CN210769141U - 一种伞形风力机用电气伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种伞形风力机用电气伺服控制系统，主要涉及风力发电技术领域。包括监测单元，用于对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测，获得输出数值；负反馈测量单元，接授输出数值，通过信号处理获得第一反馈信号；采集驱动单元的驱动信号，通过信号处理获得第二反馈信号；控制单元，接授第一反馈信号和第二反馈信号，解算为控制信号；驱动单元，接授控制信号，并转换为驱动信号；动力单元，接授驱动信号，输出与驱动信号相对应的机械能；执行单元，将机械能执行为对风轮叶角的改变。本实用新型的有益效果在于：基于经典控制算法的控制方法，满足了一种具有伞形调节机构的风电机组的功率监测要求，达到了主动功率控制的目的。

Description

一种伞形风力机用电气伺服控制系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体是一种伞形风力机用电气伺服控制系统。

背景技术

目前风力发电机组按照控制方式可分为主动控制和被动控制。

(1)主动控制：变桨距系统就是属于主动功率控制系统，风力发电机组具备完整的功率输出检测系统，可以实时监测输出功率并与额定功率比较，改变叶片桨距角，从而达到稳定输出功率的目的。但中小型风力发电机机舱体积小，不便于安装统一变桨距系统，所以变桨距系统不适合中小型风力发电机。可变偏心距式风力机也属于主动功率控制风电机组，它是通过伺服系统主动调节机组偏心距，从而改变风轮扫掠面积，以达到控制输出功率的目的。

(2)被动控制：被动控制主要指通过回复式机械结构或者利用叶片的气动特性从而控制输出功率的控制方式。主要有风轮上仰式功率控制，风轮侧偏式功率控制以及被动失速控制。

从风电机组控制器设计层面上来看，可将控制算法总体分为两类：经典控制算法和现代控制算法。

(1)经典控制算法：PID控制器原理简单且多种工业PLC控制器(如西门子S7-300)集成PID功能模块，实现方便，在控制领域得到广泛采用。风电机组中多采用PI或PID控制器，实现了风速、转速、电功率反馈控制，适用于工作环境慢变、不确定性及抗干扰性较弱的风电系统控制。

(2)现代控制算法：风电机组的现代控制方法包括最优控制、鲁棒控制、滑模变结构控制、非线性自适应控制及智能控制等。

利用鲁棒控制算法解决风电系统建模不确定性及风扰动问题，获得良好的鲁棒性和稳定性。考虑负载状况，基于LMI方法设计了多变量线性时变控制器，实现全风速区域的变桨控制。将几何方法与滑模方法相结合，设计了风电系统的多输入多输出抗扰控制器，同时实现转矩控制和最大化风能利用的控制目标。

非线性智能控制算法是现代控制算法中受到广泛关注的一类。该类算法直接针对风电的复杂快变非线性动力学，利用变结构、自寻优、动态补偿等功能克服系统参数不确定性及非线性时变的问题。

中小型风力发电机组通常采用定桨距结构，机组的功率控制目标主要是实现低风速下能够发出最大功率和高风速区能够限速保护，而功率控制方式主要集中在被动控制，即通过回复式机械结构或者利用叶片的气动特性控制输出功率以及在高风速区保护机组正常运行。

但目前现存的功率控制方式主要有响应慢，动作不精确等缺点，特别是在大风、阵风的时候，即使被动控制机构动作，也不能保证输出功率的稳定和机组的运行安全，阵风频发的地区还大大增加机械结构的疲劳损耗，更不利于机组的安全运行。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种伞形风力机用电气伺服控制系统，它基于经典控制算法的控制方法，满足了一种具有伞形调节机构的风电机组的功率监测要求，达到了主动功率控制的目的。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种伞形风力机用电气伺服控制系统，包括：

