风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统及方法与流程

1.本发明涉及风电机组变桨控制技术领域，具体而言，涉及一种风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统及方法。


背景技术：

2.变桨控制系统是风力发电机组轮毂内的一套控制装置，主要起到调节风轮输入功率和气动刹车的作用，直接关系到风力发电机组的发电性能和安全。
3.变桨系统主要由伺服驱动器、变桨电机、后备电源及其他附件组成，变桨电机中集成有编码器，将变桨电机的角度和速度信号反馈到伺服驱动器中，变桨系统根据风机主控制系统下发的角度、速度指令和变桨电机编码器反馈的状态信息进行pid闭环控制，调节叶片桨角，使风力发电机组保持最大出力，提升发电量。
4.双驱电动变桨系统是一种新型变桨系统，通过两个变桨电机共同驱动一支叶片进行调桨，可以有效应对超大功率等级海上风电机组叶根载荷的大幅增加，通过同轴两个电机的分摊出力，可以有效减小变桨轴承的单点受力，进而减小轴承断齿风险，减缓轴承磨损，延长轴承寿命。
5.变桨电机所集成的编码器是变桨系统中的重要部件，在传统电动变桨系统中，一支叶片仅有一个电机驱动调桨，因此也仅有一个编码器可反馈所在叶片的速度和角度信息，而该编码器所反馈的角度信号是伺服驱动器进行pid调桨的重要依据，直接影响变桨系统的功能和安全。所以在传统变桨系统中，一般在风机轮毂内的变桨轴承附近增加一个额外的编码器或接近开关，用于校验电机编码器反馈的位置信息是否正确，保证变桨系统的控制精度及安全性。
6.采用增加额外编码器或接近开关进行位置校验的方案，由于会引入其他的器件不仅会使系统成本增加，而且外部编码器或接近开关对安装位置、安装工艺要求比较高，会增加系统复杂度，增加故障点，影响变桨系统可靠性；另一方面，在变桨轴承处增加的编码器或接近开关仅起到位置校验的作用，变桨电机编码器反馈信号作为pid闭环控制的唯一反馈值，偶然误差大，并且当变桨电机编码器故障或反馈信号丢失时，伺服驱动器无法实现pid闭环控制，变桨系统将会故障停机。现有技术并不能解决外部编码器或接近开关故障率高，变桨系统可靠性低，变桨电机编码器故障后变桨系统无法持续运行导致故障停机损失发电量的问题。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
8.为此，本发明第一方面提供了一种风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统。
9.本发明第二方面提供了一种风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统的方法。
10.本发明提供了一种风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统，包括：至少两个驱动单元，其中，两个驱动单元包括主驱动单元和从驱动单元，所述主驱动单元和所述从驱动
单元对风电机组叶片的单轴进行共同驱动，以调节叶片角度和调桨速度；所述主驱动单元和所述从驱动单元均至少包括伺服驱动器、减速箱和变桨电机；至少两个变桨电机编码器，集成在所述变桨电机内，以获取所在变桨电机的角度信号和速度信号并最终反馈至主伺服驱动器；其中，所述主伺服驱动器根据上述信号反馈情况按预设的校验控制策略进行pid闭环控制。
11.在上述技术方案中，所述预设的校验控制策略包括三种情况：a.同轴两个变桨电机编码器均反馈正常；b.同轴单个变桨电机编码器故障或反馈丢失；c.两个变桨电机编码器均故障或反馈丢失。
12.至少两个变桨电机编码器能够反馈角度信号并进行相互校验，判断该轴所在叶片角度反馈是否正常，从而能够发挥变桨电机内部编码器寿命长、抗干扰、抗震动性的优点，进一步地提升桨叶实际角度反馈精度，减小变桨系统阶跃响应幅值，平滑速度曲线，减小对变桨轴承的冲击；此外，根据预设的校验控制策略，当其中一个编码器故障或反馈信号丢失的情况下，位于主驱动单元内的主伺服驱动器可根据正常编码器反馈的角度及速度信号进行pid闭环控制，变桨系统可持续运行，避免机组停机损失发电量，提升变桨系统可靠性。
13.优选地，集成在变桨电机内部的编码器包括但不限于旋转变压器、绝对值编码器、增量式编码器。
14.优选地，变桨电机编码器的信号接入到伺服驱动器中，伺服驱动器根据编码器的反馈信号判定编码器处于正常或故障状态。
