CN102374119A - 风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：由风电机组当前的变桨轴承摩擦力矩，计算得出当前的变桨轴承摩擦因子；以待达到的变桨轴承摩擦因子为目标，根据风电机组的运行功率和所述当前的变桨轴承摩擦因子求出润滑油脂需求量；以预定的风电机组发电量为目标，根据该润滑油脂需求量，制定润滑控制策略；根据平均风速和风机功率计算润滑目标区域，所述润滑目标区域为变桨轴承齿面的工作区域；同时计算润滑小齿轮出油点与润滑目标区域的角度差；风电机组主控制器控制变桨系统执行机构移动该角度差，并根据该控制策略进行自动润滑。本发明对变桨轴承及变桨齿面实现良好润滑。

Description

风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，尤其涉及一种风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法。

背景技术

风力发电机组配备的润滑装置可实现在运行时对各个关键零部件进行润滑操作，保证了关键零部件的使用寿命，减少了风电机组的人为维护操作量。对于变桨轴承润滑系统来说，由于变桨轴承设备特点和比较系统特殊的工作条件，更需要一种可靠的润滑系统来实现对变桨轴承及开式齿面的双重润滑。

风力发电机组的变桨轴承的润滑包含两个主要方面：1、在变桨轴承内部实现对滚道的润滑，简称变桨轴承润滑；2、对变桨轴承与变桨减速箱输出轴接触的开式齿面的润滑，简称变桨齿面润滑。根据风电机组的运行特点，这两种润滑的主要特点是：

变桨轴承润滑：变桨轴承上有6～12个注油孔，通过注油孔实现对轴承内部的滚柱和滑道的润滑，为密闭式润滑结构。此系统只需要定时注入新油，同时将混有杂质的废油排出即可；

变桨齿面润滑：对于齿面的润滑，由于其为开放式结构，润滑油脂只能附着在齿面上，但由于变桨系统驱动的桨叶只有在以下情况才有动作：

1、风机启停机的过程；

2、风机额定输出功率前的小幅度变桨实现最佳攻角；

3、风机额定输出后大幅度变桨实现整机功率控制。

所以风机正常运行过程中，与桨叶相连的变桨轴承只在较小的范围内变动，即变桨齿面的有效工作范围很小，一般来说在0～15°的范围内，那么这个范围就是最需要进行润滑的部位。正常情况下，风机长时间处于额定功率以下运行，如果在变桨齿面的额定工作点润滑不充分，会增加这个区域的损坏的概率，缩短变桨轴承的寿命。

目前，行业内主要有两种技术方案解决变桨轴承润滑问题：

1、人为手动润滑，包含对轴承及齿面的润滑操作均由工程师操作，定时检查，定时润滑。由风电机组维护工程师依据工程经验，对变桨轴承及齿面进行手动加油。其中，通过分布向轴承上的多个注油孔注油实现变桨轴承的润滑，向变桨轴承和变桨减速箱输出轴的齿面刷油实现齿面润滑；

2、自动润滑装置定时定量润滑。通过在轮毂内增加自动润滑装置分别对变桨轴承和变桨齿面进行定时定量润滑。自动润滑装置一般包括油脂罐、油脂泵、定时定量型控制器、分配器、注油管和相关检测设备(阻塞检测、流量检测、油压检测等)等组成。对于齿面润滑，还需要一个特殊设计的小齿轮，附加在变桨减速箱输出轴上，实现对齿面的润滑。由于油脂泵每次注油量是固定的，所以可以通过设置控制器的循环间隔时间和单次运行时间来实现定时定量注油，例如每5小时运行一次油脂泵，每次运行2分钟，每次注油量为0.2cm³。

以上润滑系统方案中，方案一初始投入成本低，但后期维护量大，维护成本高；而方案二设备成本较高，但自动运行方式显著降低了维护成本，目前应用较为广泛。

针对风电机组变桨轴承的运行特点和以上两种方案的运行模式，可以总结出以下两个方面的不足：1、手动工作模式的不足；2、定时定量工作模式的不足。其中，方案一属于手动工作模式，方案一和方案二同属于定时定量工作模式。方案一等效于长定时，一般为2周或一个月，方案二等效于短定时，一般为12小时或24小时。

