风力发电机组的变桨控制方法及其控制系统与流程

1.本公开涉及风力发电技术领域，更具体地，本公开涉及一种风力发电机组的变桨控制方法及其控制系统。


背景技术：

2.风力发电机组是将风能转换成电能的设备，风能通过叶轮带动动轴和发电机转换成电能。
3.导电滑环是利用导电环的滑动接触、静电耦合或电磁耦合，在固定座架转动部件与滚动或滑动部件之间传递电信号和电能传递的精密输电装置。其广泛应用于要求提供无限制、连续或断续的360度旋转、提供多通路的旋转动力、数据和讯号的所有机电系统。导电滑环大大简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。导电滑环组件是由滑环体、电刷组件、固定支架、同芯球轴承等几大重要部件构成。导电滑环在结构设计上要保证接触可靠，保证所有的线路连续接通。
4.在风力发电机组中，由于变桨系统安装在轮毂内随叶轮一起转动，而机舱是固定的，所以导电滑环是风力发电机中不可缺少的部件之一。但是，由于导电滑环传输几十种不同的电信号，例如，高频的交流电、高电压的交流电、大电流的交流电、弱小的直流小信号，并且导电滑环环间距离很近，所以各种信号在传输过程中互相产生干扰，从而严重地影响了信息传输。
5.图1示出了风力发电机组的主控系统与变桨系统之间的控制逻辑。参照图1，主控系统(未示出)将发电机实际转速值与预设的转速设定值进行比较，利用pid控制器104进行pid运算，并通过导电滑环106将需求的速度命令发送给变桨系统的变桨控制器101；变桨控制器101根据接收到的速度命令将需求的变桨速度以及使能信号发送给变桨驱动器102，变桨驱动器102接收到使能信号和变桨速度后，控制变桨电机103刹车松闸并驱动变桨电机103运行，实现叶片调桨功能。旋转编码器105将根据绝对值信号所测的角度反馈给变桨控制器101，将根据增量信号所测的速度反馈给变桨驱动器102。此外，变桨控制器101通过滑环106将从旋转编码器105接收的角度反馈给gh控制器104。当速度命令为0时，变桨驱动器102控制变桨电机刹车抱闸。
6.然而，从图1中可看出，变桨控制器101若要控制变桨驱动器102运行并使变桨驱动器102驱动变桨电机103运转，需要同时发送速度命令和使能信号，一旦变桨控制器101与主控控制器之间的导电滑环106通信中断后，速度命令和使能信号这两个信号都会变为0或没有输出值，此时变桨驱动器102由于接收不到运行命令，就无法再进行正常的调桨控制。
7.目前风力发电机组对于导电滑环干扰导致的通信故障，只能通过采取停机操作保证风力发电机组的安全性，即主控系统在检测到导电滑环通信发生错误后，会立即执行收桨停机，以保证风力发电机组的安全，但是这可能导致风力发电机组不必要的停机，影响风力发电机组的发电量。


技术实现要素：

8.本公开的示例性实施例提供了一种风力发电机组的控制方法及其控制系统，至少解决上述技术问题和上文未提及的其它技术问题，并且提供下述的有益效果。
9.本公开的一方面在于提供一种风力发电机组的控制方法，所述控制方法可以包括以下步骤：由风力发电机组的主控控制器确定风力发电机组是否发生单轴通信故障，所述单轴通信故障为由于主控控制器与风力发电机组的一个变桨控制器之间的导电滑环故障而导致的主控控制器与所述一个变桨控制器之间的通信故障；在确定风力发电机组发生单轴通信故障后，由主控控制器和发生单轴通信故障的变桨控制器分别记录发生单轴通信故障之前的速度命令，并且风力发电机组的主控系统和与所述变桨控制器相应的变桨系统进入冗余运行模式；在冗余运行模式下，由主控系统保持风力发电机组的外部安全链闭合，并且由所述变桨系统基于所述速度命令执行收桨操作。
