风力发电机组偏航制动系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种风力发电机组偏航制动系统，包括液压制动系统、电磁制动系统；液压制动系统包括液压站、液压制动器，液压制动器与偏航制动盘相接触，偏航制动盘与偏航轴承具有齿轮的套圈、塔筒顶法兰螺栓联接；机舱底板与偏航轴承不带齿轮的套圈采用螺栓联接，液压制动器与液压站连接；电磁制动系统包括偏航电机、偏航减速机、电磁制动器，电磁制动器安装在偏航电机内，偏航电机输出轴与偏航减速机的输入轴连接，偏航减速机的输出齿轮与偏航轴承齿圈啮合。本发明能够让偏航液压制动系统在掉电时处于低压状态，也能在掉电时可不依赖UPS供电实现长时间带阻尼被动偏航，有效降低机组在暴风工况下的载荷，同时避免偏航齿轮受到外载荷冲击。

权利要求

1.一种风力发电机组偏航制动系统的控制方法，其中风力发电机组偏航制动系统包括液压制动系统、电磁制动系统；液压制动系统包括液压站、液压制动器和管路，所述液压制动器安装在风力发电机组机舱底板上且与偏航制动盘相接触，偏航制动盘与偏航轴承具有齿轮的套圈、塔筒顶法兰螺栓联接，液压制动器可在压力的作用下夹紧偏航制动盘，实现风力发电机组机头偏航刹车；机舱底板与偏航轴承不带齿轮的套圈采用螺栓联接，液压制动器通过管路与液压站连接；电磁制动系统包括偏航电机、偏航减速机、电磁制动器，电磁制动器安装在偏航电机内用于实现偏航电机转子的制动，偏航电机输出轴与偏航减速机的输入轴连接，偏航减速机的输出齿轮与偏航轴承齿圈啮合；

所述液压站包括单向阀、电磁阀Ⅰ、油箱、位于液压制动器出油口与油箱之间的若干回路，液压泵的压力油依次经单向阀、电磁阀Ⅰ进入液压制动器，液压制动器出油口与油箱之间若干回路中，在失电状态下只有一个带有背压阀的回路可溢流，带有背压阀的回路中还设有一个电磁阀Ⅲ，且该背压阀的设定溢流压力低于液压制动系统在风力发电机组正常发电情况下的制动压力；其余回路中设置电磁阀Ⅱ；

所述液压制动系统还包括一个由电磁阀控制、与液压制动器连通的蓄能器，蓄能器在液压站失电时与液压制动器连通，从而保证液压制动系统在失电时保持为低压；

安装在偏航电机内的电磁制动器为常开型，即得电抱闸制动，失电松闸；

所述电磁制动器包括磁轭、线圈、摩擦片、电枢板、弹片、电枢凸轮，电枢凸轮通过轴键与电机转子轴连接，电枢板通过弹片与电枢凸轮结为一体，所述线圈位于磁轭内，摩擦片位于线圈与电枢板之间，电磁制动器通电时线圈得电吸合电枢板，电枢板克服弹片的弹力与摩擦片接触实现制动；

控制方法包括以下步骤；

步骤一：判断风力发电机组是否处于暴风工况，若是，则进入暴风控制模式，进入步骤二；若不是，则正常运行：

步骤二：风力发电机组停止发电，在扭缆值超过限值前提前进行解缆，并背风偏航；

步骤二中，风机提前解缆采用最小扭缆值背风偏航，其控制方法流程如下：

2‑1)获取当前扭缆角度值α、机头与风向偏差角度β，其中扭缆角度值α带正负符号，左扭缆值为负，即右偏航为解缆方向，右扭缆值为正，即左偏航为解缆方向，机头与风向偏差角度β定义机头方向顺时针旋转到风向一致需要旋转的角度，无正负符号，为正数；

