基于多容错模式的风机变桨控制系统

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于多容错模式的风机变桨控制系统。

背景技术：

目前，对于可再生能源中，风能是可再生能源的重要组成部分，积极地开发风能对于改善能源系统结构、缓解能源危机、保护生态环境具有深远的意义。风电机组输出功率和转矩的调节取决于风速的变化，当风速达到并超过额定值时，需要通过降低风电机组的气动效率来限制输出功率，以避免风电机组超载。因此，桨距角和桨叶位置在变风条件下需要控制，称为变桨控制。变桨控制是降低风电机组在高风速下超载的一种有效方法，具有重要作用。

然而，由于目前风电系统大部分装备都暴露在室外，容易导致部分系统受损。其次，风电机组中的变桨系统受自身元器件工作年限以及恶劣的工作环境影响,不可避免的会发生故障导致变桨功能无法顺利完成，以及风电系统的发电机组、制动装备、风机叶片等都处在高空，如果出现故障很难及时更换。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于多容错模式的风机变桨控制系统，解决了相关技术中风电系统的自身元件出现故障时，导致风电系统无法正常运行的问题。

本发明提供的基础方案：一种基于多容错模式的风机变桨控制系统，包括用于采集风机变桨浆距角的数据采集模块和用于控制变桨控制器输出驱动指令的主控制器，所述基于多容错模式的风机变桨控制系统还包括：容错检测模块、冗余模块和补偿模型数据库；

所述容错检测模块，用于根据所述变桨浆距角与预设浆距角生成角度偏差，并根据所述角度偏差判断所述风机中的传感器处于极限故障状态或者非极限故障状态，以对应生成极限故障信号或者非极限故障信号；

所述主控制器，用于接收所述容错检测模块生成的极限故障信号或者非极限故障信号，以在接收到极限故障信号时控制所述冗余模块启动或者在接收到非极限故障信号时调用所述补偿模型数据库，并控制所述变桨控制器运行。

本发明基础方案的原理为：

本方案中桨距角指的是风机叶片顶端翼型弦线与旋转平面的夹角。风力机采用变桨距控制，通过调整叶片迎风角度，来进行功率调整的方式，桨距角是指风机叶片与风轮平面夹角。风机变桨控制系统中具有各种传感器对风机中风轮、传动机构、电动机等器件运行参数数据进行采集，如果风轮、传动机构、电动机等器件出现故障，均会导致变桨浆距角发生偏差。而本方案中，考虑到风机变桨控制系统不会一直出现故障，就首先对风机变桨浆距角实时采集，判断风机变桨控制系统整体是否存在故障，而不需要每次对风机变桨控制系统中的各种传感器一一检测。

数据采集模块的设置，实现风机变桨控制系统中风机变桨浆距角的采集，变桨浆距角为风机浆叶的当前浆距角。由于控制精度、机械结构的误差，将采集的变桨浆距角输出至容错检测模块，导致风机浆叶在运行过程中，与预期运行情况存在偏差，因此采集风机实际桨距角作为容错检测模块中的对比数据，以实时调节风机变桨控制系统。

容错检测模块的设置，将数据采集模块采集的风机实际变桨浆距角与预设浆距角生成角度偏差，并将生成的角度偏差与预设角度偏差进行对比，若生成的角度偏差未处于预设角度偏差范围内，则表示风机存在故障，此时就进一步对风机中传感器的工作状态进行检测，以判断风机中传感器是否存在极限故障或者非极限故障，以使得风机变桨控制系统中的传感器在不同的故障状态下做出与故障相对应的动作，提高风机变桨控制系统的可靠性。

冗余模块可以将出现极限故障的传感器进行替换，也即是在风机变桨控制系统中容错检测模块检测到传感器处于极限故障时，就通过主控制器控制冗余模块将处于极限故障状态的传感器替换为与之相对应的传感器，从而可以保证风机变桨控制系统正常运行，不会被传感器发生极限故障导致停机，避免了风机变桨控制系统的意外停机。

主控制器可以在风机变桨控制系统出现非极限故障状态时调用补偿模型数据库。具体是，通过数据采集模块将风机变桨控制系统中的传感器数据进行检测，在风机变桨控制系统中容错检测模块检测到传感器处于非极限故障状态时，就通过主控制器调用补偿模型数据库，从而结合补偿模型数据库保证风机变桨控制系统正常运行。

