一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法，属于风力发电技术领域。该方法采用电磁偏航系统对偏航阻尼力矩进行实时控制：风向改变时，首先计算风力作用于机舱的风力转矩；如果风力转矩小于机舱偏航所需驱动转矩，则调节偏航电机转子的电流，使其产生的电磁吸力等于机舱重力以减小偏航阻尼力矩；如果风力转矩大于等于机舱偏航所需驱动转矩，则调节偏航电机转子的电流，使其产生的电磁吸力小于机舱重力,产生摩擦阻力矩增大偏航阻尼力矩；偏航电机定子通入三相交流电后驱动机舱按给定偏航转速进行偏航。本发明对风电机组的偏航阻尼力矩进行实时调控，具有控制简便、对风准确、偏航能耗低、无噪音、维护少等优点。
【专利说明】
一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种控制方法，尤其是一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法，属于 风力发电技术领域。
【背景技术】
[0002] 偏航系统是水平轴风力发电机组必不可少的组成部分，目前国内外大中型风力发 电机组均采用主动偏航的齿轮驱动偏航系统。该偏航系统一般由偏航大齿圈、侧面轴承、滑 垫保持装置、上下及侧面滑动衬垫、偏航驱动装置、调整螺栓、偏航限位开关、接近开关、风 速风向仪等组成。其中，偏航驱动装置包括偏航电机、减速齿轮箱、小齿轮，它通过螺栓紧固 在机舱主机架上。
[0003] 这种偏航系统的工作原理是：当风向变化时，控制系统控制偏航驱动装置中的偏 航电机往风向变化的方向同步运转，偏航电机通过减速齿轮箱带动小齿轮旋转，而小齿轮 与偏航大齿圈相啮合，但偏航大齿圈通过螺栓紧固在塔筒法兰上，不可旋转，则只能是小齿 轮围绕着偏航大齿圈旋转带动主机架旋转，直到风轮轴线与风向仪测得的风向相一致。
[0004] 由上可知，这种偏航系统的偏航驱动转矩由偏航驱动装置产生，并经由齿轮传动 体系驱动机舱主动迎风。但偏航系统在风电机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩，以保证 偏航过程平稳顺畅而不产生振动。目前的方法是通过调节偏航系统中的调整螺栓的旋入深 度来调整滑动衬垫与大齿圈之间的紧密程度，从而达到调节偏航阻尼的目的。阻尼力矩的 大小是根据机舱(包括风轮)总的惯性力矩来确定的。
[0005] 然而，这种偏航系统在偏航过程中，机头自重和风轮叶片受力不均匀所产生的偏 心力矩以及风力作用于机舱和塔架的风力载荷引起的弯曲力矩等结构性动态力矩极易导 致偏航阻尼力矩发生变化，而且随着时间的推移，零部件疲劳、调整螺栓松动等原因，原来 调整好的偏航阻尼将发生变化。偏航系统阻尼力矩过小或过大，会造成偏航定位不准确，同 时偏航阻尼力矩过大，还会产生异常噪声，这是目前这种偏航系统发生的常见故障之一。而 解决这种故障的唯一办法是维修人员登上几十米高的塔架现场调节、甚至更换调整螺栓， 以便得到新的最佳偏航阻尼。
[0006] 由此可见，传统型偏航系统存在故障率高、偏航阻尼不能自动调节、维护不便等缺 陷。
【发明内容】
[0007] 本发明的主要目的在于:针对现有技术的不足，提供一种能够实时调节风电机组 偏航阻尼力矩的控制方法，彻底消除因偏航阻尼力矩变化而造成的偏航噪音大、对风不准 确的故障。
[0008] 本发明一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法，采用一种电磁偏航系统以取代齿 轮驱动的偏航系统，所述电磁偏航系统包括偏航电机、支撑架、压力传感器、风速风向仪、导 向轴承，所述偏航电机包括转子、定子，所述转子与所述定子之间有固定气隙，所述转子通 过所述支撑架与风电机组机舱固定，所述定子与风电机组塔架固定，所述导向轴承与塔架 固定，同时与风电机组机舱固定，该方法包括以下步骤：
