一种风力发电机组手动变桨控制方法及系统与流程

1.本发明属于风力发电机组控制技术领域，具体涉及一种风力发电机组手动变桨控制方法及系统。


背景技术：

2.风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，风力发电是一种无污染的可再生能源，近年来增长速度位居各类能源之首。风电机组控制系统作为风电机组的重要组成部分，分为主控系统、变桨系统、变流系统、偏航系统等。风电机组的变桨系统控制又分为自动控制和手动控制，目前，自动控制由主控系统完成，而风电机组变桨系统手动控制，主要有手动操作盒、控制柜按钮控制、人机触摸屏控制三种方式。下面对这三种手动控制方式进行介绍：
3.(一)手动操作盒。
4.手动操作盒控制方式多用于维护人员在调试阶段的变桨控制，其使用控制线缆连接至变桨驱动器，通过按动操作盒上的按钮实现控制。优点为只需要给轮毂供电即可进行控制，缺点是便利性较差、安全性较差，如图1所示，图中包含手动操作盒接口1。
5.(二)控制柜按钮控制。
6.控制柜按钮控制方式在手动操作盒的基础上，在机组的机舱内单独设置柜子，进行变桨系统的控制，通过柜子上设置的按钮实现控制。与手动操作盒控制方式相比，提高了安全性，但可维护性差，控制响应延迟高，且增加了硬件成本，如图2所示。
7.(三)人机触摸屏控制。
8.人机触摸屏控制方式是采用can等通讯协议通过plc与触摸屏连接，通过操作触摸屏来实现控制。与前两种控制方式相比，此种方式提高了安全性和可维护性，但增加了硬件成本，并受到触摸屏厂家的通讯协议等技术制约，如图3所示。
9.上述三种现有控制方法对于目前的风电机组变桨控制而言，均有一定的缺陷。其中，手动操作盒控制方式，在轮毂装配期和调试前期较为常见，多用于轮毂单独使用，在后期使用时非常繁琐；控制柜按钮控制方式，需要额外增加硬件，并会在运行期增加维护成本，使用时需要登塔至机舱，效率低且耗时长；人机触摸屏控制方式，控制响应延迟高，易受到触摸屏厂家的技术制约，并且硬件成本高，结合2022年的市场形势，每台风力发电机组的人机触摸屏硬件设备成本约7000元，并且容易受国内外供货市场不稳定及疫情后续的影响，造成断供风险且成本逐年上升。
10.总之，现有技术中，风电机组的变桨系统采用手动控制方式时存在便利性差、可维护性差、安全性较低的问题，而且上述各问题不能兼顾。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种风力发电机组手动变桨控制方法及系统，用以解决现有技术中风电机组的变桨系统采用手动控制方式时存在便利性、和安全性性差的问题；本
发明还提供一种风力发电机组手动变桨控制系统，用于解决现有技术中风电机组的变桨系统采用手动控制方式时成本高、便利性差、可维护性差和安全性差的问题。
12.为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：
13.本发明的一种风力发电机组手动变桨控制方法，包括以下步骤：
14.1)该方法包括变桨微动控制和变桨开桨控制，启动手动变桨强制使能功能；
15.2)依据需求，若选择变桨微动控制，则控制叶片桨距角开桨至第二桨距角θ
micro
，其中，θ
micro
∈[70
°
，75
°
]；若继续选择变桨开桨控制，则控制叶片桨距角开桨至[θ
micro
，θ
work
]范围内任一角度，其中，θ
work
为第一桨距角，θ
work
∈[-4
°
，0
°
]。
[0016]
上述技术方案的有益效果为：首先，本发明添加了微动控制功能，在微动控制功能下，风机调试、维护人员可以满足大多数手动变桨需求，比如测试叶片桨距角平衡性、测试变桨系统通讯、维护轮毂变桨系统(齿面等)、调整风轮锁孔位对正等，大大提高了调试和维护的可靠性和处理效率，也减少了原本不分类控制而可能导致的安全隐患。其次，本发明操作简单、安全，非常便利。
[0017]
