CN114183297A - 一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法及系统，所述变桨系统在设定角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度，将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点，使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合。本发明能够有效降低变桨系统换向过程中齿啮合造成的机组振动，同时使变桨系统具有更短的响应时间以及更好的动态性能。

Description

一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法及系统

技术领域

本发明涉及风电机组变桨系统的技术领域，尤其是指一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法及系统。

背景技术

风力发电机组变桨系统换向过程中由于传动机构存在齿隙，在齿啮合过程中动齿与静齿之间存在碰撞，从而引起机组振动，当齿啮合瞬间动齿速度较高时会使得机组振动加剧，严重时会影响整个机组的正常运行，此外齿间高速碰撞也会造成传动机构齿损坏，长期反复高速碰撞会造成断齿，影响机组稳定运行。

目前常用的减弱变桨系统换向过程中齿啮合造成的机组振动的方法是采用加速-恒速啮合方案，该方案的控制方式为电机启动后首先以系统设定的加速度进行加速，当速度达到啮合速度后保持恒速运行直到齿完全啮合，之后再恢复到正常的位置环调节模式。这种方法的优点在于可以保证传动机构以较小的速度进行传动齿啮合，降低齿啮合瞬间碰撞引起的机组振动，由于在齿啮合前系统一直保持以较小的啮合速度运行，因此系统的响应时间加长，动态性能变差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法及系统，有效降低变桨系统换向过程中齿啮合造成的机组振动，同时使变桨系统具有更短的响应时间以及更好的动态性能。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法，所述变桨系统在设定角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度，将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点，使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合。

进一步，所述变桨系统在设定角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度的具体过程包括如下步骤：

1)选定变桨系统收浆方向为正方向，将变桨系统朝开桨方向运行设定角度后停机，确保传动齿在反方向上充分啮合；

2)给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*，设定正向角度位置阶跃指令l_st ^*的初始值为β，使变桨系统在正方向运行β，在变桨系统运行过程中观察电机转矩电流分量l_q，当变桨系统速度趋于零时，如果电机转矩电流分量l_q<预设的电机转矩电流分量l_qts，则认为在此过程中传动齿没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

3)当传动齿在反方向重新啮合以后再给定变桨系统比初始值β大一个位置精度的正向角度位置阶跃指令l_st ^*，在变桨系统运行速度趋于零时刻观察电机转矩电流分量l_q，如果电机转矩电流分量l_q<l_qts，则认为传动齿之间仍然没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

4)重复步骤3)，给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*每次增加一个位置精度，直至变桨系统正向位置阶跃响应过程中其速度趋于零时刻电机转矩电流分量l_q>l_qts，此时变桨系统阶跃响应稳定时的位置即为齿隙长度l_g。

进一步，所述的将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点的具体过程如下：

设定变桨系统在传动齿啮合前先以加速度a运行，当位置到达加-减速位置分界点后再以设定的减速度a减速运行，设定传动齿啮合瞬间变桨系统的速度为u_g，u_g为满足机组振动要求的齿啮合速度；

根据变桨系统的传动齿啮合前的速度曲线得出如下关系式：

u₁＝at₁ 公式(1)

u_g＝u₁-a(t_g2-t₁) 公式(2)

式中，t₁为加速段运行时间，t_g2为啮合时间，l_g为变桨系统传动齿的齿隙长度；

根据公式(1)～公式(3)得出转折速度u₁：

根据转折速度u₁计算出加速段齿隙长度l_c：

加速段齿隙长度l_c的终点即为位置分界点。

进一步，所述的使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合的具体过程如下：

使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度a加速运行，当其实际位置l到达位置分界点之前采用常规的比例调节控制，此时变桨系统的位置环通过位置指令l^*与实际位置l之间的偏差经过比例调节后生成速度指令u^*，即l<l_c时，速度指令u^*＝k_p(l^*-l)，其中，l_c为加速段齿隙长度，其终点即为位置分界点，k_p为位置环比例系数；

当变桨系统实际位置l到达加速段齿隙长度l_c之后且未到达齿隙长度l_g之前，速度指令u^*以减速度a逐渐递减，变桨系统以减速度a减速运行，即l_c<l<l_g时，速度指令u^*＝u^* _last-aT_sample，其中，u^* _last为上一采样时刻速度指令，T_sample为变桨系统采样时间；

