一种基于变频器的风力发电机组偏航刹车夹紧控制方法与流程

本发明涉及一种风力发电机组偏航刹车系统的控制方法。

背景技术：

偏航系统是风力发电机组的重要组成部分。当风向变化时，风力发电机通过偏航系统实现快速平稳地对风，以便风轮可以捕获最大的风能。大型风力发电机组通常使用电动装置作为驱动，偏航系统一般包括风向标传感器、偏航电机、行星齿轮减速器、偏航小齿轮、偏航大齿轮盘、液压刹车装置、电机抱闸等。偏航系统的主体控制技术已经基本成熟，一般是通过风向标检测风向变化，然后使偏航电机按照预先设定的偏航速度运动，经过多级减速机放大力矩，带动机舱整体旋转，当检测到风向再次对正后，刹车装置动作，完成一次偏航过程。

偏航系统控制的细节仍有很大的研究空间。以偏航刹车装置为例，现今的控制方式通常只是先抱紧外部液压刹车，靠滑动摩擦阻尼减速，然后再执行电动机的电机刹车抱闸，这样的控制方法在实际应用中存在一定的弊端。液压刹车摩擦片是易损耗件，长期使用后其制动力矩会有所降低，制动距离就会变长造成偏航定位不准确，即对风偏差，这在一定程度上影响风轮捕获最大风能，造成发电量降低；此外，由于加工制造和安装的问题，偏航小齿轮与偏航大齿轮盘之间会存在一定的空隙，在风机运行时会引起冲击，使得机组侧向振动加速度增大，给风力发电机组带来安全隐患。

关于对风偏差问题的解决方案，风电整机厂商往往着眼于传感检测系统以及驱动系统，如改善偏航机械系统的结构制造工艺和提高安装精度、风向标采集信号的优化调整与补偿、伺服驱动装置的启停控制方法等；对于偏航齿轮间隙问题，也往往是从纯机械的角度去思考，如增加预紧结构装置、安装偏心套、增加周向压簧结构等。很少有企业或科研机构注意到偏航刹车装置的控制环节。

专利CN201110280675.2和CN201220457314.0提出了由一个偏航控制器控制多个偏航变频器，再由每个偏航变频器驱动一到多个偏航电机来实现偏航运动的方法，并未提及偏航变频器的具体控制细节，增加了硬件复杂程度和经济成本；专利CN201120413867.1提出了多组偏航变频器异步运动减小齿轮间隙的方法，大大降低了偏航引起的机组振动，但其没有阻尼制动系统，重复对风精度低；专利CN201110122240.5在偏航控制时利用了偏航变频器的扭矩控制方法，有效控制了偏航齿轮啮合作用力，但并未注意到偏航齿轮间隙的影响，也没有进行有关对风偏差的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于变频器的风力发电机组偏航刹车夹紧控制方法。本发明目的在于减小偏航齿轮啮合间隙，提高风力发电机组的对风精度，进而提高风力发电机组的振动稳定性和风能吸收效率。

本发明基于成熟的变频器驱动装置。普通小型风力发电机通常使用三相异步电动机驱动偏航系统，开环控制精度低、启停冲击大，现今兆瓦级以上的大型风力发电机组，一般都配备带有伺服控制功能的变频器，闭环方式控制精准、控制方式灵活可靠性高、带载平稳冲击小。

本发明硬件核心是PLC控制器和变频器，PLC控制器具备可编程的逻辑处理功能，变频器具备伺服驱动功能。

本发明的控制方法是：风力发电机组在正常偏航过程中使用速度控制模式，控制机舱平稳转动，完成一次正常的偏航过程后，通过PLC控制器控制两组变频器，切换速度控制模式为转矩控制模式，利用变频器的转矩控制方法，控制偏航电机的输出扭矩，驱动两组偏航小齿轮施加对向啮合力矩，夹紧偏航大齿轮盘，从而减小啮合齿间间隙。

所述的转矩控制方法精确控制偏航齿轮啮合力矩，驱动两组偏航电机施加对向扭矩。PLC控制器统一控制控制模式的切换以及外部执行机构的配合。PLC控制器向变频器发送转矩控制命令，并给定一个转矩值作为控制目标参数，变频器根据给定转矩值以及事先输入的偏航电机参数，计算输出电流值，进而驱动偏航电机旋转，此过程中电机电流环的输出保持恒定。运转过程中，变频器不断检测负载转矩值的变化，如果外部负载转矩大于或等于电机设定的输出转矩，则电机的输出转矩能够保持在设定转矩不变，即电机跟随负载运动。如果外部负载转矩小于电机设定的输出转矩，则电机一直加速，直到外部负载转矩与电机设定的输出转矩持平，加速过程中倘若电机转速超过了最大极限转速，会报警停机。

