[發明專利]用于風力發電機組的獨立變槳控制系統及控制方法

有效

• 申請號: 200810241144.0
• 申請日: 2008-12-26
• 公開（公告）號: CN101476541A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 辛理夫;楊松;蘇麗營
• 申請（專利權）人: 華銳風電科技有限公司
• 主分類號: F03D7/00
• 分類號: F03D7/00
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司
• 代理人: 徐樂慧;張 瑾

技術領域

本發明涉及一種用于風力發電機組的獨立變槳控制系統及其控制方法，主要應用于大型風力發電機組。

背景技術

目前，兆瓦級風力發電機組使用的變槳控制系統為統一變槳距技術，如圖1所示，輪轂與發電機、輪轂與葉片直接機械連接，其特點為：通過在發電機上設置的編碼器及在風力發電機中設置的電壓電流信號傳感器來實時測定輪轂轉速及風機功率；在風力發電機組功率達到額定功率以上時，可通過控制模塊中風機功率控制器直接輸出的信號來控制輪轂轉速及輪轂上葉片的攻角，從而限制風力發電機的輸入功率，以維持風力發電機功率輸出的穩定和轉速的穩定，保護風力發電機組。

但是，由于風切變、湍流、擾動效應，塔筒的塔影效應，葉片的重力、離心力等因素，葉片的載荷會發生不規則變化，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，隨著風力發電技術的發展，機組的容量越來越大，最大單機容量已達到6MW，其葉輪直徑也相應增大，如5MW風電機組葉輪直徑已達到126米。風輪直徑增大則意味著風輪平面內載荷不均勻性的加劇，葉片、輪轂、主軸和塔筒等部件的疲勞載荷增加，降低了這些關鍵部件的壽命和機組的可靠性。

發明內容

為此，本發明的目的在于提供一種能在進行風電機組功率調節的同時又能減少風力發電機組的上述不均勻載荷，以增加風力發電機組壽命的獨立變槳控制系統及控制方法。

本發明中的控制方法的主要目的就是對獨立變槳技術具體化，將目前風力發電機組常用的統一變槳控制器的控制理念更新為以實現功率控制、載荷減少為綜合目的的變槳控制方法。

本發明中用于風力發電機組的獨立變槳控制系統包括有采樣模塊、控制模塊及用于驅動風力發電機組中葉片的驅動模塊，所述驅動模塊包括有依次電連接的電池儲能系統、變槳變頻器、變槳電機，其特征在于，所述采樣模塊負責采集風機功率信號、輪轂轉速信號、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機功率信號、輪轂轉速信號進行處理的風機功率控制器，用于對葉輪位置信號、風機功率信號、輪轂轉速信號進行處理的周期性不均勻載荷補償控制器，用于對變槳角度信號、槳葉振動信號及葉輪位置信號、風機功率信號、輪轂轉速信號進行處理的瞬態沖擊載荷補償控制器，及用于對所述風機功率控制器、周期性不均勻載荷補償控制器、瞬態沖擊載荷補償控制器的輸出綜合處理并輸出至所述驅動模塊的輸出耦合器；所述變槳電機經減速器連接風力發電機組的葉片。

所述采樣模塊中用于采集槳葉振動信號的是安裝在風力發電機組每片葉片根部用于獲得對應葉片載荷大小的四個傳感器。

所述四個傳感器中的兩個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力傳感器。

所述周期性不均勻載荷補償控制器是利用風力發電機組在運行過程中產生的不均勻載荷，通過對葉輪位置的實時監測，計算出由于葉輪旋轉產生的周期性不均載荷的補償值，包括位置不均勻載荷和由風切變引起的載荷變化。

所述瞬態沖擊載荷補償控制器是通過測量槳葉振動的幅值和頻率，計算出葉輪幅面各處風力的各種波動，通過一個數據存儲器記錄一段時間內風速的變化，進而預測出各個葉片下一工作位置處可能的風況，給出變槳角度補償值，減少瞬態沖擊載荷。

所述輸出耦合器是對風機功率控制器生成的變槳角度輸出、周期性不均勻載荷補償控制器的變槳角度輸出及瞬態沖擊載荷補償控制器的變槳角度輸出的補償值進行加權疊加，以輸出正確的變槳控制設定值，由驅動模塊驅動每個葉片。

本發明中的用于風力發電機組的獨立變槳控制系統的控制方法，包括如下步驟：

1)在輪轂與葉片根部增設相應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、編碼器得到各個葉片的槳葉振動信號、葉輪位置信號、變槳角度信號、風機功率信號、輪轂轉速信號；