專利名稱：一種風電機組載荷的控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及風力發電機組的控制領域，特別是一種風電機組載荷的控制系統。
背景技術：
為了保護風電機組不因過載而破壞，機組在設計時采用了一些控制子系統，如利用葉片控制系統、剎車控制系統和偏航控制系統來限制轉子速度和減小結構載荷。傳統的風機控制系統可能接收來自一種或多種風向傳感器的信息來控制風電機組的方位，例如:風速儀、三維超聲風速計、音速探測系統(SODAR)或激光探測系統(LIDAR)，這些傳感器基本上都固定在風機的結構上，并圍繞它的軸隨風機一起旋轉，來測量風電機組的旋轉軸和測量風向之間的角度誤差，進而調整風電機組與風向的誤差。雖然風機控制系統可以部分地可以減小風電機組葉片、傳動鏈、塔筒和基礎上的載荷，但是風機控制系統在收到偏航誤差后，偏航控制系統將把偏航誤差作為輸入來操作電機或液壓馬達使風電機組相對塔頂旋轉。為了減小由于風電機組旋轉帶來的控制激勵載荷和陀螺效應，特別是對于大型風電機組，驅動風電機組偏航的速度是很慢的，偏航速度在3° /S或更低，動態的風將導致風電機組在有很大偏航誤差的情況下遭遇相對很大的風速。當偏航角度誤差比較大時，例如大約25。，葉片和塔筒上的載荷將超過正常運行的載荷。在如此大偏航誤差下的載荷對風電機組結構設計是很關鍵的。所以風機的傳統的控制系統可能不能足夠迅速的、準確和有效的調節風電機組的方向來避免可能損壞風電機組的載荷，因此一種更有效的方法和系統是非常有必要的。
發明內容為解決現有技術存 在的上述問題，本實用新型要設計一種可以減小風電機組在運行過程中特別是當風速較大其 偏航有較大變化時所承受的載荷的風電機組載荷的控制系統。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案如下:一種風電機組載荷的控制系統，包括風機控制系統、剎車控制系統、變流器控制系統、葉片控制系統、偏航驅動控制系統、塔筒應變傳感器、風速傳感器、風向傳感器、轉子速度傳感器和葉片應變儀，所述的風機控制系統通過數據線分別與剎車控制系統、變流器控制系統、葉片控制系統、偏航驅動控制系統、塔筒運動傳感器、風速傳感器、風向傳感器、轉子速度傳感器和葉片應變儀連接；所述的風機控制系統包括計算機系統和遠程設備，所述的計算機系統通過網絡與遠程設備連接；所述的計算機系統包括處理器、存儲器、顯示器、外部接口、內存、網絡接口、輸入設備和風機傳感器，所述的處理器通過母線分別與存儲器、顯示器、外部接口、內存、網絡接口、輸入設備和風機傳感器連接，所述的網絡接口通過網絡與遠程設備連接；所述的風機傳感器包括塔筒應變傳感器、風速傳感器、風向傳感器、轉子速度傳感器和葉片應變儀。[0007]本實用新型所述的母線包括存儲總線、外圍總線或局部總線；所述的存儲器包括隨機存取存儲器或只讀存儲器，其存儲全部或部分指令；所述的網絡接口設備包括廣域網網絡接口、局域網網絡接口、電話網絡接口或帶有電話和聲音的數字網絡接口。本實用新型的控制方法，包括以下步驟:A、當風電機組運行時，風機控制系統分別從塔底安裝的塔筒應變傳感器、葉片根部安裝的葉片應變儀、風速傳感器、風向傳感器、轉子速度傳感器獲得載荷、風速、風向和轉子轉速的數據；并計算機艙的偏航誤差；B、當在一定的風速下出現機艙的偏航誤差超出預定偏航誤差時，風機控制系統將風電機組從當前的運行模式切換到停機模式或載荷減小模式；C、當風電機組達到預定偏航誤差值、預定風速值和/或預定應變值后，風電機組進入停機模式；風機控制系統命令葉片控制系統朝旗位方向或失速方向慢慢地變槳，或要求變流器控制系統