風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距電液比例控制技術(shù)的設(shè)計(jì)

-.z.--.--總結(jié)摘要風(fēng)能是一種清潔的永續(xù)能源,風(fēng)力發(fā)電逐漸成為許多國(guó)家可持續(xù)開(kāi)展戰(zhàn)略的重要組成局部"隨著風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的日益廣泛,風(fēng)力機(jī)組技術(shù)也進(jìn)展大量革新,從失速控制開(kāi)展到變槳距控制,從定速運(yùn)行開(kāi)展到變速恒頻,從齒輪箱傳動(dòng)開(kāi)展到無(wú)齒直驅(qū)和混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)"變槳距控制作為大型風(fēng)力機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一,本文對(duì)電液比例液壓變槳距控制系統(tǒng)進(jìn)展了理論推導(dǎo)!仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證"本文在風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)分析的根底上,提出風(fēng)力機(jī)變槳距控制策略;改變傳統(tǒng)的曲柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)一變槳距方式,設(shè)計(jì)了搖塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)的獨(dú)立液壓變槳距機(jī)構(gòu),通過(guò)理論分析計(jì)算得出風(fēng)力機(jī)在極端運(yùn)行條件下變槳距所需推力,設(shè)計(jì)了變槳距液壓系統(tǒng)。關(guān)鍵字：風(fēng)力發(fā)電；變槳距；電液比例控制,系統(tǒng)建模Windenergyisacleanandsustainableenergyandhasbecameanimportantpartofthestrategyofsustainabledevelopmentinmanycountries.Withthewideusingofwindpower,windturbinetechnologyupdatesalot,suchasfromstallcontroltovariablepitchcontrol,fromfi*edspeedtovariablespeedandconstantfrequency,fromtransmissiontechnologyofthegearbo*togearlessdrivingandhybriddrivingtechnology.Sincethevariable^-pitchcontrolwasoneofthekeytechniquesinbig-sizewindturbine,thisthesisappliestheoreticalanalysis,simulationanalysisande*perimentalvalidationtothestudyoftheelectro-hydraulicproportionalhydraulicvariable-pitchcontrolsystem.Basedontheaerodynamicanalysisofwindturbine,thevariable-pitchcontrolstrategyofthewindturbinewasderived.Italsochangesthetraditionalvariable-pitchapproachdrivenbythecrankshaftswingingbarmechanism,anddesignsthelivehydraulicvariable-pitchmechanismdrivenbytheswingblockmechanism.Thethesisfiguresouttheneededthrustpitchofthewindturbineundere*tremeoperationalconditionsthroughthetheoreticalanalysis,anddesignsvariable-pitchhydraulicsystem.KEYWORDS:windpower,pitch-regulated,electro-hydraulicproportional,systemmodeling目錄HYPERLINK1緒論3HYPERLINK1.1風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀\h3HYPERLINK1.2風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)的研究背景和意義3HYPERLINK風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)的研究背景3HYPERLINK1.2.2風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)選題的意義h3HYPERLINK1.3本課題的主要研究工作3HYPERLINK2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電液變槳距系統(tǒng)控制原理3HYPERLINK2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成3HYPERLINK2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制原理3HYPERLINK3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距的研究3HYPERLINK3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)3HYPERLINK\l"_Toc389575351"3.1.1風(fēng)力機(jī)定槳距控制技術(shù)3HYPERLINK3.1.2風(fēng)力機(jī)變槳距控制技術(shù)3HYPERLINK3.2變槳矩風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)3HYPERLINK啟動(dòng)狀態(tài)3HYPERLINK欠功率狀態(tài)3HYPERLINK額定功率狀態(tài)3HYPERLINK3.3變槳矩控制系統(tǒng)3HYPERLINK變槳距控制3HYPERLINK3.3.2速度控制A3HYPERLINK速度控制B3HYPERLINK3.4變槳矩系統(tǒng)分類(lèi)3HYPERLINK4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3HYPERLINK4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距的電液比例控制技術(shù)3HYPERLINK4.2變槳距電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3HYPERLINK4.3變槳距液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)3HYPERLINK4.4變槳距機(jī)械單元的設(shè)計(jì)方案3HYPERLINK4.5變槳距液控單元的設(shè)計(jì)方案3HYPERLINK變槳距控制3HYPERLINK5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)建模3HYPERLINK5.1變槳距電液比例控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型PAGEREF_Toc389575415\h3HYPERLINK比例控制放大器的數(shù)學(xué)模型3HYPERLINK5.1.2電液比例方向閥閥芯運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型3HYPERLINK對(duì)稱(chēng)閥控非對(duì)稱(chēng)液壓缸環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型418\h3HYPERLINK5.2位移傳感器的傳遞函數(shù)3HYPERLINK5.3系統(tǒng)穩(wěn)定性分析3HYPERLINK總結(jié)3HYPERLINK參考文獻(xiàn)3HYPERLINK致謝錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。-.z.第1章緒論1.1風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電開(kāi)展到20世紀(jì)80年代，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)還比擬少，技術(shù)也不夠成熟，開(kāi)展到90年代中期，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的開(kāi)展，設(shè)計(jì)、制造技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品進(jìn)入商品化階段，功率等級(jí)從幾十千瓦到幾百千瓦，逐漸開(kāi)展為兆瓦級(jí)。同時(shí)，也對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的開(kāi)展起到了促進(jìn)作用，而且風(fēng)電場(chǎng)的建立和管理水平以及規(guī)模也上升到嶄新的階段。國(guó)外最早的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用定槳矩系統(tǒng)[1]。