基于物理組件模型和實時數(shù)據(jù)的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種發(fā)動機測試領域的基于物理組件模型和實時數(shù)據(jù)的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)，風況輸入模塊接收電廠獲得的實時風況信息，將該實時風況信息分別傳遞給控制系統(tǒng)和葉片物理模擬模塊，控制系統(tǒng)向偏航操縱模塊發(fā)送偏航系統(tǒng)控制策略，向變槳距操縱模塊發(fā)送變槳距系統(tǒng)控制策略，偏航操縱模塊生成機艙旋轉(zhuǎn)角及其角速度和角加速度信息并傳遞給葉片物理模擬模塊，變槳距操縱模塊生成葉片旋轉(zhuǎn)角及其角速度和角加速度信息并傳遞給葉片物理模擬模塊，葉片物理模擬模塊將獲得的信息與葉片受力和受力矩信息綜合后得到葉片的目標力矩、目標轉(zhuǎn)速以及目標角加速度信息并傳遞給傳動模塊，傳動模塊輸出電力信息。本發(fā)明為風電機組性能失效的預測提供雙重驗證。
【專利說明】基于物理組件模型和實時數(shù)據(jù)的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種發(fā)動機測試領域的系統(tǒng)，具體是一種基于物理組件模型和實時數(shù)據(jù)的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
根據(jù)世界風能協(xié)會(WffEA) 2010年度，到2010年年底，全球風力發(fā)電機組發(fā)電量占全球電力消耗量的2.5%，達430TWh，該數(shù)值大于世界第六大經(jīng)濟體英國(六千萬人口)的總年度用電需求。預計到2020年，全球裝機總量將超過1，500，000MW。截止2010年年底，我國已經(jīng)成為風能裝機容量最大的國家，并成為國際風能產(chǎn)業(yè)的中心。2010年新裝機容量將有望達到18，928MW，將超過全球年度新裝機容量的50%。就風力發(fā)電廠而言，風力發(fā)電機組的成本和其運行維護的成本成為了決定性的商業(yè)因素。風電場多建于遠離城市的偏遠地區(qū)以及近海區(qū)域，對于陸上型風力發(fā)電機組，運行維護成本占單位電價的10%?15%，對于離岸型風力發(fā)電機組，其比例接近25%?30%。再加上地區(qū)交通不便，以及風力發(fā)電機組處于高空，故對風力發(fā)電機組的維護非常困難；若需吊至地面做故障診斷、維修或更換，則需花費更大的人力和物力，維護成本可能會達到數(shù)百萬人民幣。所以，開發(fā)采用有效的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng):在風力發(fā)電機組的設計壽命內(nèi)，機組實時監(jiān)測運行狀態(tài)，分析運行參數(shù)，在發(fā)生故障之前，及時診斷出風機的安全隱患，安排合理的維護方案就顯得十分必要。
[0002]如圖1所示，目前已經(jīng)有一些通用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用到風力發(fā)電領域，這些監(jiān)測系統(tǒng)通過在關鍵部件增加相應的傳感器，接收相應的參數(shù)信息，然后上傳至上位機進行參數(shù)分析來達到監(jiān)測和診斷的效果。一般參數(shù)數(shù)據(jù)信號通過傳感器采集，經(jīng)過放大，濾波等操作上傳至上位機，這里上位機可以安裝在風場附近，也可以遠程安裝。然后通過:
[0003]第一，頻譜分析。對振動信號和功率信號進行傅里葉變換得到信號的頻域譜，從頻率的異常變化來診斷機組的隱患以及故障。
[0004]第二，人工智能分析。如神經(jīng)網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行快速分類繪制故障與非故障分界線的方法和故障診斷專家系統(tǒng)的方法。核心是通過數(shù)據(jù)庫建立系統(tǒng)故障和征兆間的某種關系來達到機械學習和自動診斷的目的。
[0005]第三，小波分析的方法。在高頻的部分頻段放大尺度，在低頻的部分縮小尺度，提高分析的時間辨析度和信號的自適應性。以此達到獲取故障信號的效果。