采用轉子扭矩使正在運轉的風電機組轉子的速度降下來；在某些情況下，同時命令剎車控制系統動作，這些動作最終將風電機組停下來，停下來后，偏航驅動控制系統將使機艙重新朝風向定位，待定位結束后，風電機組才允許重新運轉；D、在一定的環境和運行條件下，當載荷加載在風電機組的塔筒和基礎上而沒有對風電機組構成直接損壞時，為了使載荷減小到安全水平避免長期累積而損壞風電機組，這時風機控制系統指示風電機組減小功率進入載荷減小的運行模式，載荷減小模式包括減小風電機組的輸出功率和/或轉子的轉速，載荷減小模式是通過改變風機控制器、變流器和變槳系統中的設置來實現的；在改變這些設置后，在轉子上加載扭矩可減小轉子速度；在一定的偏航角度誤差情況下，載荷減小模式的運行將減小風電機組轉子速度并能保持風電機組并網和產生一定的功率；E、當風電機組在減小功率運行的過程中，如果偏航控制系統使機艙的偏航誤差在可接受的范圍內或已完全對風后，風機控制系統將命令風電機組重新以滿額定功率運行。本實用新型所述的預定的偏航誤差值為不超過45°，所述的預定的風速值不超過lOm/s，所述的預定應變值對應的載荷為額定載荷的20%以上。與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:1、本實用新型在大風速下存在較大偏航誤差的情況下，通過風機控制系統來改變風電機組的運行模式，使風電機組的載荷在正常范圍內，從而減小風電機組的載荷。2、本實用新型減小風電機組的載荷，降低了風電機組過載的風險，大大減小了風電機組事故的概率。3、本實用新型減小風電機組的載荷，可以降低風電機組的設計裕度，使風電機組重量更輕，從而更進 一步降低風電機組的重力載荷，并降低了風電機組的成本。4、本實用新型載荷減小的運行模式，相對現有立即停機來調整方位，待達到目的方位后再重新啟動的運行模式，風電機組年發電量得到了提高，從而提高了效益。5、本實用新型提出了一種監控和減小風電機組及其塔筒、基礎載荷的控制系統。該控制系統檢測各種環境和運行條件，并使風電機組以一種或多種預設定好的模式運行，包括停機模式和載荷減小模式，從而來保證風電機組的載荷在安全水準。其控制系統采取基于傳感器測量的參數來決定是否保護風電機組。
本實用新型共有附圖3張，其中:圖1是基于傳感器參數的風電機組控制系統。圖2是風機控制系統中的計算系統的配置方案圖。圖3是風電機組的運行模式圖。圖中:1、塔筒應變傳感器，2、風機控制系統，3、剎車控制系統，4、變流器控制系統，
5、葉片控制系統，6、偏航驅動控制系統，7、風速傳感器，8、風向傳感器，9、轉子速度傳感器，
10、葉片應變儀，11、計算機系統，12、存儲器，13、介質，14、指令，15、顯示器，16、風機傳感器，17、網絡接口，18、BIOS，19、內存，20、處理器，21、母線，22、網絡，23、遠程設備。
具體實施方式
以下結合附圖對發明進行進一步說明。如圖1所示，風機控制系統2采用風向傳感器8和風速傳感器7來判斷作用在風電機組上的載荷，并采取相應的動作來保護風電機組。為了更具體的確定偏航誤差，采用低通濾波器來計算偏 航誤差，算子是通過一個指數加權移動來平均風向和機艙方位。風速可能通過杯式風速儀、激光儀或超聲儀來確定，這些設備可以提供瞬時的風速或提供預先確定時間段內平均計算過的風速。塔筒應變傳感器1、風速傳感器7、風向傳感器8、轉子速度傳感器9和葉片應變儀10向風機控制系統2反饋所檢測到的信息，同時風機控制系統2將根據反饋的信息向剎車控制系統3、變流器控制系統4、葉片控制系統5和偏航驅動控制系統6發出相應的動作指令14。圖2顯示了風機控制系統2的計算機系統11內設備的具體組成。