进一步地，该方法还包括变桨收桨控制，若选择变桨收桨控制，则控制叶片桨距角收桨至设定收桨桨距角，设定收桨桨距角为[θ
micro
，θ
work
]范围内任一角度或者第三桨距角θ
feather
，θ
feather
∈[90
°
，94
°
]。
[0018]
进一步地，为了提高便利性，该方法还包括独立变桨控制，选择三只叶片中的任一只叶片，独立控制对应的一只叶片的桨距角开桨至第二桨距角θ
micro
或者第一桨距角θ
work
；在选择变桨收桨时选择三只叶片中的任一只叶片，独立控制对应的一只叶片的桨距角收桨至第三桨距角θ
feather
。
[0019]
进一步地，为了确保机组安全性，该方法还包括变桨停机控制，若在手动变桨控制过程中任一桨距角选择变桨停机控制，则控制叶片桨距角收桨至第三桨距角θ
feather
。
[0020]
进一步地，为了提高安全性，该方法在选择变桨停机控制和变桨微动控制后还需要二次确认选择对应的控制。
[0021]
进一步地，为了提高安全性，该方法还包括速度保护和/或转向保护，速度保护包括以下第一项至第三项中的至少一项：
[0022]
第一项为：变桨收桨控制过程中设定收桨速度为第二设定速度v
feather
，v
feather
∈[0
°
/s，1
°
/s]；
[0023]
第二项为：变桨微动控制和/或变桨开桨控制过程中设定开桨速度为第一设定速度v
work
，v
work
∈[-1
°
/s，0
°
/s]；
[0024]
第三项为：变桨停机控制过程中设定收桨速度为第三设定速度v
autofeather
，v
autofeather
∈[0
°
/s，3
°
/s]；
[0025]
转向保护包括：检测桨距角增量与变桨速度给定符号，若两者不一致，则控制叶片桨距角以第三设定速度v
autofeather
收桨至第三桨距角θ
feather
。
[0026]
本发明又提供一种风力发电机组手动变桨控制系统，该系统包括处理器，所述处理器用于执行计算机指令，以实现如本发明的一种风力发电机组手动变桨控制方法。
[0027]
上述技术方案的有益效果为：首先，本系统添加了微动控制功能，在微动控制功能下，风机调试、维护人员可以满足大多数手动变桨需求，比如测试叶片桨距角平衡性、测试
变桨系统通讯、维护轮毂变桨系统(齿面等)、调整风轮锁孔位对正等，大大提高了调试和维护的可靠性和处理效率，也减少了原本不分类控制而可能导致的安全隐患。其次，本系统操作简单、安全，非常便利，而且易于维护。最后，本系统采用新设计开发的web技术，只需使用处理器和显示设备，无需增加控制柜等设备成本低。
[0028]
进一步地，为了提高可靠性，该系统执行周期小于手动下发各控制指令的周期。
[0029]
进一步地，为了提高可维护性，降低成本，该系统采用web技术开发。
[0030]
进一步地，该系统包括可视化web界面，web界面上包括手动变桨强制使能按钮、各叶片对应的独立变桨开桨按钮、各叶片对应的独立变桨收桨按钮、变桨开桨控制按钮和变桨收桨控制按钮中至少两个按钮。
附图说明
[0031]
图1是现有技术中手动操作盒控制示意图；
[0032]
图2是现有技术中控制柜按钮控制示意图；
[0033]
图3是现有技术中人机触摸屏控制示意图；
[0034]
图4是本发明的基于web技术的手动变桨控制流程图；
[0035]
图5是本发明的web控制页面中关于风机信息界面的示意图；
[0036]
图6是本发明的web控制页面中关于变桨维护界面的示意图。
[0037]
图中：1.手动操作盒接口。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0039]
