CN111005913B

CN111005913B - 一种变桨液压站电机控制保护方法

Info

Publication number: CN111005913B
Application number: CN201911278744.9A
Authority: CN
Inventors: 王志奎; 崔逸南; 陈明明; 陈亚芬
Original assignee: Beijing Sanli Xinneng Science & Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Sanli Xinneng Science & Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN111005913A

Abstract

本发明公开了一种变桨液压站电机控制保护方法，包括以下步骤：兼容原控制系统、增加新控制方式以及完善变桨液压站电机的启停控制方式，所述增加新控制方式是对功率、桨距角、变桨执行器压力、变桨液压站压力以及机组限功率信号进行监控，完善变桨液压站电机的启停控制方式通过脉冲切换方式实现轮换控制，指脉冲模块TP_1和脉冲模块TP_2的脉冲信号实现交替控制；本发明设计的变桨液压站电机控制保护方法通过机组现有的变量参数做统计，无需引入新的设备，经济性好；控制逻辑简单，实施方便，鲁棒性好；兼容性好，不受机型和风场风况限制，适应性强；机组可利用率提升，元器件使用寿命提高。

Description

一种变桨液压站电机控制保护方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种变桨液压站电机控制保护方法。

背景技术

风机在大风条件下要实现恒功率控制，需要动态的调整桨距角特性以维持气动特性平衡。电动变桨采用变频器动态调整电机实现液压变桨动作，而液压变桨控制系统通过压力传感器监控执行器及液压站压力，根据监控压力实现液压站电机控制。当监测压力低于程序设定阈值则启动变桨液压站电机实现系统建压。一般电机选择S1制，但考虑到电机功率较大，对于2MW机组其电机功率接近20kW，电机持续运行会导致机组自用电较大，特别是低风速区更为显著，因此对电机控制一般按照断续启停控制。控制系统按照实际压力进行监控，当压力值低于设定阈值则启动泵站建压，高于设定阈值则停止建压，一般压力维持周期可持续4～6min。但如果现场风速湍流较大、电液滑环泄漏大、执行器密封出现损坏等，会导致变桨液压站电机启动频繁，启停周期较短，一方面启动电流较大容易引起元器件过热导致跳闸，另一方面会引起电机绕组温升超过要求值，容易引起电机绕组烧坏问题。

针对液压变桨控制，一般采用变桨液压站提供动力。机组的液压变桨电机控制，按照电机工作制进行控制(S1)，则此时电机需持续不间断运行，机组通过溢流阀维持正常压力。该方法一方面维持电机持续运行需消耗约20kW的有功功率，导致机组自耗电增大，机舱长时间噪声大；另一方面，因电机持续运行，元器件及线路的发热量大，降低了元器件使用寿命。因风电场一般都属于低风速区，自耗电过大降低了整机的市场竞争力。机组的液压变桨电机控制，按照变桨执行器压力或变桨液压站压力进行控制，虽然可以保证机组电机不持续启动，降低了机组的自用电，但在机组变桨频率高、压力值在阈值附近高频波动、滑环内泄漏大或者执行器密封内泄漏大时，会导致变桨电机启停频繁，启停周期较小，容易导致电机及元器件损坏。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种变桨液压站电机控制保护方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变桨液压站电机控制保护方法，包括以下步骤：兼容原控制系统、增加新控制方式以及完善变桨液压站电机的启停控制方式，所述增加新控制方式是对功率、桨距角、变桨执行器压力、变桨液压站压力以及机组限功率信号进行监控，

新控制方式一是监控实际桨距角与设定桨距角做对比，实际变桨速率或设定变桨速率做对比，经触发信号的频次统计，给出电机使能控制信号，当机组的变桨角度经低通滤波器后滤波值大于机组的最优桨距角θ_fine时，或者机组的滤波后变桨速率大于0.5deg/s，此时给定一个上升沿触发信号到频次统计分析模块，频次统计分析模块统计触发频次是否大于设定值3，当大于设定阈值则频次统计分析模块输出为TRUE，给定变桨液压站电机一个使能信号；

新控制方式二是通过实际上网功率值与设定限功率值、比例系数及限功率标志位判定给定电机使能控制信号为，

1)在机组存在限功率条件时，通过对实时上网功率、比例系数以及限功率标志位和限功率数值作为判定，采集低通滤波功率值并与限功率设定值和比例系数的乘积做判定，此系数取值范围为0.8～0.9，