10.本公开的另一方面在于提供一种风力发电机组的控制系统，所述控制系统可以包括：主控系统，包括主控控制器；至少一个变桨系统，包括至少一个变桨控制器；导电滑环，包括多个通信信道，所述多个通信信道分别将主控控制器与所述至少一个变桨控制器中的每一个连接以进行数据通信；以及安全链。其中，主控控制器确定风力发电机组是否发生单轴通信故障，所述单轴通信故障为由于主控控制器与一个变桨控制器之间的通信信道故障而导致的主控控制器与所述一个变桨控制器之间的通信故障，在确定风力发电机组发生单轴通信故障后，主控控制器和发生单轴通信故障的变桨控制器分别记录发生单轴通信故障之前的速度命令，并且主控系统和与所述变桨控制器相应的变桨系统进入冗余运行模式，在冗余运行模式下，主控系统保持所述安全链的外部安全链闭合，并且所述变桨系统基于所述速度命令执行收桨操作。
11.本公开的另一方面在于提供一种风力发电机组的控制装置，所述控制装置可以包括确定模块和控制模块。其中，确定模块可以利用风力发电机组的主控控制器确定风力发电机组是否发生单轴通信故障，所述单轴通信故障为由于主控控制器与风力发电机组的一个变桨控制器之间的导电滑环故障而导致的主控控制器与所述一个变桨控制器之间的通信故障。在确定风力发电机组发生单轴通信故障后，控制模块可以控制主控控制器和发生单轴通信故障的变桨控制器分别记录发生单轴通信故障之前的速度命令，并且风力发电机组的主控系统和与所述变桨控制器相应的变桨系统进入冗余运行模式，在冗余运行模式下，控制主控系统保持风力发电机组的外部安全链闭合，并且控制所述变桨系统基于所述速度命令执行收桨操作。
12.根据本公开的另一示例性实施例，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机程序被处理器执行时实现如上所述的风力发电机组的控制方法。
13.根据本公开的另一示例性实施例，提供一种计算机，包括存储有计算机程序的可读介质和处理器，其特征在于，当处理器运行计算机程序时执行如上所述的风力发电机组的控制方法。
14.基于以上描述的方法、系统和装置，不需要对风力发电机组进行任何硬件改造，也不需要增加冗余通信设置，即可实现通信闪动故障后的冗余运行，并且在冗余运行期间，由于出现通信故障的变桨系统依然具有一定的调桨功能，所以可以保证风力发电机的运行安全，并且不会由于叶片的调桨控制而导致立即触发“角度不一致”故障，从而延长风力发电
机组的冗余运行的时间，有效进行dp通信闪断容错控制。
15.此外，将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
附图说明
16.通过结合附图，从实施例的下面描述中，本公开这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
17.图1示出了风力发电机组的主控系统与变桨系统之间的控制逻辑图；
18.图2是根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的控制系统的框图；
19.图3是根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的控制方法的流程图；
20.图4是根据本公开的另一示例性实施例的风力发电机组的控制方法的流程图；
21.图5是根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的控制装置的框图。
具体实施方式
22.提供参照附图的以下描述以帮助对由权利要求及其等同物限定的本公开的实施例的全面理解。包括各种特定细节以帮助理解，但这些细节仅被视为是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对描述于此的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简洁，省略对公知的功能和结构的描述。
23.由于通信数据是比较敏感的数字量信号，导电滑环的干扰很容易影响到通信数据的稳定性和可靠性，而风力发电机组的主控系统通常设置在机舱内，主控系统控制变桨系统的运行主要是通过导电滑环的通信来实现，所以风力发电机组经常出现由于导电滑环受到干扰而导致通信闪断(即通信中断较短时间(例如，1s)后又恢复正常)的现象，导致风力发电机组停机，或者由于通信数据受到干扰导致变桨控制器接收到错误的桨角指令数据，使得变桨系统误动作。
