一种偏航角度测量装置及测量方法、风力发电机组与流程

本发明涉及偏航控制技术领域，特别涉及一种偏航角度测量装置及测量方法、风力发电机组。

背景技术：

风力发电机组是一种将气流能量转换成电能的发电装置。具体的，在外界风能的驱动下，风力发电机的叶片转动以获得机械动能，在叶片的带动下，发电机的转子转动，进而发电产生电能。

风力发电机组在发电过程中，风力是随机变化的，为了能捕获更多的风能，风力发电机组通常需要进行偏航对风控制。也就是说，风力发电机组工作时，需要计算风向和风力发电机组的角度差，根据角度差来进行偏航对风。

目前风力发电机组的偏航控制通常通过设置风速风向传感器、plc控制器和偏航执行机构来实现，偏航执行机构控制机舱进行左偏航或者右偏航，以追踪风向，保持正对风的来流方向。

机舱中各部件所需电能是通过从机舱到塔底的电缆传输，风力发电机组(以下简称风机)在进行偏航转动过程中，电缆也随之旋转，如果风机偏航角度过大，电缆束容易出现拧麻花现象，影响电缆束的使用寿命。所以当风机偏航角度大于最大允许值时，则主动反向偏航，以释放电缆的扭转。

现有技术通常使用霍尔效应的计数齿传感器获取偏航角度，但是由于偏航旋转的速度过于缓慢(偏航的速度为0.06rpm，rpm中文为：转/分钟)使得计数齿的检测精度很低，并且由于机舱内的振动环境导致传感器的可靠性较差，使用寿命较低。

因此，如何提高现有技术中偏航角度的测量准确性，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为现有偏航角度测量精确性差以及使用寿命短的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种偏航角度测量装置，用于获得机舱偏航角度，包括支撑本体和检测部件；

所述支撑本体包括固定部和安装部，所述固定部用于与风力发电机组的电缆线束固定连接；所述安装部用于与塔筒内壁转动配合连接，至少使二者在竖直面内能够转动；

所述检测部件，用于检测能够表征所述电缆线束竖直方向位移量的位置参数。

当进行偏航动作时，位于马鞍面以上的电缆线束段将随偏航逐渐被提升，检测部件可以实时检测固定部相对塔筒的位置参数，通过检测部件所检测的不同时刻的表征电缆线束竖直方向位移量的位置参数，进而获得电缆线束在竖直方向的位移量，通过电缆线束位移量与偏航角度之间的关系可以知晓当前时刻风机偏航角度。

因本发明的偏航角度测量装置位于塔筒内部，振动情况较机舱内大为改善，并且不存在机舱内外众多电气部件如电控柜，发电机等的电磁影响，因此角度测量的可靠性大幅提升。

另外，与现有设计通过感应偏航轴承外圈的啮合齿进行角度感知相比，本发明所提供的检测电缆在竖直方向位置参数进而反应偏航角度，检测误差小，准确性高。

本文所获取的风机偏航角度可以用于校正偏航系统的控制，使得偏航执行系统的偏航动作更加精确，尤其，本文所获取的风机偏航角度对于执行解缆动作有着重要的意义。即当本文所检测的风机偏航角度大于或者等于偏航极限角度时，控制系统执行解缆动作。这样有利于避免电缆线束过度缠绕扭转，起到保护电缆线束的作用。

可选的，所述固定部包括沿竖直方向延伸的固定通孔，所述固定通孔的数量至少为一个，所述固定通孔与所述电缆线束一一对应，所述固定通孔的内壁与相应所述电缆线束配合固定。

可选的，所述支撑本体包括至少一个横向延伸的水平臂，各所述水平臂的内端部固定连接于所述固定通孔的外壁部，所述水平臂的外端部设置所述安装部。

可选的，所述水平臂的数量为两个，自外向内，所述水平臂包括相互连接的第一段和第二段，两所述水平臂的第一段相互平行，所述安装部设置于所述第一段，所述水平臂的第二段的内端部固定连接所述固定通孔的外壁部，并且两个所述水平臂的第二段之间距离自外向内逐渐减小。

可选的，还包括安装臂，所述安装臂的一端用于固定连接所述塔筒内壁，另一端设置有铰接孔，所述水平臂的外端部也设置有铰接孔，所述安装部包括所述铰接孔，销轴同时安装于所述安装臂和所述水平臂二者的铰接孔内部。

可选的，所述销轴与所述水平臂的铰接孔过盈配合，所述销轴与所述安装臂的铰接孔转动配合，所述检测部件包括角度检测器，用于检测所述固定部相对所述塔筒的转动角度，所述角度检测器包括固定壳体和旋转机构，所述固定壳体固定于所述安装臂，所述旋转机构固定于所述销轴。

