CN106870283B - 教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法及控制系统 - Google Patents

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Abstract

教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法及控制系统，包括步骤为：测量风力机转速；计算变桨角度；采用模糊算法并基于风速变化预测计算出变桨速率；变桨执行机构驱动叶片变桨。控制系统包括风力发电机信息采集装置、变桨控制器和变桨执行机构。本发明采用模糊算法预测风速变化并计算最佳变桨速率，通过伺服电机驱动叶片迅速转至指定位置，技术优越可靠。能在不改变现有风力发电机结构，不影响叶片吸收风能的前提下，根据风速信息，通过伺服电机驱动叶片迅速转至指定位置，实现最大的风能转换效率。

Description

教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及教学科研用风力发电技术领域，特别是一种教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法及控制系统。
背景技术
随着社会的迅速发展，人们对可再生能源需求日益迫切，当前对风电的开发又炙手可热。然而，由于风能间歇性和不稳定性的特点，与人们期望的稳定功率输出相悖，因此风电机组的控制技术受到广泛的重视。采用变桨控制方法可以有效的调节风力发电机的输出功率，并通过调节叶片桨距角实现最大的风能转换效率。
国内外科技人员对大型风电机组的控制技术开展了大量的研究工作，积累了大量可供借鉴的经验，但是还存在如下问题亟待改进和解决：
1.传统的固定速率变桨方法在风速大范围变化时往往无法快速响应风速变化达到变桨目的，从而对风力机造成潜在的损害和机械应力疲劳。
2.变桨风机只出现在大型风机上，中小型风机，尤其是教学科研用小型风机，更是尚未有涉及。教学科研用小型风机要求制作成本低，体积小巧的同时，对功能要求高，要求功能全面，便于对变桨风机变桨过程中遇到的各种问题能进行讲解、分析及模拟实验。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，该教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法采用模糊算法预测变桨速率，通过伺服电机驱动叶片迅速转至指定位置，技术优越可靠。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，包括如下步骤。
步骤1，风力机信息采集：变桨控制器通过风速测量模块实时采集风力机的风速信息，通过桨距角位置测量模块实时采集风力机的桨距角信息，通过转速测量模块实时采集风力机的转速信息。
步骤2，计算变桨角度：变桨控制器根据步骤1采集的转速信息，计算得出风力机的当前转速与设定转速的差值，也即为转速偏差；然后，通过PID控制得到叶片的变桨角度；该变桨角度指的是经由PID控制设定的桨距角与步骤1采集的当前桨距角相比较后的差值。
步骤3，计算变桨速率：变桨控制器根据步骤1采集的风速信息，采用模糊算法，根据风速变化情况，预测风速的变化趋势，计算出变桨速率。
步骤4，变桨：变桨执行机构驱动叶片按照步骤2计算的变桨角度以及步骤3计算的变桨速率进行变桨。
所述步骤3中，采用模糊算法计算变桨速率的方法如下：
步骤31，输入量模糊化：通过量化因子的选择，将输入量风速偏差△v和风速偏差变化率
Figure BDA0001259618690000021
模糊化，转化为模糊集合。
步骤32，模糊推理：根据设定的模糊规则对步骤31得到的模糊集合进行模糊推理，得到输出量即变桨速率v2的模糊集合。
步骤33，解模糊：对步骤32输出变桨速率v2的的模糊集合进行解模糊，得到最终所需要的变桨速率v2。
所述步骤33中，采用重心法对步骤32输出的变桨速率v2的的模糊集合进行解模糊，并通过比例因子的选择，得到最终的变桨速率。
所述步骤1中风力发电机信息采集时，能对风力发电机的每片叶片均进行风速信息、桨距角信息和转速信息的采集，所述步骤2中，变桨控制器能计算每片叶片的变桨角度；所述步骤3中，变桨控制器能计算每片叶片的变桨速率，所述步骤4中，每片叶片上均设置有一个变桨执行机构，变桨执行机构能驱动对应叶片按照该叶片的变桨角度和变桨速率进行变桨。
