一种风电机组的载荷降低系统及其工作方法与流程

本发明属于风机控制领域，尤其涉及一种风电机组的载荷降低系统及其工作方法。

背景技术：

现有风电机组使用许多控制系统，用于降低风机载荷的控制系统有变桨控制系统、功率变流器控制系统、刹车控制系统、偏航控制系统等，风机通过使用这些系统来控制风轮转速以及限制在特定环境和操作条件下增大的结构载荷。这些控制系统虽然都用来控制风机的载荷，但它们的控制方式是独立的，相互之间没有协调，比如单独运用变桨控制系统或偏航控制系统，这样就导致不能达到最佳的降载效果。如：偏航控制系统是这些控制系统中降载效果最明显的一个控制系统，在某种程度上来说可以减轻如叶片、驱动链、塔筒地基上的结构载荷，但它并不能快速对风来避免那些对风电机组造成破坏的结构载荷；如要达到最大限度降载效果，则需要使用其它的控制系统，但偏航控制系统却无法控制其它控制系统。因此，现有风机迫切需要一个综合的降载控制系统。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能综合利用各控制系统的资源来达到最大限度降载效果的风电机组的载荷降低系统及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种风电机组的载荷降低系统，包括机器可读存储装置、显示设备、显示适配器、输入设备、传感器、处理器、外围接口、存储器和网络接口设备，所述的机器可读存储装置、显示适配器、输入设备、传感器、处理器、外围接口、存储器和网络接口设备均通过总线进行通讯，所述的显示设备经显示适配器与总线进行通讯，所述的网络接口设备通过网络与远程设备通讯；

所述的总线包括存储器总线、存储控制器、外围总线和局部总线；

所述的存储器包括随机存取记忆组件和只读组件，安装有BIOS和指令，所述的BIOS包括基本的程序、用于载荷降低系统各元件之间传递信息，所述的指令包含所有的控制方法；所述的存储器还包含操作系统、程序模块和程序数据。

所述的机器可读存贮存储装置通过接口与总线相连，所述的接口包括SCSI、高级技术附件规格接口ATA、串行ATA、USB和/或IEEE1294；机器可读存储装置通过外部端口连接器与载荷降低系统进行可移动通讯；机器可读存储装置与相关的机器可读媒介应对载荷降低系统的机器可读指令、数据结构和程序模块提供非易失性或易失性存储。

所述的输入设备向载荷降低系统中输入命令；输入设备包括：阿尔法数字输入设备、定点设备、音频输入设备、光标控制装置、触控板、光学扫描仪和/或触摸屏。输入设备通过如下接口与总线通讯：串行接口、并行接口、USB接口、FIREWIRE接口、与总线相连的直接接口；输入设备包含一个触屏界面，这个触屏界面是显示设备的一部分或与显示设备相独立。当在图形界面中选择一个或多个图示时，输入设备作为一个选择设备来使用；

所述的传感器包括塔筒运动传感器、风向传感器、风速传感器、风轮转速传感器和叶片应变仪。

所述的网络接口设备使载荷降低系统和一个或多个网络、一个或多个远程设备相连接。网络接口设备包括：网络接口卡或调制解调器。所述的网络包括：广域网、局域网、电话网络、与电话或语音供应商相关联的数据网络、两个计算设备之间的直接连接。

所述的显示适配器用来向显示装置传递图像信息，显示装置包括液晶显示器或LED显示器，显示适配器和显示装置与处理器相结合给用户提供实用资源、地块位置、附属建筑物的图像信息。

所述的外围接口连接一个或多个外围输出设备。

一种风电机组的载荷降低系统的工作方法，包括以下步骤：

A、输入初始数据：

通过输入设备或远程设备或存储设备输入指令和参数，所述的参数包括：风速降载限值、偏航误差降载限值、风轮转速降载限值、叶片应变降载限值和塔筒运动综合降载限值以及风速关机限值、偏航误差关机限值、风轮转速关机限值、叶片应变关机限值和塔筒运动综合关机限值；

B、收集各个传感器参数，了解风机运行状态：

处理器在运行过程中实时收集各个传感器的信息并进行处理，所述的传感器包括塔筒运动传感器、风向传感器、风速传感器、风轮转速传感器和叶片应变仪；所述的传感器的信息包括：风速、风向、风轮转速、叶片应变、塔筒各个方向的加速度和位移；处理器将传感器实测的信息处理成的实时参数：风速实时值、偏航误差实时值、风轮转速实时值、叶片应变实时值和塔筒运动综合实时值；