[0006]現(xiàn)如今的風機的監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)都是基于以上的開發(fā)模式，運用在不同的軟件平臺進行的。其主體思路是在已有的風力發(fā)電機組上增加關鍵部分的傳感器，通過增加上位機對信號進行分析來提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和達到預警和故障分析的效果。
[0007]經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN101858778，
【公開日】2010 -10 -13，記載了一種基于振動監(jiān)測的風力發(fā)電機組故障自動診斷方法，通過加速度傳感器采集原始振動信號，前置通信子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)存儲和上傳，中央監(jiān)控服務器接收數(shù)據(jù)并存儲于數(shù)據(jù)庫。該方法還需在數(shù)據(jù)庫中建立故障特征頻率庫，作為故障診斷的依據(jù)。但是這種自動診斷方法十分依賴所建立的特征數(shù)據(jù)庫的準確性和完整性，信號處理的工程也完全依賴算法的精確性。對于缺少數(shù)據(jù)庫的新建風電機組以及缺乏理論基礎和算法的故障類型，該診斷方法就無法達到預期的故障檢測效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種基于物理組件模型和實時數(shù)據(jù)的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)，不僅對風力發(fā)電機組的狀態(tài)進行監(jiān)測，還仿真風力發(fā)電機的故障狀態(tài)，從而為風電機組性能失效的預測提供機理監(jiān)測與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型雙重驗證。
[0009]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括:風況輸入模塊、控制系統(tǒng)、變槳距操縱模塊、偏航操縱模塊、葉片物理模擬模塊和傳動模塊，其中:風況輸入模塊接收電廠獲得的實時風況信息，將該實時風況信息分別傳遞給控制系統(tǒng)和葉片物理模擬模塊，控制系統(tǒng)向偏航操縱模塊發(fā)送偏航系統(tǒng)控制策略，向變槳距操縱模塊發(fā)送變槳距系統(tǒng)控制策略，偏航操縱模塊生成機艙旋轉(zhuǎn)角及其角速度和角加速度信息并傳遞給葉片物理模擬模塊，變槳距操縱模塊生成葉片旋轉(zhuǎn)角及其角速度和角加速度信息并傳遞給葉片物理模擬模塊，葉片物理模擬模塊將獲得的信息與葉片受力和受力矩信息綜合后得到葉片的目標力矩、目標轉(zhuǎn)速以及目標角加速度信息并傳遞給傳動模塊，傳動模塊輸出電力信息。
[0010]所述的風況輸入模塊包括:風況輸入單元和系統(tǒng)輸入單元，其中:風況輸入單元將實時風況信息解析并一一對應之后，傳遞給系統(tǒng)輸入單元，系統(tǒng)輸入單元將這些信息傳遞給控制系統(tǒng)和葉片物理模擬模塊。
[0011]所述的實時風況信息包括:實時的風速和風向信息。
[0012]所述的控制系統(tǒng)包括:主控單元、變槳距控制模塊和偏航控制模塊，其中:主控單元接收風況輸入模塊的實時風況信息并生成主控制策略，并分別發(fā)送至變槳距控制模塊和偏航控制模塊，變槳距控制模塊生成變槳距系統(tǒng)控制策略并傳輸至變槳距操縱模塊，偏航控制模塊生成偏航系統(tǒng)控制策略傳輸至偏航操縱模塊。
[0013]所述的主控單元包括:風機控制策略單元和用于控制葉片偏角和機艙偏航角的風機啟動單元，其中:風機控制策略單元根據(jù)實時風況信息判斷風力發(fā)電機應該處于的工作狀態(tài)，生成對應此狀態(tài)下的控制策略并輸出至風機啟動單元。
[0014]所述的變槳距控制模塊包括:用于計算變槳距需求的開環(huán)控制計算器以及閉環(huán)控制器，其中:開環(huán)控制計算器通過實時風況信息計算出當前葉片所需槳距角并傳輸至閉環(huán)控制器，閉環(huán)控制器根據(jù)當前葉片所需槳距角、結(jié)合實際葉片的槳距角、偏轉(zhuǎn)速度的負反饋信息計算出此時葉片所需實際偏角、偏角速度以及角加速度并遞給變槳距操縱模塊。