所述步骤4中，变桨执行机构驱动叶片变桨时，先假设v0为风力发电机的额定风速，v1为测量得到的实际风速，风速偏差△v＝v1-v0，△vlmit+为设置的最大风速偏差阈值，△vlmit-为设置的最小风速偏差阈值；v2为变桨速率，vmax为预先设定的最大变桨速率，当前桨距角为β，则叶片具体变桨过程如下：
当△v>△vlmit+时，则桨距角β增大，v2＝vmax。
当0<△v<△vlmit+，且
Figure BDA0001259618690000022
时，则桨距角β增大，v2增大。
当0<△v<△vlmit+，且
Figure BDA0001259618690000023
时，则桨距角β增大，v2不变。
当0<△v<△vlmit+，且
Figure BDA0001259618690000031
时，则桨距角β增大，v2减小。
当△v＝0，且
Figure BDA0001259618690000032
时，则桨距角β不变，v2增大。
当△v＝0，且
Figure BDA0001259618690000033
时，则桨距角β不变，v2不变。
当△v＝0，且
Figure BDA0001259618690000034
时，则桨距角β不变，v2减小。
当△vlmit-<△v<0，且
Figure BDA0001259618690000035
时，则桨距角β减小，v2增大。
当△vlmit-<△v<0，且
Figure BDA0001259618690000036
时，则桨距角β减小，v2不变。
当△vlmit-<△v<0，且
Figure BDA0001259618690000037
时，则桨距角β减小，v2减小。
当△v<△vlmit-时，则桨距角β减小，v2＝vmax。
本发明还提供一种教学用小型风力发电机变速率变桨控制系统，该教学用小型风力发电机变速率变桨控制系统能在不改变现有风力发电机结构，不影响叶片吸收风能的前提下，根据风速信息，通过伺服电机驱动叶片迅速转至指定位置，实现最大的风能转换效率。
一种教学用小型风力发电机变速率变桨控制系统，包括风力发电机信息采集装置、变桨控制器和变桨执行机构。
风力发电机信息采集装置包括风速信息采集组件、桨距角信息采集组件和转速信息采集组件。
风速信息采集组件包括设置在叶片上的风速计和内置在变桨控制器内的风速测量模块，风速计与风速测量模块相连接。
桨距角信息采集组件包括设置在叶片上的桨距角位置传感器和内置在变桨控制器内的桨距角位置测量模块，桨距角位置传感器与桨距角位置测量模块相连接。
转速信息采集组件包括风力机转速计和内置在变桨控制器内的转速测量模块，风力机转速计与转速测量模块相连接。
变桨执行机构与叶片的数量相等，每个变桨执行机构均包括伺服电机、小齿轮和大齿轮，大齿轮套设在风力发电机的轮毂上，伺服电机安装在对应叶片的叶片背面根部叶弦线上，小齿轮套设在伺服电机的输出轴上，且小齿轮与大齿轮相啮合；每个伺服电机均与变桨控制器相连接。
所述变桨控制器为数字信号处理器DSP。
还包括与变桨控制器和所有伺服电机相连接的蓄电池。
风力发电机的每片叶片上均设置有桨距角位置传感器。
本发明采用上述方法和结构后，具有如下有益效果：
1.采用模糊控制算法，根据风速变化，调节变桨速率，提高系统变桨性能，优化功率输出曲线，性能优越。
2.通过对变桨速率的调节，快速响应风速变化，使风力机在安全的状态下运行，提高风力机在极端天气下的适应能力，安全可靠。
3.根据实时风速反馈，并利用模糊算法计算出相应的变桨速度给定值，控制实际桨距角变化速率，降低变桨机构疲劳度，延长伺服电机使用寿命。
4.采用数字信号处理器(DSP)作为变桨系统控制器，体积小，功耗低，运行速度快，数据处理能力强。
5.上述大齿轮套设在轮毂上，小齿轮设在叶片上，因而能在不改变现有风机机械结构前提下实现功能。
6.上述伺服电机安装在叶片背面根部叶弦线上，此位置由于在背风面不对叶片吸收风能有任何影响同时又可把外界环境带来的冲击和腐蚀降低到最小。
7.采用单个伺服电机驱动单个叶片的变桨方式可以使得风机在集中变桨和独立变桨两种运行方式之间自由切换，避免集中变桨单一工作模式对方能的“粗放式”吸收，从而增强了系统的冗余度和可靠性，进一步有效提高风机效率。
