一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法，屬于風電技術領域。該方法采用磁懸浮偏航系統(tǒng)對偏航阻尼進行實時平穩(wěn)控制：風向改變時，首先計算風力作用于機艙的風力轉矩TW；如果TW小于機艙偏航所需驅動轉矩TN，則使機艙懸浮上升至平衡點，偏航電機定子正向饋電產(chǎn)生正向電磁轉矩；如果TW大于TN但小于2TN，則使機艙懸浮上升至平衡點，定子反向饋電產(chǎn)生反向電磁轉矩以增大偏航阻尼；如果TW大于2TN，則不懸浮，調節(jié)偏航電機轉子的電流，使其產(chǎn)生的電磁吸力小于機艙重力,將產(chǎn)生摩擦阻力矩以增大偏航阻尼，定子正向饋電；使機艙按給定的偏航轉速偏航。本發(fā)明對偏航阻尼進行實時調控，具有無噪音、對風準確、維護簡便等優(yōu)點。
【專利說明】
-種自動調控風電機組偏航阻尼的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種控制方法，尤其是一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法，屬于 風力發(fā)電技術領域。
【背景技術】
[0002] 偏航系統(tǒng)是水平軸風力發(fā)電機組必不可少的組成部分，目前國內外大中型風力發(fā) 電機組均采用主動偏航的齒輪驅動偏航系統(tǒng)。該偏航系統(tǒng)一般由偏航大齒圈、側面軸承、滑 墊保持裝置、上下及側面滑動襯墊、偏航驅動裝置、調整螺栓、偏航限位開關、接近開關、風 速風向儀等組成。其中，偏航驅動裝置包括偏航電機、減速齒輪箱、小齒輪，它通過螺栓緊固 在機艙主機架上。
[0003] 運種偏航系統(tǒng)的工作原理是：當風向變化時，控制系統(tǒng)控制偏航驅動裝置中的偏 航電機往風向變化的方向同步運轉，偏航電機通過減速齒輪箱帶動小齒輪旋轉，而小齒輪 與偏航大齒圈相曬合，但偏航大齒圈通過螺栓緊固在塔筒法蘭上，不可旋轉，則只能是小齒 輪圍繞著偏航大齒圈旋轉帶動主機架旋轉，直到風輪軸線與風向儀測得的風向相一致。
[0004] 由上可知，運種偏航系統(tǒng)的偏航驅動轉矩由偏航驅動裝置產(chǎn)生，并經(jīng)由齒輪傳動 體系驅動機艙主動迎風。但偏航系統(tǒng)在風電機組偏航時必須具有合適的阻尼力矩，W保證 偏航過程平穩(wěn)順楊而不產(chǎn)生振動。目前的方法是通過調節(jié)偏航系統(tǒng)中的調整螺栓的旋入深 度來調整滑動襯墊與大齒圈之間的緊密程度，從而達到調節(jié)偏航阻尼的目的。阻尼力矩的 大小是根據(jù)機艙(包括風輪)總的慣性力矩來確定的。
[0005] 然而，運種偏航系統(tǒng)在偏航過程中，機頭自重和風輪葉片受力不均勻所產(chǎn)生的偏 屯、力矩W及風力作用于機艙和塔架的風力載荷引起的彎曲力矩等結構性動態(tài)力矩極易導 致偏航阻尼力矩發(fā)生變化，而且隨著時間的推移，零部件疲勞、調整螺栓松動等原因，原來 調整好的偏航阻尼將發(fā)生變化。偏航系統(tǒng)阻尼力矩過小或過大，會造成偏航定位不準確，同 時偏航阻尼力矩過大，還會產(chǎn)生異常噪聲，運是目前運種偏航系統(tǒng)發(fā)生的常見故障之一。而 解決運種故障的唯一辦法是維修人員登上幾十米高的塔架現(xiàn)場調節(jié)、甚至更換調整螺栓， W便得到新的最佳偏航阻尼。
[0006] 由此可見，傳統(tǒng)型偏航系統(tǒng)存在故障率高、偏航阻尼不能自動調節(jié)、維護不便等缺 陷。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的主要目的在于:針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種能夠實時、自動調控風電 機組偏航阻尼的方法，徹底消除因偏航阻尼力矩變化而造成的偏航噪音大、對風不準確的 故障。
