CN103835881A - 基于电动有效阻尼的独立变桨***及变桨方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电动有效阻尼的独立变桨***及变桨方法，属于风力发电技术领域。其变桨***是所述每个叶片均具有独立的变桨装置，所述变桨装置包括变桨控制器、变桨驱动器、电动阻尼器及变桨电机，所述变桨驱动器分别连接变桨电机和电动阻尼器，变桨控制器连接变桨驱动器，三个变桨控制器分别连接风机主控控制器。本发明风力机的每支叶片根据自身的控制规律独立地变化桨距角，通过分别动态调节三个叶片的变桨角度，使每个叶片能够获取不同的目标位置，降低动平衡载荷，并对不对称转子载荷补偿，减小桨叶受风的拍打震动，降低传动链应力冲击。在高风速时，通过输出变化的发电机转矩和独立变桨角来降低风轮转速与电功率波动，同时也能减小齿轮箱转矩尖峰。

Description

基于电动有效阻尼的独立变桨***及变桨方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种基于电动有效阻尼的独立变桨方法及变桨***。

背景技术

目前的风力发电机组的变桨距控制机构通常是通过电磁扭矩控制***对风力机三个桨叶进行统一控制，即桨叶节距角变化一致。但由于在整个风轮扫及面上风速并不均匀，由此会产生桨叶扭矩的波动并影响到风力机传动机构的机械应力及其疲劳寿命。显然对三个桨叶进行单独控制更为合理。采用传统统一控制的变桨距控制方式不能有效地保持电功率和风轮转速稳定的多目标控制。

目前现有技术存在的问题：1、传统变桨控制方式在保持稳定的风轮转速下，不能有效地降低电功率波动。2、统一变桨的风机所有桨叶由一个控制机构控制，进行相同的桨距角变化，因此一个变桨控制执行机构故障，必须停机维修。3、目前的独立变桨技术中常见的方案是，桨距角计算通常通过在轮毂内外装额外的位置传感器或在机舱内的主控安装应变传感器测量桨叶的位置，从而得到桨叶位置，进而分别计算每个桨叶的角度设定值。这种测量方法需要增加传感器及额外的硬件设备，而且需要连接传感器或测量设备，增加了风机内部的电缆连接，降低了风机整体运行的可靠性，且传感器测量时也容易造成信号干扰。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于电动有效阻尼的独立变桨方法及变桨***。

本发明采用电动有效阻尼独立变桨控制，根据其在风机的水平轴垂直平面内旋转时所处的不同位置，通过变桨控制器计算和控制每个桨叶各自的桨距角，从而独立地变化桨距角，同时驱动器带动变桨电机分别动态调节三个叶片的变桨角度，对变桨角度进行独立修正。

本发明包括置于轮毂内的三套独立的电动变桨装置，通过电动阻尼器检测每个驱动器的电流确定三个桨叶所处空间位置，根据算法计算3个桨叶目标独立变桨角度设定值，从而对变桨角度进行独立修正。

本发明一种基于电动有效阻尼的独立变桨***，即：所述每个叶片均具有独立的变桨装置，所述变桨装置包括变桨控制器、变桨驱动器、电动阻尼器及变桨电机，所述变桨驱动器分别连接变桨电机和电动阻尼器，变桨控制器连接变桨驱动器，三个变桨控制器分别连接风机主控控制器；通过风机主控控制器分别控制三个变桨控制器。

本发明的变桨方法：所述风机每一桨叶根据其在风机的水平轴垂直平面内旋转时所处的不同位置，通过变桨控制器计算和控制每个桨叶各自的桨距角，独立地变化桨距角；通过电动阻尼器检测每个桨叶变桨驱动器的电流，确定三个桨叶所处的空间位置，同时变桨驱动器带动变桨电机分别动态调节三个叶片的变桨角度，对变桨角度进行独立修正。

进一步地，其变桨方法，具体包括如下步骤：

（1）风机主控控制器下发给三个变桨控制器的桨叶角度控制命令，即桨叶角度设定值；

（2）变桨控制器接收风机主控控制器下发的统一变桨的桨叶角度设定值；

（3）变桨控制器读取变桨驱动器当前的电压信号和电动阻尼器检测到的变桨电机电流信号，得到三个桨叶所处空间方位位置；

（4）变桨控制器根据三个桨叶所处空间方位位置，计算三个桨叶目标独立变桨角度设定值；

（5）三个变桨控制器将上述目标独立变桨角度设定值命令转换为电压控制信号分别下发给变桨驱动器和电动阻尼器；

（6）变桨驱动器和电动阻尼器收到来自变桨控制器的电压控制信号命令后，通过输出电流和频率信号控制变桨电机，使其带动桨叶运行到目标角度值；

（7）变桨电机执行成功后会跳转到第（2）步骤；如果执行不成功或则退出程序。

进一步地，上述第（4）步中计算三个桨叶的目标独立变桨角度设定值，其计算方法包括如下步骤：

（1）变桨控制器获取到三个桨叶所处空间方位位置θ_Bi；

（2）根据桨叶位置方位角θ_Bi计算独立变桨加权值K_i：

$K_i=\frac{3\×{[1+\frac{3R}{4H_O}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}+(i-1)\×\frac{2\mathrm{\π}}{43})]}^{2n}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{[1+\frac{3R}{4H_O}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}+(i-1)\×\frac{2\mathrm{\π}}{43})]}^{2n}}$