在計算機系統11內，很多指令14指示風機控制系統2在基于傳感器檢測的參數上進行模式切換。可以采用多種計算設備來執行具體設置的指令14來要求計算機系統11按照預期來執行一種或多種方法。計算機系統11包括處理器20和存儲器12，處理器20和存儲器12以及其他部件之間通過母線21進行通訊。存儲器12可以為隨機存取存儲器12(例如:靜態RAM“SRAM”，動態RAM “DRAM”等)，只讀存儲器12以及存儲器12的組合。一個基本的輸入\輸出系統B10S18，包括用于幫助在計算機系統11之間傳遞信息的通道。計算機系統11也可包括物理可讀存儲介質13。物理可讀存儲設備可通過合適的接口連接到母線21上。接口可以為SCSI，串行ATA，通用串行總線(USB)，IEEE1294 (firewire)以及組合。指令14可以全部或部分地存儲在物理可讀介質13內。指令14也可以全部或部分地存儲在處理器20內。計算機系統11也接收來自風電機組的一種或多種傳感器的信息。包括但不限于風向傳感器
8、風速傳感器7、轉子速度傳感器9、或葉片應變儀10。使用者可以通過存儲器12和/或網絡接口 17設備向風機控制系統2輸入命令和/或其他信息。網絡接口 17設備用于將計算機系統11連接到不同的網絡22上或多種遠程設備23。與風機控制系統2通訊的信息是通過網絡接口 17設備來實現的。顯示器15包括但不限于液晶顯示器15 (IXD)，陰極射線管(CRT)，等離子顯示器15，發光二級管等。除了顯示器15，計算機系統11還包括其他外圍輸出設備。這些外圍輸出設備通過外圍接口連接到母線21上。如圖3所示，當風電機組運行時，如果在一定的風速同時也存在預設偏航誤差幅值以上的偏航誤差時，其相應可預知的載荷加載在風電機組上，然后風機控制系統2將風電機組從正常運行模式切換到停機模式或載荷減小的模式。當風電機組進入停機模式，風機控制系統2命令葉片控制系統5朝旗位方向(遠離風)或失速方向(向風)慢慢地變槳，也可能另外要求變流器控制系統4采用轉子扭矩使正在運轉的風電機組轉子的速度降下來。在某些情況下，應用的轉子扭矩可能達到風電機組額定輸出轉矩的50%到100%。這些動作最終將風電機組停下來，停下來后，偏航驅動控制系統6將使機艙重新朝風向定位，這樣風電機組才允許重新運轉。在一定的環境和運行條件下，風機控制系統2可能指示風電機組進入較小功率的模式，當載荷加載在風電機組的塔筒和基礎上而沒有對風電機組構成直接損壞時，載荷減小的模式來使載荷減小到安全水平避免長期累計而損壞機組。載荷減小模式包括減小風電機組的額定輸出功率和/或轉子的轉速，該模式是通過改變風機控制器、變流器和變槳系統中的設置來實現的。在改變這些設置后，在轉子上加載扭矩可能減小轉子速度。在一定的偏航角度誤差情況下，該運行模式將減小風電機組轉子速度并能保持風電機組并網和產生功率。當減小風電機組的功率后，偏航驅動控制系統6使風機重新對風以便風電機組能重新以滿額定功率運行。減小風電機組轉速來達到減小載荷從而使風機運行在較大的偏航角度誤差的情況下，因此該控制方法在不采取完全停機的情況下來控制載荷。塔底或葉片根部安裝相應的塔筒應變傳感器I或葉片應變儀10，塔筒應變傳感器I或葉片應變儀10分別反應塔底載荷或葉片應變的信息。風機控制系統2然后根據這些傳感器如風向、風速和應變片提供的信息來決定進入何種模式。當一個或幾個傳感器的測量值超過預定值，比如:預定偏航誤差值(不超過45° )、預定風速值不超過(lOm/s)和/或預定應變值對應的載荷(額定載荷的20%或以上)后，風電機組將進入停機模式。當需要決定是否要在目前運行模式和另外的模式之間切換時，風機控制系統2可能考慮偏航誤差的變化率和以前提到的因素或可能采用前面提到的某一個因素來替代偏航誤差的變化率。