C、运行模式选择：

C1、如果风速实时值低于风速降载限值，则转步骤C2，如果风速实时值低于风速关机限值，则转步骤D，如果风速实时值高于风速关机限值，则转步骤E；

C2、如果偏航误差实时值低于偏航误差降载限值，则转步骤C3，如果偏航误差实时值低于偏航误差关机限值，则转步骤D，如果偏航误差实时值高于偏航误差关机限值，则转步骤E；

C3、如果风轮转速实时值低于风轮转速降载限值，则转步骤C4，如果风轮转速实时值低于风轮转速关机限值，则转步骤D，如果风轮转速实时值高于风轮转速关机限值，则转步骤E；

C4、如果叶片应变实时值低于叶片应变降载限值，则转步骤C5，如果叶片应变实时值低于叶片应变关机限值，则转步骤D，如果叶片应变实时值高于叶片应变关机限值，则转步骤E；

C5、如果塔筒运动综合实时值低于塔筒运动综合降载限值，则转步骤C6，如果塔筒运动综合实时值低于塔筒运动综合关机限值，则转步骤D，如果塔筒运动综合实时值高于塔筒运动综合关机限值，则转步骤E；

C6、维持正常运转模式，并转步骤B；

D、进入降载模式：

载荷降低系统命令风机降功率运行，同时使风机对风，然后再恢复全功率运行状态；返回步骤B；

E、进入关机模式：

载荷降低系统命令叶片顺桨，并增加制动扭矩，然后，风机对风，重新恢复运行；返回步骤B。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将风机运行过程中各种参数进行收集，将变桨、偏航、刹车系统进行集成，有效降低风机的结构载荷，避免了各系统独立运行对结构载荷降低的局限性。

2、本发明开发了一套可以监测多种环境和运行条件的控制系统，多种输入手段、多种网络接口使得本发明具有非常好的开放特性。本发明可以根据需要增加新的测试参数，也可以减少测试参数，能够非常灵活地处理各种组合条件，而不需要另外增加新的控制子系统。

附图说明

本发明共有附图5幅，其中：

图1是控制系统原理图。

图2是本发明实施例一的流程示意图。

图3是本发明实施例二的流程示意图。

图4是本发明实施例三的流程示意图。

图5是本发明的结构示意图。

图中：1、机器可读存储装置，2、机器可读介质，3、指令，4、处理器，5、总线，6、外围接口，7、BIOS，8、存储器，9、网络接口设备，10、传感器，11、输入设备，12、显示适配器，13、显示设备，14、远程设备，15、网络。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，本发明的载荷降低系统已经代替了变桨控制系统、刹车控制系统、偏航控制系统、功率变流器控制系统，并有能力综合更多的独立控制系统。

如图5所示，本发明的载荷降低系统包括处理器4和存储器8，它们之间及与其它元件之间通过总线5进行通讯。总线5包括存储器8总线5、存储控制器、外围总线5、局部总线5等。存储器8包括随机存取记忆组件(如静态RAM“SRAM”等)、只读组件等，如BIOS7，包括一些基本的程序来帮助载荷降低系统的元件之间传递信息，如在启动过程中，将信息存储在存储器8中。存储器8还包括指令3，其包含所有本发明公开的各种方法。另外，存储器8还可以包含如下一些程序模块：操作系统、其它程序模块、程序数据等。

载荷降低系统包含一个机器可读存贮介质，通过适当的接口与总线5相连，如SCSI、高级技术附件规格接口(ATA)、串行ATA、USB、IEEE1294(FIREWIRE)等。机器可读存储装置1通过外部端口连接器与载荷降低系统进行可移动通讯。特别地，机器可读存储装置1与相关的机器可读媒介应对载荷降低系统的机器可读指令3、数据结构、程序模块及其他数据提供非易失性或易失性存储。例如，指令3可以全部或部分驻留在机器可读介质2和处理器4中。

