专利名称：风力涡轮的控制方法、中央控制器及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮的控制方法、中央控制器及采用该中央控制器的风力涡轮系统，尤其是可以在可变速的恒频风力涡轮中防止风力涡轮桨叶不对称故障的控制方法、中 央控制器及其系统。
背景技术：
可变速的恒频风力涡轮可用于风力发电机，在风速变化时，风力涡轮可以适应性 地转动，以捕获到风能，带动发电机生产电力。风力涡轮至少有一个桨叶，多数情况是三个 桨叶。每片桨叶由电动变桨系统控制。
图1所示为具有三片桨叶1、2和3的变速风力涡轮， 风力涡轮工作时以角速度I转动。电动变桨系统是这种风力涡轮中最重要的一个子系统， 它控制转子桨叶的角度，限定风力涡轮捕获的风能。每个桨叶都具有一个独立的变桨系统 以转动桨叶并且控制桨叶的角坐标。图2所示为现有的一种设置在每个桨叶上的电动变桨系统。电动变桨系统包含四 个主要部分一个电动机92、一个机械传动部分94、一个位置测量装置96和一个运动控制 器98。其中的电动机92可以是直流电动机、异步交流电动机、异步伺服电动机等各种类型 的电动机。风速改变时，电动机产生足够的扭矩转动其驱动的桨叶。机械传动部分94传递 并放大扭矩。此机械传动件可以是能传递扭转并转动桨叶的形式，多数情况下，机械传动件 是一个多级行星减速机连接着主动齿轮，主动齿轮与一个具有内齿的支撑轴承95啮合。位 置测量装置96可以是旋转编码器和接近传感器，它不断测量桨叶的位置和速度以及电机 的转速。运动控制器98是一个变桨距控制器，它可以控制桨叶的转动，使桨叶按风轮机中 央控制器99指定的速度和位置转动。一般来说，在具有多个桨叶的风力涡轮中，所有的桨叶必须同步转动。也就是说每 两个桨叶之间的位置差异必须一直保持在一个限定值内。每个桨叶都由其自身的运动控制 器和电动机控制和驱动。为了保证所有桨叶同步，风力涡轮和中央控制器99持续监测每两 个桨叶的位置差异。为了确保安全，一旦位置差异超过预先确定的限定值范围，风力涡轮必 须马上刹车。这种故障称为转子桨叶不对称(以下称作不对称故障)。只有在预定的启动 条件得以满足后，风力涡轮才可以再行启动。在风力涡轮接近其额定工作点运转时，转子不对称故障会频繁发生，而且没有办 法预警或防止其发生。这种频繁发生的不对称故障造成本应连续生产的电力不时停歇，造 成损失。由于风力涡轮的频繁刹车又是在其额定工作条件下发生、此时本应该是它全功率 发电的时候。一般来说，一年中能满足风力发电的条件只有很短的时间，如果在这段宝贵的 时间内，风力涡轮却事故频发，实在是尤为可惜。另一方面，风力涡轮机的不对称故障会造成其主要部件的使用寿命缩短，引起维 护成本的增加。这是因为风力涡轮在强风下关闭，对结构和主要部件(比如主齿轮箱等) 会形成很大的振荡应力。当下，还没有直接有效方法预报不对称故障的发生，人们不得不用在某些风力涡轮不对称故障频发时，用一些间接的方法来避免不对称故障的发生，如增大变桨距系统的 减速机的传动比，以使桨叶的驱动扭矩变大；或是增大电动机的扭矩输出范围。但这些方法 只能在一段时间内防止发生不对称故障，而且更换和安装零部件的成本很是昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供了一种风力涡轮的控制方法，它能够防止风力涡轮的桨叶发 生不对称故障，以提前预测不对称情况的发生，从而防止不对称故障的发生，它成本低但效 果明显。本发明的再一个目的是提供了一种风力涡轮的中央控制器，该控制器能够防止风 力涡轮桨叶不对称故障的系统，它能提前预测不对称情况发生的时间，从而防止不对称故 障的发生。本发明的目的是提供了一种风力涡轮的系统、它采用了防止风力涡轮桨叶不对称 故障的中央控制器，以便使用者有足够长的时间安排对变桨系统构件作对应的维护，从而 防止不对称故障的发生，它成本低但效果明显。为此，本发明提供了一种风力涡轮的控制方法，它包括测量风力涡轮各桨叶包括位置信号Part的实测值；根据桨叶位置实测值输出用于控制桨叶的包括位置预定信号Psrt的预定值；根据各桨叶的实测值输出两个相邻桨叶之间的滞后速度；根据桨叶的实测值和滞后速度，修正预定值，输出可控制风力涡轮的桨叶的包括 位置修正值P' srt的修正值。根据本发明控制方法的再一种具体实施方式