24.目前，对于导电滑环干扰原因导致的通信故障，只能通过停机保证风力发电机组的安全性，其主要包括以下原因：变桨系统没有采集风速值，不能判断当前风速值的大小，而风速是瞬变的，所以在通信出现闪断故障后，变桨系统不能盲目运行，否则极易危害风力发电机组安全；变桨系统不能检测发电机或低速轴的转速值，即使有的风力发电机的主控系统将发电机转速值传送给变桨系统，但数据的传输依然是通过导电滑环来传输，在导电滑环出现闪断现象后，数据无法进行有效的传递，这时变桨系统不能盲目运行，否则极易危害风力发电机组安全；通过通信数据校验的方式，可以有效防止变桨系统误动作，但不能实现滑环闪断的容错功能，即变桨系统检测到通信数据的校验结果发生错误后，会立即执行收桨停机，以保证风力发电机组的安全；即使考虑到使用无线通信进行通信冗余，但是无线通信易受到屏蔽或干扰且需增加较多的无线模块，改造成本较高；如果采用不触发故障，直接对风力发电机容错，则这种方法具有一定的盲目性，对风机安全有较大的隐患，且如果此时正常通信的变桨系统的叶片在调桨，其冗余运行的时间很短，会很快触发“角度不一致”故障。这里，“角度不一致”故障是指由在一定时间内风力发电机组的各个叶片之间的桨距角差值大于故障阈值而触发故障信号。例如，在风力发电机组正常运行情况下，风力发电机组的各个变桨系统的变桨速度值偏差较小，所以在一定时间内，各个叶片的桨距角差值小
于“角度不一致”故障阈值(一般为3.5度/秒)。如果各个叶片的桨距角差值大于或等于“角度不一致”故障阈值，则会触发“角度不一致”故障。
25.基于上述原因，本公开提供了一种解决通信中断的控制方法及设备。在风力发电机组发生单轴通信故障后，利用变桨系统运行时与主控系统交互的运行特性，实现通信中断期间的冗余运行，从而较少风力发电机组的故障率和停机次数，同时可以保证风力发电机组的运行安全。
26.在下文中，根据本公开的各种实施例，将参照附图对本公开的设备以及方法进行描述。
27.图2是根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的控制系统。
28.参照图2，控制系统200可以包括风力发电机组的主控系统201、变桨系统202、导电滑环203以及内部安全链204和外部安全链205。这里，图2示出了具有三个叶片的风力发电机组的三个变桨系统202。其中，主控系统201包括主控控制器206。每个变桨系统202均包括一个变桨控制器207。导电滑环203包括多个通信信道，主控控制器206分别与每个变桨控制器207经由导电滑环203的一个通信信道连接以进行数据通信。
29.内部安全链204可以包括信号输入端、信号输出端和与变桨系统202的数量相应的继电器的触点开关，每个触点开关串联连接。具体地，内部安全链204通过信号输入端由24v电源供电，与三个变桨系统202的继电器13k4的触点开关串联连接，之后经由信号输出端接入主控控制器206的数字量输入端di。每个继电器13k4的线圈分别由相应的变桨控制器207控制通断。
30.外部安全链205可以包括信号输入端、信号输出端、急停按钮、过速开关、振动开关以及与变桨系统202的数量相应的继电器18k9的线圈等。具体地，外部安全链205经由主控控制器206的数字量输出端do输出一个24v信号，串联连接振动开关3s1、过速开关3s2、急停按钮3s3以及三个继电器18k9的线圈。三个继电器18k9的触点开关分别接入到相应变桨控制器207的数字量输入端di。
31.此外，急停按钮3s3、过速开关3s2、振动开关3s1一般都接入到继电器128k4中，由继电器128k4统一检测，其中，任何一个由高电平变为低电平的信号都会使外部安全链205断开。
32.主控控制器206可以控制风力发电机组的启动、运行、停止，并且主控控制器206将桨距角控制指令发送到每个变桨控制器207，每个变桨控制器207在接收到主控控制器206发送的指令后，控制叶片开桨、收桨以实现最大功率输出并保证按照稳定转速运行，并与主控控制器206进行数据交互。