基础方案的有益效果为：

(1)本方案中，将风机变桨控制系统和容错检测模块结合，通过容错检测模块判断风机变桨控制系统中传感器是否处于极限故障状态或者非极限故障状态，并输出极限故障信号或者非极限故障信号至主控制器，以分别控制相对应模块运行，可以实现风机变桨控制系统的进一步判断，保证控制系统正常运行，避免意外停机。

(2)本方案中，将风机变桨控制系统和冗余模块进行结合，在风机中的传感器处于极限故障状态时，通过主控制器控制冗余模块启动，以作为与传感器对应的备用模块，也即在风机变桨控制系统出现极限故障时，进一步判断风机中出现极限故障的具体传感器，以此可以避免出现极限故障的传感器完全失效导致的风机变桨控制系统停机的问题；同时也避免了在检测到风机变桨控制系统中出现极限故障时，需要对风机中所有传感器进行整体替换。在保障了风力发电系统安全、高效运行的同时，避免了风机变桨控制系统的资源浪费。

(3)本方案中，将风机变桨控制系统和补偿模型数据库进行结合，在风机中的传感器处于非极限故障状态时，通过主控制器控制补偿模型数据库启动，以在风机变桨控制系统出现非极限故障时，对风机中的所有传感器进行数据修正，以此可以避免传感器部分失效、偶尔失灵导致的风机变桨控制系统不能正常运行的问题，同时，根据补偿模型数据库对风机中所有传感器进行数据修正，保障了风力发电系统正常、安全、高效运行，提升了风机变桨控制系统的运行可靠性。

(4)本方案中，首先对风机变桨浆距角实时采集，判断风机变桨控制系统整体是否存在故障，而不需要每次对风机变桨控制系统中的各种传感器一一检测，据此不会造成资源浪费。

进一步，所述数据采集模块包括与所述容错检测模块电连接的风轮角度传感器；

所述数据采集模块，用于采集所述风机的变桨浆距角。

数据采集模块中采用风轮角度传感器采集风机的变桨浆距角，技术成熟，便于对变桨浆距角的实时采集，以便于对风机变桨控制系统是否发生故障进行判断。

进一步，所述数据采集模块还包括分别与所述容错检测模块电连接的风速传感器、风轮转速传感器、传动机构转速传感器、传动机构温度传感器、发电机转速传感器、发电机温度传感器、变流机构电流传感器、变压机构电压传感器、电网频率传感器和电网功率因素传感器；

所述数据采集模块，还用于采集风机风速、风轮转速、传动机构转速、传动机构温度、发电机转速、发电机温度、变流机构电流、变压机构电压、电网频率和电网功率因素。

风机变桨控制系统中安装有多个不同的传感器，如风速传感器、风轮转速传感器、传动机构转速传感器、传动机构温度传感器、发电机转速传感器、发电机温度传感器、变流机构电流传感器、变压机构电压传感器、电网频率传感器和电网功率因素传感器，以分别对风机变桨控制系统中各个部位的运行数据进行实时检测，以便于对风机变桨控制系统在运行过程中的实时运行数据进行监控，避免风机变桨控制系统发生故障而不能及时处理，提升了风机变桨控制系统的运行可靠性。

进一步，所述容错检测模块还用于将所述生成的角度偏差与所述预设角度偏差进行比较，当所述角度偏差处于预设角度偏差范围内，输出第一控制信号至所述主控制器，以控制所述变桨控制器运行；当所述角度偏差未处于预设角度偏差范围内，判断所述风机中的传感器处于极限故障状态或者非极限故障状态，并输出第二控制信号至所述主控制器，以分别控制启动所述冗余模块或者调用所述补偿模型数据库。

通过容错检测模块对生成的角度偏差与预设角度偏差进行比较，根据角度偏差判断风机变桨控制系统是否存在故障，以在风机变桨控制系统无故障时直接控制变桨控制器运行，或者在风机变桨控制系统存在故障时，具体判断风机中的传感器处于极限故障状态或者非极限故障状态，以控制冗余模块启动或者补偿模型数据库启动。也即本方案通过容错检测模块对风机变桨控制系统的具体检测，结合冗余模块和补偿模型数据库，实现对风机变桨控制系统中传感器的替换或者数据修正，避免了风机变桨控制系统中传感器故障导致的意外停机，提升了风机变桨控制系统的可靠性，安全性。