[000引本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是：
[0009]采用一種磁懸浮偏航系統(tǒng)W取代齒輪驅動的偏航系統(tǒng)，所述磁懸浮偏航系統(tǒng)包括 偏航電機、懸浮支架、氣隙傳感器、風速風向儀，所述偏航電機為盤式同步電機，包括轉子、 定子，所述轉子與轉子控制器相連，所述定子與定子控制器相連。
[0010] 本發(fā)明一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0011] 步驟1，當風向改變時，偏航啟動，計算風力作用于風電機組機艙而產(chǎn)生的風力轉 矩Tw;
[0012] 步驟2,如果風力轉矩TV小于機艙偏航所需驅動轉矩Tn，則首先啟動懸浮，即調節(jié)所 述轉子的電流，使其產(chǎn)生的電磁吸力大于風電機組機艙重力，使整個機艙懸浮上升狀態(tài)至 懸浮平衡點，然后給所述定子正向饋電，所述偏航電機將產(chǎn)生正向電磁轉矩Te，即電磁轉矩 Te與機艙轉矩IV的方向一致，W減小偏航阻尼，偏航電機按第一偏航系統(tǒng)運動方程驅動機艙 按給定的偏航轉速進行偏航；
[0013] 步驟3,如果風力轉矩Tw大于機艙偏航所需驅動轉矩Tn，但小于2Tn，則首先啟動懸 浮，即調節(jié)所述轉子的電流，使其產(chǎn)生的電磁吸力大于風電機組機艙重力，使整個機艙懸浮 上升至懸浮平衡點，然后給所述定子反向饋電，所述偏航電機將產(chǎn)生反向電磁轉矩Te，即電 磁轉矩Te與風力轉矩IV的方向相反，W增大偏航阻尼，偏航電機按第一偏航系統(tǒng)運動方程驅 動機艙按給定的偏航轉速進行偏航；
[0014] 步驟4,如果風力轉矩IV大于兩倍的機艙偏航所需驅動轉矩Tn，則不啟動懸浮，根據(jù) 風力的大小調節(jié)所述轉子的電流，使其產(chǎn)生的電磁吸力小于風電機組機艙的重力，則機艙 不會懸浮，機艙與塔架仍保持接觸，在偏航過程中將產(chǎn)生摩擦阻力矩TfW增大偏航阻尼，然 后給所述定子正向饋電，所述偏航電機按第二偏航系統(tǒng)運動方程驅動機艙按給定的偏航轉 速進行偏航。
[0015] 所述步驟1中的風力作用于風電機組機艙的風力轉矩IV按下式計算：
[0016]
[0017] 式中，P為空氣密度，A為機艙迎風面積，1為機艙繞塔架軸線的轉動半徑，Vw為風 速，Θ為風向角，Cw為轉矩系數(shù)。
[0018] 所述步驟2和步驟3中的第一偏航系統(tǒng)運動方程為：
[0019]
[0020] 式中，Tw為風力作用于風電機組機艙的風力轉矩，Te為偏航電機產(chǎn)生的電磁轉矩， 且滿足Te = TN-Tw，TL為機艙繞塔架軸線的慣性力矩，J為機艙的轉動慣量，ω為偏航角速度。
[0021] 所述步驟4中的第二偏航系統(tǒng)運動方程為：
[0022]
[0023] 式中，Tw為風力作用于風電機組機艙的風力轉矩，Tf為摩擦阻力矩，Te為偏航電機 產(chǎn)生的電磁轉矩，且滿足Te = TN-Tw+Tf，化為機艙繞塔架軸線的慣性力矩，J為機艙的轉動慣 量，ω為偏航角速度。
[0024] 所述步驟4中的摩擦阻力矩為：
[0025] Tf = fXR=kFXR