2‑2)判断|α+β|>|α‑(360‑β)|是否成立，若成立，则左偏航|α‑(360‑β)|度，不成立则右偏航|α+β|度；

2‑3)在偏航过程上，当检测到β值小于设定最小允许偏航角度差值A且α≤180°时，停止偏航；

步骤三：判断电网是否掉电，若正常不掉电，则进入步骤四，若电网掉电，则进入步骤五；

步骤四：风力发电机组主动背风偏航，保持机头方向与风向一致；

步骤五：风力发电机组采用掉电制动模式，进入带阻尼的被动偏航。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航制动系统的控制方法，其特征在于：所述步骤一中，当手动进入暴风控制模式或通过判断时间T内风速超过S时则判定进入暴风控制模式。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航制动系统的控制方法，其特征在于：所述步骤五中，电网掉电，液压站的电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ和偏航电机内的电磁制动器在掉电后短时间内由UPS供电以维持原状态；当电网掉电持续时间超过设定值Td时，液压站的电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ和偏航电机内的电磁制动器均失电，液压制动器压力降为背压阀设定的溢流压力，此时，风力发电机组处于带阻尼被动偏航状态。

说明书

风力发电机组偏航制动系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风电领域，特别涉及一种风力发电机组偏航制动系统及其控制方法。

背景技术

[0002] 风力发电机组运行工况复杂，机组需面对电网掉电、暴风、风向突变等各异常工况，偏航制动系统及其控制策略在这些工况下对机组的安全至关重要，现有风电发电机组
偏航制动系统在电网掉电时，需由机组UPS供电维持机组处于制动状态，但UPS供电时间有
限，一般只有几个小时，如出现长时间掉电，UPS不足以维持长时间供电时，如遇风向突变，
液压制动压力下降，偏航电机的电磁制动器因失电处于制动状态，机组偏航传动系统尤其
是偏航齿轮可能受到较大冲击，给机组带来安全隐患。

[0003] 此外，在暴风或台风的工况下，现有机组通常采取上风向停机策略，偏航制动系统处于制动锁死状态，即液压制动器处于高压制动且偏航电机的电磁制动器处于抱闸制动，
此时机组只能依靠自身部件如叶片，塔架的强度抵抗暴风，这需要主机厂加强塔架和叶片
的强度，从而增加了整机的成本。

[0004] 公开号为CN106677983B的发明专利提出的抗台风控制方法，在台风期间电网断电后，使风机处于自由偏航状态，避免载荷过大对机组造成的恶劣影响。但该方案未考虑机组
在打开偏航制动系统的刹车并处于自由偏航状态时，机头偏航系统摩擦力矩较小，风向突
变会使机头偏航过速和频繁被动偏航，对机组偏航传动部件造成损伤，甚至扭断电缆，而且
此控制方法在电网掉电时需依赖UPS和蓄电池供电，当UPS或蓄电池耗完时，需退出自由偏
航状态，偏航电机刹车及偏航液压刹车恢复刹车状态，此时机组的处于制动锁死状态，如其
间风向发生变化，机组又无法偏航，风机将承受较大的载荷，存在安全风险。

发明内容

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的风力发电机组偏航制动系统，并提供其控制方法。

[0006] 本发明解决上述问题的技术方案是：一种风力发电机组偏航制动系统，包括液压制动系统、电磁制动系统；液压制动系统包括液压站、液压制动器和管路，所述液压制动器
安装在风力发电机组机舱底板上且与偏航制动盘相接触，偏航制动盘与偏航轴承具有齿轮
的套圈、塔筒顶法兰螺栓联接，液压制动器可在压力的作用下夹紧偏航制动盘，实现风力发
电机组机头偏航刹车；机舱底板与偏航轴承不带齿轮的套圈采用螺栓联接，液压制动器通
过管路与液压站连接；电磁制动系统包括偏航电机、偏航减速机、电磁制动器，电磁制动器
安装在偏航电机内用于实现偏航电机转子的制动，偏航电机输出轴与偏航减速机的输入轴
连接，偏航减速机的输出齿轮与偏航轴承齿圈啮合。

