风力发电机组变桨距电液比例控制技术的设计

-.z.--.--总结摘要风能是一种清洁的永续能源,风力发电逐渐成为许多国家可持续开展战略的重要组成局部"随着风力发电应用的日益广泛,风力机组技术也进展大量革新,从失速控制开展到变桨距控制,从定速运行开展到变速恒频,从齿轮箱传动开展到无齿直驱和混合驱动技术"变桨距控制作为大型风力机组的关键技术之一,本文对电液比例液压变桨距控制系统进展了理论推导!仿真分析和实验验证"本文在风力机空气动力学分析的根底上,提出风力机变桨距控制策略;改变传统的曲柄机构驱动桨叶旋转的统一变桨距方式,设计了摇块机构驱动叶片旋转的独立液压变桨距机构,通过理论分析计算得出风力机在极端运行条件下变桨距所需推力,设计了变桨距液压系统。关键字：风力发电；变桨距；电液比例控制,系统建模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目录HYPERLINK1绪论3HYPERLINK1.1风力发电变桨控制系统国内外的研究现状\h3HYPERLINK1.2风力发电变桨控制系统的研究背景和意义3HYPERLINK风力发电变桨控制系统的研究背景3HYPERLINK1.2.2风力发电变桨控制系统选题的意义h3HYPERLINK1.3本课题的主要研究工作3HYPERLINK2风力发电机组的电液变桨距系统控制原理3HYPERLINK2.1风力发电机组的组成3HYPERLINK2.2风力发电机组的变桨距控制原理3HYPERLINK3风力发电机组变桨距的研究3HYPERLINK3.1风力发电机组的控制技术3HYPERLINK\l"_Toc389575351"3.1.1风力机定桨距控制技术3HYPERLINK3.1.2风力机变桨距控制技术3HYPERLINK3.2变桨矩风力机组的运行状态3HYPERLINK启动状态3HYPERLINK欠功率状态3HYPERLINK额定功率状态3HYPERLINK3.3变桨矩控制系统3HYPERLINK变桨距控制3HYPERLINK3.3.2速度控制A3HYPERLINK速度控制B3HYPERLINK3.4变桨矩系统分类3HYPERLINK4风力发电机组变桨距电液比例控制系统设计3HYPERLINK4.1风力发电机组变桨距的电液比例控制技术3HYPERLINK4.2变桨距电液比例控制系统的设计3HYPERLINK4.3变桨距液压系统设计3HYPERLINK4.4变桨距机械单元的设计方案3HYPERLINK4.5变桨距液控单元的设计方案3HYPERLINK变桨距控制3HYPERLINK5风力发电机组变桨距系统建模3HYPERLINK5.1变桨距电液比例控制系统的数学模型PAGEREF_Toc389575415\h3HYPERLINK比例控制放大器的数学模型3HYPERLINK5.1.2电液比例方向阀阀芯运动的数学模型3HYPERLINK对称阀控非对称液压缸环节的数学模型418\h3HYPERLINK5.2位移传感器的传递函数3HYPERLINK5.3系统稳定性分析3HYPERLINK总结3HYPERLINK参考文献3HYPERLINK致谢错误！未定义书签。-.z.第1章绪论1.1风力发电变桨控制系统国内外的研究现状风力发电开展到20世纪80年代，风力发电机装机还比拟少，技术也不够成熟，开展到90年代中期，世界风力发电技术取得了突飞猛进的开展，设计、制造技术日趋成熟，产品进入商品化阶段，功率等级从几十千瓦到几百千瓦，逐渐开展为兆瓦级。同时，也对风电并网技术的开展起到了促进作用，而且风电场的建立和管理水平以及规模也上升到崭新的阶段。国外最早的风力发电机主要采用定桨矩系统[1]。国内如新疆金风科技早期主要研发和制造定桨矩风力发电机。对于定桨矩风力发电机组，在低风速段的风能利用系数高，而当风速接近额定点，风能利用系数开场大幅度下降，这时随着风速的升高，功率上升己趋缓，而过了额定点后，桨叶已开场失速，风速升高，功率反而有所下降。所以定桨矩风力发电机组对风能利用效率不高。目前世界上风力发电机上大多采用变桨矩控制系统。其特点是:变桨矩风力发电机的整个叶片攻角在一定范围绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角在一定范围内(一般为00一900)变化，以调节输出功率不超过设计的容许值[2]。变桨系统按照原理有分为电动变桨和液压变桨两种，主要是动力不一样，电动变桨用伺服电机驱动，液压变桨用液压缸驱动。世界上的风力发的厂家和开展情况如下:世界风电厂家Vestas，Aeciona，Enercon，Gamesa，Dewind，GE，三菱重工等。Vestas所占份额最大，超过百分之三十，他连同Gamesa都主要采用液压变桨系统[5]。其余的厂家多采用电动变桨系统。我国早在上个世纪七八十年代开场研制风力发电机组，但直到90年代，风力发电才真正从科研走向市场。初期研制成功的主要是额定功率为600KW以下的风力发电机组，近年来开场研制兆瓦级风力发电机组，并且已经取得成功，其制造技术已根本掌握。