一种风力发电机组液压驱动变桨控制方法与流程

本发明涉及一种风力发电机组液压驱动变桨的控制方法。

背景技术：

变速恒频风力发电机组关键技术之一是变桨技术。变桨距是指借助控制技术和动力系统，改变安装在大型风力发电机轮毂上叶片的桨距角大小，从而改变叶片的气动特性，改善桨叶和整机的受力情况。

随着风力发电技术的日趋成熟，变桨距机构的形式也趋于多样化。目前国际上大型风力发电机组的变桨距机构主要有两种实施方案：电机驱动变桨距和液压驱动变桨距。随着控制技术研究的不断深入，使得风力发电机组额定功率点以上能够平稳输出功率，避免波动，又要使风力发电机组传动系统载荷特性最大限度地改善显得尤其重要。变桨距作为极其重要控制手段，实现以上功能。液压驱动变桨距风力发电机组中体现的尤为突出，通过有效地变桨距可以将液压驱动时系统的柔性发挥到极致。

液压驱动变桨距机构中，液压油实际相当一个阻尼缓冲器，当桨叶受到冲击载荷时，变桨机构对冲击载荷起了缓冲作用，对桨叶以及整个机组传动链起到一定的保护作用。从液压驱动变桨距的可靠性角度分析，液压油的弹性模量、密度、惯性矩相对钢而言都要小，液压变桨距机构的固有频率较低，因而在整机运行中，不易受到发电机、齿轮箱的振动频率干扰，机构运行可靠性相对要高。

液压变桨距控制技术，充分将液压油的可压缩性发挥出来，使得液压变桨距具有良好的柔性，对于风力发电机功率的稳定输出、风力发电机组的自我保护以及机组的可靠运行提供了保障，对风力发电机组整机性能的提高有极大的作用。

电动变桨系统和液压变桨系统各有优点。电动变桨系统能源损耗小，传动结构简单，变桨同步性，准确性高，耐严寒能力强，且不存在液压油漏洞的风险，即避免了对环境的污染。

液压变桨系统具有响应速度快、扭矩大、便于集中布置和集成化、占用空间较小等优点。液压变桨系统中无变速机构，且元机构部件寿命也较长，在失电时系统由于采用蓄能器为后备动力而无需增加备用电源。但是液压变桨系统需要液压油泵长时间运转，以使系统保持高油温和足够压力随时准备变桨。

技术实现要素：

本发明的目的克服现有技术的缺点，提出一种风力发电机组液压变桨控制方法。本发明基于液压驱动变桨距的风力发电机组，可以减小变桨驱动机构所受的冲击载荷，改善风力发电机组整机受力状况，同时可使风力发电机组输出的功率更加平稳。

本发明采用以下技术方案：

本发明根据风力发电机组实际叶片角度、机组当前工况等信息，计算得到期望的变桨速度，并输出到执行机构，从而控制风力发电机组叶片角度。

液压驱动变桨距的风力发电机组中，液压变桨系统的液压泵提供工作动力，液压油作为传递介质。液压变桨系统一般由控制器、比例伺服阀、带位置测量装置的控制液压缸，安全液压缸、蓄能器、变桨轴承、执行机构等组成。其中执行机构中的同步盘、短转轴、连杆、长转轴和偏心盘组成了曲柄滑块机构，曲柄滑块机构主要作用是将液压推动杆的直线运行转化为偏心盘的圆周运动，达到桨叶转动的目的。

液压变桨系统由两个互相独立的液压系统控制。第一个液压系统由三个装在轮毂内的安全液压缸组成，其启动及停止由电磁阀控制。安全液压缸内没有位置测量装置。每一安全液压缸都有其自己的液压蓄能器，如果液压系统发生故障，叶片也能旋转至特定的位置。第二个液压系统由三个装在轮毂内的控制液压缸组成，通过机械连接与三叶片一起旋转。安装在机舱内的液压蓄能器作为备用刹车，此备用刹车系统在液压装置发生故障时起作用。在变桨控制油缸内安装有位置传感器以检测油缸行程的准确位置，此信号转换为桨角信号发回控制器进行实时对比分析，进行桨叶的精确控制，确保桨叶角度控制在最佳状态范围内。在风机发生紧急状况时，控制器将发出紧急指令，依靠液压系统的蓄能装置提供动力将叶片驱动至顺桨状态。

在液压变桨系统中，比例伺服阀是最为关键的部件，其主要利用比例控制技术将输入的电信号来调制液压参数，使之连续成比例变化。在闭环系统中，以实现对变桨的快速、稳定和精确的控制。

液压变桨系统主要工作过程为：风机将检测到的风速信号传输到控制器中，然后控制器计算得到桨叶变化所需的桨距角参考信号输出，控制比例伺服阀工作，改变比例阀开度的大小和方向，决定液体流量的大小，继而达到控制执行机构调节桨角的作用。

当风力发电机组变桨系统中控制液压缸投入工作后，根据机组当前的工况，以及叶片当前角度值，计算出期望的变桨速度并输出到比例伺服阀，控制风力发电机组开桨起始阶段及关桨结束阶段变桨机构的运行速度。