[0007] 上述风力发电机组偏航制动系统，所述液压站包括单向阀、电磁阀Ⅰ、油箱、位于液压制动器出油口与油箱之间的若干回路，液压泵的压力油依次经单向阀、电磁阀Ⅰ进入液压
制动器，液压制动器出油口与油箱之间若干回路中，在失电状态下只有一个带有背压阀的
回路可溢流，带有背压阀的回路中还设有一个电磁阀Ⅲ，且该背压阀的设定溢流压力低于
液压制动系统在风力发电机组正常发电情况下的制动压力，其余回路中设置电磁阀Ⅱ。

[0008] 上述风力发电机组偏航制动系统，所述液压制动系统还包括一个由电磁阀控制、与液压制动器连通的蓄能器，蓄能器在液压站失电时与液压制动器连通，从而保证液压制
动系统在失电时保持为低压。

[0009] 上述风力发电机组偏航制动系统，安装在偏航电机内的电磁制动器为常开型，即得电抱闸制动，失电松闸。

[0010] 上述风力发电机组偏航制动系统，所述电磁制动器包括磁轭、线圈、摩擦片、电枢板、弹片、电枢凸轮，电枢凸轮通过轴键与电机转子轴连接，电枢板通过弹片与电枢凸轮结
为一体，所述线圈位于磁轭内，摩擦片位于线圈与电枢板之间，电磁制动器通电时线圈得电
吸合电枢板，电枢板克服弹片的弹力与摩擦片接触实现制动。

[0011] 一种风力发电机组偏航制动系统的控制方法，包括以下步骤；

[0012] 步骤一：判断风力发电机组是否处于暴风工况，若是，则进入暴风控制模式，进入步骤二；若不是，则进入步骤三：

[0013] 步骤二：风力发电机组停止发电，在扭缆值超过限值前提前进行解缆，并背风偏航；

[0014] 步骤三：判断电网是否掉电，若正常不掉电，则进入步骤四，若电网掉电，则进入步骤五；

[0015] 步骤四：风力发电机组主动背风偏航，保持机头方向与风向一致；

[0016] 步骤五：风力发电机组采用掉电制动模式，进入带阻尼的被动偏航。

[0017] 上述风力发电机组偏航制动系统的控制方法，所述步骤一中，当手动进入暴风控制模式或通过判断时间T内风速超过S时则判定进入暴风控制模式。

[0018] 上述风力发电机组偏航制动系统的控制方法，所述步骤二中，风机提前解缆采用最小扭缆值背风偏航，其控制方法流程如下：

[0019] 2‑1)获取当前扭缆角度值α、机头与风向偏差角度β，其中扭缆角度值α带正负符号，左扭缆值为负，即右偏航为解缆方向，右扭缆值为正，即左偏航为解缆方向，机头与风向
偏差角度β定义机头方向顺时针旋转到风向一致需要旋转的角度，无正负符号，为正数；

[0020] 2‑2)判断|α+β|>|α‑(360‑β)|是否成立，若成立，则左偏航|α‑(360‑β)|度，不成立则右偏航|α+β|度；

[0021] 2‑3)在偏航过程上，当检测到β值小于设定最小允许偏航角度差值A且α≤180°时，停止偏航。

[0022] 上述风力发电机组偏航制动系统的控制方法，所述步骤五中，电网掉电，液压站的电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ和偏航电机内的电磁制动器在掉电后短时间内由UPS供电以
维持原状态；当电网掉电持续时间超过设定值Td时，液压站的电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ
和偏航电机内的电磁制动器均失电，液压制动器压力降为背压阀设定的溢流压力，此时，风
力发电机组处于带阻尼被动偏航状态。

[0023] 本发明的有益效果在于：

[0024] 1、本发明的偏航制动系统中，液压制动系统的液压制动器输出端与油箱之间若干回路中，在失电状态下只有一个带有背压阀的回路可溢流，且该背压阀的设定溢流压力低
于液压制动系统在风力发电机组正常发电情况下的制动压力，从而让偏航液压制动系统在
掉电时处于低压状态并采用低压蓄能器进行保压。

[0025] 2、本发明的偏航制动系统中，偏航电机采用常开式电磁制动器，使得偏航系统在掉电时可不依赖UPS供电实现长时间带阻尼被动偏航，有效降低机组在暴风工况下的载荷，
同时避免偏航齿轮受到外载荷冲击，提高风电机组的安全性。