虽然我国近几年风电开展快，但是相比国外，我国在风力发电技术上的研究比拟落后。主要是工艺技术落后，零部件以及大容量的风力发电装置大多数依靠进口，因此，我国风电行业有很长的路要走。1.2风力发电变桨控制系统的研究背景和意义风力发电变桨控制系统的研究背景在21世纪的今天，能源、环境已成为人类生存和开展所要解决的紧迫问题，常规能源以煤、石油、天然气为主。它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用受到世界各国的高度重视。日前风能是具有大规模开发利用前景的可再生能源之一。从全球范围来看，风力发电已经从试验研究阶段迅速开展为一项成熟技术。现代风电技术面临的挑战主要包括进一步提高可靠性、提高效率和降低本钱。中国拥有着辽阔的地域、狭长的海岸、风能资源极其丰富。根据不完全数字统计，在全国陆地上风能的技术可开发量共计约2.53亿千瓦〔根据地面以上10m高度的风力资料计算得出〕，在海上可开发利用的风能资源约7.5亿千瓦，风能资源的总量高达10亿千瓦，所以我国开发和利用风能的潜力非常大[3]。截止到2008年12月底，全球的风电机组总装机容量已经超过了2.2亿千瓦；国内已有25个省、市、自治区已具有风电装机，风力发电机组总的装机容量到达6500万千瓦。"全球风能展望2010"报告称，2010年，在每3台安装完成的风电机组中，就有1台安装在中国。到2020年，中国的风电机组总装机容量有可能到达现在的10倍，届时风力发电可解决全球约12%的电力需求量，到2030年可到达22%。随着风力发电产业技术的不断成熟和开展，变桨矩风力发电机的优越性越来越突显；于是风力机运行的可靠性有了大大的提高；再加上拥有高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线；进而由于叶轮的重量有所减轻，因此风力机的受力状况有了极大的改善，这就使风力机在不同的风速下运行时，始终保持着最正确的转换效率，从而获得最大的输出功率，提高风能利用率。当前，单机容量越来越大，兆瓦级别的机组占据了主要位置，变桨矩技术已经成为了风电的开展趋势。1.2.2风力发电变桨控制系统研究的意义变桨矩风力发电机组有很多的优越性，变桨矩风力发电机组将会成为大型风力发电机组开展的主流[4]。而变桨矩风力发电机组核心之一就是变桨矩系统，其中的变桨矩控制器是非常重要的，合理控制桨叶角度，在额定风速以下运行时与变速恒频技术结合以最大限度的获取能量，在额定风速以上运行时能够得到稳定的功率输出。控制器设计的是否合理直接关系到变桨矩风力发电机组是否能够正常、可靠、平安的运行。我国幅员辽阔，蕴藏着丰富的风力资源。为了开发利用我国的风力资源，应尽快研制生产具有自主知识产权的风电设备，以减少对进口设备的依赖，降低风电的制造本钱对我国的新能源产业开展具有极其重要的意义。本课题对变桨矩风力发电机组的变桨矩控制系统进展研究，希望对我国变桨矩控制系统的国产化提供有益参考，具有重要的现实意义。1.3本课题的主要研究工作随着常规能源的消耗越来越大，越来越多的国家都在加快风力发电的步伐，尤其是中国这样的大国，能源消耗特别大，所以要积极开发新能源、绿色能源。由于我国风力发电起步慢，技术相对落后，在加快开展规模的同时，要引进国外技术，学习欧洲国家的先进技术。随着我国对风电的越来越重视，我国的风电产业将会快步前进。从开展趋势来看，风力机将会向单机容量大、变桨矩、变速恒频和智能控制等方向开展。本文的主要研究工作有以下几点：1〕查阅大量相关风力发电的国内外相关资料，了解风力发电技术的开展趋势和最新动态。2)依据风力机桨叶空气动力学原理，分析了风力机的受力情况，从理论上推出变桨距控制规律；同时根据变桨距控制规律，设计了采用电液比例控制技术的变桨距整体控制方案。3)以流体动力学为根底，通过合理的假设，建立了系统的数学模型。4〕对本次设计进展思考和总结。第2章风力发电机组的电液变桨距系统控制原理2.1风力发电机组的组成风力发电机组的总体构造示意图如图2-1所示图2-1风力发电机组的总体示意图本论文主要研究的是风力发电机组的变桨距的控制系统。2.2风力发电机组的变桨距控制原理从能量转换的角度看,风力发电的原理是利用风轮转子将风能转化为机械能,再通过转轴、增速箱带动发电机旋转从而将机械能转化为电能。其中风力机的功能是将风能转换为机械能。由于流经风轮转子后的风速不可能为变为零,所以通过风轮扫掠面积内的全部风能不可能被风轮转子全部捕获,存在一个风能利用系数:〔2-1〕其中:P—单位时间内风轮吸收的机械能;—空气密度,单位:mg/m3;A—风轮叶片扫掠面积,单位:m2；v—风速(指未扰动气流的流速),单位:m/s；CP—最大值为0.593,此即为有名的贝兹极限[5]。变桨距风力机的风能利用系数CP与叶尖速比λ和桨叶的节距角β成非线性关系。