本发明提出了一种风力发电机组手动变桨控制方法及系统，本发明基于web技术实现，主要解决目前手动变桨控制存在的硬件成本高、控制逻辑单一、响应延迟高、受硬件厂商技术制约的问题。该方法可以取消各种硬件，降低风电机组成本；优化变桨系统控制逻辑，降低通讯延迟，提高机组变桨安全性；由通过外部厂家的技术控制转变为自主化控制，打破了技术壁垒，避免受到技术制约。本发明简称为pitch-web技术，pitch-web是在现有web技术基础上，创新开发的新技术，具体包括安全防干扰功能、防误触功能、控制指令防遗漏功能，上述功能是其它现有web技术所不具备的。新技术的应用，使上述控制方法可以有效执行，降低了系统的错误率，可以解决目前手动变桨控制存在的硬件成本高、控制逻辑单一、响应延迟高、受硬件厂商技术制约的问题。
[0040]
方法实施例：
[0041]
本发明的一种风力发电机组手动变桨控制方法实施例，本发明包括变桨微动控制、变桨保护控制、独立变桨控制、变桨开桨控制和变桨收桨控制，并在上述各控制下加入手动变桨强制使能控制和变桨停机控制。此外，本发明还设置有手动变桨强制使能功能，在手动变桨强制使能的情况下进行手动变桨控制。本发明方法通过web技术实现机组手动变桨控制，如图6、图5所示，通过变桨维护页面完成整个机组手动变桨控制。
[0042]
下面结合web页面对各个控制功能进行介绍：
[0043]
第一：设置手动变桨强制使能控制。
[0044]
手动变桨强制使能控制，在控制手动变桨前，需要打开使能开关，此时手动变桨功能激活，启动手动变桨控制，该使能开关如图6所示web页面中的强制启动使能按钮。其中，综合机组安全性保障设计，在强制启动手动变桨时需同时满足如下条件：(1)机组停机，(2)机组风轮锁退出，(3)机组控制模式为就地检修，利用互锁机制保障手动变桨控制的安全性。
[0045]
第二：变桨微动控制。变桨微动控制，在启动手动变桨控制后叶片桨距角开桨至θ
micro
，θ
micro
的取值范围为[70
°
，75
°
]，θ
micro
称为第二桨距角。该变桨微动控制通过使三个叶片依据相同的速度调整桨距角使它们到达相同的桨距角，该控制达到的作用包括确保使三个叶片同步到达θ
micro
给定位置，如果任两个叶片桨距角不同步，则会在θ
micro
位置进行同步校准；该控制达到的作用还包括依据各种需求进行风机调试、维护，避免了在手动变桨控制时，各种需求均只能手动变桨控制叶片到θ
work
的情况发生，θ
work
的取值范围为[-4
°
，0
°
]，θ
work
称为第一桨距角。
[0046]
第三：独立变桨控制。设置独立变桨控制，任一叶片可以独立进行手动变桨至θ
micro
，满足单叶片调试及维护需求。
[0047]
第四：变桨开桨控制和变桨收桨控制。
[0048]
在变桨开桨控制时点动控制叶片桨距角开桨至θ
work
。变桨收桨控制时点动控制叶片桨距角收桨至θ
feather
，θ
feather
称为第三桨距角，并能够使叶片在θ
micro
和θ
work
之间任一位置停住。
[0049]
第五：变桨停机控制。
[0050]
在web页面上设置停止按钮，当点击停止按钮后停止变桨，并执行自动顺桨控制。即在任一时刻均可操作停止变桨、叶片自动顺桨到安全角度，此设计在提高收桨效率的同时，也保障了机组的安全性，在紧急情况下可快速顺桨到θ
feather
安全位置，θ
feather
的取值范围为[90
°
，94
°
]。
[0051]
第六：变桨保护控制。
[0052]
变桨保护控制，包括速度保护与转向保护，速度保护方面，设定限值，手动开桨速度为v
work
，v
work
的取值范围为[-1
°
/s，0
°
/s]，v
work
称为第一设定速度；手动收桨速度为v
feather
，v
feather
的取值范围为[0
°
/s，1
°
/s]，v
feather
称为第二设定速度；自动顺桨速度为v
autofeather
，v
autofeather
的取值范围为[0
°
/s，3
°
/s]，v
autofeather
称为第三设定速度。转向保护方面，检测桨距角增量与变桨速度给定符号，不一致时执行自动顺桨进行收桨，检测桨距角增量与变桨速度给定符号均可从风机组控制系统中获取；同时，可以实现速度控制和位置控制模式。