2)在机组无限功率条件时，通过实时上网功率与设定功率值做判定，采集低通滤波功率值并于设定功率值做判定，该设定功率取0.9P_r；

完善变桨液压站电机的启停控制方式通过脉冲切换方式实现轮换控制，指脉冲模块TP_1和脉冲模块TP_2的脉冲信号实现交替控制。

具体的是，所述最优桨距角指机组叶片功率系统最大时对应的桨距角，取决于选择的叶片特性，采用取值0.5deg，滤波器时间常数取值为50的机组叶片。

具体的是，所述频次统计模块是统计变桨动作信号，当动作信号触发则给定频次统计模块一个上升沿，此时频次统计模块计数加1，当累加数值大于预设值3时，频次统计模块输出信号使得电机使能，当电机运行且电机反馈信号正常后，将频次统计模块计数重置，使得计数重新为0，重新对变桨动作信号再次进行计数。

具体的是，所述限功率标志位判定方式为机组人为设定功率值低于机组的额定功率值则激活机组限功率标志位。

具体的是，所述实时上网功率经电能采集模块采集，并经低通滤波器进行滤波处理消除波动峰值干扰，低通滤波时间常数取100。

具体的是，所述脉冲模块TP_1和脉冲模块TP_2的脉冲信号实现交替控制为：当变桨动作使能触发脉冲模块TP_1并维持12min的脉冲信号，在脉冲信号持续11min后判定使能信号，当使能信号存在，则切换到脉冲模块TP_2并重置触发器，若使能信号不存在，则给定变桨液压站电机脉冲模块TP_1的脉冲信号；脉冲模块TP_2给定脉冲信号时，根据变桨动作使能重复上述的判定，在脉冲模块TP_2的脉冲信号持续11min以后且存在使能信号，则切换到脉冲模块TP_1，如此实现轮换判定。

具体的是，所述兼容原控制系统是通过变桨液压站设有的变桨液压站压力传感器以及变桨执行器设有的变桨执行器压力传感器监控变桨液压站压力和变桨执行器压力做判定，变桨液压站控制系统通过PLC模块读取到压力传感器数值，并与设定的上限阈值与下限阈值做比较实现电机的控制。

具体的是，所述变桨液压站电机下限阈值设定为210bar，上限阈值设定为240bar；当变桨执行器压力和变桨液压站压力的最小值大于210bar时，泵站电机使能，系统开始建压；当变桨执行器压力和变桨液压站压力的最大值大于240bar时，泵站电机不使能，系统建压停止。

本发明具有以下有益效果：

本发明设计的变桨液压站电机控制保护方法通过机组现有的变量参数做统计，无需引入新的设备，经济性好；控制逻辑简单，实施方便，鲁棒性好；兼容性好，不受机型和风场风况限制，适应性强；机组可利用率提升，元器件使用寿命提高；通过对机组现有的控制参数变量，功率、桨距角、变桨执行器压力、变桨液压站压力以及机组限功率信号的监控，对因变桨液压站大风下启停频繁容易导致元器件和电机绕组损坏做控制优化，控制方式简单且提升了机组的可利用率，本发明的控制方法较依靠执行器压力、变桨液压站压力作为电机启停判定条件，一方面可以保证在机组执行器不变桨条件下，控制程序按照压力条件执行电机控制；另一方面可以在大功率条件或变桨频繁条件下电机启动时间间隔较大，电机的散热充分，不会引起电机的绕组烧毁情况，机组可利用率提高，考虑现场风频分布的情况，大风条件下风频占比较小，该控制方法引起的机组的自用电损耗不大，但提高了整机的元器件寿命并降低了故障率。

