本發明涉及一種風力發電機組液壓驅動變槳的控制方法。

背景技術：

變速恒頻風力發電機組關鍵技術之一是變槳技術。變槳距是指借助控制技術和動力系統，改變安裝在大型風力發電機輪轂上葉片的槳距角大小，從而改變葉片的氣動特性，改善槳葉和整機的受力情況。

隨著風力發電技術的日趨成熟，變槳距機構的形式也趨于多樣化。目前國際上大型風力發電機組的變槳距機構主要有兩種實施方案：電機驅動變槳距和液壓驅動變槳距。隨著控制技術研究的不斷深入，使得風力發電機組額定功率點以上能夠平穩輸出功率，避免波動，又要使風力發電機組傳動系統載荷特性最大限度地改善顯得尤其重要。變槳距作為極其重要控制手段，實現以上功能。液壓驅動變槳距風力發電機組中體現的尤為突出，通過有效地變槳距可以將液壓驅動時系統的柔性發揮到極致。

液壓驅動變槳距機構中，液壓油實際相當一個阻尼緩沖器，當槳葉受到沖擊載荷時，變槳機構對沖擊載荷起了緩沖作用，對槳葉以及整個機組傳動鏈起到一定的保護作用。從液壓驅動變槳距的可靠性角度分析，液壓油的彈性模量、密度、慣性矩相對鋼而言都要小，液壓變槳距機構的固有頻率較低，因而在整機運行中，不易受到發電機、齒輪箱的振動頻率干擾，機構運行可靠性相對要高。

液壓變槳距控制技術，充分將液壓油的可壓縮性發揮出來，使得液壓變槳距具有良好的柔性，對于風力發電機功率的穩定輸出、風力發電機組的自我保護以及機組的可靠運行提供了保障，對風力發電機組整機性能的提高有極大的作用。

電動變槳系統和液壓變槳系統各有優點。電動變槳系統能源損耗小，傳動結構簡單，變槳同步性，準確性高，耐嚴寒能力強，且不存在液壓油漏洞的風險，即避免了對環境的污染。

液壓變槳系統具有響應速度快、扭矩大、便于集中布置和集成化、占用空間較小等優點。液壓變槳系統中無變速機構，且元機構部件壽命也較長，在失電時系統由于采用蓄能器為后備動力而無需增加備用電源。但是液壓變槳系統需要液壓油泵長時間運轉，以使系統保持高油溫和足夠壓力隨時準備變槳。

技術實現要素：

本發明的目的克服現有技術的缺點，提出一種風力發電機組液壓變槳控制方法。本發明基于液壓驅動變槳距的風力發電機組，可以減小變槳驅動機構所受的沖擊載荷，改善風力發電機組整機受力狀況，同時可使風力發電機組輸出的功率更加平穩。

本發明采用以下技術方案：

本發明根據風力發電機組實際葉片角度、機組當前工況等信息，計算得到期望的變槳速度，并輸出到執行機構，從而控制風力發電機組葉片角度。

液壓驅動變槳距的風力發電機組中，液壓變槳系統的液壓泵提供工作動力，液壓油作為傳遞介質。液壓變槳系統一般由控制器、比例伺服閥、帶位置測量裝置的控制液壓缸，安全液壓缸、蓄能器、變槳軸承、執行機構等組成。其中執行機構中的同步盤、短轉軸、連桿、長轉軸和偏心盤組成了曲柄滑塊機構，曲柄滑塊機構主要作用是將液壓推動桿的直線運行轉化為偏心盤的圓周運動，達到槳葉轉動的目的。

液壓變槳系統由兩個互相獨立的液壓系統控制。第一個液壓系統由三個裝在輪轂內的安全液壓缸組成，其啟動及停止由電磁閥控制。安全液壓缸內沒有位置測量裝置。每一安全液壓缸都有其自己的液壓蓄能器，如果液壓系統發生故障，葉片也能旋轉至特定的位置。第二個液壓系統由三個裝在輪轂內的控制液壓缸組成，通過機械連接與三葉片一起旋轉。安裝在機艙內的液壓蓄能器作為備用剎車，此備用剎車系統在液壓裝置發生故障時起作用。在變槳控制油缸內安裝有位置傳感器以檢測油缸行程的準確位置，此信號轉換為槳角信號發回控制器進行實時對比分析，進行槳葉的精確控制，確保槳葉角度控制在最佳狀態范圍內。在風機發生緊急狀況時，控制器將發出緊急指令，依靠液壓系統的蓄能裝置提供動力將葉片驅動至順槳狀態。

在液壓變槳系統中，比例伺服閥是最為關鍵的部件，其主要利用比例控制技術將輸入的電信號來調制液壓參數，使之連續成比例變化。在閉環系統中，以實現對變槳的快速、穩定和精確的控制。

液壓變槳系統主要工作過程為：風機將檢測到的風速信號傳輸到控制器中，然后控制器計算得到槳葉變化所需的槳距角參考信號輸出，控制比例伺服閥工作，改變比例閥開度的大小和方向，決定液體流量的大小，繼而達到控制執行機構調節槳角的作用。

當風力發電機組變槳系統中控制液壓缸投入工作后，根據機組當前的工況，以及葉片當前角度值，計算出期望的變槳速度并輸出到比例伺服閥，控制風力發電機組開槳起始階段及關槳結束階段變槳機構的運行速度。