[0053]
为了提高安全性，设置防干扰、防误触功能。在手动变桨控制流程中加入安全防干扰、防误触功能，具体为在变桨停机控制和微动变桨控制时加入二次确认功能，比如在点击停止按钮时web页面弹出确认停止变桨的窗体。
[0054]
为了确保控制有效，本发明并基于人体工程学，利用程序任务周期与下发指令的用时的差值来把通讯时间降低到毫秒级。即设置程序任务周期要小于下发指令的用时，比如点击鼠标下发控制指令的时间为150ms，则程序刷新周期不能低于150ms。由此，来确保程序能够不遗漏控制指令，实现了控制指令防遗漏功能。
[0055]
本发明通过一种风力发电机组手动变桨控制方法实现上述功能，包括：
[0056]
独立变桨情况下开桨、收桨：选择对应的叶片，控制叶片桨距角以v
work
的速度在θ
feather
至θ
work
范围内运行，并增加安全性限制参数。优选地，为了提高安全性，此处做出限制，控制叶片桨距角以v
work
的速度在θ
feather
至θ
micro
。
[0057]
统一变桨情况下开桨、收桨：控制三个叶片桨距角均以v
work
的速度在θ
feather
至θ
micro
范围内运行。
[0058]
变桨微动控制：叶片桨距角以v
work
的速度自动开桨至θ
micro
(可随时通过点击停止按钮使叶片桨距角以v
autofeather
的速度自动收桨至θ
feather
)，此种控制状态下，可进行大多数调试及维护操作。
[0059]
变桨开桨控制：控制叶片桨距角以v
work
的速度在θ
micro-θ
work
范围内运行，同样可随时通过点击停止按钮使叶片桨距角以v
autofeather
的速度自动收桨至θ
feather
。
[0060]
变桨微动控制后，执行变桨开桨控制：叶片桨距角以v
work
的速度自动开桨至θ
micro
，然后，启动变桨开桨控制，控制叶片桨距角以v
work
的速度在θ
micro-θ
work
范围内运行，同样可随时通过点击停止按钮使叶片桨距角以v
autofeather
的速度自动收桨至θ
feather
。
[0061]
变桨收桨控制：控制叶片桨距角以v
feather
的速度在θ
work-θ
feather
范围内运行(同样可随时通过点击停止按钮使叶片桨距角以v
autofeather
的速度自动收桨至θ
feather
)。
[0062]
下面结合web页面进行介绍本发明的一种风力发电机组手动变桨控制方法中的手动变桨控制的具体流程：
[0063]
手动变桨控制流程图如图4所示，当手动变桨需求满足时，开始执行手动变桨控制。
[0064]
第一步，使用网线或无线连接至风机plc网络，在web控制页面上输入用户名和密码登录，点击停机按钮使风机完全停机。
[0065]
第二步，在风机信息维护页面点击维护开关按钮进入维护检修模式。
[0066]
第三步，在手动变桨控制页面打开手动变桨强制使能按钮，手动变桨进入可控状态。如果需要进行单叶片独立变桨，则进行第四步，如不需要单独控制则执行第五步。
[0067]
第四步：点击对应的叶片选择对应的开桨、收桨，叶片桨距角以v
work
的速度在θ
feather
至θ
micro
范围内运行，其中，θ
feather
的取值范围为90
°
～94
°
。
[0068]
第五步，点击变桨微动启动按钮启动变桨微动控制，叶片桨距角以v
work
的速度自动开桨至θ
micro
(开桨过程中可随时通过点击停止按钮使叶片桨距角以v
autofeather
的速度自动收桨至θ
feather
)，此种控制状态下，可进行大多数调试及维护操作；如果需要进行大角度开桨控制，则继续第六步。
[0069]
第六步：按住开桨按钮，启动变桨开桨控制，可以控制叶片桨距角以v
work
的速度在θ
micro
至θ
work