监测单元，用于对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测，获得输出数值；

负反馈测量单元，接授输出数值，通过信号处理获得第一反馈信号；采集驱动单元的驱动信号，通过信号处理获得第二反馈信号；

控制单元，接授第一反馈信号和第二反馈信号，解算为控制信号；

驱动单元，接授控制信号，并转换为驱动信号；

动力单元，接授驱动信号，输出与驱动信号相对应的机械能；

执行单元，将机械能执行为对风轮叶角的改变。

进一步的，所述输出数值包括伞形风力机的发电机的输出电流值和/或电压值。

进一步的，所述解算包括：

将第一反馈信号与设定的发电机工作的电压阈值进行比较，当电压值超出电压阈值时，获得能够使伞形调节机构从0°位置向60°位置调节的驱动信号；

当电压值不大于电压阈值时，获得保持不变的驱动信号；

当第一反馈信号对应的电压值为0时，获得使风轮收缩角至安全位置的驱动信号。

进一步的，设置伞形风力机工作的额定工况范围是4.8V—5.2V，当所述监测单元获得的伞形风力机的工况电压不在额定工况范围内时，所述监测单元间隔3秒重复对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测，当所述监测单元获得的伞形风力机的工况电压连续两次不在额定工况范围内时，传送输出数值至负反馈测量单元。

进一步的，所述控制单元发出控制信号1秒后，再次自负反馈测量单元获取第一反馈信号。

进一步的，所述监测单元使用电流互感器和电压互感器对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测；

所述控制单元使用PLC可编辑逻辑控制器对控制算法进行解算，

所述驱动单元为电机驱动器，与PLC可编辑逻辑控制器的输出端连接，

所述动力单元为伺服电机，与电机控制器的输出端连接，通过电机驱动器控制进行正反转动作；

所述执行单元通过机械传动，将伺服电机的正反转动作，执行为对风轮叶角的改变，使叶轮迎风面积减小从而减小功率输出。

对比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过对中小型水平轴风力发电机组的功率控制方法的研究，进一步提出了适用于叶片作伞形收放动作的风力发电机组的功率控制方法。通过对功率控制方案的研究使该新型伞形风力发电机组能够满足如下需求：

(1)满足中小型风力发电机组安全运行要求，实时监测输出功率。

(2)满足多变性天气，实时监测，动作精确。

(3)满足偏远地区风电机组安全运行标准要求，动作频响快，过载性能优良，具备限位保护。

(4)满足电网或用户对于功率调度需求，即风机发出的电功率随用电负荷变化而变。

(5)采用全闭环控制，反馈更及时，降低机械传动背隙，使系统更稳定，保证输出功率运行在额定功率附近。

附图说明

附图1是本实用新型的控制逻辑框图。

附图2是本实用新型的伺服控制系统原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

实施例1：一种伞形风力机用电气伺服控制系统，包括：

监测单元，用于对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测，获得输出数值，所述输出数值包括伞形风力机的发电机的输出电流值和/或电压值。具体是功率检测装置，使用电流互感器和电压互感器对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测。

当监测装置检测到功率信号超出或小于设定值时，3s后会再进行第二次检测，若3s后功率信号仍是超出或过小,监测装置通过负反馈测量单元向伺服系统发出信号使螺纹顶杆向前或后移动，叶片收缩角增大或减小。这样就防止了阵风对整个系统的影响，在保证风力机有效运行的同时，延长了风力机的安全使用寿命。

负反馈测量单元，一方面与功率检测装置连接，用于为电气伺服控制提供信号反馈。一方面与伺服控制器连接，用于为电气伺服控制提供信号反馈；

控制单元，对控制算法进行解算，输出控制信号到电机驱动单元，为伺服控制器即PLC可编辑逻辑控制器，与负反馈单元的输出端连接，通过负反馈单元获得来自发电机实时工况的电流值和电压值对应的信号反馈，实现了PID控制，能够对伞形风力机进行冗余控制。还，通过负反馈单元获得来自电机驱动器的信号反馈，实现半闭环控制，减少误差提高控制精确度。

当电压传感器向PLC控制器发出超过额定功率的电压信号时，伺服控制器驱动伺服电机动作，调整风轮的收缩角，待风轮位置稳定后(时间延迟，1秒)， PLC控制器重新检测传感器的电压信号，确定伞形调节机构是否需要继续动作。

驱动单元，具体是电机驱动器，其与PLC可编辑逻辑控制器的输出端连接，接授控制信号，并转换为驱动信号；用于驱动伺服电机进行正反转动作；

动力单元，具体是伺服电机，与电机驱动器连接，通过电机驱动器控制正反转动作；

执行单元，作用在风轮风叶上，所述执行单元通过机械传动，当伺服电机由控制器发出的信号实现正反转时，电动推杆通过导轨上的推拉盘对螺纹顶杆产生电动推力，从而带动撑杆，达到改变叶角的目的，使叶轮迎风面积减小从而减小功率输出。