8.本发明作为教学科研用小型风机，在制作成本低，体积小巧的同时，功能全面，能方便地对变桨风机变桨过程中遇到的各种问题进行原理讲解、分析及模拟实验。
附图说明
图1显示了本发明教学用小型风力发电机变速率变桨控制系统的原理框图。
图2显示了本发明中变桨执行机构的结构示意图。
图3显示了本发明采用模糊算法计算变桨速率的原理图。
图4显示了本发明变桨过程的流程图。
其中有：1.伺服电机；2.小齿轮；3.大齿轮；4.叶片；41.叶片背面根部叶弦线；5.轮毂。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种教学用小型风力发电机变速率变桨控制系统，包括风力发电机信息采集装置、变桨控制器、蓄电池和变桨执行机构。
上述变桨控制器优选为数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP体积小，功耗低，运行速度快，数据处理能力强，能实现模糊控制算法。
上述蓄电池能为变桨控制器和所有变桨执行机构中的伺服电机供电。
风力发电机信息采集装置包括风速信息采集组件、桨距角信息采集组件和转速信息采集组件。
风速信息采集组件包括设置在叶片上的风速计和内置在变桨控制器内的风速测量模块，风速计与风速测量模块相连接。
桨距角信息采集组件包括设置在叶片上的桨距角位置传感器和内置在变桨控制器内的桨距角位置测量模块，桨距角位置传感器与桨距角位置测量模块相连接。
转速信息采集组件包括风力机转速计和内置在变桨控制器内的转速测量模块，风力机转速计与转速测量模块相连接。
风力发电机的每片叶片上均可以设置上述风速计、桨距角位置传感器和风力机转速计，这样设置的好处是，能对每个叶片进行独立变桨，也可以在集中变桨和独立变桨两种运行方式之间自由切换，避免集中变桨单一工作模式对方能的“粗放式”吸收，从而增强了系统的冗余度和可靠性，进一步有效提高风机效率。
当然，作为替换，也可以只在其中一片叶片上安装上述转速信息采集组件，均在本发明的保护范围之内。
变桨执行机构与叶片的数量相等，一般叶片为三个，则变桨执行机构也为三个。
如图2所示，每个变桨执行机构均包括伺服电机1、小齿轮2、大齿轮3以及内置在变桨控制器内的功率驱动模块。
大齿轮套设在风力发电机的轮毂5上，伺服电机安装在对应叶片4的叶片背面根部叶弦线41上，小齿轮套设在伺服电机的输出轴上，且小齿轮与大齿轮相啮合。
上述大齿轮套设在轮毂上，小齿轮设在叶片上，因而能在不改变现有风机机械结构前提下实现功能。上述伺服电机安装在叶片背面根部叶弦线上，此位置由于在背风面不对叶片吸收风能有任何影响同时又可把外界环境带来的冲击和腐蚀降低到最小。
三个变桨执行机构，则具有三个伺服电机，每个伺服电机均与一个功率驱动模块相连接。
如图1所示，三个伺服电机分别为伺服电机一、伺服电机二和伺服电机三，伺服电机一安装在叶片一上，与功率驱动模块一相连接；伺服电机二安装在叶片二上，与功率驱动模块二相连接；伺服电机三安装在叶片三上，与功率驱动模块三相连接。
一种教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，包括如下步骤。
步骤1，风力机信息采集：变桨控制器通过风速测量模块实时采集风力机的风速信息，通过桨距角位置测量模块实时采集风力机的桨距角信息，通过转速测量模块实时采集风力机的转速信息。
步骤2，计算变桨角度：变桨控制器根据步骤1采集的转速信息，计算得出风力机的当前转速与设定转速的差值，也即为转速偏差；然后，通过PID控制得到叶片的变桨角度；该变桨角度指的是经由PID控制设定的桨距角与步骤1采集的当前桨距角相比较后的差值。
步骤3，计算变桨速率：变桨控制器根据步骤1采集的风速信息，采用模糊算法，根据风速变化情况，预测风速的变化趋势，计算出变桨速率。所述步骤3中，采用模糊算法计算变桨速率的方法如下。
步骤31，输入量模糊化：通过量化因子的选择，将输入量风速偏差△v和风速偏差变化率
Figure BDA0001259618690000061
模糊化，转化为模糊集合。
其中，输入量和输出量的模糊子集均为：{负大(NB),负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)},并选用高斯隶属函数。
步骤32，模糊推理：根据设定的模糊规则对步骤31得到的模糊集合进行模糊推理，得到输出量即变桨速率v2的模糊集合。