[0026] 式中，f為機艙與塔架之間的摩擦力，R為塔架半徑，k為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為機艙作用在 塔架上的垂直方向上的合力，且F = mg-Fem，其中mg為機艙重力，F(xiàn)em為轉子通電后產(chǎn)生的電 磁吸力。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是:本控制方法可根據(jù)風力大小，對偏航阻尼力矩進行實時動 態(tài)調控，使系統(tǒng)在偏航過程中始終保持最佳偏航阻尼，實現(xiàn)偏航準確定位，避免異常噪音， 確保風電機組在偏航過程中平穩(wěn)運行、系統(tǒng)性能實時最優(yōu)，同時還具有偏航能耗低（因為利 用了風力產(chǎn)生的風力轉矩Tw進行輔助偏航）、維護簡便等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0028] 附圖1為磁懸浮偏航系統(tǒng)的構成示意圖。
[0029] 附圖2為磁懸浮偏航系統(tǒng)的控制器連接示意圖。
[0030] 附圖3為風力作用于機艙的示意圖。
[0031] 附圖4為轉子與定子之間力學分析示意圖。
[0032 ]附圖5本發(fā)明控制方法實施流程圖。
[0033] 圖中標號：1-轉子;2-定子;3-懸浮支架;4-氣隙傳感器;5-轉子控制器;6-定子控 制器。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0035] 如圖1所示，磁懸浮偏航系統(tǒng)包括偏航電機、懸浮支架3、氣隙傳感器4、風速風向 儀，偏航電機為盤式同步電機，它包括轉子1、定子2,轉子1采用直流勵磁，具有直流繞組，定 子2具有Ξ相繞組。轉子1通過懸浮支架3與機艙固定，即懸浮支架3的一端與轉子1用螺栓固 定，另一端與機艙固定;定子2固定在塔架上。氣隙傳感器4用于檢測轉子1與定子2之間的氣 隙長度。
[0036] 如圖2所示，轉子1及氣隙傳感器4與轉子控制器5相連，定子2與定子控制器6相連。
[0037] 本發(fā)明一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法，為了實現(xiàn)風電機組偏航過程中實 時調控偏航阻尼，具體包括W下步驟：
[0038] 步驟1，當風速風向儀測得風向改變時，偏航啟動，根據(jù)風速風向儀測得的風速和 風向角計算風力作用于風電機組機艙而產(chǎn)生的風力轉矩村：
[0039] 如圖3所示，風力作用于機艙的示意圖，將風速Vw分解為兩個分量，即Vwsine和 Vwcos0，其中，Vwsine為垂直作用于機艙側面的速度分量，它將使機艙產(chǎn)生偏轉。由空氣動力 學理論，根據(jù)流向機艙的氣流來計算機艙在風力作用下產(chǎn)生的機械轉矩，即風力轉矩村：
[0040]
(1)
[0041] 式中，P為空氣密度，A為機艙迎風面積，1為機艙繞塔架軸線的轉動半徑，％為風速 (由風速儀測得），θ為風向角（由風向儀測得），Cw為偏航轉矩系數(shù)(通過實驗獲得）。
[0042] 步驟2，如果風力轉矩IV小于機艙偏航所需驅動轉矩Tn，則首先啟動懸浮控制，即轉 子控制器5按式(2)不斷調節(jié)控制轉子1的勵磁電流i，使其產(chǎn)生的電磁吸力Fem大于風電機組 機艙的重力mg，使整個機艙懸浮上升至懸浮平衡點，其工作原理是：
[0043] 如圖4所示，根據(jù)電磁學理論，當轉子1繞組通入勵磁電流i后，在轉子1和定子2之 間將產(chǎn)生向上的電磁吸力Fe"，按下式計算：
[0044]
(2)
[0045] 式中，μ〇為真空磁導率，N為轉子勵磁線圈的應數(shù)，S為電磁鐵（即轉子1)的磁極表 面有效面積，i為轉子1的勵磁電流，δ為轉子1與定子2之間氣隙長度（由氣隙傳感器4測得， 一般起始氣隙長度設為15mm)。
