CN107630784B - 一种用于定桨距风力发电机组的停机方法 - Google Patents

一种用于定桨距风力发电机组的停机方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于定桨距风力发电机组的停机方法，触发停机后，第一步：泄荷流程和停机过程中躲风流程同时被执行；第二步：若机组执行的是紧急停机，或停机触发设定时间后，或风轮转速小于设定值，机组执行机械刹车流程；第三步：待机械刹车流程执行后，若机组有过压报警，则发电机短路接触器动作，短路发电机；前三步执行完成后，机组已完成停机动作；第四步，执行停机完成后躲风流程；停机完成后躲风流程结束设定时间后，如果15s内风轮平均转速大于设定值，则机组从第一步开始，重新执行停机流程。本发明不仅可以应对常规的机组停机，当机组各功能单元的单一功能失效后，机组按照本方法仍能成功的完成停机动作，安全性高。

Description

一种用于定桨距风力发电机组的停机方法
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电机组的停机方法，尤其涉及一种用于定桨距风力发电机组的停机方法。
背景技术
风资源是一种潜力巨大、技术基本成熟的可再生能源。近年来，全球资源环境约束加剧，气候变化日趋明显，风电越来越受到世界各国的高度重视。
相对定桨距风力发电机组，变桨距风力发电机组的风轮***结构复杂、成本昂贵、维护频次较高。因此，定桨距型风轮***广泛运用于中小型风力发电机组中。安全和稳定是衡量风力发电机组性能的重要指标，机组在异常发生时，停机是保证机组安全性的唯一方式。
风力发电机组在大风的情况下，若不能正常的完成停机动作，即机组不能按设计流程降低风轮转速，会造成机组的飞车。机组超过允许的风轮转速后，一是会造成严重的机械损伤：风轮***中的叶片受损，造成风轮的重心偏移其中心，从而引起机组强烈的振动，机组塔筒的大幅摆动，这对偏航***、刹车***、风轮***、塔筒，甚至整个机组造成不可修复的破坏。最恶劣的情况会引起整个机组的倒塌；二是会影响机组电气部分的寿命：母线电流的过大，造成发电机的过热，影响发电机的寿命，同时引起控制器高温，轻则造成控制器内元器件的损坏，重则引起火灾。此外，除了对风力发电机组自身的危害，风力发电机超速还严重威胁着机组周围人群、建筑物的安全。
而缺失变桨功能的定桨距风力发电机组停机手段有限，定桨距风力发电机组常用的停机手段有机械刹车、泄荷、躲风和电磁制动。如图1所示，它们按照一定的排列组合，形成特定的控制策略，以达到机组停机的目的。整个停机过程中，按照发电机的最大力矩曲线执行泄荷；躲风动作完成的标志要么为机舱偏航至90°风向位置，要么为偏航至较低的风轮转速；机械刹车一般待风轮转速稍稍降低后，立刻投入；最后待风轮降低至很低的风轮转速后，机组进行电磁制动，即发电机短路。
上述传统的定桨距风力发电机组的停机策略，应对机组常规的停机是没有任何问题的。但当机组的某一测量***或某一执行机构故障，造成机组停机手段中的任意一种手段无法正常进行时，即机组单一功能失效后，定桨距风力发电机组其他制动手段的合力不足以克服风轮从风中获取的风能进行停机。风向标故障时，偏航的起始参考点就不准确，那么机组按照这一错误的起始参考点进行躲风，躲风结束后机舱与风向的夹角会是任意角度；偏航***中用于计算偏航已走角度的传感器故障后，躲风动作无法正常进行，那么此时躲风功能就失效了；风轮转速测量***故障时，风轮转速测量值较实际值过大，机械刹车、电磁制动无法正常进行，躲风动作无法正常完成。风轮转速测量值较实际值过小，机械刹车过早的投入，这会造成刹车片的过热，降低机械刹车的制动力，也会造成刹车片不可逆转的热灼现象。