可选的，所述销轴与所述水平臂的铰接孔周向限位，所述销轴的末端穿过所述水平臂的铰接孔、所述安装臂的铰接孔连接螺母；所述检测部件包括角度检测器，用于检测设置所述固定通孔的端部相对所述塔筒的转动角度，所述角度检测器包括固定壳体和旋转机构，所述固定壳体固定于所述安装臂，所述旋转机构固定于所述销轴。

可选的，所述水平臂的铰接孔至少部分孔段为多边形孔段，所述多边形孔段的横截面为多边形，所述销轴包括与上述多边形孔段配合的轴段，该轴段的外轮廓与所述多边形孔段相适配。

可选的，所述销轴包括依次相连接的头部、大径段和小径段，所述头部的外轮廓为多边形，以与所述多边形孔段相适配，所述大径段为光轴段，所述小径段的外表面具有螺纹，以与所述螺母配合连接。

可选的，还包括控制器，根据所述检测部件所检测的能够表征所述电缆线束竖直方向位移量的位置参数计算机舱的偏航角度，并且预存有所述检测部件的检测参数与机舱偏航角度对应关系。

再者，本发明提供了一种风力发电机组，包括塔筒，还包括上述任一项所述的偏航角度测量装置，所述风力发电机组机舱电缆线束与所述支撑本体的固定部固定，所述支撑本体的安装部与所述塔筒内壁转动连接。

此外，本发明还提供了一种偏航角度测量方法，包括上述任一项所述的偏航角度测量装置，该方法包括以下步骤：

预先存储表征电缆线束竖直方向位移量的位置参数与机舱偏航角度对应关系于控制器；

实时获取当前状态能够表征电缆线束竖直方向位移量的位置参数；

根据所获取的当前状态的固定部相对塔筒的位置参数，自所述预存的表征电缆线束竖直方向位移量的位置参数与机舱偏航角度对应关系中查找当前状态的偏航角度。

可选的，所述表征电缆线束竖直方向位移量的位置参数与机舱偏航角度对应关系为所述支撑本体的固定部转动角度与机舱偏航角度的对应关系；或者所述表征电缆线束竖直方向位移量的位置参数与机舱偏航角度对应关系为所述支撑本体的固定部沿竖直方向位移量与机舱偏航角度的对应关系。

上述方法是以偏航角度测量装置为基础实施的，上述风力发电机组包括上述偏航角度测量装置，故该测量方法和风力发电机组也具备装置的上述技术效果，本文不做赘述。

附图说明

图1为本发明一种实施例中塔筒、电缆线束等组件的局部结构示意图；

图2为本发明一种实施例中偏航角度测量装置与塔筒、电缆线束装配后的结构示意图；

图3为图2所示结构的另一方向示意图；

图4为本发明一种实施例中支撑本体的结构示意图；

图5为本发明一种实施例中安装臂与塔筒的安装示意图；

图6为图2所示结构的局部俯视图；

图7为本发明一种实施例中安装臂与支撑本体铰接位置的局部放大图；

图8为本发明另一种实施例中支撑本体的结构示意图；

图9为图8所示支撑本体设置铰接孔位置的局部放大图；

图10为本发明一种实施例中销轴的结构示意图；

图11为本发明固定部另一具体实施方式的结构示意图；

图12为本发明电缆线束处于初始状态的示意图；

图13为本发明中机舱偏航至一侧极限角度时电缆线束与支撑本体的状态示意图；

图14为本发明中沿第一方向偏航转动时，角度传感器所检测角度与偏航角度的关系示意图；

图15为本发明中沿与第一方向相反方向偏航转动时，角度传感器所检测角度与偏航角度的关系示意图；

图16为本发明一种偏航角度测量方法的流程图。

其中，图1至图13中：

100-塔筒；101-塔筒内壁；200-马鞍；300-平台；

1-电缆线束；11-竖直段；12-弧垂段；

2-支撑本体；20-水平臂；22-第一段；21-第二段；23-连接筋；

2b-铰接孔；2b1-多边形孔段；2b2-圆孔段；2a-固定通孔；

3-安装臂；

4-安装部；41-销轴；411-头部；412-大径段；413-小颈段；

5-角度检测器。

具体实施方式

本发明实施例的目的之一为提供一种偏航角度测量装置，该装置能够精确测量风力发电机组的偏航角度。另外，本发明实施例的另一目的为提供一种基于上述偏航角度测量装置的偏航角度测量方法。

