專利名稱：用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)及其控制方法，主要 應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
背景技術(shù)：
目前，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用的變槳控制系統(tǒng)為統(tǒng)一變槳距技術(shù)，如圖l
所示，輪轂與發(fā)電機(jī)、輪轂與葉片直接機(jī)械連接，其特點(diǎn)為通過在發(fā)電機(jī)上 設(shè)置的編碼器及在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中設(shè)置的電壓電流信號傳感器來實(shí)時(shí)測定輪轂轉(zhuǎn) 速及風(fēng)機(jī)功率；在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率達(dá)到額定功率以上時(shí)，可通過控制模塊中 風(fēng)機(jī)功率控制器直接輸出的信號來控制輪轂轉(zhuǎn)速及輪轂上葉片的攻角，從而限 制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入功率，以維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率輸出的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定， 保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
但是，由于風(fēng)切變、湍流、擾動效應(yīng)，塔簡的塔影效應(yīng)，葉片的重力、離 心力等因素，葉片的載荷會發(fā)生不規(guī)則變化，包括周期性不均勻載荷和瞬間沖 擊載荷。這些載荷的不規(guī)則變化加劇了葉片的疲勞損害，并且引起輪轂、主軸、 塔架等部件的疲勞損害。同時(shí)，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，機(jī)組的容量越來越 大，最大單機(jī)容量已達(dá)到6MW,其葉輪直徑也相應(yīng)增大，如5MW風(fēng)電機(jī)組葉 輪直徑已達(dá)到126米。風(fēng)輪直徑增大則意味著風(fēng)輪平面內(nèi)載荷不均勻性的加劇， 葉片、輪轂、主軸和塔簡等部件的疲勞載荷增加，降低了這些關(guān)鍵部件的壽命 和機(jī)組的可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明的目的在于提供一種能在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)的同時(shí)又能 減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的上述不均勻載荷，以增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組壽命的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)及控制方法。
本發(fā)明中的控制方法的主要目的就是對獨(dú)立變槳技術(shù)具體化，將目前風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組常用的統(tǒng)一變槳控制器的控制理念更新為以實(shí)現(xiàn)功率控制、載荷減少 為綜合目的的變槳控制方法。
本發(fā)明中用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)包括有釆樣模塊、控制模 塊及用于驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中葉片的驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊包括有依次電連 接的電池儲能系統(tǒng)、變槳變頻器、變槳電機(jī)，其特征在于，所述采樣模塊負(fù)責(zé) 釆集風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號、葉輪位置信號、變槳角度信號、槳葉振動 信號，并分別將所采集到的信號傳送至所述控制模塊；所述控制模塊包括有用 于對所述風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的風(fēng)機(jī)功率控制器，用于對葉 輪位置信號、風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的周期性不均勻載荷補(bǔ)償 控制器，用于對變槳角度信號、槳葉振動信號及葉輪位置信號、風(fēng)機(jī)功率信號、 輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器，及用于對所述風(fēng)機(jī)功率控 制器、周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器、瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器的輸出綜合處
理并輸出至所述驅(qū)動模塊的輸出耦合器；所述變槳電機(jī)經(jīng)減速器連接風(fēng)力發(fā)電
機(jī)組的葉片。
所述釆樣模塊中用于釆集槳葉振動信號的是安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每片葉片 根部用于獲得對應(yīng)葉片載荷大小的四個(gè)傳感器。
所述四個(gè)傳感器中的兩個(gè)傳感器分別位于與葉片根部薄緣方向至厚緣方向 的擺振軸線形成有角度偏差的兩端，另兩個(gè)傳感器分別位于葉片根部與該擺振 軸線相垂直軸線的兩端。