式中：

K_i是每个桨叶独立变桨加权值；

R为桨叶长度；

θ_Bi为桨叶i的方位角；

n为剪切指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度；

i为桨叶编号，具体值为1，2，3；

（3）变桨控制器接收风机主控控制器下发的统一变桨的桨叶角度设定值为β；

（4）计算每个桨叶独立变桨角度变化值Δβ_i，Δβ_i=K_i×β；

Δβ_i为每个桨叶独立变桨角度变化值；

β为统一变桨角度设定值；

i为桨叶编号，具体值为1，2，3；

（5）计算三个桨叶的目标独立变桨角度设定值为Δβ_i+β。

本发明的有益效果：

1.本发明采用电动有效阻尼的多变量控制的风力发电机组，在高风速时，通过输出变化的发电机转矩和独立变桨角来降低风轮转速与电功率波动，同时也能减小齿轮箱转矩尖峰。

2.本发明采用电动有效阻尼独立变桨控制，是指风力机每支叶片根据自身的控制规律独立地变化桨距角，通过分别动态调节三个叶片的变桨角度，使每个叶片能够获取不同的目标位置，降低动平衡载荷，并对不对称转子载荷补偿。通过控制发电机电磁转矩，调节风机速度进而控制风机的输出功率。

3.本发明独立变桨***也能够作为刹车使用，通过转动叶片来使桨叶停止运作。即使其中一个桨叶的变桨装置出现故障，也可以实现刹车功能，避免一个桨叶的变桨装置故障就必须停机的问题。

4.本发明电动有效阻尼独立变桨控制***，可以应付自然界中风力在风轮平面上分布不均的问题，提高风能利用率，减小桨叶受风的拍打震动，降低传动链应力冲击。还能够降低风机构件上的疲劳负载。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的控制方法流程图。

图3为图2中目标独立变桨角度设定值算法流程图。

图中：1.变桨电机，2.电动阻尼器，3.变桨驱动器，4.变桨控制器，5.风机主控控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体描述本发明。

实施例：如图1所示，所述每个叶片均具有独立的变桨装置，所述变桨装置包括变桨控制器4、变桨驱动器3、电动阻尼器2及变桨电机1，所述变桨驱动器3分别连接变桨电机1和电动阻尼器2，变桨控制器4连接变桨驱动器3，三个变桨驱动器3分别连接风机主控控制器5。

其中变桨电机1作为执行器，实际能够带动风机的桨叶进行转动，其动力由变桨驱动器3提供，电动阻尼器2连接在变桨电机1和变桨驱动器3之间，电动阻尼器2在变桨电机1动作时提供电动有效阻尼，同时电动阻尼器2也实时检测变桨电机1的运行状态，通过控制变桨驱动器3及电动阻尼器2接收反馈信号，三个变桨控制器4分别连接在风机主控控制器5上，以此来完成整个***的控制。

本发明变桨控制方法如下：所述风机每一桨叶根据其在风机的水平轴垂直平面内旋转时所处的不同位置，通过变桨控制器4计算和控制每个桨叶各自的桨距角，从而独立地变化桨距角。通过电动阻尼器2检测每个桨叶变桨驱动器3的电流，确定三个桨叶所处的空间位置，同时变桨驱动器3带动变桨电机1分别动态调节三个叶片的变桨角度，对变桨角度进行独立修正。