本文中所述的偏航是指风机的机舱偏转对风动作，即机舱可以相对塔筒顶部的安装座转动实现对风，以能够快速捕获较大的风能。偏航系统是实现偏航的机构，主要结构包括偏航电机、感应风向的风向传感器、齿轮传动系统，当然偏航系统的传动系统不局限于齿轮传动系统，只要能实现动力正常传递满足偏航需求即可，具体的结构及其作用可以参考现有技术，本文不做具体介绍。

请参考图1，风机机舱中各动力部件及执行部件的电缆束自机舱向下沿塔筒表面延伸至地面供电系统，或者沿距离塔筒一定的距离延伸至地面供电系统。塔筒内部安装有马鞍，通常电缆线束1从塔筒中心穿过多个平台300竖直延伸一段距离后(通常为10米左右)，搭在马鞍200上，然后固定在塔筒壁上直到塔底。在从竖直段11到马鞍200上之前，会预留一段的弧垂段12，作用在于吸收机舱偏航时电缆束的扭转。

本文研究发现，从初始角度到左偏航极限角度或右偏航极限角度(正向偏航极限角度或反向偏航极限角度)时，电缆束竖直段11上的某点会随之向上或者向下运动一段距离，通常从初始角度到一个偏航方向的极限值，电缆线束1会提升300mm-500mm。当然该距离与风力发电机组大小以及偏航极限角度有关。

需要说明的是，本文以电缆安装完成后，保证电缆处于自由状态，即电缆不存在扭转角度的状态定义为偏航初始角度，通常将偏航初始角度定义为0。左偏航极限角度为机舱向左转动的最大角度位置，同理右偏航极限角度为机舱向右转动的最大角度位置。左偏航极限角度和右偏航极限角度可以根据具体风力发电机组、具体使用环境而定，例如，左、右极限角度可以为720度，也可以为540度或者其他角度。

在上述研究发现的基础上，本文提出了一种可以精确获得机舱偏航角度的偏航角度测量装置。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合偏航角度测量装置、偏航角度测量方法、附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2至图12，本发明的实施例提供了一种偏航角度检测装置，主要用于获得机舱偏航角度，该装置包括支撑本体2和检测部件。其中支撑本体2主要起到连接和支撑的作用。具体地，支撑本体2包括固定部和安装部4，固定部用于与风机的电缆线束1固定连接。电缆线束1可以有一束，也可以两束或者两束以上。安装部4主要用于与塔筒内壁101转动配合连接，至少使二者在竖直面内能够转动，即在安装部4与塔筒100相应结构配合连接后，支撑本体2能够相对塔筒100与安装部4的连接点至少在竖直面内转动。

检测部件主要用于检测能够表征电缆线束1竖直方向的位移量的位置参数。在一种优选的实施方式中，检测部件检测固定部相对塔筒100的位置参数，通过固定部第一时刻和第二时刻的位置参数可以确定电缆线束1的竖直位移量。此处所述的位置参数可以为角度参数，也可为坐标位置参数，只要能够计算出固定部的位移变化量即可，尤其是沿竖直方向的变化量。

本发明实施例的偏航角度测量装置使用时，预先将支撑本体2的安装部4与塔筒内壁101连接，将电缆线束1固定于支撑本体2的固定部，在电缆线束1的自然垂力的作用下，安装部4和塔筒内壁101可以处于某一静止状态(将电缆线束1处于不扭转状态定义为初始状态)，此时检测部件可以检测电缆线束1处于初始位置状态。

当进行偏航动作时，位于马鞍200面以上的电缆线束1段将随偏航逐渐被提升，检测部件可以实时检测固定部相对塔筒100的位置参数，通过检测部件所检测的不同时刻的固定部的位置参数，进而获得电缆线束1在竖直方向的位移量，通过电缆线束1位移量与偏航角度之间的关系可以知晓当前时刻风机偏航角度。

因本发明实施例的偏航角度测量装置位于塔筒100内部，基本不受外界环境干扰，测量精度大大提高。

本文所获取的风机偏航角度可以用于校正偏航系统的控制，使得偏航执行系统的偏航动作更加精确，尤其，本文所获取的风机偏航角度对于执行解缆动作有着重要的意义。即当本文所检测的风机偏航角度大于或者等于偏航极限角度时，控制系统执行解缆动作。这样有利于避免电缆线束1过度缠绕扭转，起到保护电缆线束1的作用。

在一种具体的实施方式中，如图4所示，固定部可以包括竖直方向延伸的固定通孔2a，固定通孔2a的数量至少为一个，固定通孔2a的内壁与相应电缆线束1配合固定。也就是说，固定通孔2a与电缆线束1一一对应，电缆线束1可以通过过盈配合安装于固定通孔2a内部。当然，电缆线束1还可以通过其他方式固定于固定通孔2a内部，例如胶粘方式等等，只要能够满足电缆线束1与固定部的相对位置固定即可。