所述傳感器為用于測量所述葉片振動頻率及幅值而得到所述葉片載荷大小 的振動傳感器，或是用于測量葉片根部形變，而得到所述葉片載荷大小的應(yīng)力 傳感器。
所述周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器是利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生 的不均勻載荷，通過對葉輪位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測，計(jì)算出由于葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周期 性不均載荷的補(bǔ)償值，包括位置不均勻載荷和由風(fēng)切變引起的載荷變化。所述瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器是通過測量槳葉振動的幅值和頻率，計(jì)算出 葉輪幅面各處風(fēng)力的各種波動，通過一個(gè)數(shù)據(jù)存儲器記錄一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的變 化，進(jìn)而預(yù)測出各個(gè)葉片下一工作位置處可能的風(fēng)況，給出變槳角度補(bǔ)償值， 減少瞬態(tài)沖擊載荷。
所述輸出耦合器是對風(fēng)機(jī)功率控制器生成的變槳角度輸出、周期性不均勻 載荷補(bǔ)償控制器的變槳角度輸出及瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器的變槳角度輸出的 補(bǔ)償值進(jìn)行加權(quán)疊加，以輸出正確的變槳控制設(shè)定值，由驅(qū)動模塊驅(qū)動每個(gè)葉 片。
本發(fā)明中的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的控制方法，包括如下
步驟
1) 在輪轂與葉片根部增設(shè)相應(yīng)的用于測量葉輪位置的編碼器和用于測量葉 片根部信號的傳感器；
2) 通過信號釆集裝置、編碼器得到各個(gè)葉片的槳葉振動信號、葉輪位置信 號、變槳角度信號、風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號；
3) 同時(shí)將上述測量所得的信號輸入控制模塊，其中風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn) 速信號經(jīng)風(fēng)機(jī)功率控制器來改變變槳角度設(shè)定值以維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率和 電機(jī)轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)運(yùn)行；風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號、葉輪位置信號經(jīng) 周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器通過預(yù)先建立的風(fēng)況模型計(jì)算出葉輪幅面內(nèi)各種 周期性不均勻載荷的分布值，并轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償值進(jìn)行變槳角度的輸出；風(fēng)機(jī)功率 信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號、葉輪位置信號、槳葉振動信號、變槳角度信號經(jīng)瞬態(tài)沖 擊載荷補(bǔ)償控制器進(jìn)行處理并輸出每個(gè)槳葉的變槳補(bǔ)償值；
4) 由輸出耦合器將風(fēng)機(jī)功率控制器生成的變槳角度輸出、周期性不均勻載 荷補(bǔ)償控制器、及瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器輸出的補(bǔ)償值進(jìn)行加權(quán)疊加，以輸 出正確的變槳控制設(shè)定值，由驅(qū)動模塊驅(qū)動輪轂及每個(gè)葉片。
所述步驟3)中瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器的處理步驟是
3a)將測量所得的振動信號分別推導(dǎo)出三個(gè)葉片的彎距值；
3b)通過2/3坐標(biāo)變換器將三個(gè)彎距值轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下水平軸和垂直軸的分量；
3C)水平軸與垂直軸上的載荷分別經(jīng)各自的濾波器后由水平軸或垂直軸中 的PI控制器生成水平軸和垂直軸的變槳指令；
3d)再次通過2/3坐標(biāo)變換器轉(zhuǎn)換成每個(gè)槳葉的變槳補(bǔ)償值。
所述用于測量葉片根部振動信號的傳感器為用于測量所述葉片振動頻率及 幅值而得到所述葉片載荷大小的振動傳感器，或是用于測量葉片根部形變，而 得到所述葉片載荷大小的應(yīng)力傳感器。
本發(fā)明中用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)及其控制方法，通過測量 風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號、葉輪位置信號、槳葉振動信號、變槳角度信號， 在預(yù)先建立的風(fēng)況模型和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)速的分布情 況和機(jī)組的載荷分布情況，得出每只葉片應(yīng)釆取的攻角變化值，從而補(bǔ)償由風(fēng) 速波動引起的風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷增加。