手动工作模式有以下缺点：

由于变桨轴承位于轮毂内，所以每次操作必须关闭风机，且需运行主刹车或启动叶轮锁装置，以保证轮毂内操作的安全性，增加了维护操作的工序和难度；

由于润滑引起的停机操作会减低风电机组可利用率，润滑所需的工具及设备均需要每次移动至轮毂内，并且变桨轴承和齿面的润滑要求不同，需要两种不同的润滑油脂和注油设备，增加了风电机组的维护成本；

对变桨轴承的定期润滑的时间间隔的合理确定存在一定难度。时间间隔短，则造成维护量大，成本高；时间间隔长，会有变桨轴承润滑失效进而引起轴承故障的风险。为了保证风机关键设备的安全运行，综合考虑下，一般会选择较短的维护间隔；

由于齿面润滑为开放式润滑，在轮毂旋转过程中，存在油脂被甩散至轮毂内的风险；同时环境温度会造成油脂粘稠度的很大变化，那么在不同季节下，单次润滑油脂的注入量的选择成为一个难题；

方案二的自动润滑系统由于内置有定时控制器，解决了方案一的以上弊病，但是对于风电机组变桨系统尤其是变桨齿面润滑的特殊要求来说，定时定量的工作模式亦有以下不可避免的缺点(以现有自动润滑系统的方案为例)：

现有自动润滑系统均采用润滑小齿轮出油的方式实现润滑。润滑小齿轮固定于轮毂架上，并与变桨减速箱的输出轴进行齿轮啮合，通过将油加注在变桨减速箱输出轴上，进而实现了对变桨齿面的润滑。但是由于润滑小齿轮固定位置的限制，出油点与变桨齿面的实际工作位置存在多个齿的间隔，即不能直接对工作位置进行润滑。理论上，如果变桨系统无大范围变桨动作，那么0°附近的工作区域将不会被润滑，这将导致润滑系统失效；

确切的说，在此种模式下，只有在启停机的过程中，对对应的变桨减速箱输出轴的位置进行的润滑才会对正常工作区域产生润滑效果，润滑效率是很低的；

自风机开始运行，定时控制器就开始进行计时，进行定时定量输出。但考虑到以上缺点，润滑小齿轮的出油点不能对工作区域进行润滑，相反，过多的油脂处于一种无保护的状态，积累过多后，轮毂的旋转将导致油脂甩出，造成轮毂其他设备的污染，尤其是对变桨控制器和储能电池系统的污染。

以上分析可知，以定时定量注油的为控制方式的自动润滑控制系统不能满足风力发电机组变桨轴承的润滑要求，并可能导致其他设备的油污染，给维护人员增加了维护工作量，并浪费了大量润滑油。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法，能够对变桨轴承及变桨齿面实现良好润滑，满足轴承运行对润滑系统的技术需要，同时提供了润滑系统效率，减少了润滑油脂的使用量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法，由风电机组主控制器直接控制轮毂内变桨轴承的自动润滑系统的油脂泵；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：由风电机组当前的变桨轴承摩擦力矩，计算得出当前的变桨轴承摩擦因子；

步骤2：以待达到的变桨轴承摩擦因子为目标，根据风电机组的运行功率和所述当前的变桨轴承摩擦因子求出润滑油脂需求量；

步骤3：以预定的风电机组发电量为目标，根据该润滑油脂需求量，制定润滑控制策略；

步骤4：根据平均风速和风机功率计算润滑目标区域，所述润滑目标区域为变桨轴承齿面的工作区域；同时计算润滑小齿轮出油点与润滑目标区域的角度差；

步骤5：风电机组主控制器控制变桨系统执行机构移动该角度差，并根据该控制策略进行自动润滑。

实施时，步骤1包括：根据风机每周一次的自检操作中测得的变桨轴承的摩擦力矩f_n和变桨轴承的摩擦力矩标准值f₀，并利用以下公式计算出变桨轴承摩擦因子ρ，

$\mathrm{\ρ}=K_1\×{\left[\frac{f_n-f_0}{f_0}\right]}^2,$

其中，K₁为比例因子。

实施时，步骤3包括：

建立润滑效果评估的数学模型，即在保证一定润滑效果的前提下，不同的风电机组运行的平均功率P和变桨轴承摩擦因子ρ对应所需的润滑油脂需求量γ，其计算公式为：

$\mathrm{\γ}=K_5\×\left[\frac{P}{P_N}\right]\×[K_6\×\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_e}{{\mathrm{\ρ}}_e}]\×\left[\frac{K_7}{\mathrm{\η}\×\mathrm{\τ}}\right];$

