CN103161931B - 风塔发电站发电机变速箱的控制方法 - Google Patents

风塔发电站发电机变速箱的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于风塔发电机的变速箱的控制方法，采用PID控制算法，具有良好的鲁棒性，应用于建筑物内部风力发电机的变速箱，具有噪音低，振动小的优点，稳定输出转速，提高发电效率。

Description

风塔发电站发电机变速箱的控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机变速箱系统，特别是关于一种应用于风塔发电站发电机变速箱的控制方法。
背景技术
随着社会经济的不断的发展，人们对能源的需求也越来越大，而人类所依赖的煤炭、石油都是不可再生的能源，并且煤炭、石油的提炼和使用对环境的污染很大，因此，新的可再生的清洁能源是人类不断追寻的目标，风能是最具商业潜力、最具活力的可再生清洁能源之一，具有使用清洁、成本较低、使用不尽等诸多优点。风电突出的特点是环境效益好、不排放任何有害物质和废弃物。
现有技术中的风能，受地理环境和气候影响很大，占地面积很大等缺点。本发明提供一种在建筑物中使用的风能，特别是风塔中使用的风能，其基本原理是，通过建筑物外部的太阳能加热空气，将热空气通过垂直于地面风道上升，驱动涡轮涡扇，带动发电机组发电，解决了受地理环境和气候的限制，并且应用于建筑物中，在不影响建筑物的功能的同时，产生风能发电，有效的解决了占地面积大等缺点。
中国专利文献公告号：CN2581631Y，公开了一种太阳能、风能发电观光塔，观光塔内设置风力、气流发电机，外表面设置采光罩，既能发电又能观光旅游。
中国专利文献公开号：CN1975075A，公开了一种微风发电示范观光塔，塔体顶部具有微风发电机，能够将风能发电和观光集合为一体。
中国专利文献公告号：CN201225235Y，公开了一种建筑物高处及巷道风能发电系统，将风能发电机和风扇设置的建筑物高处和巷道内，解决占地空间的问题。
现有技术中这些专利文献，仅仅是简单将风力发电和建筑物结合，利用建筑物的效率不高，也没有有效的配置风力发电和太阳能发电在建筑物的位置，并且都没有公开和解决发电机的变速箱的问题，没有解决控制变速箱稳定输出的技术方案。
众所周知，风力发电机组中的变速齿轮箱是一个发电机中重要的机械部件，其主要功用是将涡轮涡扇在风力作用下所产生的旋转动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常涡轮涡扇的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，而有时涡轮涡扇又受风速不断变化的影响，产生的转速十分不稳定，严重影响发电机组的发电效率。
中国专利文献公告号：CN201250763Y，公开了一种发电机转速平稳的风力发电设备，通过设置一个惯性飞轮，来储存能量稳定转速，但是这样的结构，不能很好的稳定转速，在风力变化剧烈的时候，飞轮稳定转速能力有限，而且飞轮的尺寸也过于占用空间。
中国专利文献公告号：CN201288636Y，公开了一种小型风力发电机转速检测与控制装置，通过设置整形电路，对发电机的电流电压控制，但是仍然存在电路容易烧坏，稳定性可靠性不高的问题，适用范围狭窄。
还有，普遍大范围使用的发电机组变速箱是齿轮结构，更加普遍的是，使用的是行星齿轮结构，尽管具有传动可靠，维护方便等优点，但是，仍然存在很多难以令人满意的地方，行星齿轮结构复杂，几何尺寸比较大，噪音振动大，而且传动比是固定的，不可调节的，导致了这样的发动机组变速箱不能输出恒定的转速，变速箱的传动比不能控制，传动效率很不稳定，尤其在一些特定的使用场合受到限制。
本发明针对现有技术中发电机组变速箱存在一些缺陷，提供了具有更加良好工作性能的发电机组变速箱。
发明内容
本发明的目的是提供一种风塔发电站发电机变速箱控制方法，能够提升输入发电机的转速，更进一步的说，能够有效的输出稳定的转速，获得稳定的发电效率。