33.在正常通信情况下每个变桨控制器207控制各自的变桨系统202中的继电器13k4吸合，此时内部安全链204处于闭合状态。当某一变桨控制器207出现通信故障后，该变桨控制器207会控制相应的继电器13k4断开，从而使内部安全链204断开。主控控制器206在检测到内部安全链204断开后，通过继电器128k4控制外部安全链205断开，另外的未出现通信故障的变桨控制器207在检测到外部安全链205断开后，会触发故障信号，与出现通信故障的变桨控制器207同步收桨。但是这可能导致风力发电机组不必要的停机，影响风力发电机组的发电量。在本公开中，继电器的型号仅是用于说明，并不旨在将继电器的型号限制于此。
34.根据本公开的实施例，主控控制器206可以确定风力发电机组是否发生单轴通信
故障。所述单轴通信故障为由于主控控制器206与一个变桨控制器207之间的通信信道故障而导致的主控控制器206与该变桨控制器207之间的通信故障。在确定风力发电机组发生单轴通信故障后，主控控制器206和发生单轴通信故障的变桨控制器207分别记录发生单轴通信故障之前的速度命令，并且主控系统201和与该变桨控制器207相应的变桨系统202进入冗余运行模式。在冗余运行模式下，主控系统201保持外部安全链205闭合，并且该变桨系统202基于变桨控制器207所记录的速度命令执行收桨操作。
35.在确定发生单轴通信故障后，发生单轴通信故障的变桨控制器207可以根据发生单轴通信故障之前的速度命令中的速度值是否大于零来不同地执行收桨操作。具体的，当速度命令中的速度值大于零时，变桨控制器207控制相应的变桨系统202按照发生单轴通信故障之前的速度或者发生单轴通信故障之前预定时间段的速度均值执行收桨操作。例如，如果发生单轴通信故障之前的速度值大于0，例如为2度/秒，则发生单轴通信故障的变桨系统202仍可以按照2度/秒或发生单轴通信故障之前的一段时间内的速度平均值执行冗余运行操作。这样设置的原因在于此时另外正常运行的变桨系统202在短时间内其变桨速度也近似为2度/秒，这样，由于每个变桨系统202之间的变桨速度值偏差较小，所以在一定时间内，各个叶片的桨距角差值小于“角度不一致”故障阈值(一般为3.5度/秒)。当速度命令中的速度值小于或等于零时，变桨控制器207控制变桨系统202按照比发生单轴通信故障之前的速度小的速度执行收桨操作。例如，如果发生单轴通信故障之前的速度为小于或等于0，例如为-2度/秒，则发生单轴通信故障的变桨系统202仍按照较小的速度执行冗余运行操作，例如按照0.1～0.5度/秒执行冗余运行操作。这样设置的原因在于此时另外正常运行的变桨系统202在短时间内如果变桨速度为0，则可以冗余运行的最大时间为3.5/0.1＝35秒，即可以延长运行时间。
36.在冗余运行模式下，主控控制器206可以实时地监测风力发电机组的转速值。当监测到的转速值超过预设值时，主控控制器206可以控制主控系统201断开外部安全链205并且触发故障停机。通过监测发电机的转速值来保障风力发电机组运行安全。
37.当冗余运行模式到期时，主控控制器206确定单轴通信故障是否恢复正常。如果单轴通信故障恢复正常，则主控控制器206控制主控系统201和发生单轴通信故障的变桨系统202进行正常运行模式。如果单轴通信故障没有恢复，则主控控制器206控制主控系统201断开外部安全链205并且触发故障停机。
38.当主控控制器206确定风力发电机组发生至少两个单轴通信故障时，主控系统201控制风力发电机组停机。
39.图3是根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的控制方法。
40.参照图3，在步骤s301，由风力发电机组主控系统中的主控控制器确定风力发电机组是否发生单轴通信故障，所述单轴通信故障为由于主控控制器与一个变桨控制器之间的导电滑环故障而导致的主控控制器与所述一个变桨控制器之间的通信故障。当确定风力发电机组发生单轴通信故障后，进行步骤s302。如果确定风力发电机组发生至少两个单轴通信故障后，风力发电机组停机。