[0046] 由式(2)可知，通過調節(jié)轉子1的勵磁電流i，就能控制其產(chǎn)生的電磁吸力Fem的大 小，當電磁吸力Fe"大于機艙重力mg時，轉子1將向上移動，由于轉子1通過懸浮支架3與機艙 連接固定，運樣機艙就會懸浮起來，轉子1與定子2之間的氣隙長度δ就會變小。轉子控制器5 通過氣隙傳感器4實時檢測氣隙長度δ，Κ此形成閉環(huán)反饋，來實時控制勵磁電流i的大小， 就能使機艙到達設定的懸浮平衡點位置(平衡點位置的氣隙長度So-般設為8-lOmm)。
[0047] 機艙到達設定的懸浮平衡點位置后，定子控制器6給定子2的繞組正向通入Ξ相交 流電，則偏航電機將產(chǎn)生與風力轉矩村方向一致的正向電磁轉矩TeW減小偏航阻尼，機艙按 下述運動方程W給定的偏航轉速進行偏航：
[0048]
(3)
[00例式中，Te為正值，且滿足Te = TN-Tw。
[0050] 步驟3,如果Tn<Tw<2Tn，則同樣也首先啟動懸浮控制，即轉子控制器5按式（2)不斷 調節(jié)控制轉子1的勵磁電流i，使其產(chǎn)生的電磁吸力Fem大于風電機組機艙的重力mg，使整個 機艙懸浮上升至懸浮平衡點，然后定子控制器6給定子2的繞組反向通入Ξ相交流電，則偏 航電機產(chǎn)生的電磁轉矩Te與機艙轉矩IV的方向相反，使偏航阻尼得W增大，機艙按下述運動 方程W給定的偏航轉速進行偏航：
[0化1 ]
(牛)
[0化2] 式中，Te為負值，且滿足Te = TN-Tw。
[0053] 步驟4,如果Tw>2Tn，則不啟動懸浮，首先根據(jù)風力轉矩Tw的大小，轉子控制器5仍 按式(2)調節(jié)轉子1的勵磁電流i，但使其產(chǎn)生的電磁吸力Fem小于風電機組機艙的重力mg，即 Fem<mg。此時，機艙不會懸浮，仍與塔架保持接觸，則機艙作用在塔架上的壓力F為F = mg- Fem，運樣在偏航過程中，機艙與塔架之間就會產(chǎn)生摩擦力f，也就產(chǎn)生了摩擦阻力矩Tf，因而 增大了偏航阻尼。風力轉矩Tw越大，則使轉子1的勵磁電流i越小，即電磁吸力Fem越小，則機 艙作用在塔架上的壓力F就越大，摩擦力f也就越大，摩擦阻力矩Tf則越大，使得偏航阻尼越 大。
[0054] 摩擦阻力矩Tf可按下式計算：
[0055] Tf = fXR=kFXR (5)
[0056] 式中，f為機艙與塔架之間的摩擦力，R為塔架半徑，k為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為機艙作用在 塔架上的壓力，即機艙作用在塔架上的垂直方向上的合力，且F=mg-Fem。
[0057] 由式(2)、式(5)可見，只要控制轉子1勵磁電流i的大小，就能控制電磁吸力Fem的 大小，從而就能控制機艙與塔架之間摩擦力f的大小，也就能控制摩擦阻力矩Tf的大小。
[005引然后定子控制器6給定子2的繞組正向通入Ξ相交流電，則偏航電機產(chǎn)生正向電磁 轉矩Te，機艙按下述運動方程W給定的偏航轉速進行偏航：
[0059]
(6)
[0060] 式中，Tf為摩擦阻力矩，Te為正值，且滿足Te = TN-Tw+Tf。
[0061] 為了進一步說明，圖5給出了本發(fā)明控制方法的實施流程圖，原理如下：
[0062] 首先，風速風向儀始終監(jiān)測風速和風向，當檢測到風向發(fā)生變化時，則根據(jù)測得的 風向角0和風速Vw計算風力作用在機艙上形成的風力轉矩村。
[0063] 然后，判斷IV的大?。?br>[0064] 如果Tw《Tn，則進入步驟2;
[0065] 如果Tn<Tw<2Tn，則進入步驟3;
[0066] 如果Tw>2Tn，則進入步驟4。
[0067] 但是隨著偏航的進行，風向角Θ會逐漸變小，再加上風速Vw也可能發(fā)生變化，所W 風力轉矩Tr會發(fā)生變化，因此，每一步完成后必須重新計算風力轉矩Tw，然后重新判斷Tw的 大小，再執(zhí)行相應的步驟。