本发明变桨控制方法，具体包括如下步骤：

（1）风机主控控制器5下发给三个变桨控制器4的桨叶角度控制命令，即桨叶角度设定值；

（2）变桨控制器4接收风机主控控制器5下发的统一变桨的桨叶角度设定值。

（3）变桨控制器4读取变桨驱动器3当前的电压信号和电动阻尼器2检测到的变桨电机1电流信号，得到三个桨叶所处空间方位位置；

（4）变桨控制器4根据三个桨叶所处空间方位位置，计算三个桨叶目标独立变桨角度设定值；

（5）三个变桨控制器4将上述目标独立变桨角度设定值命令转换为电压控制信号分别下发给变桨驱动器3和电动阻尼器2；

（6）变桨驱动器3和电动阻尼器2收到来自变桨控制器4的电压控制信号命令后，通过输出电流和频率信号控制变桨电机1，使其带动桨叶运行到目标角度值；

（7）变桨电机1执行成功后会跳转到第（2）步骤；如果执行不成功或则退出程序。

所述第（4）步中计算三个桨叶的目标独立变桨角度设定值，其计算方法包括如下步骤：

Ⅰ.变桨控制器4获取到三个桨叶所处空间方位位置θ_Bi；

Ⅱ.根据桨叶位置方位角θ_Bi计算独立变桨加权值K_i：

$K_i=\frac{3\×{[1+\frac{3R}{4H_O}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}+(i-1)\×\frac{2\mathrm{\π}}{43})]}^{2n}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{[1+\frac{3R}{4H_O}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}+(i-1)\×\frac{2\mathrm{\π}}{43})]}^{2n}}$

式中：

K_i是每个桨叶独立变桨加权值；

R为桨叶长度；

θ_Bi为桨叶i的方位角；

n为剪切指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度；

i为桨叶编号，具体值为1，2，3；

Ⅲ.变桨控制器4接收风机主控控制器5下发的统一变桨的桨叶角度设定值为β；

Ⅳ.计算每个桨叶独立变桨角度变化值Δβ_i，Δβ_i=K_i×β；

Δβ_i为每个桨叶独立变桨角度变化值；

β为统一变桨角度设定值；

i为桨叶编号，具体值为1，2，3；

Ⅴ.计算三个桨叶的目标独立变桨角度设定值为Δβ_i+β。

Claims (4)

1.一种基于电动有效阻尼的独立变桨***，其特征在于：所述每个叶片均具有独立的变桨装置，所述变桨装置包括变桨控制器、变桨驱动器、电动阻尼器及变桨电机，所述变桨驱动器分别连接变桨电机和电动阻尼器，变桨控制器连接变桨驱动器，三个变桨控制器分别连接风机主控控制器；通过风机主控控制器分别控制三个变桨控制器。

2.如权利要求1所述基于电动有效阻尼的独立变桨***的变桨方法，其特征在于：所述风机每一桨叶根据其在风机的水平轴垂直平面内旋转时所处的不同位置，通过变桨控制器计算和控制每个桨叶各自的桨距角，独立地变化桨距角；通过电动阻尼器检测每个桨叶变桨驱动器的电流，确定三个桨叶所处的空间位置，同时变桨驱动器带动变桨电机分别动态调节三个叶片的变桨角度，对变桨角度进行独立修正。

3.如权利要求2所述基于电动有效阻尼的独立变桨***的变桨方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）风机主控控制器下发给三个变桨控制器的桨叶角度控制命令，即桨叶角度设定值；

（2）变桨控制器接收风机主控控制器下发的统一变桨的桨叶角度设定值；

（3）变桨控制器读取变桨驱动器当前的电压信号和电动阻尼器检测到的变桨电机电流信号，得到三个桨叶所处空间方位位置；

（4）变桨控制器根据三个桨叶所处空间方位位置，计算三个桨叶目标独立变桨角度设定值；

（5）三个变桨控制器将上述目标独立变桨角度设定值命令转换为电压控制信号分别下发给变桨驱动器和电动阻尼器；

（6）变桨驱动器和电动阻尼器收到来自变桨控制器的电压控制信号命令后，通过输出电流和频率信号控制变桨电机，使其带动桨叶运行到目标角度值；

（7）变桨电机执行成功后会跳转到第（2）步骤；如果执行不成功或则退出程序。

4.如权利要求3所述基于电动有效阻尼的独立变桨方法，其特征在于：所述第（4）步中计算三个桨叶的目标独立变桨角度设定值，其计算方法包括如下步骤：

（1）变桨控制器获取到三个桨叶所处空间方位位置θ_Bi；

（2）根据桨叶位置方位角θ_Bi计算独立变桨加权值K_i：

$K_i=\frac{3\×{[1+\frac{3R}{4H_O}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}+(i-1)\×\frac{2\mathrm{\π}}{43})]}^{2n}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{[1+\frac{3R}{4H_O}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}+(i-1)\×\frac{2\mathrm{\π}}{43})]}^{2n}}$

式中：

K_i是每个桨叶独立变桨加权值；

R为桨叶长度；

θ_Bi为桨叶i的方位角；

n为剪切指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度；

i为桨叶编号，具体值为1，2，3；

（3）变桨控制器接收风机主控控制器下发的统一变桨的桨叶角度设定值为β；

（4）计算每个桨叶独立变桨角度变化值Δβ_i，Δβ_i=K_i×β；

Δβ_i为每个桨叶独立变桨角度变化值；

β为统一变桨角度设定值；

i为桨叶编号，具体值为1，2，3；

（5）计算三个桨叶的目标独立变桨角度设定值为Δβ_i+β。

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