进一步，所述容错检测模块还用于当所述风机中的传感器处于极限故障状态时，判断所述风机中处于极限故障状态的传感器位置。

容错检测模块判断风机中处于极限故障状态的传感器位置，即可以便于维修人员对于损坏的传感器进行检修，也利于主控制器智能控制将损坏传感器替换为相对应的备用传感器。

进一步，所述冗余模块包括与所述风轮角度传感器、所述风速传感器、所述风轮转速传感器、所述传动机构转速传感器、所述传动机构温度传感器、所述发电机转速传感器、所述发电机温度传感器、所述变流机构电流传感器、所述变压机构电压传感器、所述电网频率传感器和所述电网功率因素传感器分别一一对应的备用传感器。

由于冗余模块中具有与风机变桨控制系统中各传感器分别一一对应的备用传感器，便于在风机变桨控制系统中某一传感器出现极限故障时，对其进行替换，以保证风机变桨控制系统可以继续正常工作。

进一步，所述主控制器还用于当所述风机中的传感器处于非极限故障状态时，将处于非极限故障状态的传感器的实时运行数据与所述补偿模型数据库中故障前传感器的运行数据进行对比，以对处于非极限故障状态的传感器进行数据修正。

主控制器将处于非极限故障状态的传感器的实时运行数据与补偿模型数据库中故障前传感器的正常运行数据进行对比，即可以使得主控制器控制对出现非极限故障状态的传感器的传感器数据进行修正，提高风机变桨控制系统控制精度。

进一步，所述补偿模型数据库还用于实时连续保存风机中所述风轮角度传感器、所述风速传感器、所述风轮转速传感器、所述传动机构转速传感器、所述传动机构温度传感器、所述发电机转速传感器、所述发电机温度传感器、所述变流机构电流传感器、所述变压机构电压传感器、所述电网频率传感器和所述电网功率因素传感器的运行数据。

补偿模型数据库将风机中各传感器运行过程的运行数据进行实时连续保存，可以使得当风机中某一传感器处于非极限故障状态时，通过主控制器控制补偿模型数据库启动，以便于将处于非极限故障状态的传感器的实时运行数据与补偿模型数据库中故障前传感器的运行数据进行对比，对其处于非极限故障状态的传感器进行数据修正，提高风机变桨控制系统控制精度。

进一步，还包括伺服机构，所述伺服机构的输入端与所述变桨控制器的输出端连接，用于接收所述变桨控制器输出的变桨驱动信号，以控制所述伺服机构驱动所述风机中风轮的运行。

伺服机构的设置，实现了变桨控制器输出变桨驱动信号控制伺服机构驱动风机中风轮的运行，以保证了风机变桨浆距角的输出。

附图说明

图1为本发明基于多容错模式的风机变桨控制系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明基于多容错模式的风机变桨控制系统另一实施例的结构示意图；

图3为本发明基于多容错模式的风机变桨控制系统一实施例的控制流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：数据采集模块10、容错检测模块20、主控制器30、补偿模型数据库40、冗余模块50、变桨控制器60、伺服机构70、风轮11、传动机构12、发电机13、变流机构14、变压机构15。

参照如图1所示，为基于多容错模式的风机变桨控制系统的实施例。

具体实施过程如下：所述基于多容错模式的风机变桨控制系统包括：用于采集风机变桨浆距角的数据采集模块10和用于控制变桨控制器60输出驱动指令的主控制器30，还包括：容错检测模块20、冗余模块50和补偿模型数据库40；

所述容错检测模块20，用于根据所述变桨浆距角与预设浆距角生成角度偏差，并根据所述角度偏差判断所述风机中的传感器处于极限故障状态或者非极限故障状态，以对应生成极限故障信号或者非极限故障信号；

所述主控制器30，用于接收所述容错检测模块20生成的极限故障信号或者非极限故障信号，以在接收到极限故障信号时控制所述冗余模块50启动或者在接收到非极限故障信号时调用所述补偿模型数据库40，并控制所述变桨控制器60运行。