上述系统的具体控制方法是：

伞形风力机运行过程中，风力机功率输出监测装置通过负反馈测量单元将采集到的电压值和电流值传输给PLC可编辑控制器，通过可编辑控制器的计算和处理后，向电机驱动器发出信号，由电机驱动器控制伺服电机旋转，从而推动伞形调节机构的螺纹顶杆动作。伺服控制系统采集伞形风力机运行全过程中各种状态的参数，通过可编辑控制器对采集到的信号进行计算、分析，调整电动推杆的运动状态，同时完成对伞形调节机构的调整。PLC还能检测控制系统，对故障做出准确的判断，提高伞形风力机控制系统的安全性。

具体设定电压传感器工作电压范围是0—5V，额定功率点的电压信号是 5V。设定一个额定工况范围4.8V—5.2V，在这个范围之内伞形调节机构不需动作，当电压信号超过5.2V时，伞形调节机构开始从0°位置向60°位置动作；

当负反馈测量单元检测不到电压信号时，风轮收缩角至安全位置；

当电机驱动模块和伺服电机断电再通电的时候，伞形调节机构由最终位置运动到初始位置，记忆初始位置，同时验证伞形调节机构能够正常工作。

本示例的伺服控制系统有如下特点：

(1)采用全闭环控制，响应快、可靠性高，有很强的环境适应性；

(2)在对调节机构动作过程中的受力情况进行分析的基础上，对电气驱动系统进行了简化设计，结合所提出的伺服控制算法，使电气驱动系统不仅满足性能要求，而且实现了轻量化与小型化，在采用伞形调节机构的小型风力发电机功率控制方面具有一定的实际推广意义；

(3)伞形机构的动作是通过采集风机的功率信号，并通过运算发出指令实现的，功率低于额定值时机构不动作。与其它功率控制方式相比，此控制方式可以提高风力发电机的工作效率。

Claims (6)

1.一种伞形风力机用电气伺服控制系统，其特征在于，包括：

监测单元，用于对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测，获得输出数值；

负反馈测量单元，接授输出数值，通过信号处理获得第一反馈信号；采集驱动单元的驱动信号，通过信号处理获得第二反馈信号；

控制单元，接授第一反馈信号和第二反馈信号，解算为控制信号；

驱动单元，接授控制信号，并转换为驱动信号；

动力单元，接授驱动信号，输出与驱动信号相对应的机械能；

执行单元，将机械能执行为对风轮叶角的改变。

2.根据权利要求1所述一种伞形风力机用电气伺服控制系统，其特征在于，所述输出数值包括伞形风力机的发电机的输出电流值和/或电压值。

3.根据权利要求1所述一种伞形风力机用电气伺服控制系统，其特征在于，所述解算包括：

将第一反馈信号与设定的发电机工作的电压阈值进行比较，当电压值超出电压阈值时，获得能够使伞形调节机构从0°位置向60°位置调节的驱动信号；

当电压值不大于电压阈值时，获得保持不变的驱动信号；

当第一反馈信号对应的电压值为0时，获得使风轮收缩角至安全位置的驱动信号。

4.根据权利要求1所述一种伞形风力机用电气伺服控制系统，其特征在于，设置伞形风力机工作的额定工况范围是4.8V—5.2V，当所述监测单元获得的伞形风力机的工况电压不在额定工况范围内时，所述监测单元间隔3秒重复对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测，当所述监测单元获得的伞形风力机的工况电压连续两次不在额定工况范围内时，传送输出数值至负反馈测量单元。

5.根据权利要求1所述一种伞形风力机用电气伺服控制系统，其特征在于，所述控制单元发出控制信号1秒后，再次自负反馈测量单元获取第一反馈信号。

6.根据权利要求1所述一种伞形风力机用电气伺服控制系统，其特征在于，所述监测单元使用电流互感器和电压互感器对伞形风力机在运行过程中的功率输出进行监测；

所述控制单元使用PLC可编辑逻辑控制器对控制算法进行解算，

所述驱动单元为电机驱动器，与PLC可编辑逻辑控制器的输出端连接，

所述动力单元为伺服电机，与电机控制器的输出端连接，通过电机驱动器控制进行正反转动作；

所述执行单元通过机械传动，将伺服电机的正反转动作，执行为对风轮叶角的改变，使叶轮迎风面积减小从而减小功率输出。

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