当变桨系统实际位置l到达齿隙长度l_g之后传动齿完成啮合，即l>l_g时，变桨系统速度指令u^*恢复比例调节运行，即l>l_g时，u^*＝k_p(l^*-l)。

进一步，所述变桨系统的速度环对位置环生成的速度指令u^*与实际速度u做差值，其偏差通过PI调节后生成变桨系统电流环电机转矩分量指令l_q ^*，将电机转矩分量指令l_q ^*与实际电机转矩电流分量l_q做差值，其偏差通过PI调节后生成q轴电压指令分量u_q ^*，同时电机励磁电流指令l_d ^*与实际电流励磁分量l_d做差值，其偏差经过PI调节后生成d轴电压指令分量u_d ^*，d-q轴电压指令分量u_d ^*、u_q ^*经过两相旋转-三相静止坐标变换后生成三相静止坐标系下电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，经过脉冲宽度调节后生成六路PWM波驱动逆变器IGBT输出，从而使得电机实际电流l_a、l_b、l_c跟随电流指令变化，进而实现电机速度与位置控制。

一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的系统，包括：

齿隙长度计算模块，用于变桨系统在设定角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度；

加-减速位置分界点计算模块，用于将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点；

位置-速度控制模块，用于使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合。

进一步，所述齿隙长度计算模块具体执行以下操作：

1)选定变桨系统收浆方向为正方向，将变桨系统朝开桨方向运行设定角度后停机，确保传动齿在反方向上充分啮合；

2)给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*，设定正向角度位置阶跃指令l_st ^*的初始值为β，使变桨系统在正方向运行β，在变桨系统运行过程中观察电机转矩电流分量l_q，当变桨系统速度趋于零时，如果电机转矩电流分量l_q<预设的电机转矩电流分量l_qts，则认为在此过程中传动齿没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

3)当传动齿在反方向重新啮合以后再给定变桨系统比初始值β大一个位置精度的正向角度位置阶跃指令l_st ^*，在变桨系统运行速度趋于零时刻观察电机转矩电流分量l_q，如果电机转矩电流分量l_q<l_qts，则认为传动齿之间仍然没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

4)重复步骤3)，给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*每次增加一个位置精度，直至变桨系统正向位置阶跃响应过程中其速度趋于零时刻电机转矩电流分量l_q>l_qts，此时变桨系统阶跃响应稳定时的位置即为齿隙长度l_g。

进一步，所述加-减速位置分界点计算模块具体执行以下操作：

设定变桨系统在传动齿啮合前先以加速度a运行，当位置到达加-减速位置分界点后再以设定的减速度a减速运行，设定传动齿啮合瞬间变桨系统的速度为u_g，u_g为满足机组振动要求的齿啮合速度；

根据变桨系统的传动齿啮合前的速度曲线得出如下关系式：

u₁＝at₁ 公式(1)

u_g＝u₁-a(t_g2-t₁) 公式(2)

式中，t₁为加速段运行时间，t_g2为啮合时间，l_g为变桨系统传动齿的齿隙长度；

根据公式(1)～公式(3)得出转折速度u₁：

根据转折速度u₁计算出加速段齿隙长度l_c：

加速段齿隙长度l_c的终点即为位置分界点。

进一步，所述位置-速度控制模块具体执行以下操作：

使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度a加速运行，当其实际位置l到达位置分界点之前采用常规的比例调节控制，此时变桨系统的位置环通过位置指令l^*与实际位置l之间的偏差经过比例调节后生成速度指令u^*，即l<l_c时，速度指令u^*＝k_p(l^*-l)，其中，l_c为加速段齿隙长度，其终点即为位置分界点，k_p为位置环比例系数；

当变桨系统实际位置l到达加速段齿隙长度l_c之后且未到达齿隙长度l_g之前，速度指令u^*以减速度a逐渐递减，变桨系统以减速度a减速运行，即l_c<l<l_g时，速度指令u^*＝u^* _last-aT_sample，其中，u^* _last为上一采样时刻速度指令，T_sample为变桨系统采样时间；