叶尖速比λ即为桨叶尖部的线速度与风速之比:〔2-2〕式中:ω—风轮在风速为v时的旋转角速度,单位:rad/s;R—风轮半径,单位:m;n—转速,单位:r/s;v—风速,单位:m/s据有关资料记载和研究[2-3],风能利用系数CP可近似表示:〔2-3〕对于不同桨矩角，风能利用系数与叶尖速比入的变化曲线如图2-2所示[6]，可以得出以下结论：(1)对于任意的桨距角θ，风能利用系数特性曲线存在最大值Cpma*。(2)对于任意的叶尖速比λ，风能利用系数Cp在桨叶桨距角θ=0o时相对最大；随着桨叶桨距角θ不断增大，风能利用系数Cp迅速减小。根据以上两点的归纳，变桨距风力发电机组可采取如下控制策略：(1)在风速低于额定风速时，发电机输出功率未到达额定功率，应尽可能多地将风能转化为输出的电能，此时，让桨距角θ等于0o。(2)当风速超过额定风速时，应增大桨叶桨距角θ，减小风能利用系数Cp，到达降低发电机输出功率的目的。(3)当发电机功率下降到小于额定功率时，应再减小桨叶桨距角θ，以保证风力机输出功率维持在额定值。图2-2变桨距风力机特性曲线第3章风力发电机组变桨距的研究3.1风力发电机组的控制技术现代风力发电机组的研究和设计从技术上讲，涉及到包括空气动力学、高分子材料、机电控制原理、机械设计与制造学、振动理论等多个学科领域。近年来，这些学科的迅速开展为风力发电机组的研究和设计提供了良好的理论根底，因此现代风力发电技术开展越来越快，单机容量也越来越大。提高风能利用效率、改善风电质量、降低风电本钱是开展风电技术的前提条件，许多学者利用现代控制技术在改善风电系统性能、风力发电机组的优化运行和改良风力发电设备等方面进展了大量的研究。随着计算机与先进控制技术在风力发电领域中的应用，风力机控制方式也从根本单一的定桨距失速控制向变桨距控制方向开展，甚至向智能型控制开展。3.1.1风力机定桨距控制技术定桨距失速控制是传统的控制方式，采用该控制方式的风力机叶片直接固定在轮毂上，片的安装角在安装时确定好，在运行期间不能变化。失速型叶片气动外型的设计能够使高速下通过上翼面的气流出现别离，也就是所谓的失速现象。失速会导致叶片的升力下降而阻力上升，同时随风速增大气动效率下降，限制了风力发电机的最大输出功率。但是受失速特性的影响，通常风力发电机的输出功率在到达额定风速后有所下降。另外，定桨距失速控制的风力机最大升力对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化比拟敏感。定桨距失速控制的失速是由于叶片的空气动力特性而被动产生的。当风速变化引起输出功率变化时，通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，从而使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大(与变桨距风力机叶片比拟)，轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。3.1.2风力机变桨距控制技术变桨距控制是根据风速的变化来调整叶片的桨距角，从而控制发电机的输出功率，变桨距控制风力机的叶片通过轴承固定在轮毂上，可以绕叶片的轴线转动来调整叶片的桨距角。在高风速情况下，桨距角随着风速的增加不断向正的安装角度方向调整，减小气流攻角以保持较小的升力来限制功率。由于桨距角可以连续调节，因此在高风速情况下可使发电机的输出功率保持在额定功率，这意味着变桨距风电机组对由温度和海拔高度的变化所引的空气密度的变化并不敏感。当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用Optitip技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最正确叶尖速比以优化输出功率。且在刹车时，叶尖刹车装置制动叶轮的同时叶片转动，刹车，从而减少了机械刹车对传动系统的冲击，减轻了刹车构造的负荷。综上所述，与定桨距控制技术相比，变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧，桨距角可以随风速的大小而自动调节，因而能够尽可能更多的吸收风能，同时在高风速段保持平稳的功率输出，如图3-1所示。从风电技术开展趋势来看，小容量的风力机尚可使用定桨距失速控制，大容量的风力机大多采用变桨距控制技术。图3—1定桨距、变桨距风力发电机组功率曲线因此，本文选择的研究对象是风力发电机组变桨系统。3.2变桨矩风力机组的运行状态根据风机所处的状态以及变桨矩系统所起的作用，变桨矩风力发电机组大致可以分为3种运行状态，即启动状态、欠功率状态和额定功率状态[7]。启动状态变桨矩风力发电机在停机状态的时候，叶片的桨矩角为90o，此时气流对桨叶不产生切向力也没有转矩，整个桨叶实际上相当于一块阻尼板。当风速到达启动风速的时，变桨矩机构控制桨叶向0o方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮由于桨叶受力开场转动。在发电机并入电网之前，发电机转速信号作为变桨矩系统的桨矩角的主要控制量。