变桨系统、变桨系统的控制方法及可读存储介质

技术领域

本发明涉及风电机组控制技术领域，具体地涉及一种变桨系统、一种变桨系统的控制方法及一种可读存储介质。

背景技术

随着风电的广泛推广，近几年来风电故障也呈上升趋势，其中变桨系统故障占比较大。风电机组出现变桨系统故障将导致机组处于严重不安全状态，有叶片断裂、叶片扫塔和机组倒塔的风险。对于海上机组影响尤其恶劣，海上风电受出海条件限制，且海上有周期性的台风等因素影响，海上故障处理周期更长，海上变桨系统出现故障后对机组安全性影响更大。

风力发电机组中变桨系统主要用于控制叶片桨叶角度和特殊工况锁定叶片。变桨系统是风电机组驱动和制动的关键系统，对机组安全可靠运行起到了重要的作用。目前变桨系统常见两大类，一种是通过齿轮驱动的系统，一种是通过液压驱动的系统。液压驱动系统存在液压油泄露污染环境的问题，尤其是对于海上风机组，液压油泄露将导致海上环境的污染，并且液压油在冬天较为粘稠，导致机组变桨系统响应滞后性。齿轮驱动系统由电机驱动，机械系统结构复杂，出现故障的概率更高。变桨减速发生故障后变桨系统驱动和制动能力受限，需要维护人员登塔进行更换。而现在风力发电机组功率等级越来越大，单支叶片越来越长，变桨系统需要驱动和制动的扭矩越来越高，结构和重量较早期风力发电机组增加较大，维护空间有限，导致出现故障后运维困难、运维成本高。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种变桨系统，该变桨系统用以解决上述的现有的变桨系统的机械结构复杂，出现故障的概率高，导致出现故障后运维困难、运维成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种变桨系统，所述系统包括：

轮毂，所述轮毂上相对设置有三个变桨轴承，每一变桨轴承对应连接一个风机叶片；

三个变桨电机，设置在所述轮毂内，每一变桨电机通过谐波减速器连接对应的变桨轴承，变桨电机驱动变桨轴承转动改变风机叶片的迎风角度；

变桨控制器，设置在所述轮毂内，与所述变桨电机连接，用于基于接收自风机主控系统的控制指令，对变桨电机进行启停和转动角度控制。

可选的，所述系统还包括：

多个驱动器，所述变桨控制器通过多个驱动器与每一变桨电机连接，多个驱动器包括主驱动器和备用驱动器，所述备用驱动器用于在所述主驱动器无法驱动所述变桨电机时，驱动所述变桨电机工作。

可选的，所述系统还包括：

多个雷电保护机构，设置在所述变桨轴承上，一个变桨轴承对应设置三个雷电保护机构，且同一变桨轴承上的三个雷电保护机构呈正三角形结构分布。

可选的，所述雷电保护机构包括：

垫片，设置在所述变桨轴承外圈上，所述垫片靠近的变桨轴承内圈的端部一体成型设置有多个集电爪；

碳纤维刷，通过压板固定在两个相邻的集电爪上，所述碳纤维刷的刷头朝向与所述变桨轴承的内圈。

可选的，所述变桨轴承为双排深沟球轴承；

所述变桨电机为伺服电机。

可选的，所述系统还包括：

多个接近开关，每一变桨轴承上设置有至少一个接近开关，用于获取风机叶片的转动角度信息。

本发明第二方面提供一种变桨系统的控制方法，运用于上述的变桨系统，所述方法包括：

获取当前风速；

若所述当前风速小于额定风速，则向所述变桨系统发送开桨指令；

若所述当前风速大于额定风速且小于切出风速，则基于当前风速和当前预设发电功率，确定叶片的开桨角度；

基于所述开桨角度向所述变桨系统发送开桨角度调节指令。

可选的，基于当前预设发电功率，确定叶片的开桨角度，包括：

通过以下计算公式计算得到叶片的开桨角度：

其中，θ为叶片的开桨角度；P为预设发电功率；ρ为空气密度；V为风速；Cp为风能利用率；A为扫风面积；δ为拟合系数。

可选的，所述方法还包括：

获取风电机组的叶片转速和风电机组的振动值；

若所述叶片转速大于预设转速阈值和/或所述振动值大于预设震动阈值，向所述变桨系统发送顺桨指令。

另一方面，本发明提供一种可读存储介质，该可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的变桨系统的控制方法。