另，本發(fā)明是在現(xiàn)有電動變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加周期性不均勻載荷 補(bǔ)償控制器和瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器，實(shí)現(xiàn)對三個(gè)葉片分別執(zhí)行獨(dú)立變槳動 作，達(dá)到控制風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，同時(shí)明顯降低由于風(fēng)切變、湍流、陣風(fēng)等 作用引起的載荷不均勻和疲勞載荷幅值，降低機(jī)組的機(jī)械性能要求，提高機(jī)組 的可靠性和壽命，降低機(jī)組成本。
圖i為現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組統(tǒng)一變槳控制系統(tǒng)的控制框圖； 圖2為本發(fā)明中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的控制框圖； 圖3為本發(fā)明中應(yīng)力傳感器的安裝示意圖4為本發(fā)明中瞬間沖擊載荷補(bǔ)償控制器中對槳葉振動信號、變槳角度信 號處理的原理框圖5為本發(fā)明中X軸和Y軸控制器的工作原理框圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明中的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖2所示，本發(fā)明中用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)包括有釆樣
模塊l、控制模塊2及驅(qū)動模塊3:
釆樣模塊1負(fù)責(zé)釆集風(fēng)機(jī)功率信號10、輪轂轉(zhuǎn)速信號11、葉輪位置信號 12、變槳角度信號13、槳葉振動信號14等，并分別將釆集到的信號傳送至控 制模塊2。
釆樣模塊1在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的具體分布為
用于釆集風(fēng)機(jī)功率信號10的是安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)4(或變頻器 控制器5)內(nèi)的功率信號釆集裝置(圖中未示出)。
用于釆集輪轂轉(zhuǎn)速信號11的是安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑環(huán)上的編碼器(圖中 未示出)。
用于釆集變槳角度信號13的是安裝在輪轂6內(nèi)(或葉片7)的變槳角度信 號釆集裝置或安裝于變槳電機(jī)32上的編碼器(圖中未示出)。
用于釆集葉輪位置信號12的是安裝在輪轂6內(nèi)的編碼器，用于測量葉輪旋 轉(zhuǎn)時(shí)所處的角度，即以葉片旋轉(zhuǎn)至12點(diǎn)的位置處為零點(diǎn)，以順時(shí)針為正方向來 測量葉輪方位角，從而得到各個(gè)葉輪所處的位置，以此作為相位角，可以對葉 片所受外力或者形變值進(jìn)行矢量運(yùn)算。
用于釆集槳葉振動信號14的是安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每片葉片7根部70用 于獲得對應(yīng)葉片載荷大小的四個(gè)傳感器140、 141、 142、 143，如圖3所示，該 四個(gè)傳感器中的兩個(gè)傳感器140、 141分別位于與葉片根部薄緣方向至厚緣方向 的擺振軸線形成有角度偏差的兩端，另兩個(gè)傳感器142、 143分別位于葉片根部 與該擺振軸線垂直的軸線的兩端。所采用的傳感器可以是用于直接測量葉片振 動頻率及幅值而得到葉片載荷大小的振動傳感器；也可以是用于測量葉片根部
形變而得到葉片載荷大小的應(yīng)力傳感器。本發(fā)明中以振動傳感器為例。
本發(fā)明釆樣模塊中的各信號釆集裝置、編碼器及傳感器均采用的是巿售成熟產(chǎn)品，對其具體的結(jié)構(gòu)、工作原理及安裝不再另行說明。
如圖2所示，驅(qū)動模塊3用于接受控制模塊2輸出的信號，并根據(jù)信號驅(qū)
動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片7。該驅(qū)動模塊3與現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的驅(qū)動模塊相 同，包括有依次電連接的電池儲能系統(tǒng)30、變槳變頻器31、變槳電機(jī)32，其 中變槳電機(jī)經(jīng)減速器連接每個(gè)葉片7,同時(shí)輪轂6與葉片7之間為直接的機(jī)械 連接(通過一個(gè)變槳軸承)，此部分由于是現(xiàn)有技術(shù)，因此不再詳細(xì)說明。
控制模塊2包括三個(gè)濾波器20、 21、 22、三個(gè)變槳控制器及一個(gè)輸出耦合 器26,其中三個(gè)變槳控制器分別為風(fēng)機(jī)功率控制器23、周期性不均勻載荷補(bǔ)償 控制器24、瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器25。其中在周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器 24的輸入端連接有用于對風(fēng)機(jī)功率信號10、輪轂轉(zhuǎn)速信號11及葉輪位置信號 12處理的第一數(shù)據(jù)處理模塊27，在瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器25的輸入端連接 有用于對風(fēng)機(jī)功率信號10、輪轂轉(zhuǎn)速信號11、葉輪位置信號12、變槳角度信 號13及槳葉振動信號14進(jìn)行處理的第二數(shù)據(jù)處理模塊28。
