本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种防飞车控制方法和装置、风力发电机组。
背景技术：
为保护风力发电机组的安全运行，风力发电机组故障时需要利用刹车系统对风力发电机组进行紧急停机处理(即紧急刹车)。目前，刹车系统的刹车方案主要包括：气动刹车、机械刹车或者两者结合的刹车方案。其中，气动刹车方案应用于具有叶片变桨系统的机组，用于独立驱动每支叶片达到顺桨位置，使叶片捕获的风功率达到最小；机械刹车方案作用于叶轮传动机构，用于利用机械制动设备(比如，刹车盘)的高机械摩擦阻尼作用，强制叶轮完全制动。
但是，考虑到设备可靠性和环境适应性等不确定因素，刹车系统依然存在整体失效的可能性。而刹车系统整体失效后，风力发电机组的转速就无法得到控制，最终发生飞车事故。风力发电机组的飞车事故容易造成刹车盘摩擦起火等事故，给风力发电机组带来严重破坏。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种防飞车控制方法和装置、风力发电机组，能够在风力发电机组的刹车系统整体失效后实现对风力发电机组的停机操作，避免飞车事故的发生。
第一方面，本发明实施例提供一种风力发电机组防飞车控制方法，该方法包括：
确认风力发电机组的刹车系统是否已失效；
若刹车系统已失效，则根据当前风向角计算初始侧风位置，使风力发电机组的偏航系统根据初始侧风位置执行侧风操作；
对侧风过程中采集的风向数据进行长周期滤波处理，得到平均风向角，及对风向数据进行短周期滤波处理，得到瞬时风向角；
根据平均风向角和瞬时风向角，判断风向是否发生突变；
若风向发生突变，则根据平均风向角计算更新的侧风位置，并使偏航系统根据更新的侧风位置执行侧风操作。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据平均风向角和瞬时风向角，判断风向是否发生突变，包括：计算平均风向角和瞬时风向角之间的差值；若差值大于预设阈值，则判断风向发生突变。
在第一方面的一种可能的实施方式中，风力发电机组的机舱柜中设置有电缆，使风力发电机组的偏航系统根据初始侧风位置执行侧风操作，包括：获取电缆的解缆方向；使偏航系统沿解缆方向将机舱方向侧风至初始侧风位置。
在第一方面的一种可能的实施方式中，该方法还包括：获取当前侧风过程中电缆的扭缆角度；判断扭缆角度是否大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度；若扭缆角度大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度，则在当前侧风过程结束后，暂停执行下一次侧风操作，直到当前风向与机舱方向之间的夹角小于预定临界角度，使偏航系统沿电缆的解缆方向恢复执行下一次侧风操作。
在第一方面的一种可能的实施方式中，确认风力发电机组的刹车系统是否已失效，包括：判断刹车系统接收到停机指令后，是否在第一预定时长内将至少两支叶片刹车到对应的预定位置；若刹车系统接收到停机指令后，未在第一预定时长内将至少两支叶片刹车到对应的预定位置，则确定刹车系统已失效；或者，判断刹车系统接收到停机指令后，是否在第二预定时长内使叶轮的转速下降至预定转速；若刹车系统接收到停机指令后，未在第二预定时长内使风力发电机组的转速下降至预定转速，则确定刹车系统已失效。
在第一方面的一种可能的实施方式中，该方法还包括：若偏航系统在当前侧风过程中接收到与侧风操作无关的其它自动偏航指令，则使与侧风操作无关的其它偏航指令不使能，并控制偏航系统继续执行当前侧风操作；若偏航系统在当前侧风过程中接收到手动偏航指令，则结束当前侧风操作，并控制偏航系统根据手动偏航指令执行下一次侧风操作。
第二方面，本发明实施例提供一种风力发电机组防飞车控制装置，该装置包括：确认模块，用于确认风力发电机组的刹车系统是否已失效；第一执行模块，用于若刹车系统已失效，则根据当前风向角计算初始侧风位置，使风力发电机组的偏航系统根据初始侧风位置执行侧风操作；计算模块，用于对侧风过程中的采集风向数据进行长周期滤波处理，得到平均风向角，及对风向数据进行短周期滤波处理，得到瞬时风向角；第一判断模块，用于根据平均风向角和瞬时风向角，判断风向是否发生突变；第二执行模块，用于根据平均风向角计算更新的侧风位置，并使偏航系统根据更新的侧风位置执行侧风操作。