41.在步骤s302，由主控控制器和发生单轴通信故障的变桨控制器分别记录发生单轴通信故障之前的速度命令，并且主控系统和与该变桨控制器相应的变桨系统进入冗余运行模式。
42.在步骤s303，在冗余运行模式下，由主控系统保持风力发电机组的外部安全链闭合，并且由发生单轴通信故障的变桨系统基于记录的速度命令执行收桨操作。发生单轴通信故障的变桨控制器可以根据发生单轴通信故障之前的速度命令中的速度值是否大于零来不同地执行收桨操作。具体地，当速度命令中的速度值大于零时，变桨控制器控制相应的变桨系统按照发生单轴通信故障之前的速度或者发生单轴通信故障之前预定时间段的速度均值执行收桨操作。例如，如果发生单轴通信故障之前的速度值大于0，例如为2度/秒，则发生单轴通信故障的变桨系统仍可以按照2度/秒或发生单轴通信故障之前的一段时间内的速度平均值执行冗余运行操作。当速度命令中的速度值小于或等于零时，变桨控制器控制变桨系统按照比发生单轴通信故障之前的速度小的速度执行收桨操作。例如，如果发生单轴通信故障之前的速度为小于或等于0，例如为-2度/秒，则发生单轴通信故障的变桨系统仍按照较小的速度执行冗余运行操作，例如按照0.1～0.5度/秒执行冗余运行操作。通过这样的设置可以避免出现叶片桨距角“角度不一致”故障。
43.图4是根据本公开的另一示例性实施例的风力发电机组的控制方法。
44.参照图4，在步骤s401，由风力发电机组的主控控制器确定风力发电机组是否发生单轴通信故障。如果确定风力发电机组发生单轴通信故障，则执行步骤s402。如果确定风力发电机组发生至少两个单轴通信故障，则不执行冗余运行，主控系统控制风力发电机组停机。
45.在步骤s402，由主控控制器和发生单轴通信故障的变桨控制器分别记录各自采集的在单轴通信故障前的速度命令。记录单轴通信故障前的速度命令可以判断单轴通信故障前主控系统下发的速度命令是开桨还是收桨，其中，如果是开桨动作，则速度值为负值，如果是收桨动作，速度值为正值，如果速度命令是0值，则表示此时不需要调桨。
46.在步骤s403，主控系统和变桨系统进入冗余运行模式。
47.在步骤s404，确定记录的速度命令中的速度值是否大于零。当速度命令中的速度值大于零时，进入到步骤s405，否则执行步骤s406。
48.在步骤s405，由发生单轴通信故障的变桨系统按照发生单轴通信故障之前的速度或者发生单轴通信故障之前预定时间段的速度均值执行收桨操作。这样可以避免发生各个叶片桨距角“角度不一致”故障。
49.在步骤s406，由发生单轴通信故障的变桨系统按照比发生单轴通信故障之前的速度小的速度执行收桨操作。例如，该变桨系统按照0.1-0.5度/秒的速度执行冗余运行操作。这样不仅能保障风力发电机组安全运行，并且避免出现“角度不一致”故障。
50.在步骤s407，由主控系统保持外部安全链闭合，进入冗余运行模式，并且由主控控制器监测风力发电机组的转速值。监测风力发电机组的转速值的目的是保障风力发电机组运行安全。具体地，如果主控控制器检测到风力发电机的转速值超过预设值，则主控控制器控制主控系统断开外部安全链，并触发故障停机。这里，预设值可以根据设计经验以及实际情况来设置。
51.在步骤s408，确定冗余运行模式是否到期。如果预设的冗余运行时间到达，则执行步骤s409。
52.在步骤s409，确定单轴通信故障是否恢复正常。如果单轴通信故障恢复正常，则执行步骤s411，否则执行步骤s410。
53.在步骤s410，由主控系统断开外部安全链并且触发故障停机。
54.在步骤s411，主控系统和发生单轴通信故障的变桨系统退出冗余运行模式，切换至正常运行模式。
55.根据本公开的实施例，在冗余运行期间，由于出现通信故障的变桨系统具有一定的调桨功能，所以可以保证风力发电机的运行安全，并且不会由于叶片的调桨控制而导致立即触发“角度不一致”故障，从而延长风力发电机冗余运行的时间，有效进行dp通信闪断容错控制。
56.图5是根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的控制装置。