，其中实测值还包括桨叶的速度实测值Vart ；预定值还包括桨叶的速度预定值Vsrt ；修正值还包括桨叶的速度修正值V' seto根据本发明控制方法的另一种具体实施方式
，其中滞后速度由以下公式计算
权利要求
1. 一种风力涡轮的控制方法，它包括测量所述风力涡轮各桨叶包括位置信号Part的实测值；根据所述的桨叶位置实测值输出用于控制所述桨叶的包括位置预定信号Psrt的预定其特征在于该方法还包括根据所述各桨叶的实测值输出两个相邻所述桨叶之间的滞后速度； 根据所述桨叶的实测值和所述的滞后速度，修正所述的预定值，输出可控制所述风力 涡轮的桨叶的包括位置修正值P' set的修正值。
2.如权利要求1所述的控制方法，其中所述的实测值还包括所述桨叶的速度实测值Vart ； 所述的预定值还包括所述桨叶的速度预定值Vsrt ； 所述的修正值还包括所述桨叶的速度修正值V' seto
3.如权利要求1或2所述的控制方法，其中所述的滞后速度由下式计算，KMi^M t 一 t其中ΔΡ^.ω = Pi (t)-Pj(t)其中: 和j表示不同的桨叶，i = 1、2、3· · · · B，j = 1、2、3· . . . B，i乒j， B为桨叶数，Pi (t)来表示桨叶i在时刻t的位置， Pj (t)来表示桨叶j在时刻t的位置， Δξ( ,)是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度， N是桨叶片转动过程中记录的数据点， 、是变桨运动的启动时间， tN是其中一片桨叶停止转动的时间。
4.如权利要求3所述的控制方法，其中所述桨叶的位置修正值P'㈣可分为若干个部 分按如下方法计算Pset( ) = Pc + [S-Dl/MaxiAVlj)]-V*-m其中m为桨叶当前部分的序号， Pc是桨叶的当前位置， δ为安全因子， Dl是桨叶位置差的预定值， 广是所有桨叶的最低平均速度。
5.一种利用权利要求1所述方法的中央控制器，它包括一个控制单元，该控制单元可以根据所述风力涡轮各桨叶包括位置信号Part的实测值， 输出用于控制所述桨叶的包括位置预定信号Psrt的预定值； 其特征在于所述的中央控制器还包括一个不对称预测单元，它根据所述桨叶的实测值输出两个相邻所述桨叶之间的滞后速度；一个不对称调整单元，它根据所述桨叶的实测值和所述的滞后速度，修正来自于所述 控制单元的所述预定值，并输出可控制所述风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P' set的修 正值。
6.如权利要求5所述的风力涡轮的中央控制器，其中 所述的实测值还包括所述桨叶的速度实测值Vart ；所述的预定值还包括所述桨叶的速度预定值Vsrt ；所述的不对称调整单元输出的修正值还包括所述桨叶的速度修正值V' set。
7.如权利要求5或6所述的风力涡轮的中央控制器，其中所述的控制器还包括一个显 示单元，该显示单元接收来自所述不对称预测单元的所述的滞后速度信号。
8.如权利要求7所述的风力涡轮的中央控制器，其中所述的不对称预测单元设置在所 述的显示单元中。