風(fēng)機(jī)功率控制器23與現(xiàn)有統(tǒng)一變槳控制系統(tǒng)一樣，通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn) 行實(shí)時(shí)功率和輪轂轉(zhuǎn)速的監(jiān)測，來改變變槳角度設(shè)定值以維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。
周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器24根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的 不均勻載荷，通過對葉輪位置信號12的實(shí)時(shí)監(jiān)測，補(bǔ)償由于葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周 期性不均勻載荷，包括位置不均勻載荷和由風(fēng)切變引起的載荷交變。具體是通 過測量葉輪位置信號12、風(fēng)機(jī)功率信號IO和輪轂轉(zhuǎn)速信號11，并通過預(yù)先建 立的風(fēng)況模型(其中風(fēng)況模型為現(xiàn)有技術(shù)，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說都能獲得) 計(jì)算出葉輪幅面內(nèi)各種周期性不均勻載荷的分布值，再通過周期性不均勻載荷 補(bǔ)償控制器24轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償值進(jìn)行變槳角度的輸出，使得不均勻載荷減少。
瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器25是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)沖擊載荷產(chǎn)生的原 因，如圖2所示，在測量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率信號10、輪轂轉(zhuǎn)速信號ll、葉輪 位置信號12、變槳角度信號13的同時(shí)增加測量3支槳葉的振動信號14,包括 振動幅值和頻率，計(jì)算出葉輪幅面各處風(fēng)力的各種波動，給出變槳角度補(bǔ)償值。其中瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器25對所增加測量的槳葉的振動幅值和頻率數(shù)據(jù) 的處理是先將某槳距角下葉片的振動信號推導(dǎo)出三個(gè)葉片的彎距值，如圖4所
示，再通過2/3坐標(biāo)變換器250轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下X軸和Y軸的分量，X軸 與Y軸上的載荷分別經(jīng)各自的濾波器251后由X軸或Y軸中的PI控制器252 生成X軸和Y軸的變槳指令(設(shè)定值)，如圖5所示，并再次通過2/3坐標(biāo)變 換器253及輸出耦合器26給出每個(gè)槳葉的變槳設(shè)定值。另，在瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ) 償控制器25對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的同時(shí)通過一個(gè)數(shù)據(jù)存儲器254(圖中未示出) 記錄一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的變化，進(jìn)而預(yù)測出各個(gè)葉片下一工作位置處可能的風(fēng)況， 從而可以減少瞬態(tài)沖擊載荷，并且在處理葉片根部振動傳感器140、 141、 142、 143的信號時(shí)還通過一個(gè)前饋濾波器255，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
輸出耦合器26是通過將風(fēng)機(jī)功率控制器23生成的變槳角度輸出與周期性 不均勻載荷補(bǔ)償控制器24、瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器25得到的補(bǔ)償值進(jìn)行加 權(quán)疊加，以得到合理的變槳控制功能，并調(diào)節(jié)本發(fā)明中獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的控 制目標(biāo)，使得本發(fā)明中的控制系統(tǒng)能夠使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于更好的運(yùn)行狀況和 具有更低的疲勞載荷。
本發(fā)明中用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的控制方法包括如下步
驟
1) 在輪轂與葉片根部增設(shè)相應(yīng)的用于測量葉輪位置的編碼器和用于測量葉 片根部振動信號(振動幅值與頻率)的振動傳感器；
2) 通過信號采集裝置、編碼器等得到各個(gè)葉片的槳葉振動信號14 (可以 是振動幅值與頻率，也可以是形變值)、葉輪位置信號12、變槳角度信號13、 風(fēng)機(jī)功率信號10、輪轂轉(zhuǎn)速信號11等；
3) 同時(shí)將上述測量所得的信號輸入控制模塊，其中風(fēng)機(jī)功率信號10、輪 轂轉(zhuǎn)速信號11經(jīng)風(fēng)機(jī)功率控制器23來改變變槳角度設(shè)定值以維持風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組的功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)運(yùn)行；風(fēng)機(jī)功率信號IO、輪轂轉(zhuǎn)速信號ll、 葉輪位置信號12經(jīng)周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器24通過預(yù)先建立的風(fēng)況模型 計(jì)算出葉輪幅面內(nèi)各種周期性不均勻載荷的分布值，并轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償值進(jìn)行變槳角度的輸出；風(fēng)機(jī)功率信號10、輪轂轉(zhuǎn)速信號11、葉輪位置信號12、槳葉振
