[發(fā)明專利]一種變槳距液壓傳動的風(fēng)力機及其控制方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201710533013.9 | 申請日： | 2017-07-03 |
| 公開（公告）號： | CN107269466B | 公開（公告）日： | 2019-07-23 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 穆安樂;楊建湘;劉斌 | 申請（專利權(quán)）人： | 西安理工大學(xué) |
| 主分類號： | F03D7/04 | 分類號： | F03D7/04 |
| 代理公司： | 西安弘理專利事務(wù)所 61214 | 代理人： | 王奇 |
| 地址： | 710048*** | 國省代碼： | 陜西;61 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 變槳距 液壓 傳動 風(fēng)力機 及其 控制 方法 | ||
1.一種變槳距液壓傳動的風(fēng)力機的控制方法，所述變槳距液壓傳動的風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)是：包括風(fēng)能采集器(1)，風(fēng)能采集器(1)內(nèi)部設(shè)置有葉輪(23)、變槳裝置(24)及風(fēng)速儀(25)，風(fēng)能采集器(1)的機械能輸出端與變量泵(2)輸入端同軸剛性連接，變量泵(2)設(shè)置有變量泵控制單元(19)，在葉輪(23)與變量泵(2)之間設(shè)置有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器(21)；
變量泵(2)出口端與單向閥(3)進口端連通，單向閥(3)出口端同時與液壓儲能器(4)、補油系統(tǒng)(5)、高壓壓力表(6)、高壓壓力傳感器(7)、先導(dǎo)型電液比例控制閥(9)連通，先導(dǎo)型電液比例控制閥(9)輸出端與變量馬達(10)進口端連通，變量馬達(10)與永磁同步發(fā)電機(11)同軸剛性連接，在變量馬達(10)與永磁同步發(fā)電機(11)之間設(shè)置有轉(zhuǎn)速傳感器(22)，變量馬達(10)設(shè)置有變量馬達控制單元(12)；
變量泵(2)進口端與進口濾油器(18)出口端連通，變量馬達(10)出口端與出口濾油器(13)連通，進口濾油器(18)進口端同時與低壓壓力表(17)、低壓壓力傳感器(16)、溢流閥(15)及出口濾油器(13)連通，溢流閥(15)另與液壓油箱(14)連通；單向閥(3)出口端與進口濾油器(18)進口端之間另外連通有單向閥(8)；
所述的變量泵控制單元(19)包括電液伺服閥A和單活塞桿缸執(zhí)行元件A；變量馬達控制單元(12)包括電液伺服閥B和單活塞桿缸執(zhí)行元件B；
所述的高壓壓力傳感器(7)和低壓壓力傳感器(16)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器(21)、轉(zhuǎn)速傳感器(22)、變量泵控制單元(19)、變量馬達控制單元(12)、變槳裝置(24)及風(fēng)速儀(25)均與中央控制器(20)信號連接；
所述的中央控制器(20)還分別連接有數(shù)據(jù)存儲模塊(31)、模糊PID計算模塊(32)、電壓比較器(27)、人機操作模塊(34)、監(jiān)控顯示模塊(35)及兩個電液伺服閥，
根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組運行特征，基于上述的變槳距液壓傳動的風(fēng)力機，實現(xiàn)風(fēng)能采集-液壓儲能-電能轉(zhuǎn)換與傳遞三步控制，
其一，所述的風(fēng)能采集的具體控制過程是：
風(fēng)速儀(25)內(nèi)部經(jīng)測量風(fēng)速后輸出驅(qū)動一個永磁直流發(fā)電機，該永磁直流發(fā)電機輸出的直流電壓u0與即時風(fēng)速vwind成正比的k0關(guān)系，即u0＝k0vwind，