國(guó)內(nèi)如新疆金風(fēng)科技早期主要研發(fā)和制造定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)。對(duì)于定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)高，而當(dāng)風(fēng)速接近額定點(diǎn)，風(fēng)能利用系數(shù)開(kāi)場(chǎng)大幅度下降，這時(shí)隨著風(fēng)速的升高，功率上升己趨緩，而過(guò)了額定點(diǎn)后，槳葉已開(kāi)場(chǎng)失速，風(fēng)速升高，功率反而有所下降。所以定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能利用效率不高。目前世界上風(fēng)力發(fā)電機(jī)上大多采用變槳矩控制系統(tǒng)。其特點(diǎn)是:變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)葉片攻角在一定范圍繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片攻角在一定范圍內(nèi)(一般為00一900)變化，以調(diào)節(jié)輸出功率不超過(guò)設(shè)計(jì)的容許值[2]。變槳系統(tǒng)按照原理有分為電動(dòng)變槳和液壓變槳兩種，主要是動(dòng)力不一樣，電動(dòng)變槳用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓變槳用液壓缸驅(qū)動(dòng)。世界上的風(fēng)力發(fā)的廠家和開(kāi)展情況如下:世界風(fēng)電廠家Vestas，Aeciona，Enercon，Gamesa，Dewind，GE，三菱重工等。Vestas所占份額最大，超過(guò)百分之三十，他連同Gamesa都主要采用液壓變槳系統(tǒng)[5]。其余的廠家多采用電動(dòng)變槳系統(tǒng)。我國(guó)早在上個(gè)世紀(jì)七八十年代開(kāi)場(chǎng)研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但直到90年代，風(fēng)力發(fā)電才真正從科研走向市場(chǎng)。初期研制成功的主要是額定功率為600KW以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，近年來(lái)開(kāi)場(chǎng)研制兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并且已經(jīng)取得成功，其制造技術(shù)已根本掌握。雖然我國(guó)近幾年風(fēng)電開(kāi)展快，但是相比國(guó)外，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上的研究比擬落后。主要是工藝技術(shù)落后，零部件以及大容量的風(fēng)力發(fā)電裝置大多數(shù)依靠進(jìn)口，因此，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)有很長(zhǎng)的路要走。1.2風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)的研究背景和意義風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)的研究背景在21世紀(jì)的今天，能源、環(huán)境已成為人類(lèi)生存和開(kāi)展所要解決的緊迫問(wèn)題，常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主。它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。因此，對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用受到世界各國(guó)的高度重視。日前風(fēng)能是具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用前景的可再生能源之一。從全球范圍來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)從試驗(yàn)研究階段迅速開(kāi)展為一項(xiàng)成熟技術(shù)?，F(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要包括進(jìn)一步提高可靠性、提高效率和降低本錢(qián)。中國(guó)擁有著遼闊的地域、狹長(zhǎng)的海岸、風(fēng)能資源極其豐富。根據(jù)不完全數(shù)字統(tǒng)計(jì)，在全國(guó)陸地上風(fēng)能的技術(shù)可開(kāi)發(fā)量共計(jì)約2.53億千瓦〔根據(jù)地面以上10m高度的風(fēng)力資料計(jì)算得出〕，在海上可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源約7.5億千瓦，風(fēng)能資源的總量高達(dá)10億千瓦，所以我國(guó)開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能的潛力非常大[3]。截止到2008年12月底，全球的風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)了2.2億千瓦；國(guó)內(nèi)已有25個(gè)省、市、自治區(qū)已具有風(fēng)電裝機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總的裝機(jī)容量到達(dá)6500萬(wàn)千瓦。"全球風(fēng)能展望2010"報(bào)告稱(chēng)，2010年，在每3臺(tái)安裝完成的風(fēng)電機(jī)組中，就有1臺(tái)安裝在中國(guó)。到2020年，中國(guó)的風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量有可能到達(dá)現(xiàn)在的10倍，屆時(shí)風(fēng)力發(fā)電可解決全球約12%的電力需求量，到2030年可到達(dá)22%。隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷成熟和開(kāi)展，變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性越來(lái)越突顯；于是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性有了大大的提高；再加上擁有高的風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線；進(jìn)而由于葉輪的重量有所減輕，因此風(fēng)力機(jī)的受力狀況有了極大的改善，這就使風(fēng)力機(jī)在不同的風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)，始終保持著最正確的轉(zhuǎn)換效率，從而獲得最大的輸出功率，提高風(fēng)能利用率。當(dāng)前，單機(jī)容量越來(lái)越大，兆瓦級(jí)別的機(jī)組占據(jù)了主要位置，變槳矩技術(shù)已經(jīng)成為了風(fēng)電的開(kāi)展趨勢(shì)。1.2.2風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)研究的意義變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多的優(yōu)越性，變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會(huì)成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)展的主流[4]。而變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心之一就是變槳矩系統(tǒng)，其中的變槳矩控制器是非常重要的，合理控制槳葉角度，在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)與變速恒頻技術(shù)結(jié)合以最大限度的獲取能量，在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)能夠得到穩(wěn)定的功率輸出?？刂破髟O(shè)計(jì)的是否合理直接關(guān)系到變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否能夠正常、可靠、平安的運(yùn)行。我國(guó)幅員遼闊，蘊(yùn)藏著豐富的風(fēng)力資源。為了開(kāi)發(fā)利用我國(guó)的風(fēng)力資源，應(yīng)盡快研制生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電設(shè)備，以減少對(duì)進(jìn)口設(shè)備的依賴(lài)，降低風(fēng)電的制造本錢(qián)對(duì)我國(guó)的新能源產(chǎn)業(yè)開(kāi)展具有極其重要的意義。本課題對(duì)變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳矩控制系統(tǒng)進(jìn)展研究，希望對(duì)我國(guó)變槳矩控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化提供有益參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3本課題的主要研究工作隨著常規(guī)能源的消耗越來(lái)越大，越來(lái)越多的國(guó)家都在加快風(fēng)力發(fā)電的步伐，尤其是中國(guó)這樣的大國(guó)，能源消耗特別大，所以要積極開(kāi)發(fā)新能源、綠色能源。