更进一步，提供一种应用于建筑物内部风力发电机的变速箱，具有噪音低，振动小的优点。
一种应用于风塔发电机的变速箱的控制方法，
步骤1：开始，控制器初始化参数；设置PID参数KP、Ki、Kd；设定目标转速r(t)；标定主动锥轮的位置和液压缸压力的对应关系；
步骤2：采集发电机输入轴转速y(t)；
步骤3：目标转速r(t)减去转速y(t)得到差值e(t)，e(t)＝r(t)-y(t)；
步骤4：计算控制量u(t)；
u ( t ) = K p e ( t ) + K i ∫ 0 t e ( t ) d t + K d d e ( t ) d t
式中，KP为比例系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数；t为单位时间；
步骤5：控制器得到控制量u(t)，控制器输出PWM占空比信号，控制电磁阀，电磁阀控制液压缸压力；
步骤6：上述动作完成后，返回步骤2。
作为一种优选，参数KP、Ki、Kd的设置方法如下：
(1)把Ki和Kd设为0，不要积分与微分；
(2)把KP值从0开始慢慢增大，观察液压缸压力的反应速度是否在要求内；
(3)当液压缸压力的反应速度达到设定的要求，停止增大KP值；
(4)在该KP值的基础上减少10％-20％得到最终KP值；
(5)把Ki值从0开始慢慢增大；
(6)当液压缸压力开始波动，停止增大Ki值；
(7)在该Ki值的基础上减少10％-20％得到最终Ki值；
(8)把Kd值从0开始慢慢增大，观察液压缸压力的反应速度是否在要求内；如果反应速度在要求内，就得到合适的KP、Ki、Kd数值。
作为一种优选，KP值的基础上减少15％得到最终KP值；Ki值的基础上减少15％得到最终Ki值。
作为一种优选，所述液压缸的液压回路中设置蓄能器。
作为一种优选，风塔发电机的变速箱的控制器为美国德州仪器公司生产的TMS320LF240xDSP芯片。
作为一种优选，所述信号采用CAN总线传输。
有益的效果：在风力过小时，提高输入发电机的转速，提高发电效率；在风力过大或者变化剧烈时，稳定输入发电机的转速，避免负载和发电机相关设备损坏，提高了发电机和相关设备的使用寿命；本发明的变速箱还具有噪声低，振动小的优点，尤其适合用于建筑物内。
附图说明
图1是本发明一实施例的变速箱结构示意图；
图2是本发明控制变速箱传动比的控制流程图；
具体实施方式
如图1所示，变速箱包括两组锥轮，第一组锥轮为输入锥轮3和主动锥轮4，输入锥轮3相对的是主动锥轮4，输入锥轮3和主动锥轮4的锥顶(也就是小直径端)相对，输入锥轮3固定在输入轴上，不可移动，主动锥轮4能够沿着输入轴移动；第二组锥轮为输出锥轮5和从动锥轮6，输出锥轮5和从动锥轮6的锥顶相对，输出锥轮5固定在输出轴上，不可移动，从动锥轮6能够沿着输出轴移动；变速箱还包括一个带12，优选的是，带12为没有端点的环状无端金属带或者皮带，围绕在两组锥轮上。
涡扇的轴1通过联轴器2与输入轴连接，输入轴固定在变速箱输入锥轮3上，输入轴作为变速箱的输入端，作为优选的是，联轴器2可以为弹性联轴器，能够起到一定缓冲减振的作用；与输入锥轮3相对的主动锥轮4，主动锥轮4的另一端与液压缸10连接；输出锥轮5和从动锥轮6相对，从动锥轮6的另一端连接回位弹簧9，回位弹簧9的一端支撑在从动锥轮6上，另一端支撑在固定不动的部件上，输出锥轮5上同轴固定输出轴，该输出轴通过联轴器7与发电机8连接；带12围绕在两组锥轮上，带12是不可伸缩的，具有固定周长的无端带，两组锥轮分别在液压缸和弹簧力的作用下，用适当的力夹紧带12，带12的侧面为适合与锥轮斜面配合的楔形面。
当在风力的作用下，涡扇旋转带动输入轴旋转，从而使主动锥轮3旋转，由于第一组锥轮在液压缸压力的作用下夹紧带12，第一组锥轮旋转，通过带12将旋转运动传递到第二组锥轮，带动第二组锥轮旋转，通过输出锥轮5将旋转运动输出到发电机8。
