本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航剎車系統(tǒng)的控制方法。

背景技術(shù)：

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分。當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過偏航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)地對(duì)風(fēng)，以便風(fēng)輪可以捕獲最大的風(fēng)能。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常使用電動(dòng)裝置作為驅(qū)動(dòng)，偏航系統(tǒng)一般包括風(fēng)向標(biāo)傳感器、偏航電機(jī)、行星齒輪減速器、偏航小齒輪、偏航大齒輪盤、液壓剎車裝置、電機(jī)抱閘等。偏航系統(tǒng)的主體控制技術(shù)已經(jīng)基本成熟，一般是通過風(fēng)向標(biāo)檢測風(fēng)向變化，然后使偏航電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的偏航速度運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過多級(jí)減速機(jī)放大力矩，帶動(dòng)機(jī)艙整體旋轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測到風(fēng)向再次對(duì)正后，剎車裝置動(dòng)作，完成一次偏航過程。

偏航系統(tǒng)控制的細(xì)節(jié)仍有很大的研究空間。以偏航剎車裝置為例，現(xiàn)今的控制方式通常只是先抱緊外部液壓剎車，靠滑動(dòng)摩擦阻尼減速，然后再執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的電機(jī)剎車抱閘，這樣的控制方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的弊端。液壓剎車摩擦片是易損耗件，長期使用后其制動(dòng)力矩會(huì)有所降低，制動(dòng)距離就會(huì)變長造成偏航定位不準(zhǔn)確，即對(duì)風(fēng)偏差，這在一定程度上影響風(fēng)輪捕獲最大風(fēng)能，造成發(fā)電量降低；此外，由于加工制造和安裝的問題，偏航小齒輪與偏航大齒輪盤之間會(huì)存在一定的空隙，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)引起沖擊，使得機(jī)組側(cè)向振動(dòng)加速度增大，給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來安全隱患。

關(guān)于對(duì)風(fēng)偏差問題的解決方案，風(fēng)電整機(jī)廠商往往著眼于傳感檢測系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如改善偏航機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制造工藝和提高安裝精度、風(fēng)向標(biāo)采集信號(hào)的優(yōu)化調(diào)整與補(bǔ)償、伺服驅(qū)動(dòng)裝置的啟?？刂品椒ǖ龋粚?duì)于偏航齒輪間隙問題，也往往是從純機(jī)械的角度去思考，如增加預(yù)緊結(jié)構(gòu)裝置、安裝偏心套、增加周向壓簧結(jié)構(gòu)等。很少有企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)注意到偏航剎車裝置的控制環(huán)節(jié)。

專利CN201110280675.2和CN201220457314.0提出了由一個(gè)偏航控制器控制多個(gè)偏航變頻器，再由每個(gè)偏航變頻器驅(qū)動(dòng)一到多個(gè)偏航電機(jī)來實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)的方法，并未提及偏航變頻器的具體控制細(xì)節(jié)，增加了硬件復(fù)雜程度和經(jīng)濟(jì)成本；專利CN201120413867.1提出了多組偏航變頻器異步運(yùn)動(dòng)減小齒輪間隙的方法，大大降低了偏航引起的機(jī)組振動(dòng)，但其沒有阻尼制動(dòng)系統(tǒng)，重復(fù)對(duì)風(fēng)精度低；專利CN201110122240.5在偏航控制時(shí)利用了偏航變頻器的扭矩控制方法，有效控制了偏航齒輪嚙合作用力，但并未注意到偏航齒輪間隙的影響，也沒有進(jìn)行有關(guān)對(duì)風(fēng)偏差的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種基于變頻器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航剎車夾緊控制方法。本發(fā)明目的在于減小偏航齒輪嚙合間隙，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的對(duì)風(fēng)精度，進(jìn)而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)穩(wěn)定性和風(fēng)能吸收效率。

本發(fā)明基于成熟的變頻器驅(qū)動(dòng)裝置。普通小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常使用三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)，開環(huán)控制精度低、啟停沖擊大，現(xiàn)今兆瓦級(jí)以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般都配備帶有伺服控制功能的變頻器，閉環(huán)方式控制精準(zhǔn)、控制方式靈活可靠性高、帶載平穩(wěn)沖擊小。

本發(fā)明硬件核心是PLC控制器和變頻器，PLC控制器具備可編程的邏輯處理功能，變頻器具備伺服驅(qū)動(dòng)功能。

本發(fā)明的控制方法是：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常偏航過程中使用速度控制模式，控制機(jī)艙平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一次正常的偏航過程后，通過PLC控制器控制兩組變頻器，切換速度控制模式為轉(zhuǎn)矩控制模式，利用變頻器的轉(zhuǎn)矩控制方法，控制偏航電機(jī)的輸出扭矩，驅(qū)動(dòng)兩組偏航小齒輪施加對(duì)向嚙合力矩，夾緊偏航大齒輪盤，從而減小嚙合齒間間隙。

所述的轉(zhuǎn)矩控制方法精確控制偏航齒輪嚙合力矩，驅(qū)動(dòng)兩組偏航電機(jī)施加對(duì)向扭矩。PLC控制器統(tǒng)一控制控制模式的切換以及外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合。PLC控制器向變頻器發(fā)送轉(zhuǎn)矩控制命令，并給定一個(gè)轉(zhuǎn)矩值作為控制目標(biāo)參數(shù)，變頻器根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩值以及事先輸入的偏航電機(jī)參數(shù)，計(jì)算輸出電流值，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)旋轉(zhuǎn)，此過程中電機(jī)電流環(huán)的輸出保持恒定。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，變頻器不斷檢測負(fù)載轉(zhuǎn)矩值的變化，如果外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于或等于電機(jī)設(shè)定的輸出轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能夠保持在設(shè)定轉(zhuǎn)矩不變，即電機(jī)跟隨負(fù)載運(yùn)動(dòng)。如果外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)設(shè)定的輸出轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)一直加速，直到外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)設(shè)定的輸出轉(zhuǎn)矩持平，加速過程中倘若電機(jī)轉(zhuǎn)速超過了最大極限轉(zhuǎn)速，會(huì)報(bào)警停機(jī)。