进行模糊推理时，采用“IF A AND B，THEN C，”的语句，可得到49条模糊控制规则如表1所示：
表1模糊控制规则
Figure BDA0001259618690000071
步骤33，解模糊：优选采用重心法对步骤32输出变桨速率v2的的模糊集合进行解模糊，并选择合适的比例因子，得到最终所需要的变桨速率v2，这里所得到的变桨速率v2为一个函数值，具体取值方法需考虑步骤4中变桨时的具体类型。
步骤4，变桨：变桨执行机构驱动叶片按照步骤2计算的变桨角度以及步骤3计算的变桨速率进行变桨。
如图4所示，变桨执行机构驱动叶片变桨时，先假设v0为风力发电机的额定风速，v1为测量得到的实际风速，风速偏差△v＝v1-v0，△vlmit+为设置的最大风速偏差阈值，△vlmit-为设置的最小风速偏差阈值；v2为变桨速率，vmax为预先设定的最大变桨速率，当前桨距角为β，则叶片具体变桨过程如下：
当△v>△vlmit+时，则桨距角β增大，v2＝vmax。
当0<△v<△vlmit+，且
Figure BDA0001259618690000072
时，则桨距角β增大，v2增大。
当0<△v<△vlmit+，且
Figure BDA0001259618690000081
时，则桨距角β增大，v2不变。
当0<△v<△vlmit+，且
Figure BDA0001259618690000082
时，则桨距角β增大，v2减小。
当△v＝0，且
Figure BDA0001259618690000083
时，则桨距角β不变，v2增大。此时，风速不变，但风速变化率趋于增大，将给定速度信号增大以应对未来的变化趋势，好作下一步的比较。
当△v＝0，且
Figure BDA0001259618690000084
时，则桨距角β不变，v2不变。
当△v＝0，且
Figure BDA0001259618690000085
时，则桨距角β不变，v2减小。
当△vlmit-<△v<0，且
Figure BDA0001259618690000086
时，则桨距角β减小，v2增大。
当△vlmit-<△v<0，且
Figure BDA0001259618690000087
时，则桨距角β减小，v2不变。
当△vlmit-<△v<0，且
Figure BDA0001259618690000088
时，则桨距角β减小，v2减小。
当△v<△vlmit-时，则桨距角β减小，v2＝vmax。
另外，当风力发电机的每片叶片上均可以设置上述风速计、桨距角位置传感器和风力机转速计时，则上述步骤1中，风力发电机信息采集装置能对风力发电机的每片叶片均进行风速信息、桨距角信息和转速信息的采集，所述步骤2中，变桨控制器能计算每片叶片的变桨角度；所述步骤3中，变桨控制器能计算每片叶片的变桨速率，所述步骤4中，每片叶片上均设置有一个变桨执行机构，变桨执行机构能驱动对应叶片按照该叶片的变桨角度和变桨速率进行变桨。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，其特征在于：包括如下步骤:
步骤1，风力机信息采集：变桨控制器通过风速测量模块实时采集风力机的风速信息，通过桨距角位置测量模块实时采集风力机的桨距角信息，通过转速测量模块实时采集风力机的转速信息；
步骤2，计算变桨角度：变桨控制器根据步骤1采集的转速信息，计算得出风力机的当前转速与设定转速的差值，也即为转速偏差；然后，通过PID控制得到叶片的变桨角度；该变桨角度指的是经由PID控制设定的桨距角与步骤1采集的当前桨距角相比较后的差值；
步骤3，计算变桨速率：变桨控制器根据步骤1采集的风速信息，采用模糊算法，根据风速变化情况，预测风速的变化趋势，计算出变桨速率；
其中，采用模糊算法计算变桨速率的方法如下：
步骤31，输入量模糊化：通过量化因子的选择，将输入量风速偏差△v和风速偏差变化率
Figure FDA0004130675140000011
模糊化，转化为模糊集合；
步骤32，模糊推理：根据设定的模糊规则对步骤31得到的模糊集合进行模糊推理，得到输出量即变桨速率v2的模糊集合；
步骤33，解模糊：对步骤32输出的变桨速率v2的的模糊集合进行解模糊，得到最终所需要的变桨速率v2；其中，采用重心法对步骤32输出的变桨速率v2的的模糊集合进行解模糊，并通过比例因子的选择，得到最终的变桨速率；
步骤4，变桨：变桨执行机构驱动叶片按照步骤2计算的变桨角度以及步骤3计算的变桨速率进行变桨。