当变桨系统实际位置l到达齿隙长度l_g之后传动齿完成啮合，即l>l_g时，变桨系统速度指令u^*恢复比例调节运行，即l>l_g时，u^*＝k_p(l^*-l)。

进一步，所述变桨系统的速度环对位置环生成的速度指令u^*与实际速度u做差值，其偏差通过PI调节后生成变桨系统电流环电机转矩分量指令l_q ^*，将电机转矩分量指令l_q ^*与实际电机转矩电流分量l_q做差值，其偏差通过PI调节后生成q轴电压指令分量u_q ^*，同时电机励磁电流指令l_d ^*与实际电流励磁分量l_d做差值，其偏差经过PI调节后生成d轴电压指令分量u_d ^*，d-q轴电压指令分量u_d ^*、u_q ^*经过两相旋转-三相静止坐标变换后生成三相静止坐标系下电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，经过脉冲宽度调节后生成六路PWM波驱动逆变器IGBT输出，从而使得电机实际电流l_a、l_b、l_c跟随电流指令变化，进而实现电机速度与位置控制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明通过对变桨系统齿啮合前的位置进行规划，将齿啮合前的变桨系统运行位置划分为加速段与减速段两个区间，在保证齿啮合瞬间啮合速度的同时不用对变桨系统的加速度进行额外的限制，相比于现有技术，变桨系统位置响应时间大大缩短，动态性能有效提高。

2、本发明实施过程中只需要修改软件，不涉及硬件变更，成本低，实施方便有效。

附图说明

图1为现有技术中变桨系统以加速-恒速啮合方案运行的速度曲线。

图2为本发明中变桨系统以加速-减速啮合方案运行的速度曲线。

图3为本发明中齿隙长度辨识算法框图。

图4为本发明中加速-减速啮合方案控制算法流程图。

图5为本发明中永磁同步电机的控制算法框图。

图6为本发明的系统结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的使用方式不限于此。

本实施例所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法，包括：

首先，变桨系统在设定的小角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度，齿隙长度辨识算法框图如图3所示，具体包括以下步骤：

1)选定变桨系统收浆方向为正方向，将变桨系统朝反方向，即朝开桨方向运行一个位置角度后停机，本实施例位置角度以2度为例，确保传动齿在反方向上充分啮合；

2)给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*，设定正向角度位置阶跃指令l_st ^*的初始值为β，β＝0.01度，使变桨系统在正方向运行0.01度，在变桨系统运行过程中观察电机转矩电流分量l_q，当变桨系统速度趋于零时，如果电机转矩电流分量l_q<预设的电机转矩电流分量l_qts，则认为在此过程中传动齿没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

3)当传动齿在反方向重新啮合以后再给定变桨系统比初始值β大一个位置精度的正向角度位置阶跃指令l_st ^*，即使其在正方向运行0.02度，在变桨系统运行速度趋于零时刻观察电机转矩电流分量l_q，如果电机转矩电流分量l_q<l_qts，则认为传动齿之间仍然没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

当动静齿在反方向重新啮合以后再给定变桨系统0.02度的正向位置阶跃指令，在变桨系统运行速度趋于零时刻观察电机转矩电流分量l_q，如果电机转矩电流分量l_q<l_qts，则认为动静齿之间仍然没有啮合，将变桨系统反向运行使传动机构的动静齿在反方向重新啮合；

4)重复步骤3)，给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*每次增加一个位置精度，即每次增加0.01度，直至变桨系统正向位置阶跃响应过程中其速度趋于零时刻电机转矩电流分量l_q>l_qts，此时变桨系统阶跃响应稳定时的位置即为齿隙长度l_g。

然后，将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点，其具体过程如下：

设定变桨系统在传动齿啮合前先以加速度a运行，当位置到达加-减速位置分界点后再以设定的减速度a减速运行，设定传动齿啮合瞬间变桨系统的速度为u_g，u_g为满足机组振动要求的齿啮合速度；

如图2所示，绘制出加速-减速啮合方案变桨系统的传动齿啮合前的速度曲线，并得出如下关系式：

u₁＝at₁ 公式(1)

u_g＝u₁-a(t_g2-t₁) 公式(2)

式中，t₁为加速段运行时间，t_g2为啮合时间，l_g为变桨系统传动齿的齿隙长度；

根据公式(1)～公式(3)得出转折速度u₁、加速段齿隙长度l_c以及啮合时间t_g2：

加速段齿隙长度l_c的终点即为位置分界点。

变桨系统采用永磁同步电机作为驱动机构，其控制方式采用矢量控制(FOC)，包含外环位置环、中间速度环以及内环电流环三个控制环路，其速度指令采用加速-减速啮合方案设计，即使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合，加速-减速啮合方案控制算法流程图如图4所示，具体过程如下：