载荷降低系统包含一个输入设备11。用户可以通过输入设备11向载荷降低系统中输入命令或其它信息。输入设备11包括：阿尔法数字输入设备11(如键盘)，定点设备，音频输入设备11(如麦克风、语音应答系统)，光标控制装置(如鼠标)，触控板，光学扫描仪，触摸屏等。输入设备11通过如下接口与总线5通讯，如串行接口，并行接口，USB接口，FIREWIRE接口，与总线5相连的直接接口等。输入设备11包含一个触屏界面，这个触屏界面是显示设备13的一部分或与显示设备13相独立。当在图形界面中选择一个或多个图示时，输入设备11应该作为一个选择设备来使用。

载荷降低系统从一个或多个风电机组传感器10中接受输入，例如上述所描述的风向传感器10、风速传感器10、风轮转速传感器10、应变仪等。

用户可以通过存储设备(如移动硬盘等)或网络接口设备9向载荷降低系统输入命令或其它信息。网络接口设备9可以使载荷降低系统和一个或多个网络15、一个或多个远程设备14相连接。网络接口设备9包括：网络接口卡(如移动网络接口卡、局域网卡)，调制解调器等。网络15包括：广域网(如企业网络等)、局域网、电话网络、与电话、语音供应商相关联的数据网络(如移动通信供应商数据、语音网络等)、两个计算设备之间的直接连接等并可以使用有线或无线的通讯方式。任何信息(如数据、指令3等)可以通过网络接口设备9传递给载荷降低系统或从载荷降低系统传出。

载荷降低系统还包含视频显示适配器12，用来向显示装置传递图像信息，如显示装置，显示装置包含液晶显示器(LCD)，LED显示器等。显示适配器12和显示装置与处理器4相结合给用户提供实用资源、地块位置、附属建筑物的图像信息。

除此之外，显示装置还包含一个或多个其它外围输出设备，如扬声器、打印机等。这些外围输出设备通过外围接口6与总线5连接，外围接口6包括：串行端口、USB接口、FIREWIRE连接、并行端口等。

本实施例可以很方便的通过对一个或多个设备编程来实现，并使用合适的硬件来辅助执行软件和软件模块发出的命令。

下面通过实施例来本发明的控制方法作进一步地说明。

本发明使用许多系统，如变桨控制系统、刹车控制系统、偏航控制系统等来控制风轮转速及限制在特定环境和操作条件下增大的结构载荷。虽然偏航控制系统在某种程度上来说可以减轻如叶片、驱动链、塔筒地基上的结构载荷，但它并不能快速对风来避免那些对风电机组造成破坏的结构载荷，这时便需要一个综合方法。

首先，本发明的载荷降低系统在运行过程，它会收集一个或多个方向传感器10的信息，如风向袋、风向标、三维声波风速计、声波探测系统或者激光探测系统，来控制风电机组的方位。不管是上风向还是下风向风机，各种类型的偏航传感器10可能会装在机舱盖上，或者风轮的前锥端，或者装在独立塔筒的轮毂侧的上风向处。通常来说这些传感器10会固定在与风机结构成一条直线的位置，并且随着风机偏航运动绕着偏航轴线转动，同时会测量风轮方位与风向的角度误差。另外，风向传感器10也可以安装在相对于地面固定的位置，其输出的信号与测量的相对于地面的风机偏航角度做比较。此时载荷降低系统还需额外使用数字偏航误差指示装置并结合使用风向传感器10来确定偏航误差或风向与风机机舱方位角的相对误差。

一旦偏航误差确定，载荷降低系统则使用这个变量作为输入来运行电机或液压马达进行偏航，偏航运动一般都是由小齿轮驱动大齿轮来实现。为了减小由于控制风机偏航旋转产生的载荷，特别是对于大型风机，偏航运动相对较慢，一般偏航角速度在1°/s以下，由于偏航角速率较小，动态变化的风况会导致风机遭遇相对较大的风速变化同时伴随较大的偏航误差的状况。当偏航方向误差增大到比如25°时，叶片和塔筒将会产生超过正常运行时的载荷。对于不同的风机结构设计，由于大偏航误差产生的运行载荷将成为风机结构设计的决定性因素。