動信號14、變槳角度信號13經(jīng)瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器25進(jìn)行處理并輸出每
個(gè)槳葉的變槳設(shè)定值，具體的處理步驟是
3a)將測量所得的槳葉振動幅值和頻率推導(dǎo)出三個(gè)葉片的彎距值；
3b)通過2/3坐標(biāo)變換器250將三個(gè)彎距值轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下X軸(水
平軸)和Y軸(垂直軸)的分量；
3c)X軸與Y軸上的載荷分別經(jīng)各自的濾波器251后由X軸和Y軸中的PI
控制器252生成X軸和Y軸的變槳指令；
3d)再次通過2/3坐標(biāo)變換器253輸出每個(gè)槳葉的變槳補(bǔ)償值。
4)由輸出耦合器26將風(fēng)機(jī)功率控制器23生成的變槳角度輸出、周期性不
均勻載荷補(bǔ)償控制器24、及瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器25輸出的補(bǔ)償值進(jìn)行加
權(quán)疊加，以輸出合理的變槳控制設(shè)定值，由驅(qū)動模塊3驅(qū)動每個(gè)葉片7。
綜上所述，本發(fā)明中的控制系統(tǒng)為一套獨(dú)立變槳系統(tǒng)，經(jīng)各個(gè)部件的協(xié)調(diào) 運(yùn)作可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制功能，為一套完整的軟件硬件結(jié)合的整體。
權(quán)利要求
1、一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)，包括有采樣模塊、控制模塊及用于驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中葉片的驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊包括有依次電連接的電池儲能系統(tǒng)、變槳變頻器、變槳電機(jī)，其特征在于，所述采樣模塊負(fù)責(zé)采集風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號、葉輪位置信號、變槳角度信號、槳葉振動信號，并分別將所采集到的信號傳送至所述控制模塊；所述控制模塊包括有用于對所述風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的風(fēng)機(jī)功率控制器，用于對葉輪位置信號、風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器，用于對變槳角度信號、槳葉振動信號及葉輪位置信號、風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器，及用于對所述風(fēng)機(jī)功率控制器、周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器、瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器的輸出綜合處理并輸出至所述驅(qū)動模塊的輸出耦合器；所述變槳電機(jī)經(jīng)減速器連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣模塊中用于釆集槳葉振動信號的是安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每片葉片根部用于獲得對應(yīng)葉片載荷大小的四個(gè)傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)，其特征在于，所述四個(gè)傳感器中的兩個(gè)傳感器分別位于與葉片根部薄緣方向至厚緣方向的擺振軸線形成有角度偏差的兩端，另兩個(gè)傳感器分別位于葉片根部與該擺振軸線相垂直軸線的兩端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器為用于測量所述葉片振動頻率及幅值而得到所述葉片載荷大小的振動傳感器，或是用于測量葉片根部形變，而得到所述葉片載荷大小的應(yīng)力傳感器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)，其特征在于，所述周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器是利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的不均勻載荷，通過對葉輪位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測，計(jì)算出由于葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周期性不均載荷的補(bǔ)償值，包括位置不均勻載荷和由風(fēng)切變引起的載荷變化。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)，其特征在于，所述瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器是通過測量槳葉振動的幅值和頻率，計(jì)算出葉輪幅面各處風(fēng)力的各種波動，通過一個(gè)數(shù)據(jù)存儲器記錄一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的變化，進(jìn)而預(yù)測出各個(gè)葉片下一工作位置處可能的風(fēng)況，給出變槳角度補(bǔ)償值，減少瞬態(tài)沖擊載荷。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)，其特征在于，所述輸出耦合器是對風(fēng)機(jī)功率控制器生成的變槳角度輸出、周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器的變槳角度輸出及瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器的變槳角度輸出的補(bǔ)償值進(jìn)行加權(quán)疊加，以輸出正確的變槳控制設(shè)定值，由驅(qū)動模塊驅(qū)動每個(gè)葉片。
