)的尾部，蓄电池(9)通过电缆与驱动***(2)和变桨控制***(1)相连；所述的变桨控制***(1)安装在轮毂内，其作用是将来自机舱内主控制***的指令分发给各驱动器，并将角度编码器(11)检测到的叶片桨距角、旋转编码器(8)检测到的永磁电动机的转速、限位开关(5)检测到的信号和叶根传感器(6)检测到的叶片受力加速度实时反馈给主控制***；驱动***(2)用于驱动永磁电动机(3)，实现叶片桨距角的精确控制；永磁电动机(3)是调整叶片桨距角的动力源；减速器(4)通过端部法兰固定在轮毂上，用于将永磁电动机(3)输出的高速度降至叶片变桨所需要的速度；变桨轴承(7)的外圈通过螺栓与轮毂相连，内圈通过螺栓与叶片根部相连，其作用是传递叶片载荷的同时能够提供叶片和轮毂的相对旋转，即变桨；旋转编码器(8)测量永磁电动机(3)的转速；角度编码器(11)的小齿轮与变桨轴承内齿圈相啮合用于测量叶片旋转的角度；叶根传感器(6)测量叶片根部的受力加速度情况；角度限位开关(5)用于限制叶片转过的极限角度；蓄电池(9)是出于***安全考虑的备用电源。

2.一种用于海上大功率风电机组的变桨***的控制方法，其特征在于：包括欠功率运行时的控制方法和额定功率运行时的控制方法，具体步骤如下：

A、欠功率运行时的控制方法包括以下步骤：由于此时风速低于额定风速，为了最大限度的捕获风能，叶片的桨距角保持在稍大于0度，追踪最佳功率曲线，使风能利用系数Cp保持最大值以获得最大输出功率；

B、额定功率运行时的控制方法包括以下步骤：由于这时风速高于机组的额定风速，根据机组实际运行时的输出功率与额定功率的偏差值，以偏差变化率Δe作为变桨控制***(1)的偏差输入量，通过计算得出叶片的桨距角，将该桨距角作为三个叶片的统一输入值，然后根据每个叶根传感器(6)检测到的叶片受力加速度的值作为加权系数重新计算出每个叶片的桨距角，如果叶片叶根受力加速度变大，则增大叶片的桨距角，如果叶片叶根受力加速度变小，则减小叶片的桨距角，从而减小转子上的非对称载荷，达到减小叶片转子的轴向颤振的目的；

所述的通过计算得出叶片的桨距角的步骤如下：

在实际运行时，机舱内的主控制***根据采集来的风速计算每个叶片需要调节的桨距角，由主控制***发出桨叶调节命令，变桨控制***(1)给出统一的桨距角信号，如果在额定风速以上额定功率运行阶段，现场运行中的桨距角变化值Δβ_c，通过叶根传感器(6)得到叶根受力加速度变化值Δa，假设修正权系数为l_i，i＝1、2、3，将集中变桨的桨距角修正为每个叶片实际运行需要的变化桨距角Δβ₁、Δβ₂和Δβ₃，其中：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_1=l_1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_2=l_2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_3=l_3\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_c\end{array}\right.$

保证独立变桨距控制输出的功率能稳定在额定功率附近；

其中修正权系数l_i为：

在额定风速以上时，叶片的桨距角越大，叶片受到的轴向推力就越小，上式的修正权系数能够保证受力大的叶片有更大的桨距角指令，从而减小了其轴向受力。

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