[0015]所述的偏航控制模塊包括:偏航控制單元、比例調(diào)節(jié)控制器、積分調(diào)節(jié)控制器和偏航速度限制裝置，其中:偏航控制單元收集機艙實時位置信息，并根據(jù)風向的變化定義偏航角度，將定義的偏航角度與實時的機艙偏角和偏航速度進行對比并結(jié)合負反饋信息得到偏航電機的扭矩需求并輸出至比例調(diào)節(jié)控制器、積分調(diào)節(jié)控制器以及偏航速度限制裝置，偏航速度限制裝置向偏航操縱模塊輸出偏航電機的扭矩需求。
[0016]所述的機艙實時位置信息是指機艙與風向的相對偏角，該相對偏角根據(jù)風向的改變實時變化。
[0017]所述的變槳距操縱模塊包括:液壓裝置單元、連接液壓裝置、執(zhí)行機構單元以及控制變槳距執(zhí)行機構的運動副單元，其中:液壓裝置單元根據(jù)控制系統(tǒng)的變槳距系統(tǒng)控制策略提供動力并依次傳遞連接液壓裝置和運動副單元，運動副單元將動作信息傳遞給執(zhí)行機構單元，執(zhí)行機構單元作出相應的動作，完成葉片的偏轉(zhuǎn)。
[0018]所述的偏航操縱模塊包括:四個減速步進電機單元和一個電機控制器單元，其中:電機控制器單元接收控制系統(tǒng)的偏航系統(tǒng)控制策略并分別向四個減速步進電機單元輸出偏航操作信號，四個步進電機同步運動，共同帶動機艙關于塔筒旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機艙的偏航。
[0019]所述的葉片物理模擬模塊包括:葉片受力分析單元和葉片物理模型單元，其中:葉片受力分析單元通過分析計算實時風況信息和預存的葉片幾何參數(shù)計算出葉片的轉(zhuǎn)速、通過槳距角計算出葉片的攻角、通過葉片的攻角計算出葉片的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，并綜合得出葉片的升力和阻力；葉片受力分析單元另外通過升力、阻力、攻角和葉片的幾何參數(shù)計算出葉片的位置信息，將坐標傳遞給的葉片物理模型單元，實現(xiàn)葉片的可視化的功能，葉片物理模型單元根據(jù)葉片的位置信息，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并將力矩、轉(zhuǎn)速和角加速度信息傳遞給傳動模塊。
[0020]所述的傳動模塊包括:主軸模塊、齒輪箱模塊和發(fā)電機模塊，其中:來自葉片物理模擬模塊的葉片的目標力矩、目標轉(zhuǎn)速以及目標角加速度信息依次經(jīng)過主軸模塊、齒輪箱模塊處理傳輸至發(fā)電機模塊，發(fā)電機模塊輸出電力信息。
[0021]所述的電力信息包括:輸出功率和三相電壓信息。
[0022]本系統(tǒng)通過以下方式進行工作:根據(jù)各種預設的故障狀態(tài)下的監(jiān)測系統(tǒng)，將風力發(fā)電廠的實時風況信息輸入至該故障狀態(tài)下的監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)模擬運行、產(chǎn)生并輸出各種故障狀態(tài)下的虛擬故障參數(shù)；將風力發(fā)電廠在實際故障狀態(tài)下開機運行發(fā)電所產(chǎn)生的實際故障參數(shù)與各種故障狀態(tài)下的虛擬故障參數(shù)相比較，出現(xiàn)匹配的情況時即可確定相應的故障狀態(tài)。
[0023]本發(fā)明利用物理組件模型虛擬運行與實時數(shù)據(jù)進行對比來達到監(jiān)測風力發(fā)電機組的功能，革新了監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測模式。不僅對風力發(fā)電機組的狀態(tài)進行監(jiān)測，建立風力發(fā)電機組的工況檔案，及時作出故障預測和診斷；還仿真風力發(fā)電機的故障狀態(tài)，從而為風電機組性能失效的預測提供機理監(jiān)測與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型雙重驗證。