8、 一種權(quán)利要求1至7中所述用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟1) 在輪轂與葉片根部增設(shè)相應(yīng)的用于測量葉輪位置的編碼器和用于測量葉片根部信號的傳感器；2) 通過信號采集裝置、編碼器得到各個(gè)葉片的槳葉振動信號、葉輪位置信號、變槳角度信號、風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號；3) 同時(shí)將上述測量所得的信號輸入控制模塊，其中風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號經(jīng)風(fēng)機(jī)功率控制器來改變變槳角度設(shè)定值以維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)運(yùn)行；風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號、葉輪位置信號經(jīng)周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器通過預(yù)先建立的風(fēng)況模型計(jì)算出葉輪幅面內(nèi)各種周期性不均勻載荷的分布值，并轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償值進(jìn)行變槳角度的輸出；風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號、葉輪位置信號、槳葉振動信號、變槳角度信號經(jīng)瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器進(jìn)行處理并輸出每個(gè)槳葉的變槳補(bǔ)償值；4) 由輸出耦合器將風(fēng)機(jī)功率控制器生成的變槳角度輸出、周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器、及瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器輸出的補(bǔ)償值進(jìn)行加權(quán)疊加，以輸出正確的變槳控制設(shè)定值，由驅(qū)動模塊驅(qū)動輪轂及每個(gè)葉片。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述步驟3)中瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器的處理步驟是 3a)將測量所得的振動信號分別推導(dǎo)出三個(gè)葉片的彎距值； 3b)通過2/3坐標(biāo)變換器將三個(gè)彎距值轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下水平軸和垂直軸的分量；3c)水平軸與垂直軸上的載荷分別經(jīng)各自的濾波器后由水平軸或垂直軸中 的PI控制器生成水平軸和垂直軸的變槳指令；3d)再次通過2/3坐標(biāo)變換器轉(zhuǎn)換成每個(gè)槳葉的變槳補(bǔ)償值。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述用于測量葉片根部振動信號的傳感器為用于測量所述 葉片振動頻率及幅值而得到所述葉片載荷大小的振動傳感器，或是用于測量葉片根部形變，而得到所述葉片載荷大小的應(yīng)力傳感器。
全文摘要
一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)及控制方法，其中控制系統(tǒng)包括有采樣模塊、控制模塊及驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊中變槳電機(jī)經(jīng)減速器連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片。采樣模塊負(fù)責(zé)采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率、輪轂轉(zhuǎn)速、葉輪位置、變槳角度、槳葉振動等信號，并分別將所采集到的信號傳送至控制模塊；控制模塊包括有用于對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的風(fēng)機(jī)功率控制器，用于對葉輪位置信號、風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的周期性不均勻載荷補(bǔ)償控制器，用于對變槳角度信號、槳葉振動信號及葉輪位置信號、風(fēng)機(jī)功率信號、輪轂轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理的瞬態(tài)沖擊載荷補(bǔ)償控制器，及用于對三個(gè)控制器的輸出信號進(jìn)行處理并綜合輸出至驅(qū)動模塊的輸出耦合器。
文檔編號F03D7/00GK101476541SQ20081024114
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者松 楊, 蘇麗營, 辛理夫 申請人:華銳風(fēng)電科技有限公司