在本方案中，参照如图1和如图2所示，所述容错检测模块20的输入端与所述数据采集模块10的输出端连接，所述容错检测模块20的输出端与所述主控制器30的第一输入端连接，所述主控制器30的第二输入端与所述冗余模块50的输出端连接，所述主控制器30的第三输入端与所述补偿模型数据库40的输出端连接，所述主控制器30的输出端与所述变桨控制器60的输入端连接。通过数据采集模块10中具有风轮角度传感器，以实现对风机实际变桨浆距角的采集，并输出至容错检测模块20，容错检测模块20将实际变桨浆距角与预设浆距角生成角度偏差，将生成的角度偏差与预设角度偏差进行对比，若生成的角度偏差处于预设角度偏差范围内，则表示风机无故障，此时容错检测模块20输出第一控制信号至所述主控制器30，主控制器30就直接控制变桨控制器60输出变桨控制信号，变桨控制器60再发送控制指令至伺服机构，从而使风机中风轮11输出一个桨距角。若生成的角度偏差未处于预设角度偏差范围内，则表示风机存在故障，此时就进一步对风机中传感器的工作状态进行检测，以判断风机中传感器是否存在极限故障或者非极限故障，若检测到传感器处于极限故障时，容错检测模块20就输出第二控制信号至主控制器30控制冗余模块50启动，若检测到传感器处于非极限故障时，容错检测模块20就输出第二控制信号至主控制器30控制补偿模型数据库40启动，也即是通过数据采集模块10、容错检测模块20、冗余模块50、补偿模型数据库40的结合，可以避免风机变桨控制系统中自身元件出现故障时，无法及时更换导致风电系统无法正常运行的问题，提升了风机变桨控制系统的安全性、可靠性。

在一实施例中，参照如图2所示，数据采集模块10还包括与容错检测模块20电连接的风速传感器，以实现对风机变桨控制系统中风机风速的采集；与容错检测模块20电连接的风轮转速传感器，以实现对风机变桨控制系统中风轮11转速的采集；与容错检测模块20电连接的传动机构转速传感器，以实现对风机变桨控制系统中传动机构12转速的采集；与容错检测模块20电连接的传动机构温度传感器，以实现对风机变桨控制系统中传动机构12温度的采集；与容错检测模块20电连接的发电机转速传感器，以实现对风机变桨控制系统中发电机13转速的采集；与容错检测模块20电连接的发电机温度传感器，以实现对风机变桨控制系统中发电机13温度的采集；与容错检测模块20电连接的变流机构电流传感器，以实现对风机变桨控制系统中变流机构14电流的采集；与容错检测模块20电连接的变压机构电压传感器，以实现对风机变桨控制系统中变压机构15电压的采集；与容错检测模块20电连接的电网频率传感器，以实现对风机变桨控制系统中电网频率的采集；与容错检测模块20电连接的电网功率因素传感器，以实现对风机变桨控制系统中电网功率因素的采集。通过本方案中数据采集模块10的各传感器对风机变桨控制系统各种参数的实时采集，实现对风机变桨控制系统的实时监控，以提升风机变桨控制系统的可靠性。

本实施例中，风机变桨控制系统中极限故障检测可以是观察风机中各传感器的输出电压是否正常，以在风机中传感器输出电压不正常时，启动冗余模块50替换掉故障传感器，从而可以保证控制系统正常运行。

风机变桨控制系统中的各个位置都安装有不同的传感器，如本方案中参照如图2所示，在风机变桨控制系统的风轮11位置安装风轮角度传感器、风速传感器和风轮转速传感器，在风机变桨控制系统的传动机构12位置安装传动机构转速传感器和传动机构温度传感器，在风机变桨控制系统的发电机13位置安装发电机转速传感器和发电机温度传感器，在风机变桨控制系统的变流机构14位置安装变流机构电流传感器，在风机变桨控制系统的变压机构15位置安装变压机构电压传感器，在风机变桨控制系统的变压机构15输出端位置安装电网频率传感器和电网功率因素传感器。由于风电系统大部分设备都暴露在室外，容易导致部分系统受损，同时风电系统的发电机13组、制动装备、风机风轮11等都处于高空，如果出现故障很难及时更换，因此通过风机变桨控制系统中各个传感器来判定风机变桨控制系统的运行状态，来保证风电系统正常、安全、高效运行至关重要。

进一步地，冗余模块50包括与风机变桨控制系统中风轮角度传感器、风速传感器、风轮转速传感器、传动机构转速传感器、传动机构温度传感器、发电机转速传感器、发电机温度传感器、变流机构电流传感器、变压机构电压传感器、电网频率传感器和电网功率因素传感器分别一一对应的备用传感器。进一步地，容错检测模块20在判断风机处于极限故障状态时，还继续判断风机中处于极限故障状态的传感器位置，即可以便于维修人员对于损坏的传感器进行检修，也利于主控制器30智能控制将损坏传感器替换为相对应的备用传感器。使得本方案的容错检测模块20可以定位风机中的哪个传感器出现极限故障，以此便于主控制器30控制冗余模块50中与之相对应的传感器进行工作。即当风机变桨控制系统一个传感器出现极限故障后，就控制另外相对应的备用传感器工作，从而保证风机变桨控制系统的正常运行。