K₅，K₆，K₇为比例因子；ρ_e为预期轴承摩擦因子；η为润滑效率；τ为润滑间隔时间。

实施时，在步骤4中，根据一段时间内平均风速V和风机功率P计算润滑目标区域，该润滑目标区域是变桨轴承齿面的工作区域α1～α2，计算方法如下：

α₁＝F₂(V，P，α₀)×＝max{K₄×min[K₂×(V³-V_N ³)，K₃×(P-P_N)]，α₀}

α₂＝F₃(V，P，α₀)＝max{K₄×max[K₂×(V³-V_N ³)，K₃×(P-P_N)]，α₀}

其中，K₂，K₃，K₄为比例因子；V_N为额定风速；P_N为额定功率；α₀为最小变桨角度；

并根据以下公式计算润滑小齿轮出油点与润滑目标区域的角度差β：β＝β₀-α₀，β₀为小齿轮出油点所处位置的角度参考值。

与现有技术相比，本发明通过结合风电机组的运行参数信息，如变桨角度值、风机功率、长时间平均风速、运行时间等，在一套新的控制算法的处理下，将原有定时定量自动润滑的工作模式，更换为风电机组主控制器实时控制的工作模式，可实现更佳的润滑效果、更小的功率损耗、更少的油脂使用量。

附图说明

图1是本发明所述的风电机组实用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的风电机组实用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法包括以下步骤：

步骤11：由风电机组当前的变桨轴承摩擦力矩，计算得出当前的变桨轴承摩擦因子；

步骤12：以待达到的变桨轴承摩擦因子为目标，根据风电机组的运行功率和所述当前的变桨轴承摩擦因子求出润滑油脂需求量；

步骤13：以预定的风电机组发电量为目标，根据该润滑油脂需求量，制定润滑控制策略；

步骤14：根据平均风速和风机功率计算润滑目标区域，所述润滑目标区域为变桨轴承齿面的工作区域；同时计算润滑小齿轮出油点与润滑目标区域的角度差；

步骤15：风电机组主控制器控制变桨系统执行机构移动该角度差，并根据该控制策略进行自动润滑。

本发明所述的风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法如下所述：

由风电机组主控制器直接控制轮毂内变桨轴承的自动润滑系统的油脂泵；

对变桨轴承内部润滑和齿面润滑的油脂泵的控制采用运筹学的原理，综合考虑各种工况下的润滑要求，实现润滑效果、风机发电量、油脂消耗量等几个目标值的最优控制，给出最佳的润滑泵的启动信号y：

建立变桨轴承齿面润滑模型，根据风机每周一次的自检操作中测得的变桨轴承摩擦力矩数据，计算出变桨轴承摩擦因子ρ，此变量表示由于缺少润滑而增加的变桨力矩和轴承磨损程度。其计算方法如下：

$\mathrm{\ρ}=F_1(f_n,f_0)=K_1\×{\left[\frac{f_n-f_0}{f_0}\right]}^2---\left(1\right)$

其中，K₁为比例因子；f_n为每次测量的摩擦力矩；f₀为摩擦力矩的标准值；

根据一段时间内平均风速v和风机功率p计算润滑目标区域，即变桨轴承齿面的工作区域α1～α2。其计算方法如下：

α₁＝F₂(V，P，α₀)×＝max{K₄×min[K₂×(V³-V_N ³)，K₃×(P-P_N)]，α₀}-----------(2)

α₂＝F₃(V，P，α₀)＝max{K₄×max[K₂×(V³-V_N ³)，K₃×(P-P_N)]，α₀}-----------(3)

K₂，K₃，K₄为比例因子；V_N为额定风速；P_N为额定功率；α₀为最小变桨角度；

计算润滑小齿轮出油点与润滑目标区域的角度差β；

β＝β₀-α₀-------------------------------------------(4)

β₀为小齿轮出油点所处位置的角度参考值。

建立润滑效果评估的数学模型，即在保证一定润滑效果的前提下，不同的风电机组运行的平均功率P和变桨轴承摩擦因子ρ对应所需的润滑油脂需求量γ，其计算公式为

K₅，K₆，K₇为比例因子；ρ_e为预期轴承摩擦因子；η为润滑效率；τ为润滑间隔时间。

由于风力发电机组所用变桨轴承的磨损造成变桨轴承摩擦因子ρ_e会逐渐增加，所以预期润滑效果会随着风机运行时间的增加而略有下降，这可由以下公式表示。

ρ_e＝F₅(ρ₀，t)---------------------------------------------(6)