使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度a加速运行，当其实际位置l到达位置分界点之前采用常规的比例调节控制，此时变桨系统的位置环通过位置指令l^*与实际位置l之间的偏差经过比例调节后生成速度指令u^*，即l<l_c时，速度指令u^*＝k_p(l^*-l)，其中，l_c为加速段齿隙长度，其终点即为位置分界点，k_p为位置环比例系数；

当变桨系统实际位置l到达加速段齿隙长度l_c之后且未到达齿隙长度l_g之前，速度指令u^*以减速度a逐渐递减，变桨系统以减速度a减速运行，即l_c<l<l_g时，速度指令u^*＝u^* _last-aT_sample，其中，u^* _last为上一采样时刻速度指令，T_sample为变桨系统采样时间；

当变桨系统实际位置l到达齿隙长度l_g之后传动齿完成啮合，即l>l_g时，变桨系统速度指令u^*恢复比例调节运行，即l>l_g时，u^*＝k_p(l^*-l)。

永磁同步电机的控制算法如图5所示，位置环通过位置指令l^*与实际位置l生成速度指令u^*，其控制算法流程图如图4所示，变桨系统的速度环对位置环生成的速度指令u^*与实际速度u做差值，其偏差通过PI调节后生成变桨系统电流环电机转矩分量指令l_q ^*，将电机转矩分量指令l_q ^*与实际电机转矩电流分量l_q做差值，其偏差通过PI调节后生成q轴电压指令分量u_q ^*，同时电机励磁电流指令l_d ^*与实际电流励磁分量l_d做差值，其偏差经过PI调节后生成d轴电压指令分量u_d ^*，d-q轴电压指令分量u_d ^*、u_q ^*经过两相旋转-三相静止坐标变换后生成三相静止坐标系下电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，经过脉冲宽度调节后生成六路PWM波驱动逆变器IGBT输出，从而使得电机实际电流l_a、l_b、l_c跟随电流指令变化，进而实现电机速度与位置控制。

如图6所示，本实施例所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的系统，包括：

齿隙长度计算模块1，用于变桨系统在设定角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度；

加-减速位置分界点计算模块2，用于将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点；

位置-速度控制模块3，用于使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合。

其中，齿隙长度计算模块1具体执行以下操作：

1)选定变桨系统收浆方向为正方向，将变桨系统朝反方向，即朝开桨方向运行一个位置角度后停机，本实施例位置角度以2度为例，确保传动齿在反方向上充分啮合；

2)给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*，设定正向角度位置阶跃指令l_st ^*的初始值为β，β＝0.01度，使变桨系统在正方向运行0.01度，在变桨系统运行过程中观察电机转矩电流分量l_q，当变桨系统速度趋于零时，如果电机转矩电流分量l_q<预设的电机转矩电流分量l_qts，则认为在此过程中传动齿没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

3)当传动齿在反方向重新啮合以后再给定变桨系统比初始值β大一个位置精度的正向角度位置阶跃指令l_st ^*，即使其在正方向运行0.02度，在变桨系统运行速度趋于零时刻观察电机转矩电流分量l_q，如果电机转矩电流分量l_q<l_qts，则认为传动齿之间仍然没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

当动静齿在反方向重新啮合以后再给定变桨系统0.02度的正向位置阶跃指令，在变桨系统运行速度趋于零时刻观察电机转矩电流分量l_q，如果电机转矩电流分量l_q<l_qts，则认为动静齿之间仍然没有啮合，将变桨系统反向运行使传动机构的动静齿在反方向重新啮合；

4)重复步骤3)，给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*每次增加一个位置精度，即每次增加0.01度，直至变桨系统正向位置阶跃响应过程中其速度趋于零时刻电机转矩电流分量l_q>l_qts，此时变桨系统阶跃响应稳定时的位置即为齿隙长度l_g，齿隙长度辨识算法框图如图3所示。

加-减速位置分界点计算模块2具体执行以下操作：

设定变桨系统在传动齿啮合前先以加速度a运行，当位置到达加-减速位置分界点后再以设定的减速度a减速运行，设定传动齿啮合瞬间变桨系统的速度为u_g，u_g为满足机组振动要求的齿啮合速度；