在一实施例中，机变桨控制系统具有与主控制器电连接的存储器，可以对风机中每一传感器出现极限故障的次数进行记录。在容错检测模块对风机中传感器进行极限故障判断时，通过存储器记录的数据，可以通过主控制器控制对次数较多的传感器优先进行判断，如果判断是此传感器存在极限故障，就不需要再一一对其他传感器进行检测，以此减少风机变桨控制系统的检测流程，节约了检测成本。

在一实施例中，当风机中的传感器处于非极限故障状态时，主控制器30将处于非极限故障状态的传感器的实时运行数据与补偿模型数据库40中故障前传感器的运行数据进行对比，以对处于非极限故障状态的传感器进行数据修正。具体是，在风机变桨控制系统处于非极限故障时，获取风机中的各传感器的实时运行曲线，与补偿模型数据库40中保存的故障前的各传感器运行曲线进行自动对比。可以理解的是，补偿模型数据库40对各传感器的运行数据是实时连续保存的。此时，调出出现故障前的各传感器模型数据，对当前各传感器进行数据修正，从而可以保证控制系统正常运行，避免意外停机。

参照如图3所示，其为本方案基于多容错模式的风机变桨控制系统一实施例的控制流程示意图，基于多容错模式的风机变桨控制系统进入传感器极限故障状态和非极限故障状态的容错检测模块20，容错检测模块20通过检测变桨桨距角输出波形与预设波形是否在误差范围内，判断风机变桨控制系统是否有故障，如果变桨桨距角输出波形与预设波形在误差范围内，则表示风机变桨控制系统没有故障，由主控制器30发出正常控制指令至变桨控制器60，变桨控制器60再发送控制指令至伺服机构，从而驱动风机变桨控制系统中的风轮11输出一个桨距角。当变桨桨距角输出波形与预设波形没有在误差范围内，则表示风机变桨控制系统有故障，容错检测模块20进一步判断风机变桨控制系统中各传感器是否为极限故障，当容错检测模块20判断传感器为极限故障时，就通过主控制器30控制冗余模块50启动，通过冗余模块50的结合，以发出控制指令至变桨控制器60，变桨控制器60再发送控制指令至伺服机构，从而驱动风机变桨控制系统中的风轮11输出一个桨距角。当容错检测模块20判断传感器为非极限故障时，就通过主控制器30控制补偿模型数据库40启动，通过补偿模型数据库40的结合，以发出控制指令至变桨控制器60，变桨控制器60再发送控制指令至伺服机构，从而驱动风机变桨控制系统中的风轮11输出一个桨距角。本方案解决了相关技术中风电系统的自身元件出现故障时，无法及时更换导致风电系统无法正常运行的问题，提升了风机变桨控制系统的运行可靠性。

基于上述的实施例，本方案首先通过对实时采集的变桨间距角与预设浆距角生成角度偏差进行判断，以判断风机变桨控制系统整体是否存在故障；其次，在风机变桨控制系统存在故障时，判断风机变桨系统是存在极限故障或者非极限故障；最后，在风机变桨控制系统存在极限故障时，判断出现极限故障的具体传感器。也即，通过对风机变桨控制系统的多级判断，解决了风机变桨控制系统出现故障时不能正常运行的问题，提升了风机变桨控制系统的运行可靠性。

在一实施例中，参照如图2所示，基于多容错模式的风机变桨控制系统还包括伺服机构70，所述伺服机构70的输入端与所述变桨控制器60的输出端连接，用于接收所述变桨控制器60输出的变桨驱动信号，以控制所述伺服机构70驱动所述风机中风轮的运行。伺服机构70的设置，实现了变桨控制器60输出变桨驱动信号控制伺服机构70驱动风机中风轮的运行，以保证了风机变桨浆距角的输出。

需要说明的是，上述实施例的风机变桨控制系统中极限故障是指当传感器完全失去检测功能的极端情形。风机变桨控制系统中非极限故障，指当传感器部分失去功效、偶尔失灵，因其不确定性和不可测性，不能对风机变桨控制系统的各项数据进行及时、准确、全面的检测和诊断。

也即是通过具有多种容错模式的风机变桨控制系统，保证了风力发电系统正常、安全、高效的运行。解决了相关技术中风机变桨控制系统中存在的实时性差、运算量大、容易出现误报、漏报、错判及延误等可靠性和适用性问题。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知系统不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。