本技术方案中的变桨系统采用变桨轴承、谐波减速器和变桨电机实现叶片的变桨，具有结构简单，故障率低，维护方便和维护成本低，系统可靠和可维护性高，控制精度高的优点。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明提供的变桨系统的结构示意图；

图2是本发明提供的变桨系统的系统框图；

图3是本发明提供的雷电保护机构的结构示意图；

图4是本发明提供的第一种风电机组的控制方法的流程图；

图5是本发明提供的第二种风电机组的控制方法的流程图。

附图标记说明

1-轮毂；2-变桨轴承；3-风机叶片；

4-变桨电机；5-谐波减速器；6-变桨控制器；

7-驱动器；8-雷电保护机构；9-接近开关；

21-外圈；22-内圈；71-主驱动器；

72-备用驱动器；81-垫片；82-集电爪；

83-碳纤维刷；831-刷头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。“内、外”是指所构成的空间内部和外部。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平、竖直或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致相等”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明提供的变桨系统的结构示意图；图2是本发明提供的变桨系统的系统框图；图3是本发明提供的雷电保护机构的结构示意图；图4是本发明提供的第一种风电机组的控制方法的流程图；图5是本发明提供的第二种风电机组的控制方法的流程图。

如图1-2所示，本实施例提供一种变桨系统，所述系统包括：

轮毂1，所述轮毂1上相对设置有三个变桨轴承2，每一变桨轴承2对应连接一个风机叶片3；

三个变桨电机4，设置在所述轮毂1内，每一变桨电机4通过谐波减速器5连接对应的变桨轴承2，变桨电机4驱动变桨轴承2转动改变风机叶片3的迎风角度；

变桨控制器6，设置在所述轮毂1内，与所述变桨电机4连接，用于基于接收自风机主控系统1的控制指令，对变桨电机4进行启停和转动角度控制。

具体地，在本实施例中，轮毂1，采用铸造成型，主要功能是支撑和连接，支撑风力发电机组三只风机叶片3，连接并传递扭矩至主轴，轮毂1通过螺栓与发电机的主轴连接。由谐波减速器5组成风电机组的变桨减速机，谐波减速器5由刚轮、柔轮和波发生器三个关键部件组成。谐波减速器5特点是传动比大，一级谐波传动系统可以实现速比约100～200左右，能够满足变桨系统减速需求；传动精度高且运动平稳，使得变桨系统能够实现平稳的快速响应；结构简单且零部件少(仅有三个关键部件)，体积小部件轻，易于风力发电机组塔上的维护和更换。谐波减速器5设计有通孔的连接法兰，通过螺栓与轮毂1连接。

进一步地，所述系统还包括：

多个驱动器7，所述变桨控制器6通过多个驱动器7与每一变桨电机4连接，多个驱动器7包括主驱动器71和备用驱动器72，所述备用驱动器72用于在所述主驱动器71无法驱动所述变桨电机4时，驱动所述变桨电机4工作。

具体地，在本实施例中，当主驱动器71发生故障，可以通过其余的备用驱动器72进行驱动，实现风电机组的安全停机，备用驱动器72可以设置控制优先级，采取按照顺序进行编号的方式，按照编号顺序的大小作为控制的优先级。更具体地，通过以下方式判断驱动器7是否发生故障：

当变桨控制器6向主驱动器71发送控制指令后，检测风机叶片3的转动角度，若经过预设时长后，风机叶片的转动角度未改变，则判定主驱动器71产生故障，按照编号顺序的大小，选取1号备用驱动器72进行变桨控制，以此类推，直至完成变桨控制。

进一步地，如图3所示，所述系统还包括：

多个雷电保护机构8，设置在所述变桨轴承2上，一个变桨轴承2对应设置三个雷电保护机构8，且同一变桨轴承2上的三个雷电保护机构(8)呈正三角形结构分布。

具体地，在本实施例中，每一个变桨轴承2对应设置三个雷电保护机构8，且同一变桨轴承2上的三个雷电保护机构8呈正三角形结构分布，通过这种设置方式，能够提高雷电保护机构8的保护效果。