进一步来说，为了避免风机遭受破坏性的载荷，本发明的载荷降低系统将根据传感器10参数来决定是否采取措施来保护风电机组。如图2所示，在实施例一中，载荷降低系统可以利用风向和风速来推断作用于风机上的载荷以及采取一连串必要的动作来保护风机。为了确定偏航误差，一种实施例是使用一个低通滤波函数来计算滤波后的偏航误差，比如风向测量和机舱方位的指数加权移动平均。风速的测定可以通过很多已知的方法得到，比如激光风速仪、声波风速仪等等，这些风速仪可以给出瞬时风速或是滤波后的一定时间的平均风速。

在运行过程中，如果风机在特定的风速下同时伴有超过预定值的偏航误差，这就相当于风机上存在可以预知的特定载荷，此时，载荷降低系统将从正常运行模式切换到其它运行模式，如关机模式或降载模式等。如图2所示，假如在高风速条件下伴随着大的偏航误差，载荷降低系统将根据传感器10测量的结果进入关机模式。进入关机模式后，载荷降低系统会命令变桨控制系统将叶片顺桨，并使功率变流器控制系统根据风轮转速增加制动扭矩。在一些实施例中，风轮扭矩施加值为额定输出扭矩的50％～110％。这种方式将会使风机运行停止，此时，载荷降低系统驱动风机对风，风机重新恢复运行。

或者在特定的环境和运行载荷条件下，载荷降低系统直接切换到减速运行或降功率运行模式，为简便期间，这里称为降载模式。当作用在风机塔筒和基础的载荷不会立马造成损伤，但是为了避免长期累积损伤，需将载荷降低到安全的水平，此时降载模式便会启用。例如，降载模式可以根据需要改变风机控制器、功率变流器、变桨系统的参数设置来降低额定输出功率及风轮额定转速，参数设置改变以后，风轮便会减速运行，如可以通过给风轮施加扭矩来实现。这种运行方式可以保证风机在偏航误差出现的条件下通过降低风轮速度来保持风机发电并联网。风机降功率运行后，载荷降低系统可以使风机对风，对风完成后，风机又可以恢复全功率运行状态。风轮转速的降低减小了在偏航误差下风机运行产生的载荷，而不必使风机为了减小载荷而停机。同样有其它方式来实现降载，并不仅仅局限于使用刹车或顺桨。

根据当前环境和运行条件，载荷降低系统也可以使用其它参数输入来决定何时进入合适的运行模式。比如，载荷降低系统可以使用传感器10来测量叶片或塔顶的载荷。如图3所示，在实施例二中，载荷降低系统除了风速、风向传感器10之外还在叶片的根部使用了应变仪。应变仪可以测量叶片的应力，该应力与风机的整体载荷有一定的关系，载荷降低系统利用风速、风向、应变传感器10提供的信息决定是否进入上述的某一种控制模式。例如，当一个或三个传感器10中某几个传感器10测量值超过预定值时，风机进入关机模式。比如说风机偏航误差超过预定值45°，风速超过23m/h，应力超过正常运行条件下平均应力的20％等等。

除了上述因素以外，在决定是否在当前运行模式和其它运行模式之间转换时，载荷降低系统还需要考虑偏航误差变化率，或者将偏航误差变化率用之前提到的因素来代替。例如，偏航误差变化率可以降低滤波后偏航误差阈值，这将促使风机进入某一种模式。

图4所示，在实施例三中，载荷降低系统利用风轮转速来决定是否及何时考虑一个或多个其它传感器10所测得风机运行状态或外界环境条件，如风速、风向、叶片载荷、塔筒载荷等等，以此来决定是否要切换到其它模式。例如，如果风机在比较高的风轮转速下运行，切换运行模式的偏航误差阈值会低于在较低风轮转速下运行的偏航误差阈值。高风轮转速的界定可以作为额定风轮转速的函数，或者在综合考虑其它因素如最大偏航误差预定值和最大风速值后，将高风轮转速设定为一个预定值，以此来完成控制模式的切换。

载荷降低系统使用预定的偏航误差、风速及其它因素的最大值或通过查表或对应于偏航误差、风速及其它因素不同组合的不同控制策略来决定何时进入上述模式中的某一个模式。例如，在相对较低的偏航误差条件下，塔筒的应力和风速过大也会使风机进入降载模式。又比如，相对较低的偏航误差和相对较小的应力则不会使风机进行模式切换，即使此时风速很大。对风速、偏航误差、叶片应力及风轮转速进行不同组合，可以在必要的条件下，使风机进行不同的模式切换。