15.优选地，所述伺服驱动器内集成设置有plc控制器或单独电连接plc控制器。
16.优选地，从变桨电机编码器反馈信号可通过反馈电缆直接接入主伺服驱动器；或先通过反馈电缆接入从伺服驱动器然后再通过变桨系统内部通讯发送给主伺服驱动器。具体地，变桨系统内部通讯路径包括但不限于通过主、从伺服驱动器之间的同步通讯或者从伺服驱动器将编码器反馈信号发送给plc，plc再将编码器反馈信号下发给主伺服驱动器。plc可以是驱动器内部集成的plc或单独的plc，变桨系统内部通讯方式包括但不限于内部高速总线、canopen、rs485。
17.本发明还提供了一种风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统的方法，应用于上述任一项技术方案所述的风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统，包括：主驱动单元和从驱动单元对风电机组叶片的单轴进行共同驱动，以调节叶片角度和调桨速度；将变桨电机编码器的初始值设定为相同值，并使其将所在变桨电机的角度信号及速度信号反馈给主伺服驱动器；主伺服驱动器接收到上述信号后，根据信号的反馈情况，按预设的校验控制策略选择变桨电机的反馈信号，控制变桨系统调节叶片角度。
18.在上述技术方案中，在所述a情况下，主伺服驱动器将主驱动单元的变桨电机编码器反馈的角度信号与从驱动单元的变桨电机编码器反馈的角度信号相减并取绝对值得到两个编码器反馈角度值偏差；根据反馈角度值偏差是否在预设编码器角度偏差最大值a允许范围内，选择
对应控制策略，其中0<a<10，，，从而提升双驱变桨系统角度校验信号的稳定性、可靠性。
19.在上述技术方案中，当时，变桨系统判定主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈角度偏差在允许范围内，主伺服驱动器以主变桨电机编码器反馈速度作为实际速度值，主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈角度值经处理后共同作为实际角度值进行pid闭环控制，调节叶片角度。
20.在上述技术方案中，当风电机组的主控给定角度指令朝着增大的方向变化时，即当前主控给定角度指令大于前一时刻给定角度指令时，则以主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈值的算数平均值作为实际角度值进行pid闭环控制，调节叶片角度，即。
21.在上述技术方案中，当风电机组的主控给定角度指令朝着减小的方向变化时，即当前主控给定角度指令小于前一时刻给定角度指令时，则以主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈值的均方根值作为实际角度值进行pid闭环控制，调节叶片角度，即。
22.因此，能够利用同轴的两个变桨电机编码器角度作为桨叶实际角度反馈值进行pid闭环控制，能减小单个变桨电机编码器反馈角度的随机误差，反馈精度更高，控制更加准确；同时风电机组主控给定指令和桨叶实际角度反馈值之间的差值更小，可以减小变桨系统阶跃响应幅值，变桨速度曲线更加平滑，减小对变桨轴承的冲击。
23.在上述技术方案中，当时，变桨系统判定主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈角度偏差在允许范围之外，机组故障停机，变桨系统报出“编码器反馈角度偏差大”故障，并以主变桨电机编码器反馈角度、速度作为实际角度和速度，进行紧急顺桨，即，。
24.当然，a的取值不做具体限定，可以取1、2、3、4、5、6、7、8、9。以实际工况设定。
25.在上述技术方案中，在所述b情况下，当同轴单个变桨电机编码器故障或反馈丢失时，主伺服驱动器以同轴的另一个变桨电机编码器反馈的角度、速度信号进行pid闭环控制；当主变桨电机编码器故障或反馈丢失时，以从变桨电机编码器反馈信号进行控制，即，，并发出“主变桨电机单编码器故障或反馈信号丢失”报警，反馈给风机主控；当从变桨电机编码器故障或反馈丢失时，以主变桨电机编码器反馈信号进行控制，即，，并发出“从变桨电机单编码器故障或反馈信号丢失”报警，反馈给风机主控。
26.因此，在同轴两个变桨电机编码器中有一个变桨电机编码器故障或反馈信号丢失
