本發(fā)明涉及風力發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及風力發(fā)電交流變槳伺服驅(qū)動器輸出力矩平滑控制方法。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電機組的關(guān)鍵承力部件的設(shè)計，如葉片、齒輪和軸承等，需要保證其20年運行壽命中具有較高的抗疲勞性能。承力部件如果長期承受過大的力矩和風速變化所帶來的瞬間大沖量沖擊，必然導致承力部件壽命減少甚至損壞。一旦關(guān)鍵承力部件受到損壞，其所帶來的經(jīng)濟破壞是巨大的，不僅會給風電設(shè)備制造企業(yè)帶來不可估量的損失，還會影響整個風電行業(yè)和國民經(jīng)濟的健康發(fā)展。
變速恒頻風力發(fā)電機組在輸出頻率恒定的情況下，其風輪轉(zhuǎn)速可隨風速在較寬的范圍內(nèi)變化，使其能夠最大效率地利用風能。但是風速波動時，會使風力發(fā)電機及變槳電機承受很大的沖擊，長期瞬間過大的力矩作用于風機系統(tǒng)，會增加系統(tǒng)的機械損傷風險，影響風力發(fā)電機及變槳電機的壽命，甚至導致風力發(fā)電機組的安全事故。
變槳控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)直接決定了這些關(guān)鍵部件的承力大小和風速變化所帶來的沖擊。近年來，隨著交流變槳系統(tǒng)的大量使用，風機關(guān)鍵承力部件的質(zhì)量問題頻出。由于交流變槳驅(qū)動電機輸出扭矩大，葉片、齒輪和軸承等頻繁地承受過大的瞬時扭矩，容易出現(xiàn)開裂等結(jié)構(gòu)性的損傷，最終導致風機損壞。因此優(yōu)化變槳控制系統(tǒng)以降低風力發(fā)電機組關(guān)鍵部件的疲勞應力和沖量，對提高風力發(fā)電機組運行的可靠性和壽命具有重大的意義。而現(xiàn)有的變槳控制系統(tǒng)運行時基本上都是簡單地滿足功率最優(yōu)的控制原則，而未考慮在不同工況和風速下其控制對風機承力部件疲勞壽命的影響。
風機交流變槳伺服控制系統(tǒng)一般存在三個控制環(huán)路：最外層的位置環(huán)、中間層的速度環(huán)和最內(nèi)層的轉(zhuǎn)矩環(huán)。風力發(fā)電機一般是根據(jù)最大功率跟蹤原則隨著風速來調(diào)整槳葉迎風角度，即通過變槳控制器的最外層位置環(huán)來進行調(diào)節(jié)。但是，上述風機功率調(diào)節(jié)的過程中，為了維持風機的輸出功率，變槳驅(qū)動器必須將槳葉調(diào)整到一定的角度，而突然快速波動的風速會導致變槳驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)矩急劇增大，造成突加的能量對葉片、軸承和齒輪瞬間大轉(zhuǎn)矩沖擊，導致關(guān)鍵承力部件的應力疲勞。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種有效減低和減小風速波動和交流變槳驅(qū)動電機大扭矩輸出時，對葉片、齒輪和軸承等瞬時扭矩沖擊的風力發(fā)電交流變槳伺服驅(qū)動器輸出力矩平滑控制方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
風力發(fā)電交流變槳伺服驅(qū)動器輸出力矩平滑控制方法，包括以下順序步驟：
步驟1)計算變槳電機當前的加速度a＝dωr/dt；
步驟2)判斷變槳電機當前的控制模式：如果變槳電機處于速度控制模式，進入步驟3)，如果變槳電機處于位置控制模式，則進入步驟5)；
步驟3)判斷變槳電機當前的運行狀態(tài)：
①如果變槳電機處于勻速狀態(tài)，當a–0<-δ時，令ttmp1＝t*em，進入步驟4)；
②如果變槳電機處于加速狀態(tài)，當a–ar<-δ時，令ttmp1＝t*em，進入步驟4)；
③如果變槳電機處于減速狀態(tài)，當a-af>δ時，令ttmp1＝t*em，進入步驟4)；