范围内运行(同样可随时通过点击停止按钮使叶片桨距角以v
autofeather
的速度自动收桨至θ
feather
)；当需要往回进行收桨控制时，进行第七步。
[0070]
第七步：按住收桨按钮，启动变桨收桨控制，控制叶片桨距角以v
feather
的速度在θ
work
至θ
feather
范围内运行(同样可随时通过点击停止按钮使叶片桨距角以v
autofeather
的速度自动收桨至θ
feather
)；其中，如果松开开桨、收桨按钮，可控制叶片在θ
micro
至θ
work
范围内停住。最后，当需求完成，叶片桨距角收桨至θ
feather
后，结束手动变桨控制，此时可恢复机组启动运行。
[0071]
本发明具有以下有益效果：
[0072]
第一，本发明手动变桨控制方法中包含机组停机控制、变桨微动控制、变桨开桨控制、变桨收桨控制、变桨停机控制，可提高机组在变桨时的安全性及可靠性。具体地，首先，加入手动变桨强制使能控制，只有在手动变桨强制使能后，才能进行手动变桨控制。其次，1)加入微动控制模式，启动变桨控制后叶片桨距角开桨至θ
micro
，在微动控制模式下，风机调试、维护人员可以完成大多数手动变桨需求，比如测试叶片桨距角平衡性、测试变桨系统通讯、维护轮毂变桨系统(齿面等)、调整风轮锁孔位对正等，大大提高了调试和维护的可靠性和处理效率，也减少了原本不分类控制而可能导致的安全隐患。2)加入停止变桨自动顺桨控制，即在手动变桨过程中，任一时刻均可操作停止变桨、叶片自动顺桨到安全角度，此设计在提高收桨效率的同时，也保障了机组的安全性，在紧急情况下可快速顺桨到θ
feather
安全位置。最后，新增变桨速度保护与转向保护限值，最大限度地保障叶片变桨的平稳性和安全性，并加入独立变桨功能，使此种控制方法具备单叶片维护的能力，提高了效率，减少资源占用。
[0073]
第二，采用web方式进行机组手动变桨控制，本发明以独有的web架构及功能，用于实现机组手动变桨控制逻辑，在经济、效率、可靠性上均有显著提高。在经济上，省去了各种硬件配置，如控制装置、硬件柜、开关、触摸屏等，直接去掉此块控制成本，并可以在后续应用于整个机组主控系统，每台机组可“去成本”约7000元；在效率上，控制交互模式由硬件工具变为浏览器操作，只需使用电脑或手机即可控制，大大提高了效率和便捷性；在可靠性上，web方式采用opc通讯，相比触摸屏采用的串口通讯(rs485等协议)，可大幅提高通讯实时性及数据的稳定性(抗干扰性)，而且可以远程控制，提高了便利性，控制交互方式的变更同时避免使用外部厂家硬件进行通讯所带来的技术壁垒，保护了一定的自主化。
[0074]
第三，在控制流程中加入安全防干扰、防误触功能。加入防误触功能，在控制停机、变桨微动时，设计二次确认提示，防止误控制下的安全隐患出现；本发明基于人体工程学(下发指令时间约为150ms)，使用程序任务周期与下发指令的时间差值设计控制条件，既屏蔽了误下发信号，又可防止下发指令后控制程序丢帧接收的情况发生，确保控制有效，提高了手动变桨控制的安全性和可靠性。
[0075]
系统实施例：
[0076]
本发明的一种风力发电机组手动变桨控制系统实施例，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互。存储器包括至少一个存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，执行各种功能应用以及数据处理，实现本发明的方法实施例中介绍的一种风力发电机组手动变桨控制方法，该系统易于维护，操作简单便捷性高，无需使用控制柜等额外的硬件设备，成本低，而且安全性高。
[0077]
其中，处理器可以为微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga等处理装置。存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如ram、rom等。