偏航誤差變化率可能降低偏航誤差的閾值來促使風電機組進入某種運行模式。風機控制系統2也使用轉子速度來決定是否需要從一種模式切換到另外一種模式。風機控制系統2采用偏航誤 差、風速或前面提到的其他因素的最大值，或可能查詢組合了偏航誤差、風速或前面提到因素的不同組合的表格或算法來決定什么時候進入某個模式。與預先設定好的45°偏航誤差、風機塔底應變傳感器I或葉片應變儀10測量的載荷和風速相比，相對小的偏航誤差可能使風機進入某種模式，例如載荷減小的模式。或者甚至在高風速下，相對較小的偏航誤差可能不需要切換正在運行的模式。這些功能可以方便地使用一種或多種設備按照目前規范規定來編程，由有經驗的程序員按照目前的規范要求所編寫的程序應具有可讀性。采用合適的設備來執行軟件和/或軟件模塊的硬件。
權利要求1.一種風電機組載荷的控制系統，其特征在于:包括風機控制系統(2)、剎車控制系統(3 )、變流器控制系統(4)、葉片控制系統(5 )、偏航驅動控制系統(6 )、塔筒應變傳感器(I)、風速傳感器(7)、風向傳感器(8)、轉子速度傳感器(9)和葉片應變儀(10)，所述的風機控制系統(2)通過數據線分別與剎車控制系統(3)、變流器控制系統(4)、葉片控制系統(5)、偏航驅動控制系統(6)、塔筒運動傳感器、風速傳感器(7)、風向傳感器(8)、轉子速度傳感器(9)和葉片應變儀(10)連接； 所述的風機控制系統(2)包括計算機系統(11)和遠程設備(23)，所述的計算機系統(11)通過網絡(22 )與遠程設備(23 )連接； 所述的計算機系統(11)包括處理器(20)、存儲器(12)、顯示器(15)、外部接口、內存(19)、網絡接口(17)、輸入設備和風機傳感器(16)，所述的處理器(20)通過母線(21)分別與存儲器(12)、顯示器(15)、外部接口、內存(19)、網絡接口(17)、輸入設備和風機傳感器(16)連接，所述的網絡接口(17)通過網絡(22)與遠程設備(23)連接；所述的風機傳感器(16)包括塔筒應變傳感器(I)、風速傳感器(7)、風向傳感器(8)、轉子速度傳感器(9)和葉片應變儀(10)。
2.根據權利要求1所述的一種風電機組載荷的控制系統，其特征在于:所述的母線(21)包括存儲總線、外圍總線或局部總線；所述的存儲器(12)包括隨機存取存儲器(12)或只讀存儲器(12)，其存儲全部或部分指令(14);所述的網絡接口( 17)設備包括廣域網網絡接口(17)、局域網 網絡接口(17)、電話網絡接口(17)或帶有電話和聲音的數字網絡接口(17)。
專利摘要本實用新型公開了一種風電機組載荷的控制系統，包括風機控制系統、剎車控制系統、變流器控制系統、葉片控制系統、偏航驅動控制系統、塔筒應變傳感器、風速傳感器、風向傳感器、轉子速度傳感器和葉片應變儀，所述的風機控制系統通過數據線分別與剎車控制系統、變流器控制系統、葉片控制系統、偏航驅動控制系統、塔筒運動傳感器、風速傳感器、風向傳感器、轉子速度傳感器和葉片應變儀連接。本實用新型在大風速下存在較大偏航誤差的情況下，通過風機控制系統來改變風電機組的運行模式，使風電機組的載荷在正常范圍內，從而減小風電機組的載荷。本實用新型減小風電機組的載荷，降低了風電機組過載的風險，大大減小了風電機組事故的概率。
文檔編號F03D7/00GK203146223SQ20132007615
公開日2013年8月21日 申請日期2013年2月18日 優先權日2013年2月18日
發明者方濤, 宋清玉, 高德忠 申請人:一重集團大連設計研究院有限公司, 中國第一重型機械股份公司