基于變頻器有效阻尼的偏航系統及偏航方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于風力發電技術領域，特別是涉及一種基于變頻器有效阻尼的偏航系統及偏航方法。
【背景技術】
[0002]偏航系統是風力發電機組特有的伺服系統，也稱為對風裝置，它的性能優劣直接影響著機組的整體性能以及對風能的利用效率和發電效率。隨著風機發電機組的容量越來越大，風機發電機組中機艙的設備和重量也在增大增多。而風機偏航對風時，機組會產生陀螺力矩波動，進而引發塔架、葉片等的振動，從而對整個風力發電系統的安全性構成威脅。
[0003]目前現有技術存在的問題:1、從結構性能上看，采用工頻偏航電機的方式，在偏航開始和結束時，偏航液壓剎車機構會動作，也會導致機艙晃動大，同樣會對整機性能有所影響。2、從控制方法上來看，風速具有隨機性的特點，且其方向也在時發生著變化，因此在風力發電機組的控制中，偏航系統需要頻繁起動使風輪盡量保持在迎風狀態，以提高風能利用效率。但如果將常規的PID隨動控制器應用于偏航系統中，偏航系統需要頻繁起動，從而使得偏航執行機構會容易因為頻繁動作而損傷。
【發明內容】
[0004]針對上述存在的技術問題，本發明提供一種基于變頻器有效阻尼的偏航系統及偏航方法。它能避免風力發電機組在偏航過程中產生過大的振動而造成整機的共振。
[0005]本發明一種基于變頻器有效阻尼的偏航系統，包括主控控制器、至少一組偏航電機、與偏航電機分別連接的變頻器、剎車系統、位置編碼器、解纜保護器，所述一組偏航電機為4個，其中3個為偏航驅動電機，I個在啟動和停止過程中為偏航阻尼電機，各變頻器分別獨立驅動各個偏航電機，I個位置編碼器和I個解纜保護器分別安裝在偏航齒圈上，各個變頻器、解纜保護器、位置編碼器分別連接主控制器。
[0006]進一步地，所述變頻器均采用四象限變頻器。
[0007]進一步地，所述剎車系統為液壓剎車系統。
[0008]本發明所述偏航系統的偏航方法，包括如下步驟:
(1)風機主控控制器發出風機偏航信號，6個偏航驅動電機在變頻器驅動下旋轉，扭矩從零逐漸加大，與此同時，2個偏航阻尼電機提供反向扭矩，扭矩從零逐漸增大，且阻尼變頻器提供的反向扭矩增加速率，快于驅動變頻器扭矩增加速率；
(2)在偏航系統開始啟動的階段，順時針方向與逆時針方向所受扭矩基本一致，風機機艙保持靜止，此時，偏航液壓剎車釋放；
(3)當阻尼電機提供的反向扭矩不再增大，驅動電機的扭矩進一步增大，風機機艙緩慢開始順時針偏航，阻尼電機被驅動電機帶向相反的方向旋轉，工作在發電狀態，產生的電能通過變頻器回饋到電網；
(4)當驅動電機扭矩增加到恒定值后，阻尼電機的反向扭矩逐漸減小到零； (5)當阻尼電機和驅動電機力矩值基本一致時，風機機艙保持靜止；啟動偏航液壓剎車，阻尼電機和驅動電機力矩逐漸減小到零，偏航過程結束。
[0009]進一步地，所述與各個偏航電機相連的變頻器為四象限變頻器，通過控制扭矩，將阻尼轉矩轉化為電能，回饋給變頻器直流母線。
[0010]本發明的有益效果:
1.本發明為避免風力發電機組在偏航過程中產生過大的振動而造成整機的共振，偏航系統在機組偏航時必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據機艙和風輪質量總和的慣性力矩來確定。其基本的確定原則為確保風力發電機組在偏航時應動作平穩順暢不產生振動。只有在阻尼力矩的作用下，機組的風輪才能夠定位準確，充分利用風能進行發電。
[0011]2.本發明八個偏航電機與之相連的變頻器采用四象限變頻器，通過控制扭矩，實現將阻尼轉矩轉化為電能，回饋給變頻器直流母線。
[0012]3.本發明采用變頻器驅動的偏航系統時，為避免振蕩的風向變化，引起偏航輪齒產生交變載荷，應采用偏航制動器(或稱偏航阻尼器)來吸收微小自由偏轉振蕩，防止偏航齒輪的交變應力弓I起輪齒過早損傷。
[0013]4.本發明風力機偏航系統采用變頻器驅動偏航電機可以實現偏航系統的軟啟動、軟停止，減少啟動電流對電機的沖擊，并使風機運行平穩，延長電機壽命，減少風機振動帶來的損害；變頻器驅動偏航系統還可以實現偏航的調速運行。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的結構框圖。
[0015]圖2為本發明的控制方法流程圖。
[0016]圖中:1.驅動電機，2.阻尼電機，3.剎車系統，4.風機主控控制器，5.變頻器，6.解纜保護器，7.位置編碼器。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例具體描述本發明。
[0018]實施例:如圖1所示，所述偏航系統包括主控控制器4、8組變頻器5、8個偏航電機、剎車系統3、解纜保護器6、位置編碼器7，所述8組變頻器分別獨立驅動8個偏航電機，8個偏航電機中6個為偏航驅動電機1，2個在啟動和停止過程中為偏航阻尼電機2，I個位置編碼器7和I個解纜保護器6分別安裝在偏航齒圈上，8組變頻器5、解纜保護器6、位置編碼器7分別連接主控制器4。