ρ₀为初始轴承摩擦因子；t为轴承运行时间。

建立风机发电量评估的数学模型，根据所述的润滑油脂需求量γ，计算出合适的润滑策略。因润滑过程需要进行变桨操作，所以会引起风机控制策略的变化，影响风机发电量。如果β过大，则可能需要进行停机顺桨操作才能实现可靠润滑；

在风机启动过程中，针对α1～α2和β的值，在对应变桨范围内减慢变桨速度，同时触发润滑泵的启动信号y，进行必要的预润滑操作；

在风机运行过程中，根据前述策略的组合，计算出最优的润滑泵的启动信号y。

在具体实施中，根据不同风机和润滑系统的特点，可以调整以上模型中的对应参数值，以实现最优控制。

本发明改变风机轮毂内变桨轴承自动润滑系统的定时定量润滑控制模式为风机主控制器根据风机运行状态进行润滑控制的方式；

并通过在启动风机过程中的特定动作，实现预定位置的润滑；

而且通过风电机组主动顺桨动作和启动润滑油泵的操作实现对预定位置的润滑。

以上说明对发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法，其特征在于，

由风电机组主控制器直接控制轮毂内变桨轴承的自动润滑系统的油脂泵；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：由风电机组当前的变桨轴承摩擦力矩，计算得出当前的变桨轴承摩擦因子；

步骤2：以待达到的变桨轴承摩擦因子为目标，根据风电机组的运行功率和所述当前的变桨轴承摩擦因子求出润滑油脂需求量；

步骤3：以预定的风电机组发电量为目标，根据该润滑油脂需求量，制定润滑控制策略；

步骤4：根据平均风速和风机功率计算润滑目标区域，所述润滑目标区域为变桨轴承齿面的工作区域；同时计算润滑小齿轮出油点与润滑目标区域的角度差；

步骤5：风电机组主控制器控制变桨系统执行机构移动该角度差，并根据该控制策略进行自动润滑。

2.根据权利要求1所述的风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法，其特征在于，

步骤1包括：根据风机每周一次的自检操作中测得的变桨轴承的摩擦力矩f_n和变桨轴承的摩擦力矩标准值f₀，并利用以下公式计算出变桨轴承摩擦因子ρ，

$\mathrm{\ρ}=K_1\×{\left[\frac{f_n-f_0}{f_0}\right]}^2,$

其中，K₁为比例因子。

3.根据权利要求2所述的风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法，其特征在于，步骤3包括：

建立润滑效果评估的数学模型，即在保证一定润滑效果的前提下，不同的风电机组运行的平均功率P和变桨轴承摩擦因子ρ对应所需的润滑油脂需求量γ，其计算公式为：

$\mathrm{\γ}=K_5\×\left[\frac{P}{P_N}\right]\×[K_6\×\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_e}{{\mathrm{\ρ}}_e}]\×\left[\frac{K_7}{\mathrm{\η}\×\mathrm{\τ}}\right];$

K₅，K₆，K₇为比例因子；ρ_e为预期轴承摩擦因子；η为润滑效率；τ为润滑间隔时间。

4.根据权利要求3所述的风电机组使用的变桨轴承自动润滑系统的控制方法，其特征在于，

在步骤4中，根据一段时间内平均风速V和风机功率P计算润滑目标区域，该润滑目标区域是变桨轴承齿面的工作区域α1～α2，计算方法如下：

α₁＝F₂(V，P，α₀)×＝max{K₄×min[K₂×(V³-V_N ³)，K₃×(P-P_N)]，α₀}

α₂＝F₃(V，P，α₀)＝max{K₄×max[K₂×(V³-V_N ³)，K₃×(P-P_N)]，α₀}

其中，K₂，K₃，K₄为比例因子；V_N为额定风速；P_N为额定功率；α₀为最小变桨角度；

并根据以下公式计算润滑小齿轮出油点与润滑目标区域的角度差β：β＝β₀-α₀，β₀为小齿轮出油点所处位置的角度参考值。

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