在第二方面的一些实施例中，判断模块包括：计算单元，用于计算平均风向角和瞬时风向角之间的差值；判断单元，用于若差值大于预设阈值，则判断风向发生突变。
在第二方面的一种可能的实施方式中，风力发电机组的机舱柜中设置有电缆，第一执行模块包括：获取单元，用于获取电缆的解缆方向；执行单元，用于使偏航系统沿解缆方向将机舱方向侧风至初始侧风位置。
在第二方面的一种可能的实施方式中，该装置还包括：获取模块，用于获取当前侧风过程中电缆的扭缆角度；第二判断模块，用于判断扭缆角度是否大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度；第三执行模块，用于若扭缆角度大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度，则在当前侧风过程结束后，暂停执行下一次侧风操作，直到当前风向与机舱方向之间的夹角小于预定临界角度，使偏航系统沿电缆的解缆方向恢复执行下一次侧风操作。
在第二方面的一种可能的实施方式中，装置集成设置在风力发电机组的主控制器中。
第三方面，本发明实施例提供了一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的风力发电机组防飞车控制装置。
根据本发明的实施例，为避免飞车事故的发生，可以先确认风力发电机组的刹车系统是否已失效，若刹车系统已失效，则根据当前风向角计算初始侧风位置，使风力发电机组的偏航系统根据初始侧风位置执行对叶轮的侧风操作。由于执行侧风操作后能够降低捕获到的风能，从而降低风力发电机组的转速，因此能够避免飞车事故的发生。
此外，考虑到侧风过程中，风向是不断变化的，还可以对侧风过程中的采集风向数据进行长周期滤波处理，得到平均风向角，及对风向数据进行短周期滤波处理，得到瞬时风向角，然后根据平均风向角和瞬时风向角，判断风向是否发生突变，若风向发生突变，则根据平均风向角计算更新的侧风位置，并使偏航系统根据更新的侧风位置执行侧风操作，如此设置，能够使侧风操作与风向保持一致性，比如，能够在风向变化较大时，及时调整偏航系统的侧风操作，提高偏航系统的风向响应速率和环境适应性。
另外，由于本发明实施例中的防飞车控制方法能够主动识别风力发电机组的刹车系统是否已失效，并能够根据识别结果自动切入侧风流程。因此，与人工触发偏航系统的侧风操作相比，一方面，具有时效性高和准确度高的优点，另一方面，能够避免对维护人员造成职业健康风险，尤其是能够替代人工进行夜间自动维护，保证长期侧风功能完备，从而防止因扭缆、风向缓慢变化和风向突变等因素造成的侧风失败。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明一实施例提供的风力发电机组防飞车控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的以机舱方向为参考0°的直角坐标系示意图；
图3为本发明另一实施例提供的风力发电机组防飞车控制方法的流程示意图；
图4为本发明又一实施例提供的风力发电机组防飞车控制方法的流程示意图
图5为本发明实施例提供的风力发电机组防飞车控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
本发明实施例提供一种防飞车控制方法和装置、风力发电机组。采用本发明实施例中的技术方案，能够在风力发电机组的刹车系统整体失效后，实现对风力发电机组的停机操作。即能够作为刹车系统失效后的进一步防御手段，从而避免飞车事故的发生。
风力发电机组中设置有偏航系统。按实施目的来划分，偏航系统可以执行对风操作和侧风操作。
偏航系统在执行对风操作时，用于将叶轮的旋转平面调整至与风向相垂直，以使叶轮能够捕获到最大风能。