时，可以利用另一个变桨电机编码器的反馈信号进行控制，仅发出报警信号，可持续运行，不至于故障停机，提升变桨系统可靠性和避免风电机组损失发电量。
27.在上述技术方案中，在所述c情况下，当两个变桨电机编码器均故障或反馈丢失时，变桨系统将进入无速度传感模式，叶片按预设的速度完成紧急收桨，回到风暴位置，实现风电机组安全停机。
28.由此可见，本发明提供的风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统及方法具备下列有益效果：（1）针对双驱电动变桨系统，单轴用两个变桨电机共同驱动叶片进行调桨，每个变桨电机内部集成了编码器。利用同轴两个变桨电机编码器实现桨叶角度校验和控制，不需要在变桨轴承处增加额外的校验编码器或接近开关，大幅节约成本；（2）同时利用同轴两个编码器反馈角度值进行pid闭环控制，可减小单个编码器反馈值的随机误差，反馈实际角度更加精确，变桨系统阶跃响应幅值小，变桨曲线更平滑，减小对变桨轴承的冲击；（3）电机编码器集成在变桨电机内部，具有寿命长、抗干扰、抗震动性强等优点，而外部校验编码器或者接近开关对安装位置、安装工艺要求高，且处于风机轮毂内高温、高振动的恶劣运行环境中，故障率高，电机内部编码器更加稳定可靠，可以提升角度信号反馈精度，降低变桨系统故障率、提升系统乃至机组可靠性；（4）本发明中同轴两个电机编码器可以实现功能备份，在其中一个变桨电机编码器故障或反馈信号丢失之后可用同轴另一个变桨电机的编码器反馈信号进行pid闭环控制，变桨系统仅发出报警信号，可持续运行，提升变桨系统可靠性，有效提升机组发电量。
29.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
30.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本发明一个实施例的风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统中校验控制策略的示意图；图2是本发明一个实施例的风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统的连接示意图。
具体实施方式
31.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
33.下面参照图1至图2来描述根据本发明一些实施例提供的风电机组双编码器校验
控制双驱变桨系统及方法。
34.本发明第一个实施例提出了一种风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统，包括：至少两个驱动单元，其中，两个驱动单元包括主驱动单元和从驱动单元，所述主驱动单元和所述从驱动单元对风电机组叶片的单轴进行共同驱动，以调节叶片角度和调桨速度；所述主驱动单元和所述从驱动单元均至少包括伺服驱动器、减速箱和变桨电机；至少两个变桨电机编码器，集成在所述变桨电机内，以获取所在变桨电机的角度信号和速度信号并最终反馈至伺服驱动器；其中，所述主伺服驱动器根据上述信号反馈情况按预设的校验控制策略进行pid闭环控制。
35.在上述技术方案中，所述预设的校验控制策略包括三种情况：a.同轴两个变桨电机编码器均反馈正常；b.同轴单个变桨电机编码器故障或反馈丢失；c.两个变桨电机编码器均故障或反馈丢失。
36.至少两个变桨电机编码器能够反馈角度信号并进行相互校验，判断该轴所在叶片角度反馈是否正常，从而能够发挥变桨电机内部编码器寿命长、抗干扰、抗震动性的优点，进一步地提升桨叶实际角度反馈精度，减小变桨系统阶跃响应幅值，平滑速度曲线，减小对变桨轴承的冲击；此外，根据预设的校验控制策略，当其中一个编码器故障或反馈信号丢失的情况下，位于主驱动单元内的主伺服驱动器可根据正常编码器反馈的角度及速度信号进行pid闭环控制，变桨系统可持续运行，避免机组停机损失发电量，提升变桨系统可靠性。
37.具体地，集成在变桨电机内部的编码器包括但不限于旋转变压器、绝对值编码器、增量式编码器。
38.具体地，变桨电机编码器的信号接入到伺服驱动器中，伺服驱动器根据编码器的反馈信号判定编码器处于正常或故障状态。
39.具体地，所述伺服驱动器内集成设置有plc控制器或单独电连接plc控制器。
