[发明专利]一种变桨距液压传动的风力机及其控制方法

摘要

本发明公开了一种变桨距液压传动的风力机，包括风能采集器与变量泵同轴连接，变量泵设有变量泵控制单元；变量泵通过单向阀同时与液压储能器、补油系统、高压压力表、高压压力传感器、先导型电液比例控制阀连通，先导型电液比例控制阀通过变量马达与永磁同步发电机连接，变量马达设有变量马达控制单元；变量泵与进口滤油器连通，变量马达与出口滤油器连通，进口滤油器同时与低压压力表、低压压力传感器、溢流阀及出口滤油器连通，溢流阀另与液压油箱连通；单向阀出口端与进口滤油器进口端之间另外连通有单向阀。本发明还公开了变桨距液压传动风力机的控制方法。本发明的装置及方法，工作可靠。

主权项

1.一种变桨距液压传动的风力机的控制方法，所述变桨距液压传动的风力机的结构是：包括风能采集器(1)，风能采集器(1)内部设置有叶轮(23)、变桨装置(24)及风速仪(25)，风能采集器(1)的机械能输出端与变量泵(2)输入端同轴刚性连接，变量泵(2)设置有变量泵控制单元(19)，在叶轮(23)与变量泵(2)之间设置有转速转矩传感器(21)；变量泵(2)出口端与单向阀(3)进口端连通，单向阀(3)出口端同时与液压储能器(4)、补油系统(5)、高压压力表(6)、高压压力传感器(7)、先导型电液比例控制阀(9)连通，先导型电液比例控制阀(9)输出端与变量马达(10)进口端连通，变量马达(10)与永磁同步发电机(11)同轴刚性连接，在变量马达(10)与永磁同步发电机(11)之间设置有转速传感器(22)，变量马达(10)设置有变量马达控制单元(12)；变量泵(2)进口端与进口滤油器(18)出口端连通，变量马达(10)出口端与出口滤油器(13)连通，进口滤油器(18)进口端同时与低压压力表(17)、低压压力传感器(16)、溢流阀(15)及出口滤油器(13)连通，溢流阀(15)另与液压油箱(14)连通；单向阀(3)出口端与进口滤油器(18)进口端之间另外连通有单向阀(8)；所述的变量泵控制单元(19)包括电液伺服阀A和单活塞杆缸执行元件A；变量马达控制单元(12)包括电液伺服阀B和单活塞杆缸执行元件B；所述的高压压力传感器(7)和低压压力传感器(16)、转速转矩传感器(21)、转速传感器(22)、变量泵控制单元(19)、变量马达控制单元(12)、变桨装置(24)及风速仪(25)均与中央控制器(20)信号连接；所述的中央控制器(20)还分别连接有数据存储模块(31)、模糊PID计算模块(32)、电压比较器(27)、人机操作模块(34)、监控显示模块(35)及两个电液伺服阀，根据风力发电机组运行特征，基于上述的变桨距液压传动的风力机，实现风能采集‑液压储能‑电能转换与传递三步控制，其一，所述的风能采集的具体控制过程是：风速仪(25)内部经测量风速后输出驱动一个永磁直流发电机，该永磁直流发电机输出的直流电压u₀与即时风速v_wind成正比的k₀关系，即u₀＝k₀v_wind，叶轮(23)的桨距角β与变桨装置(24)的动作部件直流无刷伺服电动机的电压u_β也存在函数关系，β＝f(u_β)，即通过变桨装置(24)根据给定的桨距角与绝对值编码器测得的实际桨距角，计算出直流无刷伺服电动机的参考转速；根据实测转速和参考转速计算出参考电流，参考电流与反馈电流相比较由电流调节器进行电流调整获得直流无刷伺服电动机的电压指令；直流无刷伺服电动机的电压指令反映叶轮桨距角与风速存在函数关系，经过等效替换及线性化处理，能够近似线性得出桨距角β＝K_βu_β，通常，β∈[0°,45°]，K_β∈[0,10]，u_β∈[0V,10V]，中央控制器(20)根据额定风速v_rate时给定桨距角β₀对应的直流无刷伺服电动机的基准电压指令u_β0，风速仪(25)测得的即时风速v_wind对应的桨距角β_v对应的电压指令u_βV；当即时风速v_wind＞v_rate时，对应的电压u_β0与u_βV经过电压比较器(27)比较，即u_βV≥u_β0，电压比较器(27)输出高电平+U_m送给中央控制器(20)后，执行变桨操作，获取合适的桨距角保证输出功率稳定；当即时风速v_wind＜v_rate时，则需根据最佳功率跟踪C_p曲线获取最大气动能量，只由风向判断是否偏航对风且无需调整桨距角，其二，所述的液压储能的具体控制过程是：1)将给定的风力机转矩T_ref与转速转矩传感器(21)采集的实际转矩T_punp，经中央控制器(20)利用模糊PID计算模块(32)处理后，再输出指令给电液伺服阀A，电液伺服阀A连通单活塞杆缸执行元件A控制变量泵(2)的排量，保证变量泵(2