附图说明

图1为变桨液压站电机控制保护方法的风频分布图；

图2为变桨液压原理流程图；

图3为变桨液压站电机使能控制框图；

图4为变桨液压站电机时序控制图；

图中：1-温度检测；2-电机；3-马达；4-旁路电磁阀；5-单向阀一；22-单向阀二；25-单向阀三；31-单向阀四；6-溢流阀一；12-溢流阀二；23-溢流阀三；7-压力传感器一；13-压力传感器二；8-蓄能器一；9-蓄能器一；10-电磁换向阀一；11-电磁换向阀二；14-电磁换向阀三；16-电磁换向阀四；21-电磁换向阀五；15-比例换向阀；17-手动截止阀一；20-手动截止阀二；24-手动截止阀三；26-手动截止阀四；18-位移传感器；19-执行器；27-风扇散热管；28-风扇；29-过滤器；30-油液；32-冷却泵。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地进一步详细的说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，一种变桨液压站电机控制保护方法，包括以下步骤：兼容原控制系统、增加新控制方式以及完善变桨液压站电机的启停控制方式，增加新控制方式是对功率、桨距角、变桨执行器压力、变桨液压站压力以及机组限功率信号进行监控，新控制方式一是监控实际桨距角与设定桨距角做对比，实际变桨速率或设定变桨速率做对比，经触发信号的频次统计，给出电机使能控制信号，当机组的变桨角度经低通滤波器后滤波值大于机组的最优桨距角θ_fine时，或者机组的滤波后变桨速率大于0.5deg/s，此时给定一个上升沿触发信号到频次统计分析模块，频次统计分析模块统计触发频次是否大于设定值3，当大于设定阈值则频次统计分析模块输出为TRUE，给定变桨液压站电机一个使能信号；

具体实施例如下：

如图1所示，某三类风区下风频分布曲线，从图中可以看出，在机组额定风速为8.8m/s时，大于额定风速的风频占比不超过15％，说明该机组大部分处于额定功率以下。在该功率下运行，机组变桨角度维持在最优桨距角不发生变化，而额定风速以上时变桨动作频繁。

通过风频分布可知，电机在额定风速及以上运行时间较少，因此即使长时间保持电机运行，机组总的自用电消耗也不大；且考虑到机械和电气器件的可靠系数，一般可超发部分功率以弥补电机启动造成的功率损失。所以，本控制方式在低风速下按照压力去控制变桨液压站电机启停，在变桨频繁时按照变桨动作频次或功率来控制，兼顾了机组的自用电和元器件的使用寿命，提高了机组的可利用率。

如图2所示的液压变桨原理图框图：

变桨液压站提供机组变桨执行器19的动力，实现机组的启停机控制及功率调节控制。当PLC监测到变桨系统压力值低于设定阈值下限210bar时，电机2驱动马达3工作，油液经旁路电磁阀4回到油箱29，主要起清洗管路和空载建压的功能。当空载建压2s后，旁路电磁阀4得电吸合，开始对变桨执行器建压。

在开桨过程中(启机过程)，油液经单向阀一5→手动截止阀四26→单向阀三25→电磁换向阀三14→比例控制阀15的左位(a)→手动截止阀二20→变桨执行器19→电磁换向阀四16→比例控制阀15的右位(b)→过滤器29→油箱30实现开桨动作。

在顺桨过程中(正常停机)，油液经单向阀一5→手动截止阀四26→单向阀三25→电磁换向阀三14→比例控制阀15右位(b)→电磁换向阀四16→手动截止阀一17→变桨执行器19→手动截止阀二20→单向阀二22→比例控制阀15的右位(b)实现差动顺桨。

需要说明的，正常停机过程中变桨执行器出油口油液经管路回到比例阀入口形成差动回路，提高了顺桨速率。

在顺桨过程中(紧急顺桨)，油液经蓄能器二9→电磁换向阀一10/电磁换向阀二11→手动截止阀一17→变桨执行器19→手动截止阀二20→电磁换向阀五21→过滤器29→油箱30实现紧急顺桨。

需要说明的，只有在紧急顺桨时，电磁换向阀一10/电磁换向阀二11和电磁换向阀五21才失电，使得蓄能器二9压力释放，推动执行器顺桨。

针对上述管路工作原理分析，按照三个叶片的变桨执行器压力与变桨液压站压力，根据压力变化情况作为输入实现变桨液压站电机的控制。

需要说明的是，变桨液压站压力通过压力传感器一7获得液压站实时压力；叶片的变桨执行器压力通过压力传感器二13获得变桨执行器压力；变桨角度经位移传感器18获得缸体的位移则算为变桨控制角度。

如图3所示，当变桨执行器压力和变桨液压站压力的最小值大于210bar时，此时泵站电机使能，系统开始建压；当变桨执行器压力和变桨液压站压力的最大值大于240bar时，泵站电机不使能，系统建压停止。

变桨液压站控制系统通过PLC模块读取到压力传感器数值，并与设定的上限阈值(启动电机)与下限阈值(停止电机)做比较实现电机的控制。但该控制方法在变桨频繁、压力值在设定阈值附近出现波动时会导致电机启停频繁，导致机组的自用电增大，元器件寿命降低等问题。