[0026] 3、本发明的控制方法中，暴风前进行提前解缆策略，可以降低暴风工况下被动偏航造成电缆扭断风险，从而提高风机掉电被动偏航的安全性。

附图说明

[0027] 图1为本发明风力发电机组偏航制动系统的结构示意图。

[0028] 图2为本发明的液压站结构原理图。

[0029] 图3为本发明的常开型电磁制动器的结构示意图。

[0030] 图4本发明控制方法中的掉电制动模式的控制流程图。

[0031] 图5本发明控制方法中在暴风工况下的控制流程图。

[0032] 图6本发明控制方法中定义的风向、扭缆值、偏航角度差关系图。

[0033] 图7本发明控制方法中的最小扭缆值偏航控制程序流程图。

[0034] 图中：1、机舱底板；2、偏航轴承；2.2、偏航轴承具有齿轮的套圈；2.1、偏航轴承外圈；3、偏航减速机；4、偏航电机；5、液压制动器；6、偏航制动盘；7、塔筒顶法兰；8、单向阀；9、
电磁阀Ⅰ；10、管路；11、电磁阀Ⅱ；12、电磁阀Ⅲ；13、蓄能器；14、背压阀；15、油箱；16、液压
站；17、电磁制动器；17.1、磁轭；17.2、线圈；17.3、摩擦片；17.4、电枢板；17.5、弹片电枢；
17.6、电枢凸轮；18、电机转子轴。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0036] 如图1所示，一种风力发电机组偏航制动系统，其特征在于：包括液压制动系统、电磁制动系统；液压制动系统包括液压站16、液压制动器5和管路10，所述液压制动器5安装在
风力发电机组机舱底板1上且与偏航制动盘6相接触，偏航制动盘6与偏航轴承具有齿轮的
套圈2.2、塔筒顶法兰7螺栓联接，液压制动器5可在压力的作用下夹紧偏航制动盘6，实现风
力发电机组机头偏航刹车；机舱底板1与偏航轴承不带齿轮的套圈2.1采用螺栓联接，液压
制动器5通过管路10与液压站16连接；电磁制动系统包括偏航电机4、偏航减速机3、电磁制
动器17，电磁制动器17安装在偏航电机4内用于实现偏航电机4转子的制动，偏航电机4输出
轴与偏航减速机3的输入轴连接，偏航减速机3的输出齿轮与偏航轴承齿圈啮合。

[0037] 如图2所示，所述液压站16包括单向阀8、电磁阀Ⅰ9、油箱15、位于液压制动器5输出端与油箱15之间的若干回路，液压泵的压力油依次经单向阀8、电磁阀Ⅰ9进入液压制动器5，
液压制动器5出油口与油箱15之间若干回路中，在失电状态下只有一个带有背压阀14的回
路可溢流，带有背压阀14的回路中还设有一个电磁阀Ⅲ12，且该背压阀14的设定溢流压力
为25bar，低于液压制动系统在风力发电机组正常发电情况下的制动压力160bar，其余回路
中可包括一个电磁阀Ⅱ11。

[0038] 所述液压制动系统还包括一个由电磁阀控制、与液压制动器5连通的蓄能器13，蓄能器13在液压站16失电时与液压制动器5连通，从而保证液压制动系统在失电时保持为低
压。

[0039] 如图3所示，安装在偏航电机4内的电磁制动器17为常开型，即得电抱闸制动，失电松闸。所述电磁制动器17包括磁轭17.1、线圈17.2、摩擦片17.3、电枢板17.4、弹片17.5、电
枢凸轮17.6，电枢凸轮17.6通过轴键与电机转子轴连接，电枢板17.4通过弹片17.5与电枢
凸轮17.6结为一体，所述线圈17.2位于磁轭17.1内，摩擦片17.3位于线圈17.2与电枢板
17.4之间，电磁制动器17通电时线圈17.2得电吸合电枢板17.4，电枢板17.4克服弹片17.5
的弹力与摩擦片17.3接触实现制动。