40.具体地，从变桨电机编码器反馈信号可通过反馈电缆直接接入主伺服驱动器；或先通过反馈电缆接入从伺服驱动器然后再通过变桨系统内部通讯发送给主伺服驱动器。具体地，变桨系统内部通讯路径包括但不限于通过主、从伺服驱动器之间的同步通讯或者从伺服驱动器将编码器反馈信号发送给plc，plc再将编码器反馈信号下发给主伺服驱动器。plc可以是驱动器内部集成的plc或单独的plc，变桨系统内部通讯方式包括但不限于内部高速总线、canopen、rs485。
41.本发明第二个实施例提出了一种风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统的方法，应用于上述实施例所述的风电机组双编码器校验控制双驱变桨系统，包括：主驱动单元和从驱动单元对风电机组叶片的单轴进行共同驱动，以调节叶片角度和调桨速度；将变桨电机编码器的初始值设定为相同值，并使其将所在变桨电机的角度信号及速度信号反馈给主伺服驱动器；主伺服驱动器接收到上述信号后，根据信号的反馈情况，按预设的校验控制策略选择变桨电机的反馈信号，控制变桨系统调节叶片角度。
42.具体地，在所述a情况下，主伺服驱动器将主驱动单元的变桨电机编码器反馈的角度信号与从驱动单元的变桨电机编码器反馈的角度信号相减并取绝对值得到两个编码器反馈角度值偏差；
根据反馈角度值偏差是否在预设编码器角度偏差最大值a允许范围内，选择对应控制策略，其中0<a<10，，，从而提升双驱变桨系统角度校验信号的稳定性、可靠性。
43.具体地，当时，变桨系统判定主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈角度偏差在允许范围内，主伺服驱动器以主变桨电机编码器反馈速度作为实际速度值，主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈角度值经处理后共同作为实际角度值进行pid闭环控制，调节叶片角度。
44.具体地，当风电机组的主控给定角度指令朝着增大的方向变化时，即当前主控给定角度指令大于前一时刻给定角度指令时，则以主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈值的算数平均值作为实际角度值进行pid闭环控制，调节叶片角度，即。
45.具体地，当风电机组的主控给定角度指令朝着减小的方向变化时，即当前主控给定角度指令小于前一时刻给定角度指令时，则以主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈值的均方根值作为实际角度值进行pid闭环控制，调节叶片角度，即。
46.因此，能够利用同轴的两个变桨电机编码器角度作为桨叶实际角度反馈值进行pid闭环控制，能减小单个变桨电机编码器反馈角度的随机误差，反馈精度更高，控制更加准确；同时风电机组主控给定指令和桨叶实际角度反馈值之间的差值更小，可以减小变桨系统阶跃响应幅值，变桨速度曲线更加平滑，减小对变桨轴承的冲击。
47.具体地，当时，变桨系统判定主变桨电机编码器和从变桨电机编码器反馈角度偏差在允许范围之外，机组故障停机，变桨系统报出“编码器反馈角度偏差大”故障，并以主变桨电机编码器反馈角度、速度作为实际角度和速度，进行紧急顺桨，即，。
48.当然，a的取值不做具体限定，可以取1、2、3、4、5、6、7、8、9。以实际工况设定。
49.具体地，在所述b情况下，当同轴单个变桨电机编码器故障或反馈丢失时，主伺服驱动器以同轴的另一个变桨电机编码器反馈的角度、速度信号进行pid闭环控制；当主变桨电机编码器故障或反馈丢失时，以从变桨电机编码器反馈信号进行控制，即，，并发出“主变桨电机单编码器故障或反馈信号丢失”报警，反馈给风机主控；当从变桨电机编码器故障或反馈丢失时，以主变桨电机编码器反馈信号进行控制，即，，并发出“从变桨电机单编码器故障或反馈信号丢失”报警，反馈给风机主控。
50.因此，在同轴两个变桨电机编码器中有一个变桨电机编码器故障或反馈信号丢失
时，可以利用另一个变桨电机编码器的反馈信号进行控制，仅发出报警信号，可持续运行，不至于故障停机，提升变桨系统可靠性和避免风电机组损失发电量。
51.具体地，在所述c情况下，当两个变桨电机编码器均故障或反馈丢失时，变桨系统进入无速度传感模式，叶片按预设的速度完成紧急收桨，回到风暴位置，实现风电机组安全停机。
52.在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
53.凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。