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度的参考值，变桨矩系统根据给定的速度参考值，进而调整桨叶的桨矩角，进展速度控制。为了确保并网平稳及稳定性，对电网产生尽可能小的冲击，变桨矩系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，以便寻找最正确并网时机。为了使控制过程简单化，早期的变桨矩风力发电机在风轮转速到达发电机同步转速前采用不控制桨叶的桨矩角的方式。在这种情况下，桨叶的桨矩角一直保持在同步转速对应的角度。直到发电机转速上升到同步转速后，变桨系统才开场投入工作。转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。然后，转速反应信号与给定值进展比拟，当转速超过同步转速的时，桨叶的桨矩角就向迎风面积减小的方向转动一定的角度；反之，桨叶向迎风而增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一段时间后，发电机才并入电网。欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机的输出功率在额定功率以下运行方式。与转速控制方式同理，在早期的变桨矩风力发电机组中，对于欠功率状态是不进展控制的。这时变桨矩风力发电机组和定桨矩风力发电机组一样，它的功率完全取决于桨叶的气动特性。现在多采用的双馈异步发电机的风力发电机在该状态能够通过风速采集的低频分量为参数调整发电机转差率，使其运行在最正确叶尖速比，进而到达对风能的最大利用率。额定功率状态在风速到达或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率运行状态。这时风力发电机组运行方式从转速控制切换到功率控制，变桨矩系统开场根据发电机的功率信号进展控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反应信号与给定值进展比拟，当功率超过额定功率的时，桨叶就向着迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向着迎风面积增大的方向转动一个角度。3.3变桨矩控制系统新型变桨距控制系统框图如图3-2所示图3-2控制系统分布图在发电机并人电网前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反应信号与给定信号直接控制；发电机并入电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。如图3-2所示，当风力发电机组并入电网前，由速度控制器A给出；当风力发电机组并人电网后由速度控制器B给出。变桨距控制图3-3变桨距控制系统变距控制系统实际上是一个随动系统，其控制过程如图3-3所示。桨距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后变成电压信号控制比例阀〔或电液伺服阀〕，驱动液压缸活塞，推动变桨距机构，使桨叶节距角变化。活塞的位移反应信号由位移传感器测量，经转换后输人比拟器。3.3.2速度控制A(发电机脱网〕转速控制系统A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，如图3-4在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升。控制器也用于在同步转速〔50Hz时1500r/min)时的控制。当发电机转速在同步转速±10r/min持续1s发电机将切入电网。图3-4速度控制A控制器包含着常规的PD和PI控制器，接着是节距角的非线性化环节，通过非线化处理，增益随节距角的增加而减小，以此补偿由于转子空气动力学产生的非线性，因为当功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。当风力发电机组从待机状态进人运行状态时，变桨距系统先将桨叶节距角快速地转到45°,风轮在空转状态进人同步转速当转速从O增加到5OOr/min时，节距角给定值从45°线性地减小到5°。这一过程不仅使转子具有高起动力矩，而且在风速快速地增大时能够快速起动。发电机转速通过主轴上的感应传感器测量，每个周期信号被送到微处理器作进一步处理，以产生新的控制信号。速度控制B(发电机并网〕发电机切入电网以后，速度控制系统B作用。如图3-5所示，速度控制系统B受发电机转速和风速的双重控制。在到达额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。额定的速度给定值是1560r/min,相应的发电机转差率是4%。如果风速和功率输出一直低于额定值，发电机转差率将降低到2%，节距控制将根据风速调正到最正确状态，以优化叶尖速比。