图6给出了设置一个固定通孔2a的具体实施方式。图11给出了设置多个固定通孔的实施方式。

上述实施方式通过固定通孔2a与电缆线束1结合固定的方法，简单易行。

如上所述，支撑本体2主要起到支撑连接的作用，其结构可以有多种形式，只要能满足本文的需求即可，以下给出支撑本体2一种具体的实施方式。

在一种具体的实施方式中，支撑本体2可以包括至少一个横向延伸的水平臂20，各水平臂20的内端部固定连接于固定通孔2a的外壁部，水平臂20的外端部设置安装部4。图2至图4中示出了，设置两个水平臂20的具体方式，两水平臂20的外端部均设置安装部4，内端部与固定通孔2a的外壁部固定连接。两水平臂20大致形成三角结构，稳定性较高。各水平臂20可以与形成固定通孔2a的外壁部一体成型，各水平臂20也可以焊接于固定通孔2a的外壁部。

另外，为了增加水平臂20支撑稳定性，还可以在相邻水平臂20之间增加连接筋23。连接筋23的两端固定连接相应侧的水平臂20，连接筋23可以与各水平臂20一体成型，也可以通过焊接方式焊接连接水平臂20。

该结构在实现支撑本体2稳定支撑的前提下，可以尽量降低整体重量。

如图4所示，以水平臂20的数量为两个为例，自外向内，水平臂20包括相互连接的第一段22和第二段21，其中两个水平臂20的第一段22相互平行，安装部4设置于第一段22，两平行的第一段22上的安装部4可以为铰接孔，安装部4通过铰接轴4与塔筒内壁101转动连接。水平臂20的第二段21的内端部固定连接固定通孔2a的外壁部，两个水平臂20的第二段21之间距离自外向内逐渐减小。

上述实施方式中设置相互平行的第一段22有利于支撑本体2的安装，同时又可实现支撑本体2的稳定性。

为了便于水平臂20的安装部4与塔筒内壁101的铰接，本发明还可以进一步如下设置。

上述各实施例中，偏航角度测量装置还可以进一步包括安装臂3，安装臂3的一端用于固定连接塔筒内壁101，另一端设置有铰接孔2b，水平臂20的外端部也设置有铰接孔2b，安装部4包括铰接孔2b，销轴41同时安装于安装臂3和水平臂20二者的铰接孔2b内部。

如上文所述，通过检测固定部的转动角度表征电缆线束1竖直位移量，从而建立固定部的转动角度与机舱偏航角度之间的关系。当然也可以直接检测电缆线束1的竖直位移。因此根据检测参数的不同，以下给出了两种典型的检测部件类型。

一种具体实施例中，销轴41与水平臂20的铰接孔2b可以过盈配合，销轴41与安装臂3的铰接孔2b转动配合，检测部件包括角度检测器5，用于检测固定部相对塔筒的转动角度，角度检测器5包括固定壳体和旋转机构，固定壳体固定于安装臂3，旋转机构固定于销轴41。水平臂20的转动轴大致为垂直于第一段22的水平方向，旋转机构与销轴41可以随水平臂20转动，进而旋转机构相对固定壳体转动。通过获取旋转机构相对固定壳体的转动角度，可以知晓支撑本体2的固定部在竖直平面内的转动角度。

角度检测器5的具体结构和工作原理可以参考现有技术，本文不做详细赘述。

以下还是以检测部件包括角度检测器5，用于检测设置固定通孔2a的端部相对塔筒的转动角度为例，根据销轴41结构的不同，给出了另一种具体实施方式。

请参考图8至图10，另一实施方式中，销轴41与水平臂的铰接孔2b周向限位，销轴41的末端穿过所述水平臂的铰接孔2b、安装臂的铰接孔连接螺母；角度检测器5的固定壳体固定于安装臂3，旋转机构固定于销轴41。

进一步地，水平臂的铰接孔2b至少部分孔段为多边形孔段2b1，多边形孔段2b1的横截面为多边形，销轴41包括与上述多边形孔段2b1配合的轴段，该轴段的外轮廓与多边形孔段2b1相适配。

多边形孔段的横截面形状可以为三角形、四边形、六边形或者其他n边形，其中n大于等于3。

上述销轴41与水平臂周向限位的方式结构简单。

在一种具体实施方式中，销轴41可以具体包括依次相连接的头部411、大径段412和小径段413，头部411的外轮廓为多边形，以与多边形孔段2b1相适配，大径段412为光轴段，小径段413的外表面具有螺纹，以与螺母配合连接。螺母可以限定销轴41轴向位移，避免销轴41自铰接孔中脱出。