2.根据权利要求1所述的教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，其特征在于：所述步骤1中风力机信息采集时，能对风力发电机的每片叶片均进行风速信息、桨距角信息和转速信息的采集，所述步骤2中，变桨控制器能计算每片叶片的变桨角度；所述步骤3中，变桨控制器能计算每片叶片的变桨速率，所述步骤4中，每片叶片上均设置有一个变桨执行机构，变桨执行机构能驱动对应叶片按照该叶片的变桨角度和变桨速率进行变桨。
3.根据权利要求1或2所述的教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，其特征在于：所述步骤4中，变桨执行机构驱动叶片变桨时，先假设v0为风力发电机的额定风速，v1为测量得到的实际风速，风速偏差△v＝v1-v0，△vlmit+为设置的最大风速偏差阈值，△vlmit-为设置的最小风速偏差阈值；v2为变桨速率，vmax为预先设定的最大变桨速率，当前桨距角为β，则叶片具体变桨过程如下：
当△v>△vlmit+时，则桨距角β增大，v2＝vmax；
当0<△v<△vlmit+，且
Figure FDA0004130675140000021
时，则桨距角β增大，v2增大；
当0<△v<△vlmit+，且
Figure FDA0004130675140000022
时，则桨距角β增大，v2不变；
当0<△v<△vlmit+，且
Figure FDA0004130675140000023
时，则桨距角β增大，v2减小；
当△v＝0，且
Figure FDA0004130675140000024
时，则桨距角β不变，v2增大；
当△v＝0，且
Figure FDA0004130675140000025
时，则桨距角β不变，v2不变；
当△v＝0，且
Figure FDA0004130675140000026
时，则桨距角β不变，v2减小；
当△vlmit-<△v<0，且
Figure FDA0004130675140000027
时，则桨距角β减小，v2增大；
当△vlmit-<△v<0，且
Figure FDA0004130675140000028
时，则桨距角β减小，v2不变；
当△vlmit-<△v<0，且
Figure FDA0004130675140000029
时，则桨距角β减小，v2减小；
当△v<△vlmit-时，则桨距角β减小，v2＝vmax。
4.根据权利要求1所述的教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，其特征在于：步骤1至步骤4均基于教学用小型风力发电机变速率变桨控制系统，教学用小型风力发电机变速率变桨控制系统包括风力发电机信息采集装置、变桨控制器和变桨执行机构；
风力发电机信息采集装置包括风速信息采集组件、桨距角信息采集组件和转速信息采集组件；风速信息采集组件包括设置在叶片上的风速计和内置在变桨控制器内的风速测量模块，风速计与风速测量模块相连接；
桨距角信息采集组件包括设置在叶片上的桨距角位置传感器和内置在变桨控制器内的桨距角位置测量模块，桨距角位置传感器与桨距角位置测量模块相连接；
转速信息采集组件包括设置在风力机转速计和内置在变桨控制器内的转速测量模块，风力机转速计与转速测量模块相连接；
变桨执行机构与叶片的数量相等，每个变桨执行机构均包括伺服电机、小齿轮和大齿轮，大齿轮套设在风力发电机的轮毂上，伺服电机安装在对应叶片的叶片背面根部叶弦线上，小齿轮套设在伺服电机的输出轴上，且小齿轮与大齿轮相啮合；每个伺服电机均与变桨控制器相连接。
5.根据权利要求4所述的教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，其特征在于：所述变桨控制器为数字信号处理器DSP。
6.根据权利要求4所述的教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，其特征在于：还包括与变桨控制器和所有伺服电机相连接的蓄电池。
7.根据权利要求4所述的教学用小型风力发电机变速率变桨控制方法，其特征在于：风力发电机的每片叶片上均设置有桨距角位置传感器。
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