[0009] 步骤1，当风向改变时，偏航启动，计算风力作用于风电机组机舱而产生的风力转 矩Tw;
[0010] 步骤2,如果风力转矩IV小于机舱偏航所需驱动转矩TN，则调节所述转子的电流，使 其产生的电磁吸力等于风电机组机舱的重力以减小偏航阻尼，然后给所述定子馈电，使所 述偏航电机按第一偏航系统运动方程驱动机舱以给定的偏航转速进行偏航；
[0011] 步骤3,如果风力转矩IV大于机舱偏航所需驱动转矩TN，则根据风力的大小调节所 述转子的电流，使其产生的电磁吸力小于风电机组机舱的重力以增大偏航阻尼，然后给所 述定子馈电，使所述偏航电机按第二偏航系统运动方程驱动机舱以给定的偏航转速进行偏 航。
[0012] 所述步骤1中的风力作用于风电机组机舱的风力转矩IV按下式计算：
LOOM」式中，P为空气密度，A为机舱迎风_枳，1为机舱绕塔架轴线的转动半径，Vw为风 速，Θ为风向角，Cw为转矩系数。
[0015]所述步骤2中的第一偏航系统运动方程为：
L〇〇17」式中，IV为风力作用于风电机组机舱的风力转矩，Te为偏航电机产生的电磁转矩， 且满足1 = Tn-Tw，??为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。 [0018]所述步骤3中的第二偏航系统运动方程为：
[0020] 式中，IV为风力作用于风电机组机舱的风力转矩，Tf为机舱与塔架之间的摩擦阻力 矩，Te为偏航电机产生的电磁转矩，且满足T e = TN-Tw+Tf，??为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J 为机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。
[0021] 本发明的有益效果是:本控制方法可根据风力大小，对偏航阻尼力矩进行实时动 态调控，使系统在偏航过程中始终保持最佳偏航阻尼，实现偏航准确定位，避免异常噪音， 确保风电机组在偏航过程中平稳运行、系统性能实时最优，同时还具有控制简便、偏航能耗 低、维护少等优点。
【附图说明】
[0022] 附图1为电磁偏航系统的构成示意图。
[0023] 附图2为电磁偏航系统的控制器连接示意图。
[0024]附图3为风力作用于机舱的示意图。
[0025]附图4为机舱作用在塔架上的受力示意图。
[0026] 附图5为本发明控制方法实施流程图。
[0027] 图中标号：1_转子;2-定子;3-支撑架;4-压力传感器;5-导向轴承;6-风速风向仪； 7_转子控制器;8-定子控制器。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
[0029] 如图1所示，电磁偏航系统包括偏航电机、支撑架3、压力传感器4、导向轴承5、风速 风向仪6,偏航电机为盘式同步电机，它包括转子1、定子2,转子1采用直流励磁，具有直流绕 组，定子2具有三相绕组。转子1通过支撑架3与机舱固定，即支撑架3的一端与转子1用螺栓 固定，另一端与机舱固定;定子2固定在塔架上。压力传感器4安装在机舱与塔架之间，用于 检测机舱作用在塔架上的压力。导向轴承5与塔架固定，机舱与导向轴承5固定。导向轴承5 确保机舱在偏航过程中始终围绕塔架轴线转动。转子1与定子2之间的气隙长度δ固定不变， 本发明在实际中一般取2-3_。
[0030]如图2所示，转子1及压力传感器4与转子控制器7相连，定子2与定子控制器8相连。 [0031]本发明一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法，为了实现风电机组偏航过程中实 时调控偏航阻尼力矩，具体包括以下步骤：
[0032]步骤1，当风速风向仪6测得风向改变时，偏航启动，根据风速风向仪6测得的风速 和风向角计算风力作用于风电机组机舱而产生的风力转矩Tw:
[0033] 如图3所示，风力作用于机舱的示意图，将风速Vw分解为两个分量，即Vwsin0和 Vwcos9,其中，Vwsin9为垂直作用于机舱侧面的速度分量，它将使机舱产生偏转。由空气动力 学理论，根据流向机舱的气流来计算机舱在风力作用下产生的机械转矩，即风力转矩IV:
[0035]式中，p为空气密度，A为机舱迎风面积，1为机舱绕塔架轴线的转动半径，W为风速 (由风速仪测得），θ为风向角（由风向仪测得），Cw为偏航转矩系数(通过实验获得）。
[0036]步骤2，如果风力转矩IV小于机舱偏航所需驱动转矩TN，则首先根据压力传感器4测 得的机舱作用在塔架上的压力F，由转子控制器7按式(2)调节控制转子1的励磁电流i，使其 产生的电磁吸力Fem等于风电机组机舱的重力mg，则整个机舱作用在塔架上的压力F等于零， 减小了偏航阻尼。其工作原理是：
[0037] 如图4所示，根据电磁学理论，当转子1绕组通入励磁电流i后，在转子1和定子2之 间将产生向上的电磁吸力F an，按下式计算：
[0039] 式中，μ〇为真空磁导率，N为转子励磁线圈的匝数，S为电磁铁（即转子1)的磁极表 面有效面积，i为转子1的励磁电流，δ为转子1与定子2之间气隙长度。
[0040] 由式(2)可知，除转子1的励磁电流i外，其余量均为常数，因此只要通过调节转子1 的励磁电流i，就能控制其产生的电磁吸力Fan的大小，当电磁吸力Fan等于机舱重力mg时，即 ? (? = 11^，则机舱作用在塔架上的压力（即机舱作用在塔架上的垂直方向上的合力奸=11^-F^iO,从而在偏航过程中，机舱与塔架之间没有摩擦力f，也就不会产生摩擦阻力矩Tf，因 而减小了偏航阻尼。
[0041] 转子控制器7通过压力传感器4实时检测机舱作用在塔架上的压力F，以此形成闭 环反馈，来实时控制励磁电流i的大小，就能使机舱作用在塔架上的压力为零。
[0042]同时从式(2)可以看出，转子1与定子2之间的气隙长度δ取值越小(如2-3_)，则产 生同样的电磁吸力F^，转子1的励磁电流i可以成平方倍地缩小，从而能耗越小、偏航电机体 积越小，因而本发明偏航能耗可大为降低。
[0043]然后，定子控制器8给定子2的绕组通入三相交流电，使偏航电机按下述运动方程 驱动机舱以给定的偏航转速进行偏航：
[0045]式中，IV为风力作用于机舱的风力转矩，I为偏航电机产生的电磁转矩，且满足I = TN-Tw，Ii为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。
[0046]步骤3,如果??Τν，则首先根据风力转矩IV的大小，转子控制器7仍按式(2)调节转 子1的励磁电流i，但使其产生的电磁吸力Fem小于风电机组机舱的重力mg，即Fem〈mg。此时， 机舱作用在塔架上的压力F=mg-F em>0,从而在偏航过程中，机舱与塔架之间就会产生摩擦 力f，也就产生了摩擦阻力矩Tf，因而增大了偏航阻尼。风力转矩IV越大，则使转子1的励磁电 流i越小，即电磁吸力F e?越小，则机舱作用在塔架上的压力F就越大，摩擦力f也就越大，摩擦 阻力矩Tf则越大，使得偏航阻尼越大。
[0047]摩擦阻力矩Tf可按下式计算：
[0048] Tf = f XR=kFXR (4)
[0049] 式中，f为机舱与塔架之间的摩擦力，R为塔架半径，k为摩擦系数，F为机舱作用在 塔架上的垂直方向上的合力，且F = mg-Fem，其中mg为机舱重力，Fem为转子通电后产生的电 磁吸力。
[0050] 由式(2)、式(4)可见，只要控制转子1励磁电流i的大小，就能控制电磁吸力F』勺大 小，从而就能控制机舱与塔架之间摩擦力f的大小，也就能控制摩擦阻力矩T f的大小。
[0051] 然后定子控制器8给定子2的绕组通入三相交流电，使偏航电机按下述运动方程驱 动机舱以给定的偏航转速进行偏航：