本發明方法步驟具體如下：

(1)變槳系統液壓控制缸投入工作；

(2)風力發電機組進入運行狀態時，控制器判定變槳控制處于開槳控制模式或關槳控制模式；

(3)分別計算開槳過程或關槳過程的期望變槳角度；

期望變槳角度的計算過程由控制器完成，其計算方法如下：

1)計算開槳過程變槳速度：

a)定義開槳初始階段期望葉片角度P_Open，取值范圍如下：

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

其中，P_Max表示變槳最大角度，V_Max表示最大變槳速度，P_Max'表示開槳初始階段槳葉角度，T_Open表示開槳初始階段所需時間。

b)定義開槳初始階段期望變槳速度V_Open,計算方法如下：

其中，k_Open表示開槳初始階段末期速度折減系數，V_Max'表示開槳階段末期最大速度，P_Real表示實際槳葉角度。

c)確定最小變槳角度時期望變槳速度V_OpenMin,計算方法如下：

V_OpenMin＝0 (3)

2)計算關槳過程變槳速度：

a)定義關槳最終階段期望葉片角度P_Close,取值范圍如下：

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

其中，T_Close表示關槳最終階段所需時間。

b)定義關槳最終階段期望變槳速度V_Close,計算方法如下：

其中，k_Close表示關槳最終階段速度折減系數，V_Max'表示關槳階段末期最大速度。

c)定義最大變槳角度時的期望變槳速度V_CloseMin,計算方法如下：

V_CloseMin＝0 (6)

以上計算過程計算出了變槳速度值，控制器將速度值經過數模轉換，將數字量信號轉化為模擬信號，模擬信號以電信號方式輸出，該電信號控制比例伺服閥工作，比例伺服閥根據控制信號改變比例閥開度的大小和方向，決定液體流量的大小，繼而達到控制執行機構調節槳角的作用。

以上控制方法利用風力發電機組變槳系統所處的工況及葉片實際角度，計算出期望的變槳速度，控制開槳起始階段及關槳結束階段變槳機構的運行速度，將液壓系統的柔性特性充分發揮，減小變槳驅動機構所受的沖擊載荷，有效地保護了變槳驅動機構，使得風力發電機組整機受力狀況大為改善，同時也使風力發電機組輸出的功率更加平穩。

本發明無需引入新的傳感器等外部設備，不會增加生產成本或設備硬件升級成本，通過對已有風力發電機組運行信息的整合處理以及對機組控制算法的優化便可以實現液壓變槳系統的控制。

附圖說明

圖1為本發明流程示意圖；

圖2為本發明控制液壓缸開槳控制示意圖；

圖3為本發明控制液壓缸開槳變槳速度計算示意圖；

圖4為本發明控制液壓缸關槳控制示意圖；

圖5為本發明控制液壓缸關槳變槳速度計算示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。

本發明基于采用液壓驅動變槳距的風力發電機組，用于對液壓變槳距系統中控制液壓缸工作過程的控制。本發明根據變槳驅動機構所處的工況不同，通過特定的控制方法計算變槳速度并輸出，使得液壓驅動機構的柔性特性放大，從而減小變槳驅動機構所受的沖擊載荷，有效地保護了變槳驅動機構，使得風力發電機組整機受力狀況大為改善，同時也使風力發電機組輸出的功率更加平穩，使得風力發電機組效率及壽命得到保證。

如圖1所示，首先，液壓驅動變槳距機構控制液壓缸投入工作，風力發電機組的控制器對機組工況進行判定，同時對葉片角度進行監測，然后計算變槳速度，最后將變槳速度輸出到變槳距執行機構，從而達到減小機組沖擊載荷，平穩輸出功率的目的。

如圖2所示，控制液壓缸開槳控制步驟如下：

步驟01，風力發電機組啟動開槳；

步驟02，安全液壓缸投入工作；

步驟03，安全液壓缸工作結束，即葉片角度達到45度；

步驟04，控制液壓缸投入工作，變槳速度計算如圖3所示；

步驟05，完成開槳。

如圖3所示，控制液壓缸開槳速度計算步驟如下：

步驟01，判定控制液壓缸開槳，即葉片角度向0度方向變化；

步驟02，確定開槳初始階段葉片角度P_Open；

步驟03，計算開槳初始階段變槳速度V_Open；

步驟04，判定葉片實際角度已經達到最小變槳角度；

步驟05，設定最小變槳速度V_OpenMin。

如圖4所示，控制液壓缸關槳控制步驟如下：

步驟01，風力發電機組啟動關槳；

步驟02，控制液壓缸投入工作，變槳速度計算如圖5所示；

步驟03，控制液壓缸工作結束，即葉片角度到達45度；

步驟04，安全液壓缸投入工作；

步驟05，完成關槳；

如圖5所示，控制液壓缸關槳速度計算步驟如下：

步驟01，判定控制液壓缸啟動關槳，即葉片角度向45度方向變化；

步驟02，確定關槳初始階段葉片角度P_Close；

步驟03，計算關槳初始階段變槳速度V_Close；

步驟04，判定葉片實際角度已經達到最大變槳角度；

步驟05，設定最小變槳速度V_CloseMin；

通過以上控制流程實現采用液壓驅動變槳距的風力發電機組變槳距控制，使得液壓驅動機構的柔性特性放大，從而減小變槳驅動機構所受的沖擊載荷，有效地保護了變槳驅動機構，使得風力發電機組整機受力狀況大為改善，同時也使風力發電機組輸出的功率更加平穩，使得風力發電機組效率及壽命得到保證。