由于我國(guó)風(fēng)力發(fā)電起步慢，技術(shù)相對(duì)落后，在加快開(kāi)展規(guī)模的同時(shí)，要引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，學(xué)習(xí)歐洲國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)。隨著我國(guó)對(duì)風(fēng)電的越來(lái)越重視，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將會(huì)快步前進(jìn)。從開(kāi)展趨勢(shì)來(lái)看，風(fēng)力機(jī)將會(huì)向單機(jī)容量大、變槳矩、變速恒頻和智能控制等方向開(kāi)展。本文的主要研究工作有以下幾點(diǎn)：1〕查閱大量相關(guān)風(fēng)力發(fā)電的國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，了解風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的開(kāi)展趨勢(shì)和最新動(dòng)態(tài)。2)依據(jù)風(fēng)力機(jī)槳葉空氣動(dòng)力學(xué)原理，分析了風(fēng)力機(jī)的受力情況，從理論上推出變槳距控制規(guī)律；同時(shí)根據(jù)變槳距控制規(guī)律，設(shè)計(jì)了采用電液比例控制技術(shù)的變槳距整體控制方案。3)以流體動(dòng)力學(xué)為根底，通過(guò)合理的假設(shè)，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。4〕對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)展思考和總結(jié)。第2章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電液變槳距系統(tǒng)控制原理2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總體構(gòu)造示意圖如圖2-1所示圖2-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總體示意圖本論文主要研究的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距的控制系統(tǒng)。2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制原理從能量轉(zhuǎn)換的角度看,風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)子將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再通過(guò)轉(zhuǎn)軸、增速箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。其中風(fēng)力機(jī)的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于流經(jīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)子后的風(fēng)速不可能為變?yōu)榱?所以通過(guò)風(fēng)輪掃掠面積內(nèi)的全部風(fēng)能不可能被風(fēng)輪轉(zhuǎn)子全部捕獲,存在一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù):〔2-1〕其中:P—單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪吸收的機(jī)械能;—空氣密度,單位:mg/m3;A—風(fēng)輪葉片掃掠面積,單位:m2；v—風(fēng)速(指未擾動(dòng)氣流的流速),單位:m/s；CP—最大值為0.593,此即為有名的貝茲極限[5]。變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)CP與葉尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關(guān)系。葉尖速比λ即為槳葉尖部的線速度與風(fēng)速之比:〔2-2〕式中:ω—風(fēng)輪在風(fēng)速為v時(shí)的旋轉(zhuǎn)角速度,單位:rad/s;R—風(fēng)輪半徑,單位:m;n—轉(zhuǎn)速,單位:r/s;v—風(fēng)速,單位:m/s據(jù)有關(guān)資料記載和研究[2-3],風(fēng)能利用系數(shù)CP可近似表示:〔2-3〕對(duì)于不同槳矩角，風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比入的變化曲線如圖2-2所示[6]，可以得出以下結(jié)論：(1)對(duì)于任意的槳距角θ，風(fēng)能利用系數(shù)特性曲線存在最大值Cpma*。(2)對(duì)于任意的葉尖速比λ，風(fēng)能利用系數(shù)Cp在槳葉槳距角θ=0o時(shí)相對(duì)最大；隨著槳葉槳距角θ不斷增大，風(fēng)能利用系數(shù)Cp迅速減小。根據(jù)以上兩點(diǎn)的歸納，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可采取如下控制策略：(1)在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率未到達(dá)額定功率，應(yīng)盡可能多地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為輸出的電能，此時(shí)，讓槳距角θ等于0o。(2)當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，應(yīng)增大槳葉槳距角θ，減小風(fēng)能利用系數(shù)Cp，到達(dá)降低發(fā)電機(jī)輸出功率的目的。(3)當(dāng)發(fā)電機(jī)功率下降到小于額定功率時(shí)，應(yīng)再減小槳葉槳距角θ，以保證風(fēng)力機(jī)輸出功率維持在額定值。圖2-2變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線第3章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距的研究3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和設(shè)計(jì)從技術(shù)上講，涉及到包括空氣動(dòng)力學(xué)、高分子材料、機(jī)電控制原理、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造學(xué)、振動(dòng)理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來(lái)，這些學(xué)科的迅速開(kāi)展為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和設(shè)計(jì)提供了良好的理論根底，因此現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開(kāi)展越來(lái)越快，單機(jī)容量也越來(lái)越大。提高風(fēng)能利用效率、改善風(fēng)電質(zhì)量、降低風(fēng)電本錢(qián)是開(kāi)展風(fēng)電技術(shù)的前提條件，許多學(xué)者利用現(xiàn)代控制技術(shù)在改善風(fēng)電系統(tǒng)性能、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行和改良風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等方面進(jìn)展了大量的研究。隨著計(jì)算機(jī)與先進(jìn)控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用，風(fēng)力機(jī)控制方式也從根本單一的定槳距失速控制向變槳距控制方向開(kāi)展，甚至向智能型控制開(kāi)展。3.1.1風(fēng)力機(jī)定槳距控制技術(shù)定槳距失速控制是傳統(tǒng)的控制方式，采用該控制方式的風(fēng)力機(jī)葉片直接固定在輪轂上，片的安裝角在安裝時(shí)確定好，在運(yùn)行期間不能變化。失速型葉片氣動(dòng)外型的設(shè)計(jì)能夠使高速下通過(guò)上翼面的氣流出現(xiàn)別離，也就是所謂的失速現(xiàn)象。失速會(huì)導(dǎo)致葉片的升力下降而阻力上升，同時(shí)隨風(fēng)速增大氣動(dòng)效率下降，限制了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大輸出功率。但是受失速特性的影響，通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率在到達(dá)額定風(fēng)速后有所下降。另外，定槳距失速控制的風(fēng)力機(jī)最大升力對(duì)由溫度和海拔高度的變化所引起的空氣密度的變化比擬敏感。定槳距失速控制的失速是由于葉片的空氣動(dòng)力特性而被動(dòng)產(chǎn)生的。當(dāng)風(fēng)速變化引起輸出功率變化時(shí)，通過(guò)槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，從而使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。其缺點(diǎn)是葉片重量大(與變槳距風(fēng)力機(jī)葉片比擬)，輪轂、塔架等部件受力較大，機(jī)組的整體效率較低。