步驟4)轉(zhuǎn)矩平滑控制邏輯，輸出最終目標轉(zhuǎn)矩，進入步驟6；
步驟5)判斷槳葉角度變化速率，當dλr/dt>λs時，令ttmp1＝t*em，進入步驟4)；
步驟6)重復步驟1)；
其中：δ為電機加速度設(shè)定閥值；t*em為設(shè)定目標轉(zhuǎn)矩；ar為預設(shè)加速的加速度，ar＝ω*s/tr，ω*s為電機額定轉(zhuǎn)速，tr為電機加速時間；af為預設(shè)減速的加速度，af＝-ω*s/tf，tf為電機減速時間；λs為槳葉角度變化率設(shè)定閥值；步驟3)中，變槳電機處于勻速狀態(tài)時，加速度值為0；變槳電機處于加速狀態(tài)時，加速度值ar為正；變槳電機處于減速狀態(tài)時，加速度af值為負。
具體地，所述轉(zhuǎn)矩平滑控制邏輯包括：
①令δt*e＝ζttmp1/τf；
②令t*e＝t*e-δt*e；
③當t*e＞(1-ζ)ttmp1時，回到②；當t*e≤(1-ζ)ttmp1時，t*e＝(1-ζ)ttmp1，轉(zhuǎn)到④；
④令ttmp2＝t*em；
⑤令δt*e＝[ttmp2-(1-ζ)ttmp1]/τr；
⑥令t*e＝t*e+δt*e；
⑦如果t*em＜t*max，當t*e＜t*em時，回到⑥；當t*e≥t*em時，t*e＝t*em；如果t*em≥t*max，當t*e＜t*max時，回到⑥，當t*e≥t*max時，t*e＝t*max；
其中：ζ為轉(zhuǎn)矩平滑控制系數(shù)；t*e為最終目標轉(zhuǎn)矩；τf為轉(zhuǎn)矩平滑下調(diào)系數(shù)；τr為轉(zhuǎn)矩平滑上調(diào)系數(shù)；t*max為最大輸出轉(zhuǎn)矩。
進一步地，所述ζ的大小為0＜ζ＜1，且與a＝dωr/dt線性相關(guān)，a＝dωr/dt越大，ζ越大。
進一步地，所述τf與a＝dωr/dt線性相關(guān)，且a＝dωr/dt越大，τf越小。
進一步地，所述τr與a＝dωr/dt線性相關(guān)，且a＝dωr/dt越大，τr越小。
采用上述技術(shù)方案，分別根據(jù)速度控制模式下和位置控制模式對變槳電機進行了轉(zhuǎn)矩平滑控制。在速度控制模式下，通過計算當前加速度a＝dωr/dt，分別與預設(shè)的加速的加速度ar＝ω*s/tr、減速的加速度af＝ω*s/tf、勻速的加速度0進行求差，再與設(shè)定的閥值進行比較，判斷上述情況是否需要對變槳電機進行轉(zhuǎn)矩平滑控制。在位置控制模式下，通過求解槳葉的位置變化率dλr/dt，與設(shè)定的閥值λs進行比較，判斷是否需要對變槳電機進行轉(zhuǎn)矩平滑控制。使得在出現(xiàn)較大的風速波動下，通過對變槳電機進行轉(zhuǎn)矩平滑控制，有效避免對風機的關(guān)鍵部件葉片、齒輪和軸承等產(chǎn)生沖擊，有效提高風機的葉片、齒輪和軸承等的使用壽命和使用性能，提高企業(yè)的經(jīng)營效益和經(jīng)濟效益。
附圖說明
圖1為本發(fā)明風力發(fā)電交流變槳伺服驅(qū)動器控制系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
如附圖1風力發(fā)電交流變槳伺服驅(qū)動器控制系統(tǒng)示意圖所示，其包括最內(nèi)層轉(zhuǎn)矩環(huán)(響應最快)、中間層速度環(huán)和最外層位置環(huán)組成(響應最慢)。其中，λ*r是目標槳葉角度，λr是實際槳葉角度，δλr是目標槳葉角度和實際槳葉角度的差值，ω*r是目標變槳速度，ωr是實際變槳速度，t*em是經(jīng)過速度環(huán)pi調(diào)整后的目標轉(zhuǎn)矩，t*e是經(jīng)過轉(zhuǎn)矩平滑調(diào)整控制后輸出的最終目標轉(zhuǎn)矩，te是輸出的實際轉(zhuǎn)矩，i*d和i*q分別是輸出目標勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，id和iq分別是輸出實際勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，θr是變槳電機旋轉(zhuǎn)角度。