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為現(xiàn)有的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)方法流程示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明控制系統(tǒng)結(jié)構示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明傳動模塊結(jié)構示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明基于物理組件模型和實時數(shù)據(jù)風力發(fā)電機組監(jiān)測方法流程圖；
[0029]圖6為本發(fā)明基于物理組件模型風電機組性能失效的預測提供機理檢測方法流程圖。
【具體實施方式】
[0030]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0031]如圖2所示，本實施例包括:風況輸入模塊、控制系統(tǒng)、變槳距操縱模塊、偏航操縱模塊、葉片物理模擬模塊和傳動模塊，其中:風況輸入模塊接收電廠獲得的實時風況信息，將該實時風況信息分別傳遞給控制系統(tǒng)和葉片物理模擬模塊，控制系統(tǒng)向偏航操縱模塊發(fā)送偏航系統(tǒng)控制策略，向變槳距操縱模塊發(fā)送變槳距系統(tǒng)控制策略，偏航操縱模塊生成機艙旋轉(zhuǎn)角及其角速度和角加速度信息并傳遞給葉片物理模擬模塊，變槳距操縱模塊生成葉片旋轉(zhuǎn)角及其角速度和角加速度信息并傳遞給葉片物理模擬模塊，葉片物理模擬模塊將獲得的信息與葉片受力和受力矩信息綜合后得到葉片的力矩、轉(zhuǎn)速以及角加速度信息并傳遞給傳動模塊，傳動模塊輸出電力信息。
[0032]所述的實時風況信息包括:實時的風速和風向信息。
[0033]如圖3所示，所述的控制系統(tǒng)包括:主控單元、變槳距控制模塊和偏航控制模塊，其中:主控單元接收實時風況信息并生成主控制策略，主控單元將主控制策略分別發(fā)送至變槳距控制模塊和偏航控制模塊，變槳距控制模塊生成變槳距系統(tǒng)控制策略并傳輸至變槳距操縱模塊，偏航控制模塊生成偏航系統(tǒng)控制策略傳輸至偏航操縱模塊。
[0034]所述的主控單元包括:風機控制策略單元和用于控制葉片偏角和機艙偏航角的風機啟動單元，其中:風機控制策略單元根據(jù)實時風況信息判斷風力發(fā)電機應該處于的工作狀態(tài)，生成對應此狀態(tài)下的控制策略并輸出至風機啟動單元。
[0035]所述的變槳距控制模塊包括:用于計算變槳距需求的開環(huán)控制計算器以及閉環(huán)控制器，其中:開環(huán)控制計算器通過實時風況信息計算出當前葉片所需槳距角并傳輸至閉環(huán)控制器，閉環(huán)控制器根據(jù)當前葉片所需槳距角、結(jié)合實際葉片的槳距角、偏轉(zhuǎn)速度的負反饋信息計算出此時葉片所需實際偏角、偏角速度以及角加速度并遞給變槳距操縱模塊。
[0036]所述的偏航控制模塊包括:偏航控制單元、比例調(diào)節(jié)控制器、積分調(diào)節(jié)控制器和偏航速度限制裝置，其中:偏航控制單元收集機艙實時位置信息，并根據(jù)風向的變化定義偏航角度，將定義的偏航角度與實時的機艙偏角和偏航速度進行對比并結(jié)合負反饋信息得到偏航電機的扭矩需求并輸出至比例調(diào)節(jié)控制器、積分調(diào)節(jié)控制器以及偏航速度限制裝置，偏航速度限制裝置向偏航操縱模塊輸出偏航電機的扭矩需求。
[0037]所述的機艙實時位置信息指的是:機艙與風向的相對偏角。這個相對偏角根據(jù)風向的改變實時變化。
[0038]所述的變槳距操縱模塊包括:液壓裝置單元、連接液壓裝置、執(zhí)行機構單元以及控制變槳距執(zhí)行機構的運動副單元，其中:液壓裝置單元根據(jù)控制系統(tǒng)的變槳距系統(tǒng)控制策略提供動力并依次傳遞連接液壓裝置和運動副單元，運動副單元將動作信息傳遞給執(zhí)行機構單元，執(zhí)行機構單元作出相應的動作，完成葉片的偏轉(zhuǎn)。