3.1.2風(fēng)力機(jī)變槳距控制技術(shù)變槳距控制是根據(jù)風(fēng)速的變化來(lái)調(diào)整葉片的槳距角，從而控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，變槳距控制風(fēng)力機(jī)的葉片通過(guò)軸承固定在輪轂上，可以繞葉片的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)整葉片的槳距角。在高風(fēng)速情況下，槳距角隨著風(fēng)速的增加不斷向正的安裝角度方向調(diào)整，減小氣流攻角以保持較小的升力來(lái)限制功率。由于槳距角可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此在高風(fēng)速情況下可使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率，這意味著變槳距風(fēng)電機(jī)組對(duì)由溫度和海拔高度的變化所引的空氣密度的變化并不敏感。當(dāng)輸出功率小于額定功率狀態(tài)時(shí)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用Optitip技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最正確葉尖速比以?xún)?yōu)化輸出功率。且在剎車(chē)時(shí)，葉尖剎車(chē)裝置制動(dòng)葉輪的同時(shí)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，剎車(chē)，從而減少了機(jī)械剎車(chē)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，減輕了剎車(chē)構(gòu)造的負(fù)荷。綜上所述，與定槳距控制技術(shù)相比，變槳距控制的優(yōu)點(diǎn)是槳葉較為輕巧，槳距角可以隨風(fēng)速的大小而自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能更多的吸收風(fēng)能，同時(shí)在高風(fēng)速段保持平穩(wěn)的功率輸出，如圖3-1所示。從風(fēng)電技術(shù)開(kāi)展趨勢(shì)來(lái)看，小容量的風(fēng)力機(jī)尚可使用定槳距失速控制，大容量的風(fēng)力機(jī)大多采用變槳距控制技術(shù)。圖3—1定槳距、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線因此，本文選擇的研究對(duì)象是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)。3.2變槳矩風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)風(fēng)機(jī)所處的狀態(tài)以及變槳矩系統(tǒng)所起的作用，變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大致可以分為3種運(yùn)行狀態(tài)，即啟動(dòng)狀態(tài)、欠功率狀態(tài)和額定功率狀態(tài)[7]。啟動(dòng)狀態(tài)變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)在停機(jī)狀態(tài)的時(shí)候，葉片的槳矩角為90o，此時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生切向力也沒(méi)有轉(zhuǎn)矩，整個(gè)槳葉實(shí)際上相當(dāng)于一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速到達(dá)啟動(dòng)風(fēng)速的時(shí)，變槳矩機(jī)構(gòu)控制槳葉向0o方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪由于槳葉受力開(kāi)場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)之前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)作為變槳矩系統(tǒng)的槳矩角的主要控制量。轉(zhuǎn)速控制器按照一定的速度上升斜率給出速度的參考值，變槳矩系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，進(jìn)而調(diào)整槳葉的槳矩角，進(jìn)展速度控制。為了確保并網(wǎng)平穩(wěn)及穩(wěn)定性，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生盡可能小的沖擊，變槳矩系統(tǒng)可以在一定時(shí)間內(nèi)，保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，以便尋找最正確并網(wǎng)時(shí)機(jī)。為了使控制過(guò)程簡(jiǎn)單化，早期的變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速到達(dá)發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速前采用不控制槳葉的槳矩角的方式。在這種情況下，槳葉的槳矩角一直保持在同步轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的角度。直到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速后，變槳系統(tǒng)才開(kāi)場(chǎng)投入工作。轉(zhuǎn)速控制的給定值是恒定的，即同步轉(zhuǎn)速。然后，轉(zhuǎn)速反應(yīng)信號(hào)與給定值進(jìn)展比擬，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速的時(shí)，槳葉的槳矩角就向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度；反之，槳葉向迎風(fēng)而增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。當(dāng)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持一段時(shí)間后，發(fā)電機(jī)才并入電網(wǎng)。欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)的輸出功率在額定功率以下運(yùn)行方式。與轉(zhuǎn)速控制方式同理，在早期的變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)于欠功率狀態(tài)是不進(jìn)展控制的。這時(shí)變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一樣，它的功率完全取決于槳葉的氣動(dòng)特性?，F(xiàn)在多采用的雙饋異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在該狀態(tài)能夠通過(guò)風(fēng)速采集的低頻分量為參數(shù)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使其運(yùn)行在最正確葉尖速比，進(jìn)而到達(dá)對(duì)風(fēng)能的最大利用率。額定功率狀態(tài)在風(fēng)速到達(dá)或超過(guò)額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率運(yùn)行狀態(tài)。這時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式從轉(zhuǎn)速控制切換到功率控制，變槳矩系統(tǒng)開(kāi)場(chǎng)根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)展控制?？刂菩盘?hào)的給定值是恒定的，即額定功率。功率反應(yīng)信號(hào)與給定值進(jìn)展比擬，當(dāng)功率超過(guò)額定功率的時(shí)，槳葉就向著迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向著迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。3.3變槳矩控制系統(tǒng)新型變槳距控制系統(tǒng)框圖如圖3-2所示圖3-2控制系統(tǒng)分布圖在發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反應(yīng)信號(hào)與給定信號(hào)直接控制；發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，速度控制器B與功率控制器起作用。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出。如圖3-2所示，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并人電網(wǎng)后由速度控制器B給出。變槳距控制圖3-3變槳距控制系統(tǒng)變距控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，其控制過(guò)程如圖3-3所示。