在具體應用過程中，當風速波動突然增大時，如果變槳電機的速度ωr突然上升，說明波動的風對槳葉調(diào)整形成一個助力，則不需要進行轉(zhuǎn)矩平滑控制處理。如果變槳電機的速度ωr突然下降，說明波動的風對槳葉調(diào)整形成一個阻力，將可能會對發(fā)生沖擊的可能；將判斷是否需要對轉(zhuǎn)矩進行平滑控制。同時，在槳葉角度調(diào)整到位時，若果此時風速波動突然增大，也有可能產(chǎn)生沖擊，會導致位置信號dλr/dt變化率大于設(shè)定的位置信號變化率的閥值λs，甚至導致δλr>δλ*r，發(fā)生沖擊現(xiàn)象。
通過以上分析，要避免變槳電機、傳動箱、以及風機葉輪轉(zhuǎn)動齒輪在出現(xiàn)較大風速波動時產(chǎn)生沖擊，提高風機系統(tǒng)的使用壽命和使用性能，需要對變槳電機的輸出力矩進行平滑控制，降低由于波動過大引起的沖擊。
具體實施過程中，風力發(fā)電交流變槳伺服驅(qū)動器輸出力矩平滑控制方法包括以下順序步驟：
步驟1)計算變槳電機當前的加速度a＝dωr/dt；
步驟2)判斷變槳電機當前的控制模式：如果變槳電機處于速度控制模式，進入步驟3)，如果變槳電機處于位置控制模式，則進入步驟5)；
步驟3)判斷變槳電機當前的運行狀態(tài)：
①如果變槳電機處于勻速狀態(tài)，當a–0<-δ時，令ttmp1＝t*em，進入步驟4)；
②如果變槳電機處于加速狀態(tài)，當a–ar<-δ時，令ttmp1＝t*em，進入步驟4)；
③如果變槳電機處于減速狀態(tài)，當a-af>δ時，令ttmp1＝t*em，進入步驟4)；
步驟4)轉(zhuǎn)矩平滑控制邏輯，輸出最終目標轉(zhuǎn)矩，進入步驟6；
步驟5)判斷槳葉角度變化速率，當dλr/dt>λs時，令ttmp1＝t*em，進入步驟4)；
步驟6)重復步驟1)；
其中：δ為電機加速度設(shè)定閥值；t*em為設(shè)定目標轉(zhuǎn)矩；ar為預設(shè)加速的加速度，ar＝ω*s/tr，ω*s為電機額定轉(zhuǎn)速，tr為電機加速時間；af為預設(shè)減速的加速度，af＝-ω*s/tf，tf為電機減速時間；λs為槳葉角度變化率設(shè)定閥值；步驟3)中，變槳電機處于勻速狀態(tài)時，加速度值為0；變槳電機處于加速狀態(tài)時，加速度值ar為正；變槳電機處于減速狀態(tài)時，加速度af值為負。
更為具體地，轉(zhuǎn)矩平滑控制邏輯包括：
①令δt*e＝ζttmp1/τf；
②令t*e＝t*e-δt*e；
③當t*e＞(1-ζ)ttmp1時，回到②；當t*e≤(1-ζ)ttmp1時，t*e＝(1-ζ)ttmp1，轉(zhuǎn)到④；
④令ttmp2＝t*em；
⑤令δt*e＝[ttmp2-(1-ζ)ttmp1]/τr；
⑥令t*e＝t*e+δt*e；
⑦如果t*em＜t*max，當t*e＜t*em時，回到⑥；當t*e≥t*em時，t*e＝t*em；如果t*em≥t*max，當t*e＜t*max時，回到⑥，當t*e≥t*max時，t*e＝t*max；
其中：ζ為轉(zhuǎn)矩平滑控制系數(shù)；t*e為最終目標轉(zhuǎn)矩；τf為轉(zhuǎn)矩平滑下調(diào)系數(shù)；τr為轉(zhuǎn)矩平滑上調(diào)系數(shù)；t*max為最大輸出轉(zhuǎn)矩。
在加速度(a＝dωr/dt)控制模式下，第①步中的轉(zhuǎn)矩平滑系數(shù)ζ決定了轉(zhuǎn)矩平滑控制的度，即將轉(zhuǎn)矩線性減少至風速突變發(fā)生時轉(zhuǎn)矩的(1-ζ)ttmp1，轉(zhuǎn)矩平滑系數(shù)ζ的取值范圍為0＜ζ＜1，其大小根據(jù)風速波動的程度來決定，根據(jù)步驟1)中的加速度變化量大小來判斷；且ζ與a＝dωr/dt線性相關(guān)，a＝dωr/dt越大，ζ越大。