如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。从图中可以看到图3-5速度控制系统B在风速信号输入端设有低通滤波器，节距控制对瞬变风速并不响应。与速度控制器A的构造相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节。这一特性增加了小转差率时的增益，以便控制节距角加速趋于0°。3.4变桨矩系统分类〔1〕变桨矩的执行机构大致分为电液伺服系统和电动伺服系统两类[8]。a)液压变桨矩b)电动变桨矩图3-6变桨矩系统的轮毂照片1〕液压伺服变桨矩系统。液压伺服变桨矩系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大等优点。目前丹麦Vestas公司的V80-2.0MW风机等都采用液压变桨矩机构。然而，液压系统存在死区、滞环、库伦摩擦，还有一些软参量，如体积弹性模量、油的粘度、系统阻尼比等，有非线性特征，甚至会出现漏油、卡塞等现象。液压伺服变桨矩执行机构原理如图3-7所示。桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，桨矩角的变化同液压缸位移成正比。当液压缸活塞杆向左移动到最大位置时，桨矩角为90°;而活塞杆向右移动最大位置时，桨矩角为0°。液压缸的位移由液压比例阀进展精准的控制。在负载变化不大的情况下，电液比例阀的输入电压与液压缸的速度成正比，为进展准确的液压缸位置控制，则必须引入液压缸位置检测和反应控制。图3-7液压伺服变桨矩执行机构的原理框图2〕电动变桨矩系统。电动伺服变桨矩执行机构可对每个桨叶采用独立的调节方式，伺服电动机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合，进而直接对桨矩角进展控制。如图3-8所示。图3-8电动变桨矩构造图图3-8中只画出了一个桨叶的电动变桨矩的构造，其它两个桨叶则与此完全一样。而每个桨叶采用一个带位置反应的伺服电动机进展单独调节，安装在伺服电动机输出轴上，采集电动机的转动角度。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶转动，从而实现对桨叶的桨矩角的直接控制。在轮毂内齿圈的边上又安了一个非接触式位移传感器，对内齿圈转动的角度进展直接检侧，即桨叶桨矩角变化，当内齿圈转过一个角度，则非接触式位移传感器输出一个脉冲信号。位置传感器采集桨矩角的变化与电动机形成闭环PID负反应控制。变桨矩控制是根据伺服电动机自带的位置编码器所测的位移值进展控制的，电动伺服变桨矩执行机构原理框图如图3-9。在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电动机由UPS系统供电，使桨叶调节到顺桨位置。该执行机构构造简单、可靠，充分利用了有限的空间，实现了分散布置，且可以实现对单一桨叶进展控制，但对于大功率风机的动态特性相对较差。图3-9电动伺服变桨矩执行机构原理框图制动装置的突出特点是空气动力学制动刹车单独由变桨矩控制，桨叶充分发挥刹车的作用。即使其中一个桨叶刹车制动失败，其它两个叶片也可以平安完成刹车的过程，提高了整个系统的平安性和可靠性。制动系统还装备了备用电源，用于故障或维修时可以快速准确地控制桨叶。它为风力发电机组功率输出和刹车制动提供了足够的能力。这样可以防止过载对风机的破坏。第四章风力发电机组变桨距电液比例控制系统设计4.1风力发电机组变桨距的电液比例控制技术电液电比例控制技术是在开关控制技术和伺服控制技术间的过渡技术，它具有控制原理简单、控制精度高、抗污染能力强、价格适中，受到人们的普遍重视，使该技术得到飞速开展。比例阀是在普通液压阀根底上，用比例电磁铁取代阀的调节机构及普通电磁铁构成的。采用比例放大器控制比例电磁铁就可实现比照例阀进展远距离连续控制，从而实现对液压系统压力、流量、方向的无级调节。电液比例控制技术根本工作原理是：根据输入电信号电压值的大小，通过放大器，将该输入电压信号〔一般在-9~+9V之间〕转换成相应的电流信号，如lmV电压对应1mA电流。这个电流信号作为输入量被送入比例电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量——力或位移。该力或位移又作为输入量加给比例阀，后者产生一个与前者成比例的流量或压力。通过这样的转换，一个输入电压信号的变化，不但能控制执行元件和机械设备上工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进展无级调节。此外，还能对相应的时间过程，例如在一段时间内流量的变化，加速度的变化或减速度的变化等进展连续调节。组成电液比例系统的根本元件有：1、指令元件；2、比拟元件；3、电控器；4、比例阀；5、液压执行元件；6、检测反应元件。图4-1位置反应示意图4.2变桨距电液比例控制系统的设计本系统采用电液比例控制方案，即通过控制电液比例方向阀来控制桨距角的大小。