葉輪(23)的槳距角β與變槳裝置(24)的動作部件直流無刷伺服電動機的電壓uβ也存在函數(shù)關(guān)系，β＝f(uβ)，即通過變槳裝置(24)根據(jù)給定的槳距角與絕對值編碼器測得的實際槳距角，計算出直流無刷伺服電動機的參考轉(zhuǎn)速；根據(jù)實測轉(zhuǎn)速和參考轉(zhuǎn)速計算出參考電流，參考電流與反饋電流相比較由電流調(diào)節(jié)器進行電流調(diào)整獲得直流無刷伺服電動機的電壓指令；直流無刷伺服電動機的電壓指令反映葉輪槳距角與風(fēng)速存在函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過等效替換及線性化處理，能夠近似線性得出槳距角β＝Kβuβ，通常，β∈[0°,45°]，Kβ∈[0,10]，uβ∈[0V,10V]，
中央控制器(20)根據(jù)額定風(fēng)速vrate時給定槳距角β0對應(yīng)的直流無刷伺服電動機的基準(zhǔn)電壓指令uβ0，風(fēng)速儀(25)測得的即時風(fēng)速vwind對應(yīng)的槳距角βv對應(yīng)的電壓指令uβV；當(dāng)即時風(fēng)速vwind＞vrate時，對應(yīng)的電壓uβ0與uβV經(jīng)過電壓比較器(27)比較，即uβV≥uβ0，電壓比較器(27)輸出高電平+Um送給中央控制器(20)后，執(zhí)行變槳操作，獲取合適的槳距角保證輸出功率穩(wěn)定；當(dāng)即時風(fēng)速vwind＜vrate時，則需根據(jù)最佳功率跟蹤Cp曲線獲取最大氣動能量，只由風(fēng)向判斷是否偏航對風(fēng)且無需調(diào)整槳距角，
其二，所述的液壓儲能的具體控制過程是：
1)將給定的風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩Tref與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器(21)采集的實際轉(zhuǎn)矩Tpunp，經(jīng)中央控制器(20)利用模糊PID計算模塊(32)處理后，再輸出指令給電液伺服閥A，電液伺服閥A連通單活塞桿缸執(zhí)行元件A控制變量泵(2)的排量，保證變量泵(2)所在液壓系統(tǒng)工作在恒流源狀態(tài)；
2)根據(jù)流量連續(xù)性原理，變量泵(2)的流量Qpump近似等于變量馬達(10)的流量Qmotor，變量馬達(10)的流量Qmotor等于變量馬達(10)的排量D乘以變量馬達(10)的轉(zhuǎn)速ωm，即Qmotor＝Dωm；由于變量馬達(10)與永磁同步發(fā)電機(11)剛性同軸連接，變量馬達(10)的轉(zhuǎn)速ωm等于永磁同步發(fā)電機(11)的轉(zhuǎn)速ωgen，即ωm＝ωgen；轉(zhuǎn)速傳感器(22)采樣永磁同步發(fā)電機(11)的轉(zhuǎn)速ωgen，高壓壓力傳感器(7)與低壓壓力傳感器(16)采集壓力信號反饋給中央控制器(20)處理，中央控制器(20)輸出指令送給電液伺服閥B，電液伺服閥B連通單活塞桿缸執(zhí)行元件B推動變量馬達(10)的斜盤，改變變量馬達(10)的斜盤擺角；
3)當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)壓力波動和油液泄漏時，液壓能的傳遞經(jīng)液壓儲能器(4)輸出送給先導(dǎo)型電液比例控制閥(9)，由高壓壓力傳感器(7)與低壓壓力傳感器(16)采集壓力信號送給中央控制器(20)，中央控制器(20)輸出壓力指令信號送給先導(dǎo)型電液比例控制閥(9)，先導(dǎo)型電液比例控制閥(9)進行壓力修正補償，保證溢流泄漏補償；