57.参照图5，控制装置500可以包括确定模块501和控制模块502。控制装置500中的每个模块可以由一个或多个模块来实现，并且对应模块的名称可根据模块的类型而变化。在各种实施例中，可以省略控制装置500中的一些模块，或者还可包括另外的模块。此外，根据本公开的各种实施例的模块/元件可以被组合以形成单个实体，并且因此可等效地执行相应模块/元件在组合之前的功能。
58.确定模块501可以利用主控控制器确定风力发电机组是否发生单轴通信故障。其中，所述单轴通信故障为由于风力发电机组的主控控制器与一个变桨控制器之间的导电滑环故障而导致的主控控制器与所述一个变桨控制器之间的通信故障。
59.在确定风力发电机组发生单轴通信故障后，控制模块502可以控制主控控制器和发生单轴通信故障的变桨控制器分别记录发生单轴通信故障之前的速度命令，并且控制风力发电机组的主控系统和与该变桨控制器相应的变桨系统进入冗余运行模式。
60.在冗余运行模式下，控制模块502可以控制主控系统保持风力发电机组的外部安全链闭合，并且控制发生单轴通信故障的变桨系统基于记录的速度命令执行收桨操作。
61.作为示例，控制模块502可以利用发生单轴通信故障的变桨控制器确定记录的速度命令中的速度值是否大于零。当速度命令中的速度值大于零时，控制模块502控制发生单轴通信故障的变桨系统按照发生单轴通信故障之前的速度或者发生单轴通信故障之前预定时间段的速度均值执行收桨操作。当速度值小于或等于零时，控制模块502控制变桨系统按照比发生单轴通信故障之前的速度小的速度执行收桨操作。
62.在冗余运行模式下，控制模块502可以利用主控控制器实时地监测风力发电机组的转速值。当监测的转速值超过预设值时，控制模块502控制主控系统断开外部安全链并且触发故障停机。
63.此外，控制模块502可以利用主控控制器确定冗余运行模式是否到期。当冗余运行模式到期时，控制模块502可以利用主控控制器确定单轴通信故障是否恢复正常。如果单轴通信故障恢复正常，则控制模块502可以控制主控系统和发生单轴通信故障的变桨系统进行正常运行模式。如果单轴通信故障没有恢复，则控制模块502控制主控系统断开外部安全链并且触发故障停机。
64.当确定风力发电机组发生至少两个单轴通信故障时，控制模块502通过主控系统控制风力发电机组停机。
65.本技术领域技术人员可以理解，本公开包括涉及用于执行本公开中所述操作/步骤中的一项或多项的设备。这些设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选
择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中，所述计算机可读介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、cd-rom、和磁光盘)、rom(read-only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随即存储器)、eprom(erasable programmable read-only memory，可擦写可编程只读存储器)、eeprom(electrically erasable programmable read-only memory，电可擦可编程只读存储器)、闪存、磁性卡片或光线卡片。也就是，可读介质包括由设备(例如，计算机)以能够读的形式存储或传输信息的任何介质。
66.本公开不需要对风力发电机组进行任何改造，利用风力发电机组的变桨系统运行时与主控系统交互的运行特性，在风力发电机组单轴发生通信故障后，发生单轴通信故障的变桨系统根据通信故障前的变桨速度值执行调桨操作，使得风力发电机组有效进行dp通信闪断容错控制，保证风力发电机组的运行安全。
67.虽然本公开是参照其示例性的实施例被显示和描述的，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对其形式和细节进行各种改变。