因此，针对定桨距风力发电机组，怎样安全有效的完成停机动作，在停机过程中快速、有效的降低风能利用系数，减少机组风能的捕捉，是本领域技术人员致力于解决的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对定桨距风力发电机组，如何安全有效的完成停机动作。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种用于定桨距风力发电机组的停机方法，其特征在于：触发停机后，机组立刻执行停机流程，停机流程的步骤如下：
第一步：泄荷流程和停机过程中躲风流程同时被执行；
第二步：若机组执行的是紧急停机，或停机触发设定时间后，或风轮转速小于设定值，机组执行机械刹车流程；触发机械刹车流程有个前提，风轮转速不能大于85RPM；
第三步：待机械刹车流程执行后，若机组有过压报警，则发电机短路接触器动作，短路发电机；前三步执行完成后，机组已完成停机动作；
第四步，执行停机完成后躲风流程；停机完成后躲风流程结束设定时间后，如果15s内风轮平均转速大于设定值，则机组从第一步开始，重新执行停机流程。
优选地，所述第一步中，泄荷流程采用按电机最大输出力矩进行泄荷的方式，根据风轮当前的转速、母线电压、电流，计算出泄荷***最大的出力点，并实时追踪风轮转速、母线电压、母线电流，动态地调整泄荷出力点，以达到泄荷***实时提供最大的制动力矩；同时泄荷流程增加了停机完成后，泄荷锁死功能，即机组正常完成停机后，仍不关闭泄荷流程，并以最佳的工作点实时提供最大的制动力矩，从而保证机组正常完成停机后，风轮不再意外转动。
优选地，所述第一步中，停机过程中躲风流程的目的是将风轮转速降低；风轮从风中吸收的风能
Pwind＝(1/2)*Cp*ρ*Acosθ*V
其中，Pwind为风轮从风中吸收的风能，Cp为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮面积，θ为迎风角度，V为风速；
由上式可知，迎风角度θ在90°或270°时，风轮从风中吸收的风能为0；因此，只要机组成功完成躲风动作，机组停机就能够正常完成。
更优选地，停机过程中，偏航已走角度传感器失效后，机组依据躲风动作执行时间计算偏航已走角度；通过该方法在偏航已走角度传感器失效后，保证躲风动作的正常执行，从而降低躲风失败的几率。
进一步地，所述依据躲风动作执行时间计算偏航已走角度的方法为：偏航速度恒定，偏航速度与躲风动作执行时间的乘积即为偏航已走角度。
优选地，针对停机过程中躲风流程，确定躲风的最小行程为135°，因为风轮一直在主风向附近，躲风行程大于135°后，风轮一定是背靠主风向。
优选地，针对停机过程中躲风流程，考虑塔筒电缆绞缆角度对躲风动作的限制问题：躲风前，首先确认躲风方向的行程是否满足绞缆角度限制要求；如果不满足要求，就向另一方向躲风，以保证机组不会二次进入主风向。
优选地，停机完成后躲风流程是为了防止机组正常完成停机后再次异常启动；停机过程中躲风动作或停机完成后躲风动作正常完成后，每隔设定时间，机组再次躲风至90°，使机组不可能从风中吸收过多的风能。
优选地，停机流程中，当检测到机械刹车投入设定时间，风轮转速不能有效地降低后，机械刹车立马松开，待刹车片温度降低后，机械刹车再次投入，从而保证机械刹车的有效制动。
优选地，停机流程中，除母线过压以外的其他工况不进行电磁制动。
本发明提供的方法克服了现有技术的不足，不仅可以应对常规的机组停机，当机组各功能单元的单一功能失效后，机组按照本方法仍能成功的完成停机动作，安全性高。
附图说明
图1为传统的定桨距风力发电机组的停机方法流程图；
图2为本实施例提供的用于定桨距风力发电机组的停机方法流程图；
图3为停机过程中躲风流程示意图；
图4为停机完成后躲风流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
风力发电机组在运行过程中出现异常在所难免，停机是防止机组运行状态继续恶化的有效手段。图2为本实施例提供的用于定桨距风力发电机组的停机方法流程图，所述的用于定桨距风力发电机组的停机方法具体为：
触发停机后，机组立刻执行停机流程：