如图2所示，绘制出加速-减速啮合方案变桨系统的传动齿啮合前的速度曲线，并得出如下关系式：

u₁＝at₁ 公式(1)

u_g＝u₁-a(t_g2-t₁) 公式(2)

式中，t₁为加速段运行时间，t_g2为啮合时间，l_g为变桨系统传动齿的齿隙长度；

根据公式(1)～公式(3)得出转折速度u₁、加速段齿隙长度l_c以及啮合时间t_g2：

加速段齿隙长度l_c的终点即为位置分界点。

变桨系统采用永磁同步电机作为驱动机构，其控制方式采用矢量控制(FOC)，包含外环位置环、中间速度环以及内环电流环三个控制环路，在位置-速度控制模块3中，永磁同步电机的速度指令采用加速-减速啮合方案设计，加速-减速啮合方案控制算法流程图如图4所示，即使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后变桨系统进入减速段并以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合，具体操作如下：

使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度a加速运行，当其实际位置l到达位置分界点之前采用常规的比例调节控制，此时变桨系统的位置环通过位置指令l^*与实际位置l之间的偏差经过比例调节后生成速度指令u^*，即l<l_c时，速度指令u^*＝k_p(l^*-l)，其中，l_c为加速段齿隙长度，其终点即为位置分界点，k_p为位置环比例系数；

当变桨系统实际位置l到达加速段齿隙长度l_c之后且未到达齿隙长度l_g之前，速度指令u^*以减速度a逐渐递减，变桨系统以减速度a减速运行，即l_c<l<l_g时，速度指令u^*＝u^* _last-aT_sample，其中，u^* _last为上一采样时刻速度指令，T_sample为变桨系统采样时间；

当变桨系统实际位置l到达齿隙长度l_g之后传动齿完成啮合，即l>l_g时，变桨系统速度指令u^*恢复比例调节运行，即l>l_g时，u^*＝k_p(l^*-l)。

永磁同步电机的控制算法如图5所示，位置环通过位置指令l^*与实际位置l生成速度指令u^*，其控制算法流程图如图4所示，速度环对位置环生成的速度指令u^*与实际速度u做差值，其偏差通过PI调节后生成变桨系统电流环电机转矩分量指令l_q ^*，将电机转矩分量指令l_q ^*与实际电机转矩电流分量l_q做差值，其偏差通过PI调节后生成q轴电压指令分量u_q ^*，同时电机励磁电流指令l_d ^*与实际电流励磁分量l_d做差值，其偏差经过PI调节后生成d轴电压指令分量u_d ^*，d-q轴电压指令分量u_d ^*、u_q ^*经过两相旋转-三相静止坐标变换后生成三相静止坐标系下电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，经过脉冲宽度调节后生成六路PWM波驱动逆变器IGBT输出，从而使得电机实际电流l_a、l_b、l_c跟随电流指令变化，进而实现电机速度与位置控制。

将上述方法及系统与现有技术加速-恒速啮合方案做对比：

如图1所示，根据加速-恒速啮合方案的速度曲线可以得出以下关系：

u_g＝at_c 公式(7)

式中，t_g1为采用加速-恒速啮合方案的啮合时间，t_c为采用加速-恒速啮合方案的加速段运行时间。

将公式(9)的加速-恒速啮合方案啮合时间t_g1与公式(6)的加速-减速啮合方案啮合时间t_g2之间的做差:

式中，由图可知u₁>u_g，所以u₁-u_g>0，同时，当变桨系统在整个齿隙内以加速度a持续加速时，在啮合时刻t_g2的速度必然大于啮合速度u_g，因此，at_g2>u_g，即at_g2-u_g>0，由此可得加速-减速啮合方案啮合时间t_g2小于加速-恒速啮合方案啮合时间t_g1，即上述方法及系统相比于现有技术，在保持相同啮合速度的情况下具有更短的啮合时间，动态性能有效提高。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法，其特征在于：所述变桨系统在设定角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度，将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点，使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合。

2.根据权利要求1所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法，其特征在于：所述变桨系统在设定角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度的具体过程包括如下步骤：