[0039]所述的偏航操縱模塊包括:四個減速步進電機單元和一個電機控制器單元，其中:電機控制器單元接收控制系統(tǒng)的偏航系統(tǒng)控制策略并分別向四個減速步進電機單元輸出偏航操作信號，四個步進電機同步運動，共同帶動機艙關于塔筒旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機艙的偏航。
[0040]所述的葉片物理模擬模塊包括:葉片受力分析單元和葉片物理模型單元，其中:葉片受力分析單元通過分析計算實時風況信息和預存的葉片幾何參數(shù)計算出葉片的轉(zhuǎn)速、通過槳距角計算出葉片的攻角、通過葉片的攻角計算出葉片的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，并綜合得出葉片的升力和阻力；葉片受力分析單元另外通過升力、阻力、攻角和葉片的幾何參數(shù)計算出葉片的位置信息，將坐標傳遞給的葉片物理模型單元，實現(xiàn)葉片的可視化的功能，葉片物理模型單元根據(jù)葉片的位置信息，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并將力矩、轉(zhuǎn)速和角加速度信息傳遞給傳動模塊。
[0041] 如圖4所示，所述的傳動模塊包括:主軸模塊、齒輪箱模塊和發(fā)電機模塊，其中:葉片的力矩、轉(zhuǎn)速以及角加速度信息依次經(jīng)過主軸模塊、齒輪箱模塊處理傳輸至發(fā)電機模塊，發(fā)電機模塊輸出電力信息。
所述的電力信息包括:輸出功率和三相電壓信息。
除了以上模塊間傳遞的信息之外，物理組件模型模塊還可以輸出風力發(fā)電機組的齒輪箱，主軸，發(fā)電機，主軸承，液壓系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)，變槳距系統(tǒng)，葉片物理模型各部件的特征參數(shù)。如主軸的轉(zhuǎn)矩，液壓系統(tǒng)的內(nèi)壓，潤滑系統(tǒng)的油壓。
實施例2
如圖5，基于物理組件模型及實時數(shù)據(jù)的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)，包括如下步驟:
建立符合風力發(fā)電機組控制策略和額定輸入輸出的風力發(fā)電機組物理組件模型。模型符合實施例1所述的結(jié)構和功能。模型具有高準確性的仿真功能，能夠輸出理論上風力發(fā)電機組正常運行狀態(tài)下的各部件的各項參數(shù)，并自動繪圖出表。
通過布置在風力發(fā)電廠的傳感器收集電廠風況信息，包括實時風速和風向，通過數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)導出傳輸給物理組件模型風況輸入模塊。
物理組件模型輸入得到的實時風況信息，包括風速和風向，虛擬運行風力發(fā)電機組，并建立可視化用戶界面。此時，發(fā)電廠內(nèi)實際的風力發(fā)電機組也在同步運行，而且其運行的風況條件和模型所輸入的實時風況信息是一致的。
風力發(fā)電機組模型虛擬運行，輸出風力發(fā)電機組在正常運作的情況下預期的工況信息和參數(shù)，并繪圖出表，必要的時候?qū)μ囟▓D表中數(shù)據(jù)的走向進行預測。
實際運行的風力發(fā)電機組，通過安裝在風力發(fā)電機上的傳感器，通過數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字安全系統(tǒng)輸出風力發(fā)電機組實際運作得到的工況信息和參數(shù)。
進行數(shù)據(jù)特征分析處理之后，對比風機發(fā)電機組模型虛擬運行和風力發(fā)電機組實際運行輸出的工況信息和參數(shù)，判斷風力發(fā)電機組運行狀況，如果偏差在可接受的安全范圍以內(nèi)，則判定風力發(fā)電機在正常運行，通過引入特征數(shù)據(jù)庫，預測風力發(fā)電機組可能出現(xiàn)的故障和部件；如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差，則系統(tǒng)調(diào)用特征數(shù)據(jù)庫的故障數(shù)據(jù)進行比對，進行特征參數(shù)的趨勢分析，自動診斷風力發(fā)電機組故障類型、部位及程度。
實施例3
如圖6，基于物理組件模型及實時數(shù)據(jù)的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)對風電機組性能失效的預測提供機理檢測方法，包括如下步驟:
建立符合控制策略和額定輸入輸出的風力發(fā)電機組故障狀態(tài)下的物理組件模型。
建立故障狀態(tài)下的模型只需要對之前建立的符合風力發(fā)電機組控制策略和額定輸入輸出的風力發(fā)電機組物理組件模型的模塊或者參數(shù)進行修改即可，如改變齒輪箱的傳動比模擬齒輪箱磨損狀態(tài)；改變?nèi)~片受力分析模塊計算公式模擬葉片損失狀態(tài)等等。
通過數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)取實時或者歷史風況信息，包括風速和風向，傳輸給物理組件模型。 物理組件模型輸入得到的風況信息，包括風速和風向，虛擬運行故障狀態(tài)的風力發(fā)電機組模型；也可以在正常狀態(tài)下的風力發(fā)電機組模型中輸入模擬的風場風況信息，如極端風速，突變風向以模擬惡劣工作環(huán)境下風力發(fā)電機的非正常工作運行，并建立可視化用戶界面。
風力發(fā)電機組模型虛擬運行，輸出故障狀態(tài)下或者惡劣環(huán)境下風力發(fā)電機組的工況信息和工作參數(shù)。
將得到的各部件工況信息和工作參數(shù)進行特征分析處理。調(diào)取歷史風力發(fā)電機組故障檢測數(shù)據(jù)，通過與模擬的各項參數(shù)和趨勢進行比對匹配，檢測故障預測的準確性，驗證故障機理。
如果驗證機理與歷史數(shù)據(jù)特征不匹配，則重新對數(shù)據(jù)進行特征分析，再次進行機理驗證，直至驗證機理數(shù)據(jù)與歷史特征數(shù)據(jù)達到匹配。
機理驗證匹配之后，將故障狀態(tài)下或者惡劣環(huán)境下風力發(fā)電機組的工況信息和參數(shù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，同時將故障的內(nèi)容記入數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫中建立故障特征庫:分類存儲風力發(fā)電機各部件特征參數(shù)，以及特征參數(shù)趨勢。作為故障診斷的依據(jù)。
特征數(shù)據(jù)庫供實施例2運用，對比和分析風機發(fā)電機組實際發(fā)生故障時的工況信息和參數(shù)，驗證和補充風力發(fā)電機組故障類型、部位及程度。
【權利要求】
1.一種基于物理組件模型和實時數(shù)據(jù)的風力發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括:風況輸入模塊、控制系統(tǒng)、變槳距操縱模塊、偏航操縱模塊、葉片物理模擬模塊和傳動模塊，其中:風況輸入模塊接收電廠獲得的實時風況信息，將該實時風況信息分別傳遞給控制系統(tǒng)和葉片物理模擬模塊，控制系統(tǒng)向偏航操縱模塊發(fā)送偏航系統(tǒng)控制策略，向變槳距操縱模塊發(fā)送變槳距系統(tǒng)控制策略，偏航操縱模塊生成機艙旋轉(zhuǎn)角及其角速度和角加速度信息并傳遞給葉片物理模擬模塊，變槳距操縱模塊生成葉片旋轉(zhuǎn)角及其角速度和角加速度信息并傳遞給葉片物理模擬模塊，葉片物理模擬模塊將獲得的信息與葉片受力和受力矩信息綜合后得到葉片的目標力矩、目標轉(zhuǎn)速以及目標角加速度信息并傳遞給傳動模塊，傳動模塊輸出電力信息； 所述的風況輸入模塊包括:風況輸入單元和系統(tǒng)輸入單元，其中:風況輸入單元將實時風況信息解析并對應之后，傳遞給系統(tǒng)輸入單兀，系統(tǒng)輸入單兀將這些信息傳遞給控制系統(tǒng)和葉片物理模擬模塊； 所述的控制系統(tǒng)包括:主控單元、變槳距控制模塊和偏航控制模塊，其中:主控單元接收風況輸入模塊的實時風況信息并生成主控制策略，并分別發(fā)送至變槳距控制模塊和偏航控制模塊，變槳距控制模塊生成變槳距系統(tǒng)控制策略并傳輸至變槳距操縱模塊，偏航控制模塊生成偏航系統(tǒng)控制策略傳輸至偏航操縱模塊。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的主控單元包括:風機控制策略單元和用于控制葉片偏角和機艙偏航角的風機啟動單元，其中:風機控制策略單元根據(jù)實時風況信息判斷風力發(fā)電機應該處于的工作狀態(tài)，生成對應此狀態(tài)下的控制策略并輸出至風機啟動單元。