[0053]式中，IV为风力作用于机舱的风力转矩，Tf为摩擦阻力矩，I为偏航电机产生的电 磁转矩，且满足Te = TN-Tw+Tf，??为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为机舱的转动惯量，ω为偏 航角速度。
[0054]为了进一步说明，图5给出了本发明控制方法的实施流程图，原理如下：
[0055] 首先，风速风向仪始终监测风速和风向，当检测到风向发生变化时，则计算风力作 用在机舱上形成的风力转矩IV。
[0056] 然后，判断IV的大小：
[0057] 如果Tw〈TN，则进入步骤2;
[0058] 如果IV彡TN，则进入步骤3。
[0059] 但是随着偏航的进行，风向角Θ会逐渐变小，再加上风速VW也可能发生变化，所以 风力转矩Tw会发生变化，因此，每一步完成后必须重新计算风力转矩IV，然后重新判断IV的 大小，再执行相应的步骤。
[0060] 由上可知，本发明采用与传统的人工机械调节偏航阻尼完全不同的调控机制，可 以根据风向、风速实时状况，实现快速动态地自动控制偏航阻尼力矩的大小，使其达到最佳 偏航阻尼状态，使系统平稳运行，且能准确定位。
【主权项】
1. 一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法，其特征在于:采用电磁偏航系统W取代齿 轮驱动的偏航系统，所述电磁偏航系统包括偏航电机、支撑架、压力传感器、风速风向仪、导 向轴承，所述偏航电机包括转子、定子，所述转子与所述定子之间有固定气隙，所述转子通 过所述支撑架与风电机组机舱固定，所述定子与风电机组塔架固定，所述导向轴承与塔架 固定，同时与风电机组机舱固定，该方法包括W下步骤： 步骤1，当风向改变时，偏航启动，计算风力作用于风电机组机舱而产生的风力转矩IV; 步骤2，如果风力转矩Tw小于机舱偏航所需驱动转矩Tn，则调节所述转子的电流，使其产 生的电磁吸力等于风电机组机舱的重力W减小偏航阻尼，然后给所述定子馈电，使所述偏 航电机按第一偏航系统运动方程驱动机舱按给定的偏航转速进行偏航； 步骤3，如果风力转矩Tw大于机舱偏航所需驱动转矩Tn，则根据风力的大小调节所述转 子的电流，使其产生的电磁吸力小于风电机组机舱的重力W增大偏航阻尼，然后给所述定 子馈电，使所述偏航电机按第二偏航系统运动方程驱动机舱按给定的偏航转速进行偏航。2. 根据权利要求1所述一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法，其特征在于:所述步骤 1中的风力作用于风电机组机舱的风力转矩Tw为：式中，P为空气密度，A为机舱迎风面积，1为机舱绕塔架轴线的转动半径，％为风速，Θ为 风向角，Cw为转矩系数。3. 根据权利要求1所述一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法，其特征在于:所述步骤 2中的第一偏航系统运动方程为：式中，IV为风力作用于风电机组机舱的风力转矩，Te为偏航电机产生的电磁转矩，且满 足Te = TN-Tw，TL为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。4. 根据权利要求1所述一种风电机组偏航阻尼力矩的控制方法，其特征在于:所述步骤 3中的第二偏航系统运动方程为：式中，Tw为风力作用于风电机组机舱的风力转矩，Tf为机舱与塔架之间的摩擦阻力矩， Te为偏航电机产生的电磁转矩，且满足Te = TN-Tw+Tf，TL为机舱绕塔架轴线的惯性力矩，J为 机舱的转动惯量，ω为偏航角速度。
【文档编号】G06Q50/06GK106096195SQ201610488398
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】蔡彬, 褚晓广, 张正强, 张烨, 王乃哲, 王楠楠
【申请人】曲阜师范大学, 褚晓广