槳距控制器是一個(gè)非線性比例控制器，它可以補(bǔ)償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)控制比例閥〔或電液伺服閥〕，驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞，推動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品磻?yīng)信號(hào)由位移傳感器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸人比擬器。3.3.2速度控制A(發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)〕轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)A在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或從待機(jī)狀態(tài)重新起動(dòng)時(shí)投入工作，如圖3-4在這些過(guò)程中通過(guò)對(duì)節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升?？刂破饕灿糜谠谕睫D(zhuǎn)速〔50Hz時(shí)1500r/min)時(shí)的控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速±10r/min持續(xù)1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。圖3-4速度控制A控制器包含著常規(guī)的PD和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過(guò)非線化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補(bǔ)償由于轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的非線性，因?yàn)楫?dāng)功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩對(duì)節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)人運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到45°,風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)人同步轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)腛增加到5OOr/min時(shí)，節(jié)距角給定值從45°線性地減小到5°。這一過(guò)程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動(dòng)力矩，而且在風(fēng)速快速地增大時(shí)能夠快速起動(dòng)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)主軸上的感應(yīng)傳感器測(cè)量，每個(gè)周期信號(hào)被送到微處理器作進(jìn)一步處理，以產(chǎn)生新的控制信號(hào)。速度控制B(發(fā)電機(jī)并網(wǎng)〕發(fā)電機(jī)切入電網(wǎng)以后，速度控制系統(tǒng)B作用。如圖3-5所示，速度控制系統(tǒng)B受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制。在到達(dá)額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1560r/min,相應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率是4%。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)正到最正確狀態(tài)，以?xún)?yōu)化葉尖速比。如果風(fēng)速高于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)改變節(jié)距來(lái)跟蹤相應(yīng)的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可以看到圖3-5速度控制系統(tǒng)B在風(fēng)速信號(hào)輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對(duì)瞬變風(fēng)速并不響應(yīng)。與速度控制器A的構(gòu)造相比，速度控制器B增加了速度非線性化環(huán)節(jié)。這一特性增加了小轉(zhuǎn)差率時(shí)的增益，以便控制節(jié)距角加速趨于0°。3.4變槳矩系統(tǒng)分類(lèi)〔1〕變槳矩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致分為電液伺服系統(tǒng)和電動(dòng)伺服系統(tǒng)兩類(lèi)[8]。a)液壓變槳矩b)電動(dòng)變槳矩圖3-6變槳矩系統(tǒng)的輪轂照片1〕液壓伺服變槳矩系統(tǒng)。液壓伺服變槳矩系統(tǒng)具有傳動(dòng)力矩大、重量輕、剛度大等優(yōu)點(diǎn)。目前丹麥Vestas公司的V80-2.0MW風(fēng)機(jī)等都采用液壓變槳矩機(jī)構(gòu)。然而，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫(kù)倫摩擦，還有一些軟參量，如體積彈性模量、油的粘度、系統(tǒng)阻尼比等，有非線性特征，甚至?xí)霈F(xiàn)漏油、卡塞等現(xiàn)象。液壓伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理如圖3-7所示。槳葉通過(guò)機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接，槳矩角的變化同液壓缸位移成正比。當(dāng)液壓缸活塞桿向左移動(dòng)到最大位置時(shí)，槳矩角為90°;而活塞桿向右移動(dòng)最大位置時(shí)，槳矩角為0°。液壓缸的位移由液壓比例閥進(jìn)展精準(zhǔn)的控制。在負(fù)載變化不大的情況下，電液比例閥的輸入電壓與液壓缸的速度成正比，為進(jìn)展準(zhǔn)確的液壓缸位置控制，則必須引入液壓缸位置檢測(cè)和反應(yīng)控制。圖3-7液壓伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理框圖2〕電動(dòng)變槳矩系統(tǒng)。電動(dòng)伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)可對(duì)每個(gè)槳葉采用獨(dú)立的調(diào)節(jié)方式，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)主動(dòng)齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相嚙合，進(jìn)而直接對(duì)槳矩角進(jìn)展控制。如圖3-8所示。圖3-8電動(dòng)變槳矩構(gòu)造圖圖3-8中只畫(huà)出了一個(gè)槳葉的電動(dòng)變槳矩的構(gòu)造，其它兩個(gè)槳葉則與此完全一樣。而每個(gè)槳葉采用一個(gè)帶位置反應(yīng)的伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)展單獨(dú)調(diào)節(jié)，安裝在伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸上，采集電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。伺服電機(jī)通過(guò)主動(dòng)齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連，帶動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉的槳矩角的直接控制。在輪轂內(nèi)齒圈的邊上又安了一個(gè)非接觸式位移傳感器，對(duì)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)展直接檢側(cè)，即槳葉槳矩角變化，當(dāng)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，則非接觸式位移傳感器輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。位置傳感器采集槳矩角的變化與電動(dòng)機(jī)形成閉環(huán)PID負(fù)反應(yīng)控制。變槳矩控制是根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)自帶的位置編碼器所測(cè)的位移值進(jìn)展控制的，電動(dòng)伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理框圖如圖3-9。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電時(shí)，槳葉控制電動(dòng)機(jī)由UPS系統(tǒng)供電，使槳葉調(diào)節(jié)到順槳位置。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠，充分利用了有限的空間，實(shí)現(xiàn)了分散布置，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單一槳葉進(jìn)展控制，但對(duì)于大功率風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性相對(duì)較差。圖3-9電動(dòng)伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理框圖制動(dòng)裝置的突出特點(diǎn)是空氣動(dòng)力學(xué)制動(dòng)剎車(chē)單獨(dú)由變槳矩控制，槳葉充分發(fā)揮剎車(chē)的作用。