偏航系统在执行侧风操作时，用于将叶轮的旋转平面调整至与风向相平行，即将机舱方向与风向之间的夹角调整至接近90°，以降低叶轮能够捕获到的风能，使得风力发电机组的转速降低。当叶轮的旋转平面与风向完全平行时，风力发电机组的转速可降低至0，从而能够达到风力发电机组停机的目的。
利用这一原理，可以在风力发电机组的刹车系统整体失效后，通过触发偏航系统的侧风功能，将叶轮的旋转平面调整至与风向完全平行，达到降低风力发电机组的转速，避免飞车事故的目的。
图1为本发明一实施例提供的风力发电机组防飞车控制方法的流程示意图。如图1所示，该防飞车控制方法包括步骤101至步骤105。
在步骤101中，确认风力发电机组的刹车系统是否已失效。
在一个可选实施例中，可以通过判断刹车系统接收到停机指令后，是否在第一预定时长t1内将至少两支叶片全部刹车到对应的预定位置；若刹车系统接收到停机指令后，未在第一预定时长t1内将至少两支叶片全部刹车到对应的预定位置，则确定刹车系统已失效。
其中，预定位置指的是变桨刹车位置，变桨刹车指的是沿与风轮平面的平面内，将叶片从迎风面顺桨至与风向成90°夹角，以降低捕获风能的能力。
在一个可选实施例中，也可以判断刹车系统接收到停机指令后，是否在第二预定时长t2内使叶轮的转速下降至预定转速；若刹车系统接收到停机指令后，未在第二预定时长t2内使风力发电机组的转速下降至预定转速，则确定刹车系统已失效。
需要说明的是，由于刹车后位置和刹车后转速为两个独立指标，上述通过预定位置和预定转速来刹车系统是否已失效的方法是分别执行的。只要任意一个条件得到满足，就可以确定刹车系统已失效。
在步骤102中，若刹车系统已失效，则根据当前风向角计算初始侧风位置，使风力发电机组的偏航系统根据初始侧风位置执行侧风操作。
其中，侧风位置是一个相对概念，侧风位置需要根据风向进行确定。
图2为本发明实施例提供的以机舱方向为参考0°的直角坐标系示意图。其中，机舱方向由a表示，风向由b表示。
如图2所示，风向b可以处于直角坐标系的任意一个象限区域内。
在一个可选实施例中，可以将风向b相对于机舱方向a的角度区间[80°,100°]和[260°,280°]作为当前风向b限定的侧风位置。
在一个可选实施例中，也可以根据叶轮运行载荷仿真方法，得到侧风位置。
在步骤103中，对侧风过程中采集的风向数据进行长周期滤波处理，得到平均风向角，及对风向数据进行短周期滤波处理，得到瞬时风向角。
其中，长周期滤波的方式适用于在较为稳定的风向情况下偏航使用。示例性地，可以基于30s的权重策略对采集的风向角数据进行长周期滤波处理。短周期滤波的方式用于风向突变检测。示例性地，可以基于5s的权重策略对采集的风向角数据进行短周期滤波处理。基于权重策略的滤波处理方式可以参考现有技术，此处不进行赘述。
在步骤104中，根据平均风向角和瞬时风向角，判断风向是否发生突变。
在一个可选实施例中，可以计算平均风向角和瞬时风向角之间的差值，若差值大于预设阈值，则判断风向发生突变；若差值未大于预设阈值，则说明风向比较稳定。
在一个可选实施例中，也可以根据实际情况对平均风向角或瞬时风向进行优化，比如乘以一些常数或做一些常见的数据数量，使得能够利用计算出的平均风向角和瞬时风向角准确地判断风向突变情况。
在步骤105中，若风向发生突变，则根据平均风向角计算更新的侧风位置，并使偏航系统根据更新的侧风位置执行侧风操作。
根据本发明的实施例，为避免飞车事故的发生，可以先确认风力发电机组的刹车系统是否已失效，若刹车系统已失效，则根据当前风向角计算初始侧风位置，使风力发电机组的偏航系统根据初始侧风位置执行侧风操作。由于执行侧风操作后能够降低捕获到的风能，从而降低风力发电机组的转速，因此能够避免飞车事故的发生。
此外，考虑到侧风过程中，风向是不断变化的，还可以对侧风过程中的采集风向数据进行长周期滤波处理，得到平均风向角，及对风向数据进行短周期滤波处理，得到瞬时风向角，然后根据平均风向角和瞬时风向角，判断风向是否发生突变，若风向发生突变，则根据平均风向角计算更新的侧风位置，并使偏航系统根据更新的侧风位置执行侧风操作，如此设置，能够使侧风操作与风向保持一致性，比如，能够在风向变化较大时，及时调整偏航系统的侧风操作，提高偏航系统的风向响应速率和环境适应性。