当风力比较小时，输入的转速比较低，需要变速箱提升输入发电机8的转速。此时，液压缸4推动主动锥轮4向输入锥轮3移动，挤压带12，带12沿着锥轮斜面向圆周外侧移动，也就是，带12围绕的第一组锥轮的直径变大，由于带12的周长是一定的，带12挤压输出锥轮5和从动锥轮6，在第二组锥轮的带12向锥轮圆周内侧移动，也就是，带12围绕第二组锥轮处的直径变小了，通过这样，变速箱的传动比减小，提高了输出轴的转速，使输入发电机的转速得到了提高。
当风力剧烈变换，忽大忽小，十分不稳定时，变速箱能够进行输出转速调节，使输出轴的转速基本保持稳定，恒定在一个比较小的范围内变化。当风力比较小，需要提高输出转速时，变速箱的工作过程如上述所述。当风力较大，需要降低输出转速时，液压缸4液压卸荷，降低液压力，此时回位弹簧9推动从动锥轮6靠近输出锥轮5，挤压带12，带12围绕的第二组锥轮直径变大，由于带12的周长是固定不变的，带12挤压输入锥轮3和主动锥轮4，带12围绕的第一组锥轮直径变小，通过这样，变速箱的传动比增大，降低了输出轴的转速。
如图2所示，控制液压缸运动的控制装置，包括控制器11和转速传感器13，转速传感器设置在输出轴附近，测量输出轴的转速，优选的是，转速传感器采用霍尔传感器；转速传感器将输出轴的转速信号传给控制器，控制器根据转速信号来控制液压缸的运动。
控制器11可以采用美国德州仪器公司生产的TMS320LF240xDSP芯片，输出PWM占空比信号控制液压缸运动或者输出电流控制步进电机。控制算法采用PID控制算法，主要控制步骤原理如下：
步骤1：开始，控制器初始化参数；设置PID参数KP、Ki、Kd；设定目标转速r(t)；标定主动锥轮的位置和液压缸压力的对应关系；
步骤2：采集变速箱输出轴转速y(t)或者发电机输入轴转速y(t)；
步骤3：目标转速r(t)减去转速y(t)得到差值e(t)；
步骤4：计算控制量u(t)；
u ( t ) = K p e ( t ) + K i ∫ 0 t e ( t ) d t + K d d e ( t ) d t
式中，KP为比例系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数；t为单位时间；
步骤5：得到控制量u(t)，控制器输出PWM占空比信号，控制电磁阀，电磁阀控制液压缸压力；
步骤6：动作完成后，返回步骤2；
设置PID参数KP、Ki、Kd有多种方法，但是为了达到最好的控制效果，作为一种优选，设置PID参数KP、Ki、Kd的方法：
(1)把Ki和Kd设为0，不要积分与微分；
(2)把KP值从0开始慢慢增大，观察液压缸压力的反应速度是否在要求内；
(3)当液压缸压力的反应速度达到设定的要求，停止增大KP值；
(4)在该KP值的基础上减少10％-20％得到最终KP值；
(5)把Ki值从0开始慢慢增大；
(6)当液压缸压力开始波动，停止增大Ki值；
(7)在该Ki值的基础上减少10％-20％得到最终Ki值；
(8)把Kd值从0开始慢慢增大，观察液压缸压力的反应速度是否在要求内；如果反应速度在要求内，就得到合适的KP、Ki、Kd数值。
作为一种优选，KP值的基础上减少15％得到最终KP值；Ki值的基础上减少15％得到最终Ki值。信号与控制器之间的传输采用CAN总线。
评价一个控制系统是否优越，有三个指标：快、稳、准。所谓快，就是要使压力能快速地达到“命令值”；所谓稳，就是要压力稳定不波动或波动量小；所谓准，就是要求“命令值”与“输出值”之间的误差小；对于液压缸压力控制系统来说，要求“快”的话，可以增大KP、Ki值要求“准”的话，可以增大Ki值要求“稳”的话，可以增大Kd值,可以减少压力波动仔细分析可以得知：这三个指标是相互矛盾的。如果太“快”，可能导致不“稳”；如果太“稳”，可能导致不“快”；因此，三个参数通过协调最终确定，并且本控制方法具有良好的鲁棒性。
通过上述控制步骤，完成对增加输出轴转速或降低输出轴转速的目的，使输入发电机的转速保持在一个小范围内，稳定发电机的发电效率。避免风力过大，产生的电流对负载损坏；在风力过小时，提升转速，提高发电效率，避免了发电机及其相关设备的损耗过大，增加设备的使用寿命。
发电机变速箱可以设置在风塔顶部，发电机也设置在风塔顶部并且位于变速箱的上边。发电机变速箱还可以单独分别设置在多个涡扇上。