本发明方法步骤具体如下：

(1)变桨系统液压控制缸投入工作；

(2)风力发电机组进入运行状态时，控制器判定变桨控制处于开桨控制模式或关桨控制模式；

(3)分别计算开桨过程或关桨过程的期望变桨角度；

期望变桨角度的计算过程由控制器完成，其计算方法如下：

1)计算开桨过程变桨速度：

a)定义开桨初始阶段期望叶片角度P_Open，取值范围如下：

P_Max-V_Max*T_Open<P_Open<P_Max'0.5s≤T_Open≤1s (1)

其中，P_Max表示变桨最大角度，V_Max表示最大变桨速度，P_Max'表示开桨初始阶段桨叶角度，T_Open表示开桨初始阶段所需时间。

b)定义开桨初始阶段期望变桨速度V_Open,计算方法如下：

其中，k_Open表示开桨初始阶段末期速度折减系数，V_Max'表示开桨阶段末期最大速度，P_Real表示实际桨叶角度。

c)确定最小变桨角度时期望变桨速度V_OpenMin,计算方法如下：

V_OpenMin＝0 (3)

2)计算关桨过程变桨速度：

a)定义关桨最终阶段期望叶片角度P_Close,取值范围如下：

P_Max-V_Max*T_Close≤P_Close≤P_Max'0.25s≤T_Close≤0.75s (4)

其中，T_Close表示关桨最终阶段所需时间。

b)定义关桨最终阶段期望变桨速度V_Close,计算方法如下：

其中，k_Close表示关桨最终阶段速度折减系数，V_Max'表示关桨阶段末期最大速度。

c)定义最大变桨角度时的期望变桨速度V_CloseMin,计算方法如下：

V_CloseMin＝0 (6)

以上计算过程计算出了变桨速度值，控制器将速度值经过数模转换，将数字量信号转化为模拟信号，模拟信号以电信号方式输出，该电信号控制比例伺服阀工作，比例伺服阀根据控制信号改变比例阀开度的大小和方向，决定液体流量的大小，继而达到控制执行机构调节桨角的作用。

以上控制方法利用风力发电机组变桨系统所处的工况及叶片实际角度，计算出期望的变桨速度，控制开桨起始阶段及关桨结束阶段变桨机构的运行速度，将液压系统的柔性特性充分发挥，减小变桨驱动机构所受的冲击载荷，有效地保护了变桨驱动机构，使得风力发电机组整机受力状况大为改善，同时也使风力发电机组输出的功率更加平稳。

本发明无需引入新的传感器等外部设备，不会增加生产成本或设备硬件升级成本，通过对已有风力发电机组运行信息的整合处理以及对机组控制算法的优化便可以实现液压变桨系统的控制。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明控制液压缸开桨控制示意图；

图3为本发明控制液压缸开桨变桨速度计算示意图；

图4为本发明控制液压缸关桨控制示意图；

图5为本发明控制液压缸关桨变桨速度计算示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明基于采用液压驱动变桨距的风力发电机组，用于对液压变桨距系统中控制液压缸工作过程的控制。本发明根据变桨驱动机构所处的工况不同，通过特定的控制方法计算变桨速度并输出，使得液压驱动机构的柔性特性放大，从而减小变桨驱动机构所受的冲击载荷，有效地保护了变桨驱动机构，使得风力发电机组整机受力状况大为改善，同时也使风力发电机组输出的功率更加平稳，使得风力发电机组效率及寿命得到保证。

如图1所示，首先，液压驱动变桨距机构控制液压缸投入工作，风力发电机组的控制器对机组工况进行判定，同时对叶片角度进行监测，然后计算变桨速度，最后将变桨速度输出到变桨距执行机构，从而达到减小机组冲击载荷，平稳输出功率的目的。

如图2所示，控制液压缸开桨控制步骤如下：

步骤01，风力发电机组启动开桨；

步骤02，安全液压缸投入工作；

步骤03，安全液压缸工作结束，即叶片角度达到45度；

步骤04，控制液压缸投入工作，变桨速度计算如图3所示；

步骤05，完成开桨。

如图3所示，控制液压缸开桨速度计算步骤如下：

步骤01，判定控制液压缸开桨，即叶片角度向0度方向变化；

步骤02，确定开桨初始阶段叶片角度P_Open；

步骤03，计算开桨初始阶段变桨速度V_Open；

步骤04，判定叶片实际角度已经达到最小变桨角度；

步骤05，设定最小变桨速度V_OpenMin。

如图4所示，控制液压缸关桨控制步骤如下：

步骤01，风力发电机组启动关桨；

步骤02，控制液压缸投入工作，变桨速度计算如图5所示；

步骤03，控制液压缸工作结束，即叶片角度到达45度；

步骤04，安全液压缸投入工作；

步骤05，完成关桨；

如图5所示，控制液压缸关桨速度计算步骤如下：

步骤01，判定控制液压缸启动关桨，即叶片角度向45度方向变化；

步骤02，确定关桨初始阶段叶片角度P_Close；

步骤03，计算关桨初始阶段变桨速度V_Close；

步骤04，判定叶片实际角度已经达到最大变桨角度；

步骤05，设定最小变桨速度V_CloseMin；

通过以上控制流程实现采用液压驱动变桨距的风力发电机组变桨距控制，使得液压驱动机构的柔性特性放大，从而减小变桨驱动机构所受的冲击载荷，有效地保护了变桨驱动机构，使得风力发电机组整机受力状况大为改善，同时也使风力发电机组输出的功率更加平稳，使得风力发电机组效率及寿命得到保证。