另外，由于本发明实施例中的防飞车控制方法能够主动识别风力发电机组的刹车系统是否已失效，并能够根据识别结果自动切入侧风流程。因此，与人工触发偏航系统的侧风操作相比，一方面，具有时效性高和准确度高的优点，另一方面，能够避免对维护人员造成职业健康风险，尤其是能够替代人工进行夜间自动维护，保证长期侧风功能完备，从而防止因扭缆、风向缓慢变化和风向突变等因素造成的侧风失败。
另外，由于本发明实施例中的防飞车控制方法不需要增加新的硬件设备，而是可以采样软件控制策略的实施方式，因此，成本低，具有易于推广使用的优点。
进一步地，考虑到风力发电机组的机舱柜中设置有连接机舱和塔底的电缆，电缆会随偏航系统相对于其顺直状态扭转，比如，一圈或多圈。因此，偏航系统侧风操作时还应满足扭缆风险规避要求。
在一个可选实施例中，当执行偏航系统的侧风操作时，还可以获取电缆的解缆方向，使偏航系统沿所述解缆方向将机舱方向侧风至所述初始侧风位置，以为持续侧风过程中的电缆预留更多的可扭转角度。
示例性地，若电缆的扭缆方向为顺时针，则解缆方向应为逆时针；若电缆的扭缆方向为逆时针，则解缆方向应为顺时针。
图3为本发明另一实施例提供的风力发电机组防飞车控制方法的流程示意图。如图3所示，该防飞车控制方法还包括步骤301至步骤303，用于在偏航系统持续侧风的情况下，保护电缆，避免发生因电缆的扭缆角度超限而造成的风力发电机组故障。
在步骤301中，获取当前侧风过程中电缆的扭缆角度。
在步骤302中，判断扭缆角度是否大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度。
在步骤303中，若扭缆角度大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度，则可以在当前侧风过程结束后，暂停执行下一次侧风操作，直到当前风向与机舱方向之间的夹角小于预定临界角度，使偏航系统沿电缆的解缆方向恢复执行下一次侧风操作。
其中，每个侧风位置对应一次侧风操作。若扭缆角度大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度，则表示偏航系统已侧风至电缆的允许扭缆角度，但还未侧风至超过电缆的安全扭缆角度(即风力发电机组的安全系统设置的扭缆保护值)。
此处，电缆的扭缆角度是一个绝对概念。电缆顺直状态时的位置为参考0°，参考0°的位置取决于风力发电机组的吊装过程。在一个示例中，预定允许扭缆角度可以为800°，预定安全扭缆角度可以为900°，本领域技术人员可以根据实际情况，设置合适的预定允许扭缆角度和预定安全扭缆角度。
由于当前风向与机舱方向之间的夹角小于预定临界角度时，风力发电机组的叶轮处于迎风状态，捕获风能的能量较强，容易导致风力发电机组的转速加速上升，因此，可以使偏航系统沿当前解缆方向，恢复下一次侧风操作，以防止风力发电机组因转速加速上升而造成飞车事故。
在一个示例中，可以将风力发电机组转速加速上升时对应的、风向与机舱方向之间的夹角作为预定临界角度。
接下来，考虑到偏航系统在执行侧风操作中会不断接收到其他的偏航指令，为避免指令执行冲突，以顺利达到防止飞车事故的目的，本发明实施例中的防飞车控制方法还包括以下内容：
在一个可选实施例中，若偏航系统在当前侧风过程中接收到与侧风操作无关的其它自动偏航指令，则使与侧风操作无关的其它自动偏航指令不使能，并控制偏航系统继续执行当前侧风操作。
其中，与侧风操作无关的其它偏航指令包括：对风偏航指令、解缆偏航指令和润滑偏航指令等。
在一个可选实施例中，若偏航系统在当前侧风过程中接收到手动偏航指令，则结束当前侧风操作，并控制偏航系统根据手动偏航指令执行下一次侧风操作。
其中，手动偏航指令可以是人工就地偏航指令或远程偏航指令，两者的区别在于发送方不同。
图4为本发明又一实施例提供的风力发电机组防飞车控制方法的流程示意图，用于详细举例对本发明实施例中的防飞车控制方法进行说明。如图3所示，该示例中的防飞车控制方法包括步骤301至313。