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的變槳距控制模塊包括:用于計算變槳距需求的開環(huán)控制計 算器以及閉環(huán)控制器，其中:開環(huán)控制計算器通過實時風況信息計算出當前葉片所需槳距角并傳輸至閉環(huán)控制器，閉環(huán)控制器根據(jù)當前葉片所需槳距角、結(jié)合實際葉片的槳距角、偏轉(zhuǎn)速度的負反饋信息計算出此時葉片所需實際偏角、偏角速度以及角加速度并遞給變槳距操縱模塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的偏航控制模塊包括:偏航控制單元、比例調(diào)節(jié)控制器、積分調(diào)節(jié)控制器和偏航速度限制裝置，其中:偏航控制單元收集機艙實時位置信息，并根據(jù)風向的變化定義偏航角度，將定義的偏航角度與實時的機艙偏角和偏航速度進行對比并結(jié)合負反饋信息得到偏航電機的扭矩需求并輸出至比例調(diào)節(jié)控制器、積分調(diào)節(jié)控制器以及偏航速度限制裝置，偏航速度限制裝置向偏航操縱模塊輸出偏航電機的扭矩需求。
5.根據(jù)權利要求2、3或4所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的變槳距操縱模塊包括:液壓裝置單元、連接液壓裝置、執(zhí)行機構單元以及控制變槳距執(zhí)行機構的運動副單元，其中:液壓裝置單元根據(jù)控制系統(tǒng)的變槳距系統(tǒng)控制策略提供動力并依次傳遞連接液壓裝置和運動副單元，運動副單元將動作信息傳遞給執(zhí)行機構單元，執(zhí)行機構單元作出相應的動作，完成葉片的偏轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權利要求2、3或4所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的偏航操縱模塊包括:四個減速步進電機單元和一個電機控制器單元，其中:電機控制器單元接收控制系統(tǒng)的偏航系統(tǒng)控制策略并分別向四個減速步進電機單元輸出偏航操作信號，四個步進電機同步運動，共同帶動機艙關于塔筒旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機艙的偏航。
7.根據(jù)權利要求2、3或4所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的葉片物理模擬模塊包括:葉片受力分析單元和葉片物理模型單元，其中:葉片受力分析單元通過分析計算實時風況信息和預存的葉片幾何參數(shù)計算出葉片的轉(zhuǎn)速、通過槳距角計算出葉片的攻角、通過葉片的攻角計算出葉片的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，并綜合得出葉片的升力和阻力；葉片受力分析單元另外通過升力、阻力、攻角和葉片的幾何參數(shù)計算出葉片的位置信息，將坐標傳遞給的葉片物理模型單元，實現(xiàn)葉片的可視化的功能，葉片物理模型單元根據(jù)葉片的位置信息，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并將力矩、轉(zhuǎn)速和角加速度信息傳遞給傳動模塊。
8.根據(jù)權利要求2、3或4所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的傳動模塊包括:主軸模塊、齒輪箱模塊和發(fā)電機模塊，其中:來自葉片物理模擬模塊的葉片的目標力矩、目標轉(zhuǎn)速以及目標角加速度信息依次經(jīng)過主軸模塊、齒輪箱模塊處理傳輸至發(fā)電機模塊，發(fā)電機模塊輸出電力信息。
【文檔編號】F03D7/00GK104018988SQ201410268357
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權日:2014年6月16日
【發(fā)明者】劉成良, 汪一波, 黃亦翔 申請人:上海交通大學