通过对上述问题分析，改变电机的启停方式以降低电机的启停频率便可以较好的解决上述问题。按照电机的工作制，可以直接采用电机持续启动的控制方式，但该方法导致机组的自用电损耗较大，且元器件的发热较大，导致电缆环境温度升高，其截面要适当增大，导致经济性降低，元器件的寿命降低；另外，因电机持续启动，机组噪声较大且管路持续维持较大压力，管接头处防漏油工艺要求较高。

本发明通过对机组的变桨角度或变桨频率变化情况或者功率变化情况，给出了电机控制的优化方法。

如图3所示，针对机组在变桨动作下变桨液压站电机启停频繁，通过控制方式一：变桨角度或变桨速率来给定电机使能信号进行控制，也通过控制方式二：上网功率和设定功率阈值来给定电机使能信号进行控制。本发明综合了两种控制方式，具体如下。

对于控制方式一，当机组的变桨角度经低通滤波器后滤波值大于机组的最优桨距角θ_fine时，或者机组的滤波后变桨速率大于0.5deg/s，此时给定一个上升沿触发信号到频次统计分析模块，该模块统计触发频次是否大于设定值3，当大于设定阈值则频次统计分析模块输出为TRUE，给定变桨液压站电机一个使能信号。最优桨距角一般指机组叶片功率系统最大时对应的桨距角，取决于选择的叶片特性，本专利取值0.5deg，滤波器时间常数取值为50。频次统计模块主要统计变桨动作信号，当动作信号触发则给定该模块一个上升沿，此时该模块计数加1。当累加数值大于预设值3时，该模块输出信号使得电机使能。当电机运行后且电机反馈信号正常后，将该模块计数重置，使得计数重新为0，重新对变桨动作信号再次进行计数。

需要说明的，在电机启动过程中，该频次统计模块不对变桨动作信号计数，仅当电机不处于运行状态时才激活重新计数功能。因为电机启动过程中，再次进行计数满足条件后会给定重复的电机使能信号，对运行中的电机无意义。

同样的，除了采用变桨角度或变桨速率对机组的变桨液压站电机做使能判定外，还可以通过控制方式二对机组变桨液压站电机进行控制。

在机组存在限功率条件时，通过对实时上网功率、比例系数以及限功率标志位和限功率数值作为判定；在无限功率条件时，通过实时上网功率与设定功率值做判定。机组限功率标志位判定方式为机组人为设定功率值低于机组的额定功率值则激活机组限功率标志位。机组的实时上网功率经电能采集模块采集，并经低通滤波器进行滤波处理消除波动峰值干扰，低通滤波时间常数取100。

显示屏设定功率值为人为通过显示屏或远程设定目标功率值，此目标值小于等于额定功率值。比例系数为机组实际功率占设定目标功率值的比值，考虑到实际机组为了防止过速发生一般提前变桨动作，此系数取值范围为0.8～0.9，本发明取中间值0.85。

当实际上网功率大于设定功率值的85％且持续时间超过5s后，说明当前功率值具备执行器变桨条件，此时为了避免变桨频繁动作，给定变桨液压站电机一个使能信号，PLC输出变桨液压站电机工作信号。

在机组无限功率条件下，不需要考虑限功率系数问题，但同样需考虑实际机组为了防止过速发生一般提前变桨动作，采取设定功率值为0.9Pr作为上限阈值,Pr表示额定功率值。当实际上网功率大于设定功率值的90％且持续时间超过3s后，当前功率值机组具备变桨条件，为了避免变桨频繁动作，给定变桨液压站电机一个使能信号，PLC输出变桨液压站电机工作信号。

需要说明的是，上述控制方式一和控制方式二可以独立采用，也可以同时采用，本发明同时采用两种控制方式，提高了判定的冗余度和可靠性。

为了保证机组液压系统安全顺桨的能力，考虑到机组执行器密封内泄、滑环的内泄等，仍需要机组具备压力监控特性，兼容原控制系统即按照变桨执行器压力、变桨液压站压力作为判定变桨液压站电机使能条件。

判定了变桨液压站的使能条件后，需要对变桨电机进行控制。控制的目标是在变桨频繁时持续启动；当变桨动作不频繁时按照压力变化情况判定启动，这两种控制方式的切换需要通过图4实现。