即使其中一個(gè)槳葉剎車(chē)制動(dòng)失敗，其它兩個(gè)葉片也可以平安完成剎車(chē)的過(guò)程，提高了整個(gè)系統(tǒng)的平安性和可靠性。制動(dòng)系統(tǒng)還裝備了備用電源，用于故障或維修時(shí)可以快速準(zhǔn)確地控制槳葉。它為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出和剎車(chē)制動(dòng)提供了足夠的能力。這樣可以防止過(guò)載對(duì)風(fēng)機(jī)的破壞。第四章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距的電液比例控制技術(shù)電液電比例控制技術(shù)是在開(kāi)關(guān)控制技術(shù)和伺服控制技術(shù)間的過(guò)渡技術(shù)，它具有控制原理簡(jiǎn)單、控制精度高、抗污染能力強(qiáng)、價(jià)格適中，受到人們的普遍重視，使該技術(shù)得到飛速開(kāi)展。比例閥是在普通液壓閥根底上，用比例電磁鐵取代閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及普通電磁鐵構(gòu)成的。采用比例放大器控制比例電磁鐵就可實(shí)現(xiàn)比照例閥進(jìn)展遠(yuǎn)距離連續(xù)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力、流量、方向的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。電液比例控制技術(shù)根本工作原理是：根據(jù)輸入電信號(hào)電壓值的大小，通過(guò)放大器，將該輸入電壓信號(hào)〔一般在-9~+9V之間〕轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)，如lmV電壓對(duì)應(yīng)1mA電流。這個(gè)電流信號(hào)作為輸入量被送入比例電磁鐵，從而產(chǎn)生和輸入信號(hào)成比例的輸出量——力或位移。該力或位移又作為輸入量加給比例閥，后者產(chǎn)生一個(gè)與前者成比例的流量或壓力。通過(guò)這樣的轉(zhuǎn)換，一個(gè)輸入電壓信號(hào)的變化，不但能控制執(zhí)行元件和機(jī)械設(shè)備上工作部件的運(yùn)動(dòng)方向，而且可對(duì)其作用力和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)展無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。此外，還能對(duì)相應(yīng)的時(shí)間過(guò)程，例如在一段時(shí)間內(nèi)流量的變化，加速度的變化或減速度的變化等進(jìn)展連續(xù)調(diào)節(jié)。組成電液比例系統(tǒng)的根本元件有：1、指令元件；2、比擬元件；3、電控器；4、比例閥；5、液壓執(zhí)行元件；6、檢測(cè)反應(yīng)元件。圖4-1位置反應(yīng)示意圖4.2變槳距電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用電液比例控制方案，即通過(guò)控制電液比例方向閥來(lái)控制槳距角的大小。系統(tǒng)中采用電液比例方向閥用于連接系統(tǒng)的電氣與液壓局部，將輸入的小功率電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y芯的運(yùn)動(dòng)，從而控制液壓能源流向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量與壓力，實(shí)現(xiàn)電、液壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大，以及對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。雖然電液伺服閥是響應(yīng)性能良好的控制閥，但其制造本錢(qián)和維護(hù)費(fèi)用高，對(duì)液壓油要求苛刻。電液比例閥除了中位有死區(qū)外其穩(wěn)態(tài)特性已與伺服閥不相上下，而制造本錢(qián)和維護(hù)費(fèi)用要低的多，因此使用非常廣泛。比例閥是在普通閥的根底上，用電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器取代了原有的控制局部。這樣就容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和程序控制，同時(shí)又能夠?qū)㈦姷目焖?、靈活等特點(diǎn)與液壓傳動(dòng)功率大等特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了元件的使用量。液壓驅(qū)動(dòng)變距是利用液壓缸作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)推動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)。由于液壓系統(tǒng)輸出力大，變距機(jī)構(gòu)可以做的很緊湊。液壓驅(qū)動(dòng)變距有兩種構(gòu)造形式，一種是通過(guò)安裝在輪轂內(nèi)的三個(gè)液壓缸，三套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)三片槳葉。這種方案變距力很大，液壓系統(tǒng)復(fù)雜，而且三個(gè)液壓缸的控制也較難，存在電氣布線困難增加風(fēng)輪重量、輪轂制造難度大和維護(hù)不方便等問(wèn)題。另一種構(gòu)造是液壓站和液壓缸放在機(jī)艙內(nèi)，通過(guò)一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)同步推動(dòng)三片槳葉旋轉(zhuǎn)。這種構(gòu)造不存在電氣布線困難的問(wèn)題，而且降低了風(fēng)輪重量和輪轂制造難度，維護(hù)也很容易，但這種構(gòu)造要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，剛度較高。我們這里采用一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)同步推動(dòng)三片槳葉的構(gòu)造。圖4-2為變槳距控制系統(tǒng)控方案圖。主控制器是電控系統(tǒng)的核心，它通過(guò)各類(lèi)傳感器對(duì)電網(wǎng)、氣象及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)展監(jiān)控，并與其它控制器保持通訊，根據(jù)各方面的情況作出綜合分析后，發(fā)出各種控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)/停機(jī)、手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換、發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)擾動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)第二章變槳距電液比例控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)偏航控制、機(jī)艙扭纜和自動(dòng)解繞控制、自動(dòng)變槳距控制、變速控制、風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)除濕、加熱、冷卻控制、液壓系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行控制、逆功率自動(dòng)停機(jī)和運(yùn)行故障監(jiān)控等。在變槳距控制系統(tǒng)中，主控制器作為上位機(jī)，變槳距控制器作為下位機(jī)。主控制器根據(jù)風(fēng)速，發(fā)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速等一系列信號(hào)，做出綜合分析后，計(jì)算出需要的目標(biāo)槳距，把命令值發(fā)送到變槳距控制器。變槳距控制器得到目標(biāo)槳距控制指令后，與位置傳感器的反應(yīng)信號(hào)進(jìn)展比擬運(yùn)算，輸出控制電壓給電液比例方向閥，來(lái)控制油缸的位移，進(jìn)而控制槳距角的大小，完成變槳距控制過(guò)程。圖4-2為變槳距控制系統(tǒng)控方案圖4.3變槳距液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)上一節(jié)變槳距構(gòu)造原理，本文采用的電液比例位置控制系統(tǒng)的液壓原理圖如圖4-3所示。當(dāng)風(fēng)力機(jī)開(kāi)場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)，電磁閥1和電磁閥2通電，比例閥壓力油口與蓄能器相通。同時(shí)，電磁閥3通電使先導(dǎo)止回閥翻開(kāi)。風(fēng)輪的輸出功率調(diào)節(jié)是通過(guò)液壓缸活塞桿的移動(dòng)控制葉片承受的風(fēng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)比例閥通正向電流(比例閥直通位置)，壓力油通過(guò)電磁閥1進(jìn)入液壓缸左側(cè)，背壓腔油液則通過(guò)先導(dǎo)止回閥流回比例閥的回油腔，再經(jīng)單向閥流回油箱。