)所在液压系统工作在恒流源状态；2)根据流量连续性原理，变量泵(2)的流量Q_pump近似等于变量马达(10)的流量Q_motor，变量马达(10)的流量Q_motor等于变量马达(10)的排量D乘以变量马达(10)的转速ω_m，即Q_motor＝Dω_m；由于变量马达(10)与永磁同步发电机(11)刚性同轴连接，变量马达(10)的转速ω_m等于永磁同步发电机(11)的转速ω_gen，即ω_m＝ω_gen；转速传感器(22)采样永磁同步发电机(11)的转速ω_gen，高压压力传感器(7)与低压压力传感器(16)采集压力信号反馈给中央控制器(20)处理，中央控制器(20)输出指令送给电液伺服阀B，电液伺服阀B连通单活塞杆缸执行元件B推动变量马达(10)的斜盘，改变变量马达(10)的斜盘摆角；3)当液压系统出现压力波动和油液泄漏时，液压能的传递经液压储能器(4)输出送给先导型电液比例控制阀(9)，由高压压力传感器(7)与低压压力传感器(16)采集压力信号送给中央控制器(20)，中央控制器(20)输出压力指令信号送给先导型电液比例控制阀(9)，先导型电液比例控制阀(9)进行压力修正补偿，保证溢流泄漏补偿；4)依据电液伺服阀的控制输入电压u_f与输出排量D_f存在的线性比例关系，即D_f＝K_fu_f，其中K_f是电液伺服阀的比例系数；电液伺服阀A输出排量D_fA等于变量泵(2)的排量D_P，即D_P＝D_fA＝K_fAu_fA，电液伺服阀A的控制输入电压u_fA对应的变量泵(2)控制输入电压变量u_p；同理，电液伺服阀B输出排量D_fB等于变量马达(10)的排量D_m，即D_m＝D_fB＝K_fBu_fB，电液伺服阀B的控制输入电压u_fB对应的变量马达(10)控制输入电压变量u_m；当即时风速v_wind＜v_rate时，对应的电压u_βV与u_β0经电压比较器(27)比较，即u_βV≤u_β0，电压比较器(27)输出低电平‑U_m经反相器(28)输出后，再由串联电阻R₁、R₂、R₃分压，分别得到变量泵(2)控制输入电压变量变量马达(10)控制输入电压变量由中央控制器(20)给定变量泵(2)排量参考的电压值及变量马达(10)摆角参考电压变量泵(2)控制输入电压变量u_p与变量泵(2)排量参考的电压值经中央控制器(20)模糊PID处理输出u_pump，直接驱动变量泵(2)的电液伺服阀A及执行元件；同理，变量马达(10)控制输入电压变量u_m与变量马达(10)摆角参考电压经中央控制器(20)模糊PID处理输出u_motor，直接驱动变量马达(10)的电液伺服阀B及执行元件，其三，所述的电能转换与传递的工作过程是，风速仪(25)将即时风速送给中央控制器(20)，若低于额定风速时，由中央控制器(20)根据风速的大小获取最大风能利用系数C_pmax，同时给定参考功率；将中央控制器(20)给定参考功率与发电功率反馈比较，经中央控制器(20)模糊PID处理，再由执行机构连接液压储能，同时变量马达(10)驱动永磁同步发电机(11)，从而最大限度跟踪最佳功率；若高于额定风速时，采用变桨变速控制，稳定输出功率，基于上述的结构设置及三部分具体控制过程，其特征在于，本方法按照以下步骤进行实施：风速仪(25)采样即时风速并输出一个直流电压信号u_βV，在中央控制器(20)中设置额定风速时的电压信号u_β0；即时风速高于额定风速时，即u_βV≥u_β0，经电压比较器(27)比较后输送给中央控制器(20)，由中央控制器(20)驱动变桨装置(24)及时变化桨距角，通过桨距角的变化调节变量泵(2)的排量维持在额定值，保持变量泵(2)工作在恒流源状态，确保永磁同步发电机(11)在恒功率稳定运行；即时风速低于额定风速时，采用变速恒频与最大功率跟踪两个控制方式：1)变速恒频控制，由中央控制器(20)给定风力机转矩与转速，转速转矩传感器(21)采集的转矩经模糊PID计算模块(32)处理，中央控制器(20)输出指令给电液伺服阀A，电液伺服阀A连通单活塞杆缸执行元件A控制变量泵(2)的排量，保证变量泵(2)液压系统工作在恒流源状态；同理，中央控制器(20)输出指令送给电液伺服阀B，电液伺服阀B连通单活塞杆缸执行元件B推动变量马达(10)的斜盘，调节变量马达(10)的斜盘摆角；同时，当液压系统出现压力波动和油液泄漏时，对压力及溢流泄漏进行补偿修正；2)最大功率跟踪，由中央控制器(20)给定功率与永磁同步发电机(11)输出有功功率反馈进行模糊PID处理后，再由中央控制器(20)根据即时风速大小执行变速恒频，提高风能利用系数，实现变桨距液压传动的风力机的最佳功率控制。