第一步，泄荷流程和停机过程躲风流程同时被执行；
第二步，若机组执行的是紧急停机，或停机触发ΔT时间(ΔT为设定的时间)后，或风轮转速小于设定值R0，机组执行机械刹车流程；触发机械刹车流程有个前提，风轮转速不能大于85RPM；
第三步，待机械刹车流程执行后，若机组有过压报警，则发电机短路接触器动作，短路发电机；前三步执行完成后，机组已完成停机动作；
第四步，执行停机完成后躲风流程。停机完成后躲风结束ΔT时间(ΔT为设定的时间)后，如果15s内风轮平均转速大于设定值R0，机组从第一步开始，重新执行停机流程。
本实施例提供的用于定桨距风力发电机组的停机方法与传统停机方法的区别主要体现在如下几个方面：
1、泄荷流程
本发明提出的停机泄荷流程较之传统泄荷流程，保持了原停机过程中按电机最大输出力矩进行泄荷的方式：泄荷***在机组触发停机后，立刻进入泄荷流程。根据风轮当前的转速、母线电压、电流，计算出泄荷***最大的出力点；并实时追踪风轮转速、母线电压、母线电流，动态地调整泄荷出力点，已达到泄荷***实时提供最大的制动力矩。本发明的泄荷流程增加了停机完成后，泄荷锁死功能，即机组正常完成停机后，仍不关闭泄荷流程，并以最佳的工作点实时提供最大的制动力矩，从而保证机组正常完成停机后，风轮不再意外转动。
2、躲风流程
躲风流程分为图3所示的停机过程中躲风流程和图4所示的停机完成后躲风流程。
停机过程中躲风的目的是配合其他手段将风轮转速降低至较低的转速。风轮从风中吸收的风能
Pwind＝(1/2)*Cp*ρ*Acosθ*V
其中，Pwind为风轮从风中吸收的风能，Cp为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮面积，θ为迎风角度，V为风速。
由上式不难看出，迎风角度θ在90°或270°附近时，风轮从风中吸收的风能近乎为0。因此，只要机组成功完成躲风动作，机组停机就能够正常完成。
但由于机组偏航速度慢，因此机组躲风过程中，机组需依靠其他手段钳制风轮转速。可以说，此策略的重点在于躲风动作的成功与否。因此，本发明停机流程考虑到偏航已走角度传感器、风向传感器、风轮转速传感器、偏航驱动失效后，怎样保证躲风动作的正常执行，从而大大的降低躲风失败的几率：偏航已走角度传感器失效后，机组依据躲风动作的执行时间计算偏航已走角度(偏航速度恒定，速度与时间的乘积为偏航行程)；为了确保风向及风轮转速传感器失效后，躲风动作能够准确地执行，算法中确定了躲风的最小行程135°。因为风轮一直在主风向附近，躲风行程大于135°后，风轮一定是背靠主风向。
此外，本发明还考虑到了塔筒电缆绞缆角度对躲风动作的限制问题，躲风前首先确认躲风方向的行程是否满足绞缆角度限制要求，如果不满足要求，就向另一方向躲风，以保证机组不会二次进入主风向。
停机完成后躲风是为了防止机组正常完成停机后再次异常启动。停机过程中躲风动作或停机完成后躲风正常完成后，每隔ΔT时间后，机组再次躲风至90°，使机组不可能从风中吸收过多的风能。ΔT为设定的时间。
3、机械刹车
传统的机械刹车在风轮转速降低至一定值后投入，但当风轮转速再次提升后，机械刹车是不切出的。但如果机械刹车投入后，如果风轮不能够被有效的制动，刹车机构的温度会迅速的升高；根据刹车片固有的特性，机械刹车力矩会随着温度的升高迅速的降低。这样持续的刹车不仅不能够很好的提供刹车力矩，还会造成机械刹车不可恢复的热灼损伤，更会造成机舱温度的升高，威胁着机舱内其他元器件的安全，甚至造成机舱内的失火。
因此，本发明的停机流程中，当检测到机械刹车投入一段时间，风轮转速不能有效的降低后，机械刹车立马松开，待刹车片温度降低后，机械刹车再次投入，从而保证机械刹车的有效制动。
4、电磁制动
机组的电磁制动，即发电机的自动短路，在风轮转速降低至一定转速后，它能够很好的提供制动力矩。机组的电磁制动会造成通过测量发电机侧电流电压频率而测量的风轮转速无法测量。如果风轮在电磁制动后再次异常启动，而恰巧此时机械式风轮转速传感器失效，机组是不知晓风轮已经旋转起来了，由此会造成机组的飞车。
