[发明专利]直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统及方法。

背景技术

目前，双馈风力发电机组(简称风机)的变桨系统采用的是减速器驱动变桨轴承来实现叶片桨距角的改变，实现在额定风速以上时风机的恒功率运行。

常规的直驱风力发电机组采用齿形带驱动变桨轴承来实现风机的稳定运行，采用了统一变桨控制，对三个叶片进行统一变桨。然而，由于风切变(即，风速在水平方向和垂直方向的突然变化)、湍流、扰动效应、风机塔筒的塔影效应、叶片的重力、离心力等因素的影响，各个叶片的载荷会发生不规则变化，包括周期性不均匀载荷和瞬间冲击载荷。这些载荷的不规则变化加剧了叶片的疲劳损害，并且引起风机的轮毂、主轴、塔架等部件的疲劳损害，统一变桨策略没有将风机运行过程中的载荷变化考虑在内，因此不能满足实际应用的需求。

发明内容

为了克服风力发电机组在统一变桨控制中存在的不足，本发明提供一种独立变桨控制系统，该独立变桨控制系统通过测量不均衡载荷，并将其引入到变桨控制中，来降低风机在运行过程中所形成的极限载荷与疲劳载荷，并满足在额定风速以上时实现风力发电机组的恒功率控制的要求。

根据本发明的一方面，提供一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制系统，所述独立变桨控制系统包括控制器和驱动装置。控制器被配置为：基于风力发电机组的叶轮的方位角对风力发电机组的三个叶片根部的y方向载荷进行park变换，计算出d轴方向和q轴方向的载荷分量；对d轴方向和q轴方向的载荷分量进行比例积分运算，得到d轴方向和q轴方向的桨距角；对d轴方向和q轴方向的桨距角进行逆park变换，得到变桨控制期望输出的叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率，其中，所述变桨速率是基于叶轮的方位角和三个叶片根部的y方向载荷所计算得到的，且三个叶片的变桨速率不同；将叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率分别与根据叶轮转速计算得到的统一变桨速率相加，得到风力发电机组需求的各个叶片的变桨速率，并产生与变桨速率对应的变桨速率命令。驱动装置根据从控制器接收的变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角，以降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。

驱动装置包括：三个变桨轴承，安装在风力发电机组的叶轮上；三个齿形带，分别安装在三个变桨轴承上；三个变桨电机，所述三个变桨电机的驱动轴分别连接到三个齿形带，其中，变桨电机从控制器接收针对三个叶片的变桨速率命令，根据变桨速率命令驱动齿形带运动，齿形带驱动变桨轴承以分别改变三个叶片的桨距角，从而降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。

通过安装在三个叶片根部的载荷传感器检测三个叶片根部的y方向载荷。

通过安装在风力发电机组的滑环内的旋转编码器检测叶轮的方位角。

d轴方向和q轴方向是根据三个叶片所在的空间位置以park变换为基础所形成的空间矢量方向，q轴方向与d轴方向垂直。

根据本发明的另一方面，提供一种直驱永磁风力发电机组的独立变桨控制方法，所述独立变桨控制方法包括：基于风力发电机组的叶轮的方位角对风力发电机组的三个叶片根部的y方向载荷进行park变换；计算出d轴方向和q轴方向的载荷分量；对d轴方向和q轴方向的载荷分量进行比例积分运算，得到d轴方向和q轴方向的桨距角；对d轴方向和q轴方向的桨距角进行逆park变换，得到变桨控制期望输出的叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率，其中，所述变桨速率是基于叶轮的方位角和三个叶片根部的y方向载荷所计算得到的，且三个叶片的变桨速率不同；将叶轮转子不平衡桨距角的变桨速率分别与根据叶轮转速计算得到的统一变桨速率相加，得到风力发电机组需求的各个叶片的变桨速率，并产生与变桨速率对应的变桨速率命令；根据变桨速率命令来分别改变三个叶片的桨距角，以降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。

风力发电机组包括驱动装置，所述驱动装置包括：三个变桨轴承，安装在风力发电机组的叶轮上；三个齿形带，分别安装在三个变桨轴承上；三个变桨电机，所述三个变桨电机的驱动轴分别连接到三个齿形带，其中，变桨电机根据变桨速率命令驱动齿形带运动，齿形带驱动变桨轴承以分别改变三个叶片的桨距角，从而降低风力发电机组的疲劳载荷，并实现在额定风速以上时风力发电机组的恒功率稳定运行。

通过安装在三个叶片根部的载荷传感器检测三个叶片根部的y方向载荷。

通过安装在风力发电机组的滑环内的旋转编码器检测叶轮的方位角。