轉(zhuǎn)矩平滑下調(diào)系數(shù)τf決定了轉(zhuǎn)矩線性向下調(diào)整的斜率，其大小跟據(jù)風速波動程度來決定；τf與a＝dωr/dt線性相關(guān)，且a＝dωr/dt越大，τf越小。
在轉(zhuǎn)矩平滑控制邏輯的第④步，由于平滑控制的影響，速度環(huán)的轉(zhuǎn)差率進一步增大，會導致當前輸出的t*em比步驟2)中輸出的t*em大，因此在轉(zhuǎn)矩平滑控制上升階段要使得最終輸出目標轉(zhuǎn)矩t*e從(1-ζ)ttmp1開始以δt*e的增量上升。
轉(zhuǎn)矩平滑上調(diào)系數(shù)τr決定了轉(zhuǎn)矩線性向上調(diào)整的斜率，其大小跟據(jù)風速波動程度來決定，τr與a＝dωr/dt線性相關(guān)，且a＝dωr/dt越大，τr越小。
在轉(zhuǎn)矩平滑控制邏輯的第⑦步，在變槳驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)矩平滑上調(diào)的過程中，如果風速波動過大，使得當前t*em大于驅(qū)動器的最大限制轉(zhuǎn)矩t*max，則最終輸出目標轉(zhuǎn)矩輸出t*e不能超過t*max，否則對變槳電機、葉片、齒輪和軸承都會有損傷的風險。在當前t*em不超過最大限制轉(zhuǎn)矩t*max的情況下，在t*e≥t*em時，立刻讓t*e＝t*em，結(jié)束轉(zhuǎn)矩平滑控制。
在dλr/dt位置控制模式下，通過調(diào)整電機加速時間tr和電機減速時間tf來控制變槳驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)矩的回收與迎送時間，轉(zhuǎn)矩保證在此時間段內(nèi)對變槳電機的功率調(diào)節(jié)跟蹤造成的影響最小，同時又能保證對變槳驅(qū)動器的力矩平滑控制。通過調(diào)整轉(zhuǎn)矩平滑控制系數(shù)ζ來控制變槳驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)矩回收量的大小，保證在不同強度風力變化時，都能夠很好地緩解葉片、齒輪和軸承所受到的沖擊。轉(zhuǎn)矩平滑控制系數(shù)ζ根據(jù)變槳電機的加速度變化量(對應風速突變量)來線性調(diào)節(jié)，可以針對不同的風速波動智能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩平滑度。
由于轉(zhuǎn)矩環(huán)有一個pi調(diào)節(jié)器，將輸出最終目標轉(zhuǎn)矩設(shè)定為t*e＝(1-ζ)ttmp1，并不會導致輸出實際轉(zhuǎn)矩te馬上就變化到t*e而造成瞬間的抖動。tf時間結(jié)束后，不令最終輸出目標轉(zhuǎn)矩t*e馬上等于當前的t*em，而是以δt*e＝[ttmp2-(1-ζ)ttmp1]/τr的增量逐漸從t*e＝(1-ζ)ttmp1開始遞增，是因為前述的轉(zhuǎn)矩回收動作會導致轉(zhuǎn)差率增大，使得轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的t*em比較大，假設(shè)此時直接令t*e＝t*em，由于轉(zhuǎn)矩環(huán)響應非常快，就會導致變槳驅(qū)動器瞬間輸出大轉(zhuǎn)矩，對葉片、軸承和齒輪等造成很大的沖擊。
以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但本發(fā)明不限于所描述的實施方式。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明原理和精神的情況下，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變型，仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。