此時(shí)油缸活塞向右移動(dòng)，相對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪葉片安裝角往減小的方向變化，葉片受到的氣動(dòng)力隨之增大，風(fēng)輪輸出功率增大。當(dāng)比例閥通負(fù)向電流(比例閥跨接位置)，壓力油通過(guò)先導(dǎo)止回閥進(jìn)入油缸右腔，而油缸左腔則由于單向閥與油缸隔離。因?yàn)橛透鬃笥仪坏挠蛪航葡嗟榷仪挥行娣e大于左腔面積，活塞所受合力方向向左，液壓缸活塞向左移動(dòng)，左腔壓力油通過(guò)單向閥壓回蓄能器。此時(shí)葉片往安裝角增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪輸出功率減小。圖4-3變槳距液壓控制系統(tǒng)原理圖4.4變槳距機(jī)械單元的設(shè)計(jì)方案風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪通常由三個(gè)葉片組成，在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)呈120°均布。為了能用一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)三個(gè)葉片的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，這里設(shè)計(jì)了同步盤(pán)。同步盤(pán)的前端有三個(gè)圓盤(pán)支腿，以120°均步在圓盤(pán)內(nèi)，這三個(gè)圓盤(pán)支腿分別通過(guò)連桿與三個(gè)槳葉相連接。同步盤(pán)的后端與液壓缸的活塞桿相連接。這樣，通過(guò)同步盤(pán)和連桿，活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為三個(gè)葉片的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-4變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖以風(fēng)力機(jī)的一片槳葉為例，構(gòu)造上的實(shí)現(xiàn)方法如圖4-4所示。曲柄一端固定在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，并可繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端與連桿鉸接，連桿的另一端與同步盤(pán)的一個(gè)圓盤(pán)支腿連接，圓盤(pán)支腿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)曲柄繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，而將圓盤(pán)支腿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的槳距角β的調(diào)節(jié)。可以看出，只要控制油缸的位移，就可以實(shí)現(xiàn)曲柄的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制槳葉的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目的。上述的變槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，如圖4-5所示圖4-5變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖4.5變槳距液控單元的設(shè)計(jì)方案依據(jù)前面所講變槳距構(gòu)造原理，本文采取原理圖如圖4-6所示的變槳距液壓系統(tǒng)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)由兩個(gè)壓力保持回路組成。一路由蓄能器通過(guò)電液比例閥供應(yīng)槳葉變距液壓缸，另一路由蓄能器供應(yīng)高速軸上的機(jī)械剎車(chē)機(jī)構(gòu)。1一油箱2—油位開(kāi)關(guān)3—空氣濾清器4一溫度傳感器5—油泵6-聯(lián)軸器7—電動(dòng)機(jī)8—主模塊9一壓力測(cè)試口10—濾油器11—單向閥12—壓力傳感器13—溢流閥14一壓力表15—壓力表接口16—蓄能器17—節(jié)流閥18—可調(diào)節(jié)流閥19一電磁閥20—比例閥21—電磁閥22—減壓閥23—壓力開(kāi)關(guān)24—先導(dǎo)止回閥24—先導(dǎo)止回閥圖4-6變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓系統(tǒng)液壓泵站的動(dòng)力源是齒輪泵5，為變槳距回路和制動(dòng)器回路所共有。液壓泵安裝在油箱油面以下并通過(guò)聯(lián)軸器6，由油箱上部的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。泵的流量變化根據(jù)負(fù)荷而定。液壓泵由壓力傳感器12的信號(hào)控制。當(dāng)泵停頓時(shí)，系統(tǒng)由蓄能器16保持壓力。系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定范圍為130?145bar(1bar=105Pa)，當(dāng)壓力降至130bar以下時(shí)，泵起動(dòng)；在145bar時(shí)，泵停頓。在運(yùn)行、暫停和停頓狀態(tài)，泵根據(jù)壓力傳感器的信號(hào)自開(kāi)工作，在緊急停機(jī)狀態(tài)，泵被迅速斷路而關(guān)閉。壓力油從泵通過(guò)高壓濾清器10和單向閥11-1傳送到蓄能器16。濾清器上裝有旁通閥和污染指示器，它在旁通閥翻開(kāi)前起作用。閥11-1在泵停頓時(shí)阻止回流。緊跟在濾清器外面，先后有二個(gè)壓力表連接器〔Ml和M2)，它們用于測(cè)量泵的壓力或?yàn)V清器兩端的壓力降。測(cè)量時(shí)將各測(cè)量點(diǎn)的連接器通過(guò)軟管與連接器M8上的壓力表14接通。溢流閥13-1是防止泵在系統(tǒng)壓力超過(guò)145bar時(shí)繼續(xù)泵油進(jìn)入系統(tǒng)的平安閥。在蓄能器16因外部加熱情況下，溢流閥13-1會(huì)限制氣壓及油壓升高。在檢驗(yàn)蓄能器預(yù)充壓力或系統(tǒng)維修時(shí)節(jié)流閥18-1用于釋放來(lái)自蓄能器16-1的壓力油。油箱上裝有油位開(kāi)關(guān)2，以防油溢出或泵在無(wú)油情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。油箱內(nèi)的油溫由裝在油池內(nèi)的PT100傳感器測(cè)得，出線盒裝在油箱上部。油溫過(guò)高會(huì)導(dǎo)致報(bào)警，以免在高溫下泵的磨損延長(zhǎng)密封的使用壽命。變槳距控制變槳距控制系統(tǒng)的節(jié)距控制是通過(guò)比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖4-7所示，控制器根據(jù)功率或轉(zhuǎn)速信號(hào)給出一個(gè)-10~+1OV的控制電壓，通過(guò)比例閥控制器轉(zhuǎn)換成一定范圍的電流信號(hào)，控制比例閥輸出流量的方向和大小。點(diǎn)畫(huà)線內(nèi)是帶控制放大器的比例閥，設(shè)有內(nèi)部LVDT反應(yīng)。變槳距液壓缸按比例閥輸出的方向和流量操縱槳葉節(jié)距角在-5°~88°之間運(yùn)動(dòng)。為了提高整個(gè)變槳距系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在變距液壓缸上也設(shè)有LVDT位置傳感器，如圖4-6所示。如液壓系統(tǒng)圖在比例閥至油箱的回路上裝有1bar單向閥11—4。該單向閥確保比例閥T口上總是保持1bar壓力，防止比例閥阻尼室內(nèi)的阻尼"消失〞導(dǎo)至該閥不穩(wěn)定而產(chǎn)生振動(dòng)。比例閥上的紅色LED(發(fā)光二極管〕指示LVDT故障，LVDT輸出信號(hào)是比例閥上滑閥位置的測(cè)量值，控制電壓和LVDT信號(hào)相互間的關(guān)系，如圖4-8所示。變槳距速率由控制器計(jì)算給出，以O(shè)°為參考中心點(diǎn)?？刂齐妷汉妥儤嗨俾实年P(guān)系如圖4-7所示。圖4-7節(jié)距控制示意圖圖4-8變槳距速率、位置反應(yīng)信號(hào)與控制電壓的關(guān)系1.液壓系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)/暫停時(shí)的工作情況如液壓系統(tǒng)中電磁閥19-1和19-2(緊急順槳閥〕通電，使比例閥上的P口得到來(lái)自泵和蓄能器16-1壓力。節(jié)距液壓缸的左端〔前端)與比例閥的A口相連。電磁閥21-1通電，從而使先導(dǎo)管路〔虛線〕增加壓力。先導(dǎo)止回閥24裝在變槳距液壓缸后端靠先導(dǎo)壓力翻開(kāi)以允許活塞雙向自由流動(dòng)。把比例閥20通電到"直接〞〔P—A,B—T)時(shí)，壓力油即通過(guò)單向閥11-2和電磁閥19-2傳送P—A至缸筒的前端。活塞向右移動(dòng)，相應(yīng)的槳葉節(jié)距向-5°方向調(diào)節(jié)，油從液壓缸右端〔后端〕通過(guò)先導(dǎo)止回閥24和比例閥〔B口至T口〕回流到油箱。把比例閥通電到"跨接〞〔P—B，A—T)時(shí)，壓力油通過(guò)止回閥傳送進(jìn)人液壓缸后端，活塞向左移動(dòng)，相應(yīng)的槳葉節(jié)距向+88。方向調(diào)節(jié)，油從液壓缸左端〔前端〕通過(guò)電磁閥19-2和單向閥11-3回流到壓力管路。由于右端活塞面積大于左端活塞面積，使活塞右端壓力髙于左端的壓力從而能使活塞向前移動(dòng)。液壓油走向如圖4-9所示圖4-9啟動(dòng)狀態(tài)2.