系统中采用电液比例方向阀用于连接系统的电气与液压局部，将输入的小功率电信号转变为阀芯的运动，从而控制液压能源流向液压执行机构的流量与压力，实现电、液压信号的转换和放大，以及对液压执行机构的控制。虽然电液伺服阀是响应性能良好的控制阀，但其制造本钱和维护费用高，对液压油要求苛刻。电液比例阀除了中位有死区外其稳态特性已与伺服阀不相上下，而制造本钱和维护费用要低的多，因此使用非常广泛。比例阀是在普通阀的根底上，用电—机械转换器取代了原有的控制局部。这样就容易实现自动控制和程序控制，同时又能够将电的快速、灵活等特点与液压传动功率大等特点结合起来，简化了系统，减少了元件的使用量。液压驱动变距是利用液压缸作为原动机，通过曲柄滑块机构推动桨叶旋转。由于液压系统输出力大，变距机构可以做的很紧凑。液压驱动变距有两种构造形式，一种是通过安装在轮毂内的三个液压缸，三套曲柄滑块机构分别驱动三片桨叶。这种方案变距力很大，液压系统复杂，而且三个液压缸的控制也较难，存在电气布线困难增加风轮重量、轮毂制造难度大和维护不方便等问题。另一种构造是液压站和液压缸放在机舱内，通过一套曲柄滑块机构同步推动三片桨叶旋转。这种构造不存在电气布线困难的问题，而且降低了风轮重量和轮毂制造难度，维护也很容易，但这种构造要求传动机构的强度，刚度较高。我们这里采用一套曲柄滑块机构同步推动三片桨叶的构造。图4-2为变桨距控制系统控方案图。主控制器是电控系统的核心，它通过各类传感器对电网、气象及风电机组运行参数进展监控，并与其它控制器保持通讯，根据各方面的情况作出综合分析后，发出各种控制指令，实现机组的自动起动/停机、手动/自动无扰动切换、发电机在转速范围内无扰动并网、自动第二章变桨距电液比例控制系统总体方案设计偏航控制、机舱扭缆和自动解绕控制、自动变桨距控制、变速控制、风电机组自动除湿、加热、冷却控制、液压系统自动运行控制、逆功率自动停机和运行故障监控等。在变桨距控制系统中，主控制器作为上位机，变桨距控制器作为下位机。主控制器根据风速，发电机功率和转速等一系列信号，做出综合分析后，计算出需要的目标桨距，把命令值发送到变桨距控制器。变桨距控制器得到目标桨距控制指令后，与位置传感器的反应信号进展比拟运算，输出控制电压给电液比例方向阀，来控制油缸的位移，进而控制桨距角的大小，完成变桨距控制过程。图4-2为变桨距控制系统控方案图4.3变桨距液压系统设计依据上一节变桨距构造原理，本文采用的电液比例位置控制系统的液压原理图如图4-3所示。当风力机开场启动时，电磁阀1和电磁阀2通电，比例阀压力油口与蓄能器相通。同时，电磁阀3通电使先导止回阀翻开。风轮的输出功率调节是通过液压缸活塞杆的移动控制叶片承受的风能来实现的。当比例阀通正向电流(比例阀直通位置)，压力油通过电磁阀1进入液压缸左侧，背压腔油液则通过先导止回阀流回比例阀的回油腔，再经单向阀流回油箱。此时油缸活塞向右移动，相对应的风轮叶片安装角往减小的方向变化，叶片受到的气动力随之增大，风轮输出功率增大。当比例阀通负向电流(比例阀跨接位置)，压力油通过先导止回阀进入油缸右腔，而油缸左腔则由于单向阀与油缸隔离。因为油缸左右腔的油压近似相等而右腔有效面积大于左腔面积，活塞所受合力方向向左，液压缸活塞向左移动，左腔压力油通过单向阀压回蓄能器。此时叶片往安装角增大的方向转动，风轮输出功率减小。图4-3变桨距液压控制系统原理图4.4变桨距机械单元的设计方案风力发电机的风轮通常由三个叶片组成，在风轮转动平面内呈120°均布。为了能用一个液压缸驱动三个叶片的同时转动，这里设计了同步盘。同步盘的前端有三个圆盘支腿，以120°均步在圆盘内，这三个圆盘支腿分别通过连杆与三个桨叶相连接。同步盘的后端与液压缸的活塞杆相连接。这样，通过同步盘和连杆，活塞杆的直线运动就转化为三个叶片的同步转动。图4-4变桨距执行机构简图以风力机的一片桨叶为例，构造上的实现方法如图4-4所示。曲柄一端固定在叶片转动轴上，并可绕轴心转动，另一端与连杆铰接，连杆的另一端与同步盘的一个圆盘支腿连接，圆盘支腿往复运动，推动曲柄绕旋转中心转动，而将圆盘支腿的直线运动转化为叶片的旋转运动，实现对叶片的桨距角β的调节。可以看出，只要控制油缸的位移，就可以实现曲柄的运动，进而控制桨叶的转角，实现预定的控制目的。上述的变桨距驱动机构可以简化为曲柄连杆机构，如图4-5所示图4-5变桨距执行机构原理图4.5变桨距液控单元的设计方案依据前面所讲变桨距构造原理，本文采取原理图如图4-6所示的变桨距液压系统，变桨距风力发电机组的液压系统由两个压力保持回路组成。一路由蓄能器通过电液比例阀供应桨叶变距液压缸，另一路由蓄能器供应高速轴上的机械刹车机构。1一油箱2—油位开关3—空气滤清器4一温度传感器5—油泵6-联轴器7—电动机8—主模块9一压力测试口10—滤油器11—单向阀12—压力传感器13—溢流阀14一压力表15—压力表接口16—蓄能器17—节流阀18—可调节流阀19一电磁阀20—比例阀21—电磁阀22—减压阀23—压力开关24—先导止回阀24—先导止回阀图4-6变桨距风力发电机组液压系统液压泵站的动力源是齿轮泵5，为变桨距回路和制动器回路所共有。