[0040] 风力发电机组在电网正常时如需要让机头处于制动状态，一方面，液压站16的电磁阀Ⅰ9失电打开，来自液压泵的压力油从单向阀8、电磁阀Ⅰ9进入液压制动器5，与此同时，
电磁阀Ⅱ11失电关闭，电磁阀Ⅲ12得电关闭，当其压力达到180bar时停止泵打压，此时液压
制动器5在压力的作用下夹紧偏航制动盘6，由于偏航制动盘6与偏航轴承具有齿轮的套圈
2.2和塔筒顶法兰7为螺栓联接从而实现风力发电机组机头偏航刹车。另一方面，电磁制动
器17通电，电磁制动器17的线圈17.2得电吸合电枢板17.4使其与摩擦片17.3接触实现电机
转子制动，由于减速机3的输出齿轮与偏航轴承齿圈啮合，从而间接地对机头进行了制动，
进一步增加了风力发电机组的制动力矩。

[0041] 风力发电机组在电网正常时如需要让机头进行偏航动作，偏航电机4启动，其电磁制动器17失电松闸，液压站16的电磁阀Ⅰ9得电关闭，与此同时，电磁阀Ⅱ11失电关闭，电磁
阀Ⅲ12失电打开，液压制动器5内的高压油从背压阀14溢流回油箱15，由于背压阀14的设定
的溢流压力为25bar，此时液压制动器5内的压力降为25bar，风力发电机组为带低压制动阻
尼偏航。

[0042] 当电网掉电时，液压站16的电磁阀Ⅰ9、电磁阀Ⅱ11、电磁阀Ⅲ12均失电，液压制动器5压力降为背压阀14设定的溢流压力，此时，电磁制动器17也失电松闸，风力发电机组处
于带阻尼被动偏航状态，因偏航电机4没有制动，其输出小齿轮3.1可以转动，从而减小偏航
轴承具有齿轮的套圈2.2受到的外部载荷冲击。

[0043] 如图4‑图7所示，一种风力发电机组偏航制动系统的控制方法，包括以下步骤；

[0044] 步骤一：判断风力发电机组是否处于暴风工况，若是，则进入暴风控制模式，进入步骤二；若不是，则进入步骤三；

[0045] 当手动进入暴风控制模式或通过判断时间T内风速超过S时则判定进入暴风控制模式。

[0046] 步骤二：风力发电机组停止发电，在扭缆值超过限值前提前进行解缆，并背风偏航；

[0047] 风机提前解缆采用最小扭缆值背风偏航，其控制方法流程如下：

[0048] 2‑1)获取当前扭缆角度值α、机头与风向偏差角度β，其中扭缆角度值α带正负符号，左扭缆值为负(即右偏航为解缆方向)，右扭缆值为正(即左偏航为解缆方向)，机头与风
向偏差角度β定义机头方向顺时针旋转到风向一致需要旋转的角度，无正负符号，为正数；

[0049] 2‑2)判断|α+β|>|α‑(360‑β)|是否成立，若成立，则左偏航|α‑(360‑β)|度，不成立则右偏航|α+β|度；

[0050] 2‑3)在偏航过程上，当检测到β值小于设定最小允许偏航角度差值A且α≤180°时，停止偏航。

[0051] 步骤三：判断电网是否掉电，若正常不掉电，则进入步骤四，若电网掉电，则进入步骤五。

[0052] 步骤四：风力发电机组主动背风偏航，保持机头方向与风向一致。

[0053] 步骤五：风力发电机组采用掉电制动模式，进入带阻尼的被动偏航。

[0054] 电网掉电，液压站16的电磁阀Ⅰ9、电磁阀Ⅱ11、电磁阀Ⅲ12和偏航电机4内的电磁制动器17在掉电后短时间内由UPS供电以维持原状态；当电网掉电持续时间超过设定值Td
时，液压站16的电磁阀Ⅰ9、电磁阀Ⅱ11、电磁阀Ⅲ12和偏航电机4内的电磁制动器17均失电，
液压制动器5压力降为背压阀14设定的溢流压力，此时，风力发电机组处于带阻尼被动偏航
状态。