本發(fā)明適用于帶有兩組變頻器的偏航系統(tǒng)，所用變頻器需具備轉(zhuǎn)矩控制功能，否則可能發(fā)生因扭力過大折斷齒輪或因長時(shí)間過載運(yùn)行損壞電機(jī)的情況。為控制齒輪嚙合作用力，需要嚴(yán)格設(shè)定偏航變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩，一般與實(shí)際總負(fù)載轉(zhuǎn)矩相當(dāng)即可，可根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)，但不得超過偏航電機(jī)允許的最大極限。

本發(fā)明所提到的偏航電機(jī)數(shù)目不得少于4個(gè)，分為兩組，兩組電機(jī)的數(shù)量之差不超過1。每組偏航電機(jī)分別由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，偏航電機(jī)通過減速器與偏航小齒輪連接，且兩組偏航小齒輪最好為對(duì)稱布置，以使偏航大齒輪盤受扭力均勻。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明偏航剎車夾緊控制方法可有效減小嚙合齒間間隙，減小偏航系統(tǒng)引發(fā)的機(jī)組側(cè)向振動(dòng)加速度；伺服驅(qū)動(dòng)控制方式靈活精確，有助于實(shí)現(xiàn)精確對(duì)風(fēng)，提高機(jī)組發(fā)電量；實(shí)際應(yīng)用時(shí)簡便易行。大型兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的主流，其偏航系統(tǒng)一般都配備多電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，通常僅需增加軟件控制邏輯即可達(dá)到效果，具有很強(qiáng)的通用性和經(jīng)濟(jì)性。

附圖說明

圖1為偏航小齒輪布局示意圖，圖中：A1、A2、A3第一組偏航小齒輪，B1、B2、B3第二組偏航小齒輪，C偏航大齒輪盤；

圖2為偏航剎車控制過程流程圖；

圖3為速度控制模式流程圖；

圖4為轉(zhuǎn)矩控制模式流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明偏航剎車夾緊控制方法基于一臺(tái)具備邏輯運(yùn)算功能的PLC控制器、兩組具備伺服驅(qū)動(dòng)功能的變頻器及偏航電機(jī)實(shí)現(xiàn)，風(fēng)向標(biāo)傳感器、液壓剎車裝置等器件也是必要的。

如圖1所示，兩組偏航小齒輪A1、A2、A3和B1、B2、B3相對(duì)偏航大齒輪盤C對(duì)稱布置。第一組偏航小齒輪A1、A2、A3由第一臺(tái)變頻器控制的3臺(tái)偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)；第二組偏航小齒輪B1、B2、B3由第二臺(tái)變頻器控制的3臺(tái)偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

如圖2所示，本發(fā)明具體的控制方法如下：

步驟1：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)向標(biāo)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)向變化，當(dāng)檢測到風(fēng)向偏差滿足偏航啟動(dòng)條件時(shí)，PLC控制器發(fā)出指令，解除液壓剎車裝置和電機(jī)抱閘，同時(shí)命令變頻器使用速度控制方式，控制所有偏航電機(jī)帶動(dòng)六個(gè)偏航小齒輪A1、B1、A2、B2、A3、B3等速同向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)偏航；

步驟2：風(fēng)向標(biāo)傳感器檢測到當(dāng)前的風(fēng)向偏差滿足偏航停止條件時(shí)，PLC控制器首先發(fā)出液壓剎車抱閘指令，控制液壓剎車抱閘阻尼制動(dòng)，緊接著發(fā)出切換速度控制模式為轉(zhuǎn)矩控制模式的指令；

步驟3：接收到液壓剎車報(bào)閘完成反饋信號(hào)后，PLC控制器立即命令變頻器驅(qū)動(dòng)兩組偏航電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，控制一組偏航小齒輪A1、A2、A3正向微動(dòng)，另一組偏航小齒輪B1、B2、B3反向微動(dòng)，從而施加對(duì)向力矩，夾緊偏航大齒輪盤C；

步驟4：待兩臺(tái)變頻器檢測到負(fù)載扭矩均達(dá)到設(shè)定值后，立即執(zhí)行電機(jī)剎車抱閘，鎖緊偏航機(jī)構(gòu)；

步驟5：PLC控制器發(fā)出切換轉(zhuǎn)矩控制模式為速度控制模式的指令，準(zhǔn)備執(zhí)行下一次偏航。

步驟1所述的正常偏航過程使用速度控制模式，速度控制模式流程如圖3所示，變頻器根據(jù)PLC控制器發(fā)出的速度指令以及電機(jī)編碼器的速度閉環(huán)反饋，計(jì)算速度控制模擬量參數(shù)，再經(jīng)過變頻器內(nèi)部的電流環(huán)控制，控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。

步驟3所述的偏航剎車過程使用轉(zhuǎn)矩控制模式，轉(zhuǎn)矩控制模式流程如圖4所示，PLC控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)矩控制指令，經(jīng)過變頻器內(nèi)部的電流環(huán)，通過霍爾裝置檢測電機(jī)的輸出電流反饋，再結(jié)合PID計(jì)算調(diào)節(jié)，使輸出電流盡可能接近于設(shè)定電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的恒定控制。

單個(gè)變頻器的轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制方式并不限于本發(fā)明方法，不同廠家不同型號(hào)的變頻器的控制方式會(huì)有所不同。