在步骤401中，确认风力发电机组的刹车系统是否已失效。若风力发电机组的刹车系统是否已失效，则执行步骤402；若风力发电机组的刹车系统未失效，则返回步骤401。
在步骤402中，对刹车系统的失效事故报警且激活偏航系统的偏航侧风标志。其中，报警信息和偏航侧风标志的激活信息可以上传至远程监控系统。
在步骤403中，根据当前风向确定侧风位置。
在步骤404中，沿电缆的解缆方向，将机舱方向侧风至侧风位置。
在步骤405中，判断电缆的扭缆角度是否大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度。若电缆的扭缆角度是否大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度，则执行步骤406；否则，返回步骤405。
在步骤406中，继续执行当前侧风操作并暂停执行下一次侧风操作。
在步骤407中，判断风向与机舱方向之间的夹角是否小于预定临界角度，若风向与机舱方向之间的夹角小于预定临界角度，则执行步骤408；若风向与机舱方向之间的夹角未小于预定临界角度，则返回步骤407。
在步骤408中，按照电缆的当前解缆方向，恢复下一次侧风操作。
在步骤409中，判断侧风过程中风向是否发生突变。若侧风过程中风向发生突变，则执行步骤410；若侧风过程中风向未发生突变，则执行步骤411。
在步骤410中，根据平均风向角计算侧风位置，然后转到步骤404。
在步骤411中，使用瞬时风向角计算侧风位置，然后转到步骤404。
在步骤412中，判断侧风过程中是否接收到人工偏航指令。若侧风过程中接收到人工偏航指令，则执行步骤413；若侧风过程中未接收到人工偏航指令，则返回步骤405。
在步骤413中，结束当前侧风操作，并根据人工偏航指令执行偏航操作。
图5为本发明实施例提供的风力发电机组防飞车控制装置的结构示意图。如图5所示，该防飞车控制装置包括确认模块501、第一执行模块502、计算模块503、第一判断模块504和第二执行模块505。
其中，确认模块501用于确认风力发电机组的刹车系统是否已失效。
第一执行模块用于若刹车系统已失效，则根据当前风向角计算初始侧风位置，使风力发电机组的偏航系统根据初始侧风位置执行侧风操作。
在一个可选实施例中，第一执行模块502具体包括：获取单元和执行单元。其中，获取单元用于获取电缆的解缆方向；执行单元用于使偏航系统沿所述解缆方向将机舱方向侧风至初始侧风位置。
计算模块503，用于对侧风过程中采集的风向数据进行长周期滤波处理，得到平均风向角，及对风向数据进行短周期滤波处理，得到瞬时风向角
第一判断模块504，用于根据平均风向角和瞬时风向角，判断风向是否发生突变。
在一个可选实施例中，第一判断模块504具体包括计算单元和判断单元。其中，计算单元用于计算所述平均风向角和所述瞬时风向角之间的差值；判断单元用于若所述差值大于预设阈值，则判断风向发生突变。
第二执行模块505，用于根据平均风向角计算更新的侧风位置，并使偏航系统根据更新的侧风位置执行侧风操作。
在一个可选实施例中，如图5所示，该防飞车控制装置还包括获取模块506、第二判断模块和507第三执行模块508。
其中，获取模块506用于获取当前侧风过程中电缆的扭缆角度。
第二判断模块507用于判断扭缆角度是否大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度。
第三执行模块508用于若扭缆角度大于或等于预定允许扭缆角度且小于预定安全扭缆角度，则在当前侧风过程结束后，暂停执行下一次侧风操作，直到当前风向与机舱方向之间的夹角小于预定临界角度，使偏航系统沿电缆的解缆方向恢复执行下一次侧风操作。
需要说明的是，上述风力发电机组防飞车控制装置可以集成设置在风力发电机组的主控制器中，也可以是能够独立进行逻辑运算的元器件，此处不进行限定。
本发明实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的风力发电机组防飞车控制装置。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。