因此，本发明的停机流程除母线过压的其他工况是不进行电磁制动的。
综上，风力发电机组在运行过程中出现异常在所难免，停机是防止机组运行状态继续恶化的有效手段。经过试验表明，本发明提供的方法可以提高机组在各功能单元单一失效后正常完成停机的几率，在安全方面具有优异性。
本实施例提供的用于定桨距风力发电机组的停机方法不仅可以应对常规的机组停机，当机组单一功能失效后，机组按照这一停机方法执行停机后，机组仍能成功的完成停机动作。

Claims (6)

1.一种用于定桨距风力发电机组的停机方法，其特征在于：触发停机后，机组立刻执行停机流程，停机流程的步骤如下：
第一步：泄荷流程和停机过程中躲风流程同时被执行；
第二步：若机组执行的是紧急停机，或停机触发设定时间后，或风轮转速小于设定值，机组执行机械刹车流程；触发机械刹车流程有个前提，风轮转速不能大于85RPM；
第三步：待机械刹车流程执行后，若机组有过压报警，则发电机短路接触器动作，短路发电机；前三步执行完成后，机组已完成停机动作；
第四步，执行停机完成后躲风流程；停机完成后躲风流程结束设定时间后，如果15s内风轮平均转速大于设定值，则机组从第一步开始，重新执行停机流程；
所述第一步中，停机过程中躲风流程的目的是将风轮转速降低；风轮从风中吸收的风能
Pwind＝(1/2)*Cp*ρ*Acosθ*V
其中，Pwind为风轮从风中吸收的风能，Cp为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮面积，θ为迎风角度，V为风速；
由上式可知，迎风角度θ在90°或270°时，风轮从风中吸收的风能为0；因此，只要机组成功完成躲风动作，机组停机就能够正常完成；
停机过程中，偏航已走角度传感器失效后，机组依据躲风动作执行时间计算偏航已走角度；通过该方法在偏航已走角度传感器失效后，保证躲风动作的正常执行，从而降低躲风失败的几率；
所述依据躲风动作执行时间计算偏航已走角度的方法为：偏航速度恒定，偏航速度与躲风动作执行时间的乘积即为偏航已走角度；
停机流程中，当检测到机械刹车投入设定时间，风轮转速不能有效地降低后，机械刹车立马松开，待刹车片温度降低后，机械刹车再次投入，从而保证机械刹车的有效制动。
2.如权利要求1所述的一种用于定桨距风力发电机组的停机方法，其特征在于：所述第一步中，泄荷流程采用按电机最大输出力矩进行泄荷的方式，根据风轮当前的转速、母线电压、电流，计算出泄荷***最大的出力点，并实时追踪风轮转速、母线电压、母线电流，动态地调整泄荷出力点，以达到泄荷***实时提供最大的制动力矩；同时泄荷流程增加了停机完成后，泄荷锁死功能，即机组正常完成停机后，仍不关闭泄荷流程，并以最佳的工作点实时提供最大的制动力矩，从而保证机组正常完成停机后，风轮不再意外转动。
3.如权利要求1所述的一种用于定桨距风力发电机组的停机方法，其特征在于：针对停机过程中躲风流程，确定躲风的最小行程为135°，因为风轮一直在主风向附近，躲风行程大于135°后，风轮一定是背靠主风向。
4.如权利要求1所述的一种用于定桨距风力发电机组的停机方法，其特征在于：针对停机过程中躲风流程，考虑塔筒电缆绞缆角度对躲风动作的限制问题：躲风前，首先确认躲风方向的行程是否满足绞缆角度限制要求；如果不满足要求，就向另一方向躲风，以保证机组不会二次进入主风向。
5.如权利要求1所述的一种用于定桨距风力发电机组的停机方法，其特征在于：停机完成后躲风流程是为了防止机组正常完成停机后再次异常启动；停机过程中躲风动作或停机完成后躲风动作正常完成后，每隔设定时间，机组再次躲风至90°，使机组不可能从风中吸收过多的风能。
6.如权利要求1所述的一种用于定桨距风力发电机组的停机方法，其特征在于：停机流程中，除母线过压以外的其他工况不进行电磁制动。
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