液压泵安装在油箱油面以下并通过联轴器6，由油箱上部的电动机驱动。泵的流量变化根据负荷而定。液压泵由压力传感器12的信号控制。当泵停顿时，系统由蓄能器16保持压力。系统的工作压力设定范围为130〜145bar(1bar=105Pa)，当压力降至130bar以下时，泵起动；在145bar时，泵停顿。在运行、暂停和停顿状态，泵根据压力传感器的信号自开工作，在紧急停机状态，泵被迅速断路而关闭。压力油从泵通过高压滤清器10和单向阀11-1传送到蓄能器16。滤清器上装有旁通阀和污染指示器，它在旁通阀翻开前起作用。阀11-1在泵停顿时阻止回流。紧跟在滤清器外面，先后有二个压力表连接器〔Ml和M2)，它们用于测量泵的压力或滤清器两端的压力降。测量时将各测量点的连接器通过软管与连接器M8上的压力表14接通。溢流阀13-1是防止泵在系统压力超过145bar时继续泵油进入系统的平安阀。在蓄能器16因外部加热情况下，溢流阀13-1会限制气压及油压升高。在检验蓄能器预充压力或系统维修时节流阀18-1用于释放来自蓄能器16-1的压力油。油箱上装有油位开关2，以防油溢出或泵在无油情况下运转。油箱内的油温由装在油池内的PT100传感器测得，出线盒装在油箱上部。油温过高会导致报警，以免在高温下泵的磨损延长密封的使用寿命。变桨距控制变桨距控制系统的节距控制是通过比例阀来实现的。如图4-7所示，控制器根据功率或转速信号给出一个-10~+1OV的控制电压，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，控制比例阀输出流量的方向和大小。点画线内是带控制放大器的比例阀，设有内部LVDT反应。变桨距液压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶节距角在-5°~88°之间运动。为了提高整个变桨距系统的动态性能，在变距液压缸上也设有LVDT位置传感器，如图4-6所示。如液压系统图在比例阀至油箱的回路上装有1bar单向阀11—4。该单向阀确保比例阀T口上总是保持1bar压力，防止比例阀阻尼室内的阻尼"消失〞导至该阀不稳定而产生振动。比例阀上的红色LED(发光二极管〕指示LVDT故障，LVDT输出信号是比例阀上滑阀位置的测量值，控制电压和LVDT信号相互间的关系，如图4-8所示。变桨距速率由控制器计算给出，以O°为参考中心点。控制电压和变桨距速率的关系如图4-7所示。图4-7节距控制示意图图4-8变桨距速率、位置反应信号与控制电压的关系1.液压系统在运转/暂停时的工作情况如液压系统中电磁阀19-1和19-2(紧急顺桨阀〕通电，使比例阀上的P口得到来自泵和蓄能器16-1压力。节距液压缸的左端〔前端)与比例阀的A口相连。电磁阀21-1通电，从而使先导管路〔虚线〕增加压力。先导止回阀24装在变桨距液压缸后端靠先导压力翻开以允许活塞双向自由流动。把比例阀20通电到"直接〞〔P—A,B—T)时，压力油即通过单向阀11-2和电磁阀19-2传送P—A至缸筒的前端。活塞向右移动，相应的桨叶节距向-5°方向调节，油从液压缸右端〔后端〕通过先导止回阀24和比例阀〔B口至T口〕回流到油箱。把比例阀通电到"跨接〞〔P—B，A—T)时，压力油通过止回阀传送进人液压缸后端，活塞向左移动，相应的桨叶节距向+88。方向调节，油从液压缸左端〔前端〕通过电磁阀19-2和单向阀11-3回流到压力管路。由于右端活塞面积大于左端活塞面积，使活塞右端压力髙于左端的压力从而能使活塞向前移动。液压油走向如图4-9所示图4-9启动状态2.液压系统在停机/紧急停机时的工作情况停机指令发出后，电磁阀19-1和19-2断电，油从蓄能器16-1通过阀19-1和节流阀17-1及阀24传送到液压缸后端缸筒的前端通过电磁阀19-2和节流阀17-2排放到油箱，桨叶变距到+88°机械端点而不受来自比例阀的影响。电磁阀21-1断电时，先导管路压力油排放到油箱，先导止回阀24不再保持在双向翻开位置，但仍然保持止回阀的作用，只允许压力油流进缸筒。从而使来自风的变距力不能从液压缸左端方向移动活塞，防止向-5°的方向调节桨叶节距。在停机状态，液压泵继续自动停/起运转。顺桨由局部来自蓄能器16-1，局部直接来自泵5的压力油来完成。在紧急停机位时，泵很快断开，顺桨只由来自蓄能器16-1的压力油来完成。为了防止在紧急停机时，蓄能器内油量不够变距液压缸一个行程，紧急顺桨将由来自风的自变距力完成。液压缸右端将由两局部液压油来填补：一局部来液压缸左端通过电磁阀19-2，节流阀17-2、单向阀11-5和24的重复循环油；另一局部油来自油箱通过吸油管路及单向阀11-5和24。紧急顺桨的速度由二个节流阀17-1和17-2控制并限制到约9°/s。液压油走向如图4-10所示图4-10停机状态的油路4.6变桨距电控单元的设计方案变桨距控制器是变桨距电液比例控制系统中的核心局部，它根据主控制器发出的给定桨距控制信号和油缸位置反应信号，进展运算和判断，然后发出控制信号来控制液压油的流量和方向。