这里描述的只是本发明的示范性的优选实施例，并且使用了具体的术语描述了本发明的优选实施例，但是这种描述仅用于示例目的，本领域技术人员应当注意到本发明公开的仅仅是示例，并且应当理解，可以作出各种改变和变化，而不脱离本发明权利要求的保护范围。
本领域技术人员不难理解，本发明的旋铆式弹簧制动气室结构包括本说明书中各部分的任意组合。限于篇幅且为了是使说明书简明，在此没有将这些组合一一详细介绍，但看过本说明书后，由本说明书构成的各部分的任意组合构成的本发明的范围已经不言自明。

Claims (6)

1.一种应用于风塔发电机的变速箱的控制方法，其特征在于：所述变速箱包括两组锥轮，第一组锥轮为输入锥轮(3)和主动锥轮(4)，输入锥轮(3)相对的是主动锥轮(4)，输入锥轮(3)和主动锥轮(4)的锥顶相对，输入锥轮(3)固定在输入轴(13)上，不可移动，主动锥轮(4)能够沿着输入轴(13)移动；第二组锥轮为输出锥轮(5)和从动锥轮(6)，输出锥轮(5)和从动锥轮(6)的锥顶相对，输出锥轮(5)固定在输出轴上，不可移动，从动锥轮(6)能够沿着输出轴移动；所述变速箱还包括一个带(12)，带(12)为没有端点的环状无端金属带或者皮带，围绕在两组锥轮上；与输入锥轮(3)相对的主动锥轮(4)，主动锥轮(4)的另一端与液压缸(10)连接；输出锥轮(5)和从动锥轮(6)相对，从动锥轮(6)的另一端连接回位弹簧(9)，回位弹簧(9)的一端支撑在从动锥轮(6)上，另一端支撑在固定不动的部件上，输出锥轮(5)上同轴固定输出轴，该输出轴通过联轴器(7)与发电机(8)连接；带(12)围绕在两组锥轮上，带(12)是不可伸缩的，具有固定周长的无端带，两组锥轮分别在液压缸和弹簧力的作用下，用适当的力夹紧带(12)，带(12)的侧面为适合与锥轮斜面配合的楔形面；
所述控制方法包括：
步骤1：开始，控制器初始化参数；设置PID参数KP、Ki、Kd；设定目标转速r(t)；标定主动锥轮的位置和液压缸压力的对应关系；
步骤2：采集发电机输入轴转速y(t)；
步骤3：目标转速r(t)减去转速y(t)得到差值e(t)，e(t)＝r(t)-y(t)；
步骤4：计算控制量u(t)；
u ( t ) = K p e ( t ) + K i ∫ 0 t e ( t ) d t + K d d e ( t ) d t
式中，KP为比例系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数；t为单位时间；
步骤5：控制器得到控制量u(t)，控制器输出PWM占空比信号，控制电磁阀，电磁阀控制液压缸压力；
步骤6：动作完成后，返回步骤2。
2.如权利要求1所述风塔发电机的变速箱的控制方法，其特征在于：参数KP、Ki、Kd的设置方法如下：
(1)把Ki和Kd设为0，不要积分与微分；
(2)把KP值从0开始慢慢增大，观察液压缸压力的反应速度是否在要求内；
(3)当液压缸压力的反应速度达到设定的要求，停止增大KP值；
(4)在该KP值的基础上减少10％-20％得到最终KP值；
(5)把Ki值从0开始慢慢增大；
(6)当液压缸压力开始波动，停止增大Ki值；
(7)在该Ki值的基础上减少10％-20％得到最终Ki值；
(8)把Kd值从0开始慢慢增大，观察液压缸压力的反应速度是否在要求内；如果反应速度在要求内，就得到合适的KP、Ki、Kd数值。
3.如权利要求2所述风塔发电机的变速箱的控制方法，其特征在于：KP值的基础上减少15％得到最终KP值；Ki值的基础上减少15％得到最终Ki值。
4.如权利要求3所述风塔发电机的变速箱的控制方法，其特征在于：所述液压缸的液压回路中设置蓄能器。
5.如权利要求1-4之一所述风塔发电机的变速箱的控制方法，其特征在于：风塔发电机的变速箱的控制器为TMS320LF240xDSP芯片。
6.如权利要求5所述风塔发电机的变速箱的控制方法，其特征在于：所述信号采用CAN总线传输。
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