1)选定变桨系统收浆方向为正方向，将变桨系统朝开桨方向运行设定角度后停机，确保传动齿在反方向上充分啮合；

2)给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*，设定正向角度位置阶跃指令l_st ^*的初始值为β，使变桨系统在正方向运行β，在变桨系统运行过程中观察电机转矩电流分量l_q，当变桨系统速度趋于零时，如果电机转矩电流分量l_q<预设的电机转矩电流分量l_qts，则认为在此过程中传动齿没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

3)当传动齿在反方向重新啮合以后再给定变桨系统比初始值β大一个位置精度的正向角度位置阶跃指令l_st ^*，在变桨系统运行速度趋于零时刻观察电机转矩电流分量l_q，如果电机转矩电流分量l_q<l_qts，则认为传动齿之间仍然没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

4)重复步骤3)，给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*每次增加一个位置精度，直至变桨系统正向位置阶跃响应过程中其速度趋于零时刻电机转矩电流分量l_q>l_qts，此时变桨系统阶跃响应稳定时的位置即为齿隙长度l_g。

3.根据权利要求1所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法，其特征在于：所述的将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点的具体过程如下：

设定变桨系统在传动齿啮合前先以加速度a运行，当位置到达加-减速位置分界点后再以设定的减速度a减速运行，设定传动齿啮合瞬间变桨系统的速度为u_g，u_g为满足机组振动要求的齿啮合速度；

根据变桨系统的传动齿啮合前的速度曲线得出如下关系式：

u₁＝at₁ 公式(1)

u_g＝u₁-a(t_g2-t₁) 公式(2)

式中，t₁为加速段运行时间，t_g2为啮合时间，l_g为变桨系统传动齿的齿隙长度；

根据公式(1)～公式(3)得出转折速度u₁：

根据转折速度u₁计算出加速段齿隙长度l_c：

加速段齿隙长度l_c的终点即为位置分界点。

4.根据权利要求1所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法，其特征在于：所述的使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合的具体过程如下：

使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度a加速运行，当其实际位置l到达位置分界点之前采用常规的比例调节控制，此时变桨系统的位置环通过位置指令l^*与实际位置l之间的偏差经过比例调节后生成速度指令u^*，即l<l_c时，速度指令u^*＝k_p(l^*-l)，其中，l_c为加速段齿隙长度，其终点即为位置分界点，k_p为位置环比例系数；

当变桨系统实际位置l到达加速段齿隙长度l_c之后且未到达齿隙长度l_g之前，速度指令u^*以减速度a逐渐递减，变桨系统以减速度a减速运行，即l_c<l<l_g时，速度指令u^*＝u^* _last-aT_sample，其中，u^* _last为上一采样时刻速度指令，T_sample为变桨系统采样时间；

当变桨系统实际位置l到达齿隙长度l_g之后传动齿完成啮合，即l>l_g时，变桨系统速度指令u^*恢复比例调节运行，即l>l_g时，u^*＝k_p(l^*-l)。

5.根据权利要求4所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的方法，其特征在于：所述变桨系统的速度环对位置环生成的速度指令u^*与实际速度u做差值，其偏差通过PI调节后生成变桨系统电流环电机转矩分量指令l_q ^*，将电机转矩分量指令l_q ^*与实际电机转矩电流分量l_q做差值，其偏差通过PI调节后生成q轴电压指令分量u_q ^*，同时电机励磁电流指令l_d ^*与实际电流励磁分量l_d做差值，其偏差经过PI调节后生成d轴电压指令分量u_d ^*，d-q轴电压指令分量u_d ^*、u_q ^*经过两相旋转-三相静止坐标变换后生成三相静止坐标系下电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，经过脉冲宽度调节后生成六路PWM波驱动逆变器IGBT输出，从而使得电机实际电流l_a、l_b、l_c跟随电流指令变化，进而实现电机速度与位置控制。

6.根据权利要求1所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的系统，其特征在于，包括：

齿隙长度计算模块，用于变桨系统在设定角度位置阶跃过程中，根据其速度趋于零时电机转矩电流分量的大小来确定其传动机构的传动齿的齿隙长度；

加-减速位置分界点计算模块，用于将整个齿隙长度区间划分为加速段与减速段，根据变桨系统运行的位置与速度的关系得出加速段与减速段的位置分界点；

位置-速度控制模块，用于使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度加速运行，当其位置到达分界点后再以设定的减速度减速运行，当其位置到达齿隙长度终点时使其以满足机组振动要求的齿啮合速度完成啮合。