[0068] 由上可知，本發(fā)明采用與傳統(tǒng)的人工機械調節(jié)偏航阻尼完全不同的調控機制，可 W根據(jù)風向、風速實時狀況，實現(xiàn)快速動態(tài)地自動調控偏航阻尼力矩的大小，使其達到最佳 偏航阻尼狀態(tài)，使系統(tǒng)平穩(wěn)運行，且能準確定位。
【主權項】
1. 一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法，采用磁懸浮偏航系統(tǒng)W取代齒輪驅動的偏 航系統(tǒng)，所述磁懸浮偏航系統(tǒng)包括偏航電機、懸浮支架、氣隙傳感器、風速風向儀，所述偏航 電機包括轉子、定子，所述轉子與轉子控制器相連，所述定子與定子控制器相連，其特征在 于，該方法包括W下步驟： 步驟1，當風向改變時，偏航啟動，計算風力作用于風電機組機艙而產(chǎn)生的風力轉矩IV; 步驟2，如果風力轉矩Tw小于機艙偏航所需驅動轉矩Tn，則首先啟動懸浮，即調節(jié)所述轉 子的電流，使其產(chǎn)生的電磁吸力大于機艙重力，使機艙懸浮上升至懸浮平衡點，然后給所述 定子正向饋電，所述偏航電機將產(chǎn)生正向電磁轉矩Te，即電磁轉矩Te與機艙轉矩IV的方向一 致，偏航電機按第一偏航系統(tǒng)運動方程驅動機艙按給定的偏航轉速進行偏航； 步驟3，如果風力轉矩Tw大于機艙偏航所需驅動轉矩Tn，但小于2Tn，則首先啟動懸浮，即 調節(jié)所述轉子的電流，使其產(chǎn)生的電磁吸力大于機艙重力，使機艙懸浮上升至懸浮平衡點， 然后給所述定子反向饋電，所述偏航電機將產(chǎn)生反向電磁轉矩Te，即電磁轉矩Te與風力轉矩 Tw的方向相反，偏航電機按第一偏航系統(tǒng)運動方程驅動機艙按給定的偏航轉速進行偏航； 步驟4,如果風力轉矩Tw大于兩倍的機艙偏航所需驅動轉矩Tn，則不啟動懸浮，根據(jù)風力 的大小調節(jié)所述轉子的電流，使其產(chǎn)生的電磁吸力小于風電機組機艙的重力，然后給所述 定子正向饋電，所述偏航電機按第二偏航系統(tǒng)運動方程驅動機艙按給定的偏航轉速進行偏 航。2. 根據(jù)權利要求1所述一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法，其特征在于:所述步驟 1中的風力作用于風電機組機艙的風力轉矩Tw為：式中，P為空氣密度，A為機艙迎風面積，1為機艙繞塔架軸線的轉動半徑，％為風速，Θ為 風向角，Cw為轉矩系數(shù)。3. 根據(jù)權利要求1所述一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法，其特征在于:所述步驟 2和步驟3中的第一偏航系統(tǒng)運動方程為：式中，IV為風力作用于風電機組機艙的風力轉矩，Te為偏航電機產(chǎn)生的電磁轉矩，且滿 足Te = TN-Tw，TL為機艙繞塔架軸線的慣性力矩，J為機艙的轉動慣量，ω為偏航角速度。4. 根據(jù)權利要求1所述一種自動調控風電機組偏航阻尼的方法，其特征在于:所述步驟 4中的第二偏航系統(tǒng)運動方程為：式中，Tw為風力作用于風電機組機艙的風力轉矩，Tf為摩擦阻力矩，Te為偏航電機產(chǎn)生 的電磁轉矩，且滿足Te = TN-Tw+Tf，Tl為機艙繞塔架軸線的慣性力矩，J為機艙的轉動慣量，ω 為偏航角速度。
【文檔編號】F03D7/04GK105971823SQ201610486508
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】蔡彬, 褚曉廣, 張正強, 張燁, 王乃哲, 王楠楠
【申請人】曲阜師范大學, 褚曉廣