本发明适用于带有两组变频器的偏航系统，所用变频器需具备转矩控制功能，否则可能发生因扭力过大折断齿轮或因长时间过载运行损坏电机的情况。为控制齿轮啮合作用力，需要严格设定偏航变频器的输出转矩，一般与实际总负载转矩相当即可，可根据实际情况微调，但不得超过偏航电机允许的最大极限。

本发明所提到的偏航电机数目不得少于4个，分为两组，两组电机的数量之差不超过1。每组偏航电机分别由一台变频器驱动，偏航电机通过减速器与偏航小齿轮连接，且两组偏航小齿轮最好为对称布置，以使偏航大齿轮盘受扭力均匀。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明偏航刹车夹紧控制方法可有效减小啮合齿间间隙，减小偏航系统引发的机组侧向振动加速度；伺服驱动控制方式灵活精确，有助于实现精确对风，提高机组发电量；实际应用时简便易行。大型兆瓦级风机已经成为当今风力发电设备的主流，其偏航系统一般都配备多电机驱动装置，通常仅需增加软件控制逻辑即可达到效果，具有很强的通用性和经济性。

附图说明

图1为偏航小齿轮布局示意图，图中：A1、A2、A3第一组偏航小齿轮，B1、B2、B3第二组偏航小齿轮，C偏航大齿轮盘；

图2为偏航刹车控制过程流程图；

图3为速度控制模式流程图；

图4为转矩控制模式流程图。

具体实施方式

本发明偏航刹车夹紧控制方法基于一台具备逻辑运算功能的PLC控制器、两组具备伺服驱动功能的变频器及偏航电机实现，风向标传感器、液压刹车装置等器件也是必要的。

如图1所示，两组偏航小齿轮A1、A2、A3和B1、B2、B3相对偏航大齿轮盘C对称布置。第一组偏航小齿轮A1、A2、A3由第一台变频器控制的3台偏航电机驱动；第二组偏航小齿轮B1、B2、B3由第二台变频器控制的3台偏航电机驱动。

如图2所示，本发明具体的控制方法如下：

步骤1：风力发电机组的风向标传感器实时监测风向变化，当检测到风向偏差满足偏航启动条件时，PLC控制器发出指令，解除液压刹车装置和电机抱闸，同时命令变频器使用速度控制方式，控制所有偏航电机带动六个偏航小齿轮A1、B1、A2、B2、A3、B3等速同向旋转，实现偏航；

步骤2：风向标传感器检测到当前的风向偏差满足偏航停止条件时，PLC控制器首先发出液压刹车抱闸指令，控制液压刹车抱闸阻尼制动，紧接着发出切换速度控制模式为转矩控制模式的指令；

步骤3：接收到液压刹车报闸完成反馈信号后，PLC控制器立即命令变频器驱动两组偏航电机反向旋转，控制一组偏航小齿轮A1、A2、A3正向微动，另一组偏航小齿轮B1、B2、B3反向微动，从而施加对向力矩，夹紧偏航大齿轮盘C；

步骤4：待两台变频器检测到负载扭矩均达到设定值后，立即执行电机刹车抱闸，锁紧偏航机构；

步骤5：PLC控制器发出切换转矩控制模式为速度控制模式的指令，准备执行下一次偏航。

步骤1所述的正常偏航过程使用速度控制模式，速度控制模式流程如图3所示，变频器根据PLC控制器发出的速度指令以及电机编码器的速度闭环反馈，计算速度控制模拟量参数，再经过变频器内部的电流环控制，控制驱动电路驱动电机恒速运转。

步骤3所述的偏航刹车过程使用转矩控制模式，转矩控制模式流程如图4所示，PLC控制器发出的转矩控制指令，经过变频器内部的电流环，通过霍尔装置检测电机的输出电流反馈，再结合PID计算调节，使输出电流尽可能接近于设定电流，从而实现电机转矩的恒定控制。

单个变频器的转速控制和转矩控制方式并不限于本发明方法，不同厂家不同型号的变频器的控制方式会有所不同。