如图4所示，完善变桨液压站电机的启停控制方式，当机组变桨液压站使能后，则按照使能脉冲信号进行判定。当第一次使能触发时，RS触发器激活(RS.Q＝1)，并经脉冲模块TP_1给定12min的脉冲信号,在给定信号过程中持续对变桨液压站启动使能信号做判定。

当在脉冲模块TP_1持续11min以后且有变桨液压站启动使能信号存在时，脉冲模块TP_2使能并同样经该模块给定12min的脉冲信号。当脉冲模块TP_1脉冲结束，脉冲模块TP_2使能信号重置RS信号输出(RS.Q＝0)，以便于脉冲时序进行后续切换。当脉冲模块TP_1脉冲结束后，变桨液压站电机按照脉冲模块TP_2的脉冲信号持续运行而不发生电机启停切换。

当在脉冲模块TP_1持续11min以后且无变桨液压站启动使能信号存在时，脉冲模块TP_2不使能，则当脉冲模块TP_1信号结束后变桨液压站电机停止，等待下一个变桨动作使能信号。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims

1.一种变桨液压站电机控制保护方法，其特征在于，包括以下步骤：兼容原控制系统、增加新控制方式以及完善变桨液压站电机的启停控制方式，所述增加新控制方式是对功率、桨距角、变桨执行器压力、变桨液压站压力以及机组限功率信号进行监控，

新控制方式二是通过实际上网功率值与设定限功率值、比例系数及限功率标志位判定给定电机使能控制信号为，1)在机组存在限功率条件时，通过对实时上网功率、比例系数以及限功率标志位和限功率数值作为判定，采集低通滤波功率值并与限功率设定值和比例系数的乘积做判定，此系数取值范围为0.8～0.9，

2)在机组无限功率条件时，通过实时上网功率与设定功率值做判定，采集低通滤波功率值并与设定功率值做判定，该设定功率取0.9P_r，P_r表示额定功率值，

其中限功率标志位判定方式为机组人为设定功率值低于机组的额定功率值则激活机组限功率标志位，比例系数为机组实际功率占设定目标功率值的比值；

2.根据权利要求1所述的变桨液压站电机控制保护方法，其特征在于，所述最优桨距角指机组叶片功率系统最大时对应的桨距角，取决于选择的叶片特性，采用取值0.5deg，滤波器时间常数取值为50的机组叶片。

3.根据权利要求1所述的变桨液压站电机控制保护方法，其特征在于，所述频次统计分析模块是统计变桨动作信号，当动作信号触发则给定频次统计分析模块一个上升沿，此时频次统计分析模块计数加1，当累加数值大于预设值3时，频次统计分析模块输出信号使得电机使能，当电机运行且电机反馈信号正常后，将频次统计分析模块计数重置，使得计数重新为0，重新对变桨动作信号再次进行计数。

4.根据权利要求1所述的变桨液压站电机控制保护方法，其特征在于，所述实时上网功率经电能采集模块采集，并经低通滤波器进行滤波处理消除波动峰值干扰，低通滤波时间常数取100。

5.根据权利要求1所述的变桨液压站电机控制保护方法，其特征在于，所述脉冲模块TP_1和脉冲模块TP_2的脉冲信号实现交替控制为：当变桨动作使能触发脉冲模块TP_1并维持12min的脉冲信号，在脉冲信号持续11min后判定使能信号，当使能信号存在，则切换到脉冲模块TP_2并重置触发器，若使能信号不存在，则给定变桨液压站电机脉冲模块TP_1的脉冲信号；脉冲模块TP_2给定脉冲信号时，根据变桨动作使能重复上述的判定，在脉冲模块TP_2的脉冲信号持续11min以后且存在使能信号，则切换到脉冲模块TP_1，如此实现轮换判定。

6.根据权利要求1所述的变桨液压站电机控制保护方法，其特征在于，所述兼容原控制系统是通过变桨液压站设有的变桨液压站压力传感器以及变桨执行器设有的变桨执行器压力传感器监控变桨液压站压力和变桨执行器压力做判定，变桨液压站控制系统通过PLC模块读取到压力传感器数值，并与设定的上限阈值与下限阈值做比较实现电机的控制。

7.根据权利要求6所述的变桨液压站电机控制保护方法，其特征在于，所述变桨液压站电机下限阈值设定为210bar，上限阈值设定为240bar；当变桨执行器压力和变桨液压站压力的最小值小于210bar时，泵站电机使能，系统开始建压；当变桨执行器压力和变桨液压站压力的最大值大于240bar时，泵站电机不使能，系统建压停止。