技术特征：
1.一种风力发电机组手动变桨控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1)该方法包括变桨微动控制和变桨开桨控制，启动手动变桨强制使能功能；2)依据需求，若选择变桨微动控制，则控制叶片桨距角开桨至第二桨距角θ
micro
，其中，θ
micro
∈[70
°
，75
°
]；若继续选择变桨开桨控制，则控制叶片桨距角开桨至[θ
micro
，θ
work
]范围内任一角度，其中，θ
work
为第一桨距角，θ
work
∈[-4
°
，0
°
]。2.根据权利要求1所述的风力发电机组手动变桨控制方法，其特征在于：该方法还包括变桨收桨控制，若选择变桨收桨控制，则控制叶片桨距角收桨至设定收桨桨距角，设定收桨桨距角为[θ
micro
，θ
work
]范围内任一角度或者第三桨距角θ
feather
，θ
feather
∈[90
°
，94
°
]。3.根据权利要求2所述的风力发电机组手动变桨控制方法，其特征在于：该方法还包括独立变桨控制，选择三只叶片中的任一只叶片，独立控制对应的一只叶片的桨距角开桨至第二桨距角θ
micro
或者第一桨距角θ
work
；在选择变桨收桨时选择三只叶片中的任一只叶片，独立控制对应的一只叶片的桨距角收桨至第三桨距角θ
feather
。4.根据权利要求1至3任一项所述的风力发电机组手动变桨控制方法，其特征在于：该方法还包括变桨停机控制，若在手动变桨控制过程中任一桨距角选择变桨停机控制，则控制叶片桨距角收桨至第三桨距角θ
feather
。5.根据权利要求4所述的风力发电机组手动变桨控制方法，其特征在于：该方法在选择变桨停机控制和变桨微动控制后还需要二次确认选择对应的控制。6.根据权利要求4所述的风力发电机组手动变桨控制方法，其特征在于：该方法还包括速度保护和/或转向保护，速度保护包括以下第一项至第三项中的至少一项：第一项为：变桨收桨控制过程中设定收桨速度为第二设定速度v
feather
，v
feather
∈[0
°
/s，1
°
/s]；第二项为：变桨微动控制和/或变桨开桨控制过程中设定开桨速度为第一设定速度v
work
，v
work
∈[-1
°
/s，0
°
/s]；第三项为：变桨停机控制过程中设定收桨速度为第三设定速度v
autofeather
，v
autofeather
∈[0
°
/s，3
°
/s]；转向保护包括：检测桨距角增量与变桨速度给定符号，若两者不一致，则控制叶片桨距角以第三设定速度v
autofeather
收桨至第三桨距角θ
feather
。7.一种风力发电机组手动变桨控制系统，其特征在于：该系统包括处理器，所述处理器用于执行计算机指令，以实现如权利要求1至权利要求7任一项所述的风力发电机组手动变桨控制方法。8.根据权利要求7所述的风力发电机组手动变桨控制系统，其特征在于：该系统执行周期小于手动下发各控制指令的周期。9.根据权利要求8所述的风力发电机组手动变桨控制系统，其特征在于：该系统采用web技术开发。10.根据权利要求7至9任一项所述的风力发电机组手动变桨控制系统，其特征在于：该系统包括可视化web界面，web界面上包括手动变桨强制使能按钮、各叶片对应的独立变桨开桨按钮、各叶片对应的独立变桨收桨按钮、变桨开桨控制按钮和变桨收桨控制按钮中至少两个按钮。

技术总结
本发明属于风力发电机组控制技术领域，具体涉及一种风力发电机组手动变桨控制方法及系统，该方法包括以下步骤：该方法包括变桨微动控制和变桨开桨控制，启动手动变桨强制使能功能；依据需求，若选择变桨微动控制，则控制叶片桨距角开桨至第二桨距角θ


技术研发人员：杜昊龙 王朝东 宋堃 刘心社 郑志帅 庞洋
受保护的技术使用者：国网冀北张家口风光储输新能源有限公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/6/4