液壓系統(tǒng)在停機(jī)/緊急停機(jī)時(shí)的工作情況停機(jī)指令發(fā)出后，電磁閥19-1和19-2斷電，油從蓄能器16-1通過(guò)閥19-1和節(jié)流閥17-1及閥24傳送到液壓缸后端缸筒的前端通過(guò)電磁閥19-2和節(jié)流閥17-2排放到油箱，槳葉變距到+88°機(jī)械端點(diǎn)而不受來(lái)自比例閥的影響。電磁閥21-1斷電時(shí)，先導(dǎo)管路壓力油排放到油箱，先導(dǎo)止回閥24不再保持在雙向翻開(kāi)位置，但仍然保持止回閥的作用，只允許壓力油流進(jìn)缸筒。從而使來(lái)自風(fēng)的變距力不能從液壓缸左端方向移動(dòng)活塞，防止向-5°的方向調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距。在停機(jī)狀態(tài)，液壓泵繼續(xù)自動(dòng)停/起運(yùn)轉(zhuǎn)。順槳由局部來(lái)自蓄能器16-1，局部直接來(lái)自泵5的壓力油來(lái)完成。在緊急停機(jī)位時(shí)，泵很快斷開(kāi)，順槳只由來(lái)自蓄能器16-1的壓力油來(lái)完成。為了防止在緊急停機(jī)時(shí)，蓄能器內(nèi)油量不夠變距液壓缸一個(gè)行程，緊急順槳將由來(lái)自風(fēng)的自變距力完成。液壓缸右端將由兩局部液壓油來(lái)填補(bǔ)：一局部來(lái)液壓缸左端通過(guò)電磁閥19-2，節(jié)流閥17-2、單向閥11-5和24的重復(fù)循環(huán)油；另一局部油來(lái)自油箱通過(guò)吸油管路及單向閥11-5和24。緊急順槳的速度由二個(gè)節(jié)流閥17-1和17-2控制并限制到約9°/s。液壓油走向如圖4-10所示圖4-10停機(jī)狀態(tài)的油路4.6變槳距電控單元的設(shè)計(jì)方案變槳距控制器是變槳距電液比例控制系統(tǒng)中的核心局部，它根據(jù)主控制器發(fā)出的給定槳距控制信號(hào)和油缸位置反應(yīng)信號(hào)，進(jìn)展運(yùn)算和判斷，然后發(fā)出控制信號(hào)來(lái)控制液壓油的流量和方向。這一閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制方案簡(jiǎn)圖如4-11所示。圖4-11變槳距控制器原理圖比例控制放大器是該電控單元的重要組成局部。比例放大器將變槳距控制器輸出的電壓信號(hào)〔這里0~5V之間〕，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)作為輸入量送入比例電磁鐵，從而產(chǎn)生與輸入信號(hào)成比例的輸出物理量〔力、流量、位移〕。如圖4-12所示，它主要包括斜坡發(fā)生器、PID調(diào)節(jié)器、矩形波發(fā)生器、功率放大器、反應(yīng)檢測(cè)電路和過(guò)流保護(hù)電路等。4-12比例控制放大器組成原理圖第五章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)建模5.1變槳距電液比例控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)變槳距電液比例控制系統(tǒng)，如圖4-8所示，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電液比例位置控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)通過(guò)控制比例方向閥輸出壓力，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞桿位移的控制。顯然，系統(tǒng)的性能取決于比例閥、液壓缸等元部件的特性。因此，為了分析系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性，我們需建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以此為據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展相關(guān)算法的研究。比例控制放大器的數(shù)學(xué)模型比例控制放大器的作用是向比例方向閥提供所需的直流電流，按輸入電壓的大小成比例地輸出電流，并且根據(jù)比例閥的控制需要對(duì)控制電信號(hào)進(jìn)展處理、運(yùn)算和功率放大。該放大器可視為比例環(huán)節(jié)[9]，其傳遞函數(shù)為：〔5-1〕式中：KA—比例控制放大器增益，單位:A/V；I—為比例電磁鐵輸入電流;單位:AU—為輸入電壓，單位:V5.1.2電液比例方向閥閥芯運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型比例電磁鐵是電液比例換向閥的電－機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換器，電磁鐵線圈起主導(dǎo)作用，為二階振蕩環(huán)節(jié)，所以可以視為一個(gè)二階環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為:〔5-2〕式中：KV—比例閥電流位移增益，單位:m/mA；ωh—比例閥銜鐵組件彈簧質(zhì)量系統(tǒng)固有頻率，單位:rad/s；ξh—比例閥銜鐵組件無(wú)因次阻尼比。對(duì)稱(chēng)閥控非對(duì)稱(chēng)液壓缸環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型本文研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)四通閥控制非對(duì)稱(chēng)液壓缸組成的非對(duì)稱(chēng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其構(gòu)造示意圖如圖5-1所示，它具有慣性力、粘性阻力、彈簧力和任意外負(fù)載力四種負(fù)載。圖5-1對(duì)稱(chēng)四通閥控制的非對(duì)稱(chēng)液壓缸圖5中：P1、P2分別為液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力，A1、A2分別為活塞左右兩腔的有效面積，Q1、Q2分別為液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔的流量，PS、P0分別為油源壓力和回油壓力，*為比例閥閥芯位移，y為活塞桿位移。液壓比例系統(tǒng)中，一般從閥的負(fù)載流量特性、液壓缸流量方程和液壓缸的力方程三方面來(lái)建立數(shù)學(xué)模型[10]。假設(shè)所分析的閥為理想零開(kāi)口閥，故不考慮閥口間的泄漏，所以在正向運(yùn)動(dòng)時(shí)〔在活塞桿推出時(shí)〕Q4=0。綜合前面的分析，對(duì)非對(duì)稱(chēng)缸系統(tǒng)的負(fù)載壓力與負(fù)載流量的定義應(yīng)為：〔5-3〕〔5-4〕〔5-5〕式中:QL為負(fù)載流量;單位:m3/s；pL為負(fù)載壓差;單位:Pa；為液壓缸有桿腔面積和無(wú)桿腔面積之比。比例電磁閥的流量方程假定閥是零開(kāi)口四邊對(duì)稱(chēng)滑閥，供油壓力ps恒定，回油壓力p0為零。比例方向閥的負(fù)載流量方程為：〔5-6〕式中:Cd—控制閥口的流量系數(shù)；—節(jié)流口面積梯度，單位:m；—液壓油密度，單位:kg/m3使用泰勒公式將比例閥閥芯位移與流量的關(guān)系式在零點(diǎn)〔工作點(diǎn)〕展開(kāi)，可得到比例閥的線性化流量方程為：〔5-7〕在初始條件為零的情況下對(duì)上式進(jìn)展拉普拉斯變換得：〔5-8〕〔5-9〕〔5-10〕式中：Kq—流量增益，單位:；Kc—流量壓力系數(shù)，單位:；rc—比例閥閥芯的徑向間隙，單位:mm；u—流體動(dòng)力粘度，單位:Pa。〔2〕液壓缸的流量線性方程根據(jù)流量的連續(xù)性條件，可得不對(duì)稱(chēng)缸的工作腔V1的流量方程為：〔5-11〕在初始條件為零的情況下對(duì)上式進(jìn)展拉普拉斯變換得：〔5-12〕〔5-13〕〔5-14〕式中：Cic—液壓缸內(nèi)泄漏系數(shù)，單位:；Cec—液壓缸外泄漏系數(shù)，單位:；V1—液壓缸無(wú)桿腔容積，單位:m3；V2—液壓缸有桿腔容積，單位:m3；e—系統(tǒng)的有效體積彈性模量，單位:Pa；Ctc—油缸的總泄漏系數(shù)，單位:；Ctb—系統(tǒng)泄漏系數(shù)，單位:?！?〕液壓缸受力平衡方程忽略庫(kù)侖摩擦等非線性負(fù)載和油液的質(zhì)量，考慮最一般的情況，活塞受力包括慣性力、粘性阻力、彈簧力和任意外負(fù)載力，根據(jù)牛頓第二定律建立活塞受力的平衡方程為：〔5-15〕在初始條件為零的情況下對(duì)上式進(jìn)展拉普拉斯變換得：〔5-16〕式中：M1—活塞以及與活塞相聯(lián)的負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量，單位:kg；BP—活塞和負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)，單位；N/mKS—負(fù)載彈性剛度，單位；N/mFL—作用在活塞上的任意外干擾力，單位N。根據(jù)〔5-8〕、〔5-12〕、〔5-16〕式得到閥控非對(duì)稱(chēng)缸在正向運(yùn)動(dòng)〔時(shí)的控制方框圖如圖5-2所示。圖5-2閥控缸系統(tǒng)方框圖根據(jù)上圖，在不考慮系統(tǒng)壓力Ps的影響下，可推導(dǎo)出閥控非對(duì)稱(chēng)缸的數(shù)學(xué)模型〔5-17〕式中：kce——液壓缸的總流量壓力系數(shù)，定義為：通常情況下，電液比例控制系統(tǒng)的負(fù)載是以慣性負(fù)載為主，而沒(méi)有彈性負(fù)載或彈性負(fù)載很小可以忽略[10]。另外，電液比例控制系統(tǒng)中多不加阻尼液壓缸，故粘性阻尼系數(shù)/r