进一步地，如图3所示，所述雷电保护机构包括：

垫片81，设置在所述变桨轴承2的外圈21上，所述垫片81靠近的变桨轴承2的内圈22的端部一体成型设置有多个集电爪82；

碳纤维刷83，通过压板84固定在两个相邻的集电爪82上，所述碳纤维刷83的刷头831朝向与所述变桨轴承2的内圈22。

具体地，在本实施例中，垫片81通过螺栓固定在变桨轴承2的外圈21上，并且，在垫片81靠近的变桨轴承2的内圈22的端部一体成型设置有多个集电爪82，并再中间部位的两个相邻的集电爪82上固定碳纤维刷83，同样采用螺栓进行固定，且碳纤维刷83的刷头831朝向与所述变桨轴承2的内圈22，通过这种设置方式，能够实现较好地雷电传到效果，避免风电机组因雷击而损坏。采用碳纤维刷83还能有效防止静电。

进一步地，所述变桨轴承2为双排深沟球轴承；

所述变桨电机4为伺服电机。

具体地，采用双列深沟球轴承除了承受径向负荷外，还可以承受作用在两个方向的轴向负荷，能够保证结构强度和使用寿命。变桨电机4采用伺服电机，控制精准且响应速度快，可以更好的为变桨系统提供动力，根据变桨系统指令驱动或者制动变桨系统。

进一步地，所述系统还包括：

多个接近开关9，每一变桨轴承2上设置有至少一个接近开关9，用于获取风机叶片3的转动角度信息。

具体地，每一接近开关9均与变桨控制器6电连接，对应变桨轴承2上设置的接近开关9能够获取该变桨轴承2上链接的风机叶片3的转动角度信息，实现该风机叶片1变桨的辅助控制，辅助判断风机叶片3是否处于顺桨位置。

本发明的新型变桨系统主要应用于三叶片的风力发电机组，通过变桨系统调节叶片方位角，实现风力发电机组的启机、发电和停机等不同的应用工况。新型变桨系统具有精度高、效率高和重量轻的特点，通过谐波变桨减速器能够提高变桨系统的控制精度和提升变桨系统效率。新型谐波减速机体积小，较传统的三级或者四级的行星轮系的变桨减速机，通过一级谐波减速可大大降低对于轮毂内空间的需求，能够便于设备安装和人员的维护。

本发明实施例还提供一种变桨系统的控制方法，运用于上述的变桨系统，如图4所示，所述方法包括：

获取当前风速；

若所述当前风速小于第一预设风速，则向所述变桨系统发送开桨指令；

若所述当前风速大于第一预设风速且小于第二预设风速，则基于当前风速和当前预设发电功率，确定叶片的开桨角度；

基于所述开桨角度向所述变桨系统发送开桨角度调节指令；

所述第一预设风速小于所述第二预设风速。

具体地，在本实施例中，第一预设风速为风电机组的额定风速，即为风机额定出力时对应的风速，定桨距机组一般是15m/s，双馈机组或者直驱机组，一般是11.5m/s，或者12m/s。第二预设风速为切入风速，即为风机受风力驱动，可以并网发电的风速，切入就是并入电网的意思，一般是3.5m/s。本实施例中的开桨角度即为桨距角。

具体地，在本实施例中，基于当前预设发电功率，确定叶片的开桨角度，采用以下计算公式计算得到叶片的开桨角度：

其中，θ为叶片的开桨角度；P为预设发电功率；ρ为空气密度；V为风速；Cp为风能利用率，是叶尖速比和桨距角的函数；A为扫风面积；δ为拟合系数。

在本实施例中，采用谐波减速器5作为变桨减速机，其精度高和效率高的特性能够帮助机组实现快速变桨变桨的特点，对于提高Cp有一定的效果，实现快速的控制响应。

在另一种实施方式中，如图5所示，所述方法还包括：

获取风电机组的叶片转速和风电机组的振动值；

若所述叶片转速大于预设转速阈值和/或所述振动值大于预设震动阈值，向所述变桨系统发送顺桨指令。

具体地，叶片转速可通过设置在风机叶片内的加速度传感器采集得到；风电机组的振动值可通过设置在风机叶片和轮毂内的振动传感器采集得到。采集得到的风电机组的叶片转速和风电机组的振动值传输至主控系统，当主控系统判断出叶片转速大于预设转速阈值和/或所述振动值大于预设震动阈值时，说明风机叶片处于超限工作状态，需要降低运行的功率以避免风机损坏。因此，主控系统向所述变桨系统发送顺桨指令，变桨系统接收到顺桨指令后，根据风向传感器确定的来风方向，调整风机叶片与来风方向的夹角，使得迎风面积最小，即控制叶片紧急顺桨。

本发明实施例还提供一种可读存储介质，该可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的变桨系统的控制方法。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。