上述检测转动角度的方式，可靠性比较高，并且安装方便。

在第二种具体实施方式中，检测部件可以为位移传感器，用于检测固定部的坐标位置参数。即位移传感器可以检测固定部不同时刻的位置，根据固定部的坐标位置计算固定部在竖直方向的位移。

上述两种实施方式中，就是通过检测部件检测与电缆线束1固定连接的固定部的位移以实现电缆线束1竖直位移的计算，该方式可靠性比较高。

当然，上述检测部件的信号通常需要传递至外界，进行进一步的分析、计算，故上述各实施例中，偏航角度测量装置还可以包括控制器，根据检测部件所检测的位移量计算机舱的偏航角度，并且预存有检测部件的检测参数与机舱偏航角度对应关系。例如角度传感器的检测角度与机舱偏航角度的对应关系，或者位移参数与机舱偏航角度的对应关系。

该控制器可以为风力发电机组的总控制器，当然也可以设置单独的中间控制模块，通过中间控制模块对检测部件的信号进行判断、分析、计算，中间控制模块再将计算结果发送至风力发电机组的总控制器。

在上述偏航角度测量装置的基础上，本发明还提供了一种风力发电机组，包括塔筒，还包括上述任一项的偏航角度测量装置，风力发电机组机舱电缆线束1与支撑本体2的固定部固定，支撑本体2的安装部4与塔筒内壁101转动连接。

此外，在上述偏航角度测量装置的基础上，本发明还提供了一种偏航角度测量方法，请参考图16，该方法包括以下步骤：

s1、预先存储表征电缆线束1竖直方向位移量的位置参数与机舱偏航角度对应关系于控制器；

s2、实时获取当前状态的表征电缆线束1竖直方向位移量的参数；

该表征电缆线束1竖直方向位移量的参数可以为固定部位置参数。上述偏航角度测量方法，支撑本体2的固定部位置参数与机舱偏航角度对应关系为固定部转动角度与机舱偏航角度的对应关系；或者支撑本体2的固定部位置参数与机舱偏航角度对应关系为固定部沿竖直方向位移量与机舱偏航角度的对应关系。其中，以固定部位置参数与机舱偏航角度的对应关系为例，二者的关系可以通过以下手段实现：

请参考图12至图15，首先，电缆线束1安装完成后，保证电缆线束1处于自由状态，即电缆线束1不存在扭转角度，偏航角度为0°；将偏航角度测量装置与电缆线束1、塔筒安装固定，并使初始角度为向下的α1，定义α1＝0°，如图12，控制器记录该角度。

其次，沿第一方向(顺时针或逆时针)按照某一设定的恒定偏航速度v偏航至极限角度，为了描述简洁方便，本文将第一方向定义为正向，相应的该方向的极限角度定义为正向极限角度，将与第一方向相反的方向定义为反向，相应地向反向一侧转动的极限角度定义为反向极限角度，并且为了区分正向和反向偏航，本文将反向偏航角度数值之前增加负号“—”。以正向极限角度为720°为例，其中正向极限角度720°通过v乘以偏航时间来获取。电缆线束1会随着偏航角度提升直到角度传感器的最高角度α2，如图13所示。

根据偏航速度v实时计算风力发电机组实时的偏航角度s，并且和角度传感器的α实时一一对应，得到如图14所示的曲线，控制器记录α2并储存图14曲线(图中曲线仅仅是示意)。

然后，沿与第一方向相反的方向偏航至初始状态即α1＝0°，电缆线束1会下降到初始状态，然后反向偏航并逐渐至反向极限角度(通常反向极限角度也仍是-720°)。电缆线束1仍然会随着偏航角度提升，直到角度传感器向上升高至最高角度α3，如图15所示。需要注意的是α2不一定等于α3。原因在于通常电缆线束1并非完全按照自身中心线对称。控制器记录α3并储存图15曲线。

其中图14和图15中的纵坐标s表示偏航角度。

这样就获得了角度传感器的角度与偏航角度之间的关系曲线。

s3、根据所获取的当前状态的固定部相对塔筒的位置参数，自预存的表征电缆线束1竖直方向位移量的位置参数与机舱偏航角度对应关系中查找当前状态的偏航角度。

上述方法是以偏航角度测量装置为基础实施的，故该测量方法也具备装置的上述技术效果，本文不做赘述。

以上对本发明所提供的一种偏航角度测量装置及测量方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。