9.如权利要求5或6所述的风力涡轮的中央控制器，其中所述的滞后速度为，丨^N 一矿1其中ΔΡ^.ω = Pi (t)-Pj(t)其中: 和j表示不同的桨叶，i = 1、2、3· · · · B，j = 1、2、3· . . . B，i乒j， B为桨叶数，Pi (t)来表示桨叶i在时刻t的位置， Pj (t)来表示桨叶j在时刻t的位置， AG(A)是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度， N是桨叶片转动过程中记录的数据点， 、是变桨运动的启动时间， tN是其中一片桨叶停止转动的时间。
10.如权利要求9所述的风力涡轮的中央控制器，其中所述不对称调整单元分若干个 部分输出的所述桨叶的位置修正值P' set为p:el(m) = Pc+[5-Dl!Max(AVlj)]-V*-m其中m为桨叶当前部分的序号， Pc是桨叶的当前位置， δ为安全因子， Dl是桨叶位置差的预定值， Ft是所有桨叶的最低平均速度。
11.一种采用权利要求5所述中央控制器的系统，它包括分别与每个桨叶相连接的变桨控制器，该变桨控制器可以控制一个桨叶与其他桨叶的位置差异；一个中央控制器，它包括一个控制单元，该控制单元可以根据所述各桨叶包括位置信 号Part的实测值，输出用于控制所述桨叶的包括位置预定信号Psrt的预定值； 3其特征在于所述的中央控制器还包括一个不对称预测单元，它根据所述桨叶的实测值输出两个相邻所述桨叶之间的滞后速度；一个不对称调整单元，它根据所述桨叶的实测值和所述不对称预测单元输出的滞后速 度，修正来自于所述控制单元的所述预定值，并向所述的变桨控制器输出可控制所述桨叶 的包括位置修正值P' srt的修正值。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述的实测值还包括所述桨叶的速度实测值Vart ； 所述的预定值还包括所述桨叶的速度预定值Vsrt ；所述的不对称调整单元输出的修正值还包括所述桨叶的速度修正值V' set。
13.如权利要求11或12所述的系统，其中所述的中央控制器还包括一个显示单元，该 显示单元接收所述不对称预测单元输出的所述的滞后速度。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述的不对称预测单元设置在所述的显示单元中。
15.如权利要求11或12所述的系统，其中所述的滞后速度为，
16.如权利要求15所述的防止风力涡轮桨叶不对称故障的系统，其中所述不对称调整 单元分若干个部分调整的所述的位置修正值P' set为 Pset{m) = Pc+[S-Dl IMax^Vlj)]- V* · m其中m为桨叶当前部分的序号， Pc是桨叶的当前位置， δ为安全因子， Dl是桨叶位置差的预定值， 厂'是所有桨叶的最低平均速度。
全文摘要
本发明提供了一种风力涡轮的控制方法、中央控制器和系统。该风力涡轮控制方法包括测量风力涡轮各桨叶包括位置信号Pact的实测值；根据桨叶位置实测值输出用于控制桨叶的包括位置预定信号Pset的预定值；根据各桨叶的实测值输出两个相邻桨叶之间的滞后速度；根据桨叶的实测值和滞后速度，修正预定值，输出可控制风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P′set的修正值。本发明的控制器中包括一个根据桨叶的实测值输出预定值的控制单元；一个根据实测值输出两邻桨叶间滞后速度的不对称预测单元；和一个可修正预定值的不对称调整单元。将本发明的中央控制器与风力涡轮的变桨控制器相连接，能有效防止风力涡轮不对称故障的发生，成本低，效果好。
文档编号F03D7/04GK101994647SQ20091016759
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者时文刚, 胡喜, 邢建辉 申请人:西门子公司