这一闭环控制系统的控制方案简图如4-11所示。图4-11变桨距控制器原理图比例控制放大器是该电控单元的重要组成局部。比例放大器将变桨距控制器输出的电压信号〔这里0~5V之间〕，转换成相应的电流信号作为输入量送入比例电磁铁，从而产生与输入信号成比例的输出物理量〔力、流量、位移〕。如图4-12所示，它主要包括斜坡发生器、PID调节器、矩形波发生器、功率放大器、反应检测电路和过流保护电路等。4-12比例控制放大器组成原理图第五章风力发电机组变桨距系统建模5.1变桨距电液比例控制系统的数学模型本文设计的风力机变桨距电液比例控制系统，如图4-8所示，实质上是一个电液比例位置控制系统，即系统通过控制比例方向阀输出压力，间接实现对液压缸活塞杆位移的控制。显然，系统的性能取决于比例阀、液压缸等元部件的特性。因此，为了分析系统的静、动态特性，我们需建立系统的数学模型，以此为据，对系统进展相关算法的研究。比例控制放大器的数学模型比例控制放大器的作用是向比例方向阀提供所需的直流电流，按输入电压的大小成比例地输出电流，并且根据比例阀的控制需要对控制电信号进展处理、运算和功率放大。该放大器可视为比例环节[9]，其传递函数为：〔5-1〕式中：KA—比例控制放大器增益，单位:A/V；I—为比例电磁铁输入电流;单位:AU—为输入电压，单位:V5.1.2电液比例方向阀阀芯运动的数学模型比例电磁铁是电液比例换向阀的电－机械信号转换器，电磁铁线圈起主导作用，为二阶振荡环节，所以可以视为一个二阶环节，传递函数可以简化为:〔5-2〕式中：KV—比例阀电流位移增益，单位:m/mA；ωh—比例阀衔铁组件弹簧质量系统固有频率，单位:rad/s；ξh—比例阀衔铁组件无因次阻尼比。对称阀控非对称液压缸环节的数学模型本文研究的风力发电机组变桨距控制系统的动力机构为对称四通阀控制非对称液压缸组成的非对称动力机构，其构造示意图如图5-1所示，它具有惯性力、粘性阻力、弹簧力和任意外负载力四种负载。图5-1对称四通阀控制的非对称液压缸图5中：P1、P2分别为液压缸无杆腔和有杆腔压力，A1、A2分别为活塞左右两腔的有效面积，Q1、Q2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的流量，PS、P0分别为油源压力和回油压力，*为比例阀阀芯位移，y为活塞杆位移。液压比例系统中，一般从阀的负载流量特性、液压缸流量方程和液压缸的力方程三方面来建立数学模型[10]。假设所分析的阀为理想零开口阀，故不考虑阀口间的泄漏，所以在正向运动时〔在活塞杆推出时〕Q4=0。综合前面的分析，对非对称缸系统的负载压力与负载流量的定义应为：〔5-3〕〔5-4〕〔5-5〕式中:QL为负载流量;单位:m3/s；pL为负载压差;单位:Pa；为液压缸有杆腔面积和无杆腔面积之比。比例电磁阀的流量方程假定阀是零开口四边对称滑阀，供油压力ps恒定，回油压力p0为零。比例方向阀的负载流量方程为：〔5-6〕式中:Cd—控制阀口的流量系数；—节流口面积梯度，单位:m；—液压油密度，单位:kg/m3使用泰勒公式将比例阀阀芯位移与流量的关系式在零点〔工作点〕展开，可得到比例阀的线性化流量方程为：〔5-7〕在初始条件为零的情况下对上式进展拉普拉斯变换得：〔5-8〕〔5-9〕〔5-10〕式中：Kq—流量增益，单位:；Kc—流量压力系数，单位:；rc—比例阀阀芯的径向间隙，单位:mm；u—流体动力粘度，单位:Pa。〔2〕液压缸的流量线性方程根据流量的连续性条件，可得不对称缸的工作腔V1的流量方程为：〔5-11〕在初始条件为零的情况下对上式进展拉普拉斯变换得：〔5-12〕〔5-13〕〔5-14〕式中：Cic—液压缸内泄漏系数，单位:；Cec—液压缸外泄漏系数，单位:；V1—液压缸无杆腔容积，单位:m3；V2—液压缸有杆腔容积，单位:m3；e—系统的有效体积弹性模量，单位:Pa；Ctc—油缸的总泄漏系数，单位:；Ctb—系统泄漏系数，单位:。〔3〕液压缸受力平衡方程忽略库仑摩擦等非线性负载和油液的质量，考虑最一般的情况，活塞受力包括惯性力、粘性阻力、弹簧力和任意外负载力，根据牛顿第二定律建立活塞受力的平衡方程为：〔5-15〕在初始条件为零的情况下对上式进展拉普拉斯变换得：〔5-16〕式中：M1—活塞以及与活塞相联的负载折算到活塞上的总质量，单位:kg；BP—活塞和负载的粘性阻尼系数，单位；N/mKS—负载弹性刚度，单位；N/mFL—作用在活塞上的任意外干扰力，单位N。根据〔5-8〕、〔5-12〕、〔5-16〕式得到阀控非对称缸在正向运动〔时的控制方框图如图5-2所示。图5-2阀控缸系统方框图根据上图，在不考虑系统压力Ps的影响下，可推导出阀控非对称缸的数学模型〔5-17〕式中：kce——液压缸的总流量压力系数，定义为：通常情况下，电液比例控制系统的负载是以惯性负载为主，而没有弹性负载或弹性负载很小可以忽略[10]。另外，电液比例控制系统中多不加阻尼液压缸，故粘性阻尼系数/r