4)依據(jù)電液伺服閥的控制輸入電壓uf與輸出排量Df存在的線性比例關(guān)系，即Df＝Kfuf，其中Kf是電液伺服閥的比例系數(shù)；電液伺服閥A輸出排量DfA等于變量泵(2)的排量DP，即DP＝DfA＝KfAufA，電液伺服閥A的控制輸入電壓ufA對應(yīng)的變量泵(2)控制輸入電壓變量up；同理，電液伺服閥B輸出排量DfB等于變量馬達(10)的排量Dm，即Dm＝DfB＝KfBufB，電液伺服閥B的控制輸入電壓ufB對應(yīng)的變量馬達(10)控制輸入電壓變量um；當(dāng)即時風(fēng)速vwind＜vrate時，對應(yīng)的電壓uβV與uβ0經(jīng)電壓比較器(27)比較，即uβV≤uβ0，電壓比較器(27)輸出低電平-Um經(jīng)反相器(28)輸出后，再由串聯(lián)電阻R1、R2、R3分壓，分別得到變量泵(2)控制輸入電壓變量變量馬達(10)控制輸入電壓變量由中央控制器(20)給定變量泵(2)排量參考的電壓值及變量馬達(10)擺角參考電壓變量泵(2)控制輸入電壓變量up與變量泵(2)排量參考的電壓值經(jīng)中央控制器(20)模糊PID處理輸出upump，直接驅(qū)動變量泵(2)的電液伺服閥A及執(zhí)行元件；同理，變量馬達(10)控制輸入電壓變量um與變量馬達(10)擺角參考電壓經(jīng)中央控制器(20)模糊PID處理輸出umotor，直接驅(qū)動變量馬達(10)的電液伺服閥B及執(zhí)行元件，
其三，所述的電能轉(zhuǎn)換與傳遞的工作過程是，
風(fēng)速儀(25)將即時風(fēng)速送給中央控制器(20)，若低于額定風(fēng)速時，由中央控制器(20)根據(jù)風(fēng)速的大小獲取最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，同時給定參考功率；將中央控制器(20)給定參考功率與發(fā)電功率反饋比較，經(jīng)中央控制器(20)模糊PID處理，再由執(zhí)行機構(gòu)連接液壓儲能，同時變量馬達(10)驅(qū)動永磁同步發(fā)電機(11)，從而最大限度跟蹤最佳功率；若高于額定風(fēng)速時，采用變槳變速控制，穩(wěn)定輸出功率，
基于上述的結(jié)構(gòu)設(shè)置及三部分具體控制過程，其特征在于，本方法按照以下步驟進行實施：
風(fēng)速儀(25)采樣即時風(fēng)速并輸出一個直流電壓信號uβV，在中央控制器(20)中設(shè)置額定風(fēng)速時的電壓信號uβ0；
即時風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，即uβV≥uβ0，經(jīng)電壓比較器(27)比較后輸送給中央控制器(20)，由中央控制器(20)驅(qū)動變槳裝置(24)及時變化槳距角，通過槳距角的變化調(diào)節(jié)變量泵(2)的排量維持在額定值，保持變量泵(2)工作在恒流源狀態(tài)，確保永磁同步發(fā)電機(11)在恒功率穩(wěn)定運行；
即時風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，采用變速恒頻與最大功率跟蹤兩個控制方式：1)變速恒頻控制，由中央控制器(20)給定風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器(21)采集的轉(zhuǎn)矩經(jīng)模糊PID計算模塊(32)處理，中央控制器(20)輸出指令給電液伺服閥A，電液伺服閥A連通單活塞桿缸執(zhí)行元件A控制變量泵(2)的排量，保證變量泵(2)液壓系統(tǒng)工作在恒流源狀態(tài)；同理，中央控制器(20)輸出指令送給電液伺服閥B，電液伺服閥B連通單活塞桿缸執(zhí)行元件B推動變量馬達(10)的斜盤，調(diào)節(jié)變量馬達(10)的斜盤擺角；同時，當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)壓力波動和油液泄漏時，對壓力及溢流泄漏進行補償修正；
2)最大功率跟蹤，由中央控制器(20)給定功率與永磁同步發(fā)電機(11)輸出有功功率反饋進行模糊PID處理后，再由中央控制器(20)根據(jù)即時風(fēng)速大小執(zhí)行變速恒頻，提高風(fēng)能利用系數(shù)，實現(xiàn)變槳距液壓傳動的風(fēng)力機的最佳功率控制。
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