[0019]本例用于1.5MW風機,選擇2組偏航電機,均勻布置于偏航齒圈的圓周上。
[0020]其中解纜保護器6為現有風機常規部件。
[0021]所述變頻器5均采用四象限變頻器。所述剎車系統3為液壓剎車系統。
[0022]其中偏航驅動電機I作為執行器，實際能夠帶動風機機艙進行轉動。風向標實時地檢測風向的變化情況，并將風向信號傳輸到風機主控控制器4當中。風機主控控制器4經過計算可以確定風向信號和機艙中心線的夾角從而決定是否需要啟動偏航機構來調整機艙的方向。如果需要啟動，風機主控控制器4會發信號給變頻器5和液壓剎車系統3。變頻器5帶動偏航阻尼電機2及偏航驅動電機I使得機艙圍繞偏航齒圈轉動進行對風。偏航位置編碼器7安裝在偏航齒圈上，在偏航的同時對位置進行反饋。同時，主控控制器4 (PLC)通過安裝在偏航齒圈上的解纜保護器6進行硬件保護。以此來完成整個系統的控制。
[0023]本發明偏航系統的偏航方法，包括如下步驟:
(1)風機主控控制器4發出風機偏航信號，6個偏航驅動電機I在變頻器5驅動下旋轉，扭矩從零逐漸加大，與此同時，2個偏航阻尼電機2提供反向扭矩，扭矩從零逐漸增大，且阻尼變頻器5提供的反向扭矩增加速率，快于驅動變頻器5扭矩增加速率；
(2)在偏航系統開始啟動的階段，順時針方向與逆時針方向所受扭矩基本一致，風機機艙保持靜止，此時，偏航液壓剎車系統3釋放；
(3)當偏航阻尼電機2提供的反向扭矩不再增大，偏航驅動電機I的扭矩進一步增大，風機機艙緩慢開始順時針偏航，阻尼電機被驅動電機帶向相反的方向旋轉，工作在發電狀態，產生的電能通過變頻器5回饋到電網；
(4)當驅動電機I扭矩增加到恒定值后，阻尼電機2的反向扭矩逐漸減小到零；
(5)當阻尼電機2和驅動電機I力矩值基本一致時，風機機艙保持靜止；啟動偏航液壓剎車，阻尼電機2和驅動電機I力矩逐漸減小到零，偏航過程結束。
[0024]所述與各個偏航電機相連的變頻器5為四象限變頻器，通過控制扭矩，將阻尼轉矩轉化為電能，回饋給變頻器直流母線。
【主權項】
1.一種基于變頻器有效阻尼的偏航系統，其特征在于:包括主控控制器、至少一組偏航電機、與偏航電機分別連接的變頻器、剎車系統、位置編碼器、解纜保護器，所述一組偏航電機為4個，其中3個為偏航驅動電機，I個在啟動和停止過程中為偏航阻尼電機，各變頻器分別獨立驅動各個偏航電機，I個位置編碼器和I個解纜保護器分別安裝在偏航齒圈上，各個變頻器、解纜保護器、位置編碼器分別連接主控制器。
2.如權利要求1所述基于變頻器有效阻尼的偏航系統，其特征在于:所述變頻器均采用四象限變頻器。
3.如權利要求1所述基于變頻器有效阻尼的偏航系統，其特征在于:所述剎車系統為液壓剎車系統。
4.如權利要求1所述基于變頻器有效阻尼的偏航系統的偏航方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)風機主控控制器發出風機偏航信號，6個偏航驅動電機在變頻器驅動下旋轉，扭矩從零逐漸加大，與此同時，2個偏航阻尼電機提供反向扭矩，扭矩從零逐漸增大，且阻尼變頻器提供的反向扭矩增加速率，快于驅動變頻器扭矩增加速率； (2)在偏航系統開始啟動的階段，順時針方向與逆時針方向所受扭矩基本一致，風機機艙保持靜止，此時，偏航液壓剎車釋放； (3)當阻尼電機提供的反向扭矩不再增大，驅動電機的扭矩進一步增大，風機機艙緩慢開始順時針偏航，阻尼電機被驅動電機帶向相反的方向旋轉，工作在發電狀態，產生的電能通過變頻器回饋到電網； (4)當驅動電機扭矩增加到恒定值后，阻尼電機的反向扭矩逐漸減小到零； (5)當阻尼電機和驅動電機力矩值基本一致時，風機機艙保持靜止；啟動偏航液壓剎車，阻尼電機和驅動電機力矩逐漸減小到零，偏航過程結束。
5.如權利要求4所述基于變頻器有效阻尼的偏航系統的偏航方法，其特征在于:所述與各個偏航電機相連的變頻器為四象限變頻器，通過控制扭矩，將阻尼轉矩轉化為電能，回饋給變頻器直流母線。
【專利摘要】一種基于變頻器有效阻尼的控制偏航系統及偏航方法，屬于風力發電技術領域。所述偏航系統包括主控控制器、至少一組偏航電機、與偏航電機分別連接的變頻器、剎車系統、位置編碼器、解纜保護器，所述一組偏航電機為4個，其中3個為偏航驅動電機，1個在啟動和停止過程中為偏航阻尼電機，各變頻器分別獨立驅動各個偏航電機，1個位置編碼器和1個解纜保護器分別安裝在偏航齒圈上，各變頻器、解纜保護器、位置編碼器分別連接主控制器。本發明采用變頻器驅動偏航電機可以實現偏航系統的軟啟動、軟停止，減少啟動電流對電機的沖擊，并使風機運行平穩，延長電機壽命，減少風機振動帶來的損害；變頻器驅動偏航系統還可以實現偏航的調速運行。
【IPC分類】F03D7-00
【公開號】CN104632526
【申請號】CN201510065193
【發明人】王衍飛, 蔡曉峰, 胡明清
【申請人】沈陽華創風能有限公司, 青島華創風能有限公司, 通遼華創風能有限公司, 寧夏華創風能有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月6日