7.根据权利要求6所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的系统，其特征在于：所述齿隙长度计算模块具体执行以下操作：

1)选定变桨系统收浆方向为正方向，将变桨系统朝开桨方向运行设定角度后停机，确保传动齿在反方向上充分啮合；

2)给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*，设定正向角度位置阶跃指令l_st ^*的初始值为β，使变桨系统在正方向运行β，在变桨系统运行过程中观察电机转矩电流分量l_q，当变桨系统速度趋于零时，如果电机转矩电流分量l_q<预设的电机转矩电流分量l_qts，则认为在此过程中传动齿没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

3)当传动齿在反方向重新啮合以后再给定变桨系统比初始值β大一个位置精度的正向角度位置阶跃指令l_st ^*，在变桨系统运行速度趋于零时刻观察电机转矩电流分量l_q，如果电机转矩电流分量l_q<l_qts，则认为传动齿之间仍然没有啮合，将变桨系统反向运行使传动齿在反方向重新啮合；

4)重复步骤3)，给定变桨系统正向角度位置阶跃指令l_st ^*每次增加一个位置精度，直至变桨系统正向位置阶跃响应过程中其速度趋于零时刻电机转矩电流分量l_q>l_qts，此时变桨系统阶跃响应稳定时的位置即为齿隙长度l_g。

8.根据权利要求6所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的系统，其特征在于：所述加-减速位置分界点计算模块具体执行以下操作：

设定变桨系统在传动齿啮合前先以加速度a运行，当位置到达加-减速位置分界点后再以设定的减速度a减速运行，设定传动齿啮合瞬间变桨系统的速度为u_g，u_g为满足机组振动要求的齿啮合速度；

根据变桨系统的传动齿啮合前的速度曲线得出如下关系式：

u₁＝at₁ 公式(1)

u_g＝u₁-a(t_g2-t₁) 公式(2)

式中，t₁为加速段运行时间，t_g2为啮合时间，l_g为变桨系统传动齿的齿隙长度；

根据公式(1)～公式(3)得出转折速度u₁：

根据转折速度u₁计算出加速段齿隙长度l_c：

加速段齿隙长度l_c的终点即为位置分界点。

9.根据权利要求6所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的系统，其特征在于：所述位置-速度控制模块具体执行以下操作：

使变桨系统在传动齿啮合前先以设定的加速度a加速运行，当其实际位置l到达位置分界点之前采用常规的比例调节控制，此时变桨系统的位置环通过位置指令l^*与实际位置l之间的偏差经过比例调节后生成速度指令u^*，即l<l_c时，速度指令u^*＝k_p(l^*-l)，其中，l_c为加速段齿隙长度，其终点即为位置分界点，k_p为位置环比例系数；

当变桨系统实际位置l到达加速段齿隙长度l_c之后且未到达齿隙长度l_g之前，速度指令u^*以减速度a逐渐递减，变桨系统以减速度a减速运行，即l_c<l<l_g时，速度指令u^*＝u^* _last-aT_sample，其中，u^* _last为上一采样时刻速度指令，T_sample为变桨系统采样时间；

当变桨系统实际位置l到达齿隙长度l_g之后传动齿完成啮合，即l>l_g时，变桨系统速度指令u^*恢复比例调节运行，即l>l_g时，u^*＝k_p(l^*-l)。

10.根据权利要求9所述的一种减小风电机组变桨系统换向齿间隙振动的系统，其特征在于：所述变桨系统的速度环对位置环生成的速度指令u^*与实际速度u做差值，其偏差通过PI调节后生成变桨系统电流环电机转矩分量指令l_q ^*，将电机转矩分量指令l_q ^*与实际电机转矩电流分量l_q做差值，其偏差通过PI调节后生成q轴电压指令分量u_q ^*，同时电机励磁电流指令l_d ^*与实际电流励磁分量l_d做差值，其偏差经过PI调节后生成d轴电压指令分量u_d ^*，d-q轴电压指令分量u_d ^*、u_q ^*经过两相旋转-三相静止坐标变换后生成三相静止坐标系下电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，经过脉冲宽度调节后生成六路PWM波驱动逆变器IGBT输出，从而使得电机实际电流l_a、l_b、l_c跟随电流指令变化，进而实现电机速度与位置控制。

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