专利名称：一种风力发电机组变桨距控制电路及其工作方法
技术领域：
本发明涉及电气控制领域，尤其是一种风力发电机组变桨距控制电路及控制方 式。
背景技术：
随着社会对能源的急剧需求，风电产业作为可再生的清洁能源近年来得到了快速 发展。为了更好的利用风能，风力发电机组的单机容量越来越大，控制方式也从简单的定桨 距失速控制模式转向变桨距控制方式。变桨距是指让风机的桨叶跟随风的方向和大小自动旋转到主控制器设定的角度， 以控制叶片的迎风角始终保持在最佳位置，从而更好地利用风能。变桨距已经是兆瓦级风 电机组中的必备系统，由于兆瓦级风力发电机组的体积非常庞大，每片桨叶的长度通常都 大于三十米，重量可达数吨，变桨难度加大，而且现有的变桨距系统在桨叶变桨过程中总是 存在机身振动较大、变桨定位精度低、响应速度较慢等缺陷，不利于风机的平稳运行，也不 利于最大效率的利用风能。目前，风场变桨距系统的总体结构如图1所视。主控单元与PLC控制模块有数据通 信，每片桨叶由电机带动，而每个电机各由一个驱动器控制，PLC控制模块与三片桨叶的驱 动器有数据通信，每片桨叶的当前位置信息各由一个编码器反馈引回给PLC控制模块。而 现有的变桨距控制电路的工作方法是PLC模块用于接收主控单元输出的包含有设定角度 信息的控制指令，控制三个驱动器根据设定角度输出对应的电压驱动信号，驱动电机转动 从而将桨叶带动到设定角度位置。现有的变桨距控制技术主要存在这样的技术问题由于PLC模块按照主控单元输 出的设定角度，一次将桨叶带动到位，从而导致风机振动大。由于通信延迟，控制难度加大。 变桨距系统给出的控制曲线波动较大，造成风机功率曲线波动，电机温升太快，降低发电质 量及电机使用寿命。同时，风机振动过大，长期下去，必然会造成各元器件零件松动、脱落， 增加了风机维护工作量，甚至发生危险事故。其次，响应速度偏慢。桨叶变桨起始速度及停机速度偏慢。起始速度延迟既与机 械惯性有关，又与控制算法有关。停机前的减速阶段，减速过慢，影响控制效果。最后，控制精度不高。目前现有技术的控制精度只能达到0.02°，其发电质量有时 候不理想，为了提高发电质量，有必要进一步提高桨叶控制精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效减小风机振动幅度的风力发电机组变桨控制电路 及其工作方法。本发明采用的技术方案是这样的一种风力发电机组变桨距控制电路，包括PID 单元、驱动器、电机、编码器、加法器，还包括位移连续化控制单元与加速度控制单元，所述 PID单元的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的驱动信号输出端与电机驱动信号输入端连接，所述编码器用于采集电机角位移值，编码器的输出端与加法器的反相输入端连接； 所述加法器的输出端与PID单元的输入端连接；所述位移连续化控制单元包含接收角度设 定值P的输入端，位移连续化控制单元还接收加速度控制单元输出的角加速度设定值ap ； 位移连续化控制单元的输出端与加法器的正相输入端连接。优选地，所述编码器为SSI编码器。一种风力发电机组变桨距控制电路的工作方法，其特征在于，包括
步骤201 位移连续化控制单元根据当前工作周期中电机的角度计算值S与当前工作 周期中电机的角速度计算值V，按照角加速度设定值ap计算下一工作周期Tp应输出的角位 移值rp ；当电机正向转动时所述角加速度设定值ap大于或者等于0，当前工作周期角速度 计算值V大于或者等于0 ；当电机反向转动时所述角加速度设定值ap小于或者等于0，当前 工作周期角速度计算值V小于或者等于0 ；
步骤202 角位移值rp减去编码器反馈回来的电机实际角位移，得到差值ep ； 步骤203 对差值ep进行PID运算得到当前工作周期应输出的角速度值u ； 步骤204 驱动器将角速度u转换为电压值，并用此电压值驱动电机转动； 步骤205 在下一个工作周期中重复步骤20广204，直到电机带动桨叶转动角度等于设 定的角位移值P。优选地，当电机正向转动时，所述步骤201中位移连续化控制单元在当前工作周 期应当输出的下一工作周期角位移值rp计算过程包括
判断电机在当前工作周期角度计算值S、当前工作周期角速度计算值V的基础上按照 角加速度设定值ap转动到角速度为零的状态时的角度S+V2A2Xap)与角度设定值P的大 小关系
步骤a.如果S+V2/ (2 X ap)〈P，则比较在当前工作周期角速度计算值V基础上按照角加 速度设定值ap加速一个工作周期后，电机的速度V+ apXTp是否超过电机允许的最大速 度 Vmax
步骤al.如果V+ apXTp彡Vmax，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期 应输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp+1/2 XapX (Tp)2 Vn=V+apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤a2.如果V+apXTp>VmaX，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+VmaxXTp Vn=Vmax
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤b.如果S+V2/ (2 X ap) =P,则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输 出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2Vn=V-apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤c.如果S+V2/ (2 X ap) >P，位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输出的下一 工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn计算如下 rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V。
优选地，当电机反向转动时，所述步骤201中位移连续化控制单元输出的下一工作周 期角位移值rp计算过程包括
判断电机在当前工作周期角度计算值S、当前工作周期角速度计算值V的基础上按照 角加速度设定值ap转动到角速度为零的状态时的角度S+V2A2Xap)与角度设定值P的大 小关系
步骤d.如果S+V2A2Xap) > P，则比较在当前工作周期角速度计算值V基础上按照 角加速度设定值ap加速一个工作周期后，电机的速度V+apXTp是否大于或者等于电机允 许的最小速度Vmin:
步骤dl.如果V+apXTp >Vmin，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp+1/2 XapX (Tp)2 Vn=V+apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤d2.如果V+apXTp <Vmin，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+VminXTp Vn=Vmin
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤e.如果S+V2/ (2 X ap) =P,则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输 出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤f.如果S+V2A2Xap) < P，位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输出的 下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn计算如下 rp=S+VXTp-l/2XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V。综上所述，本发明的有益效果是
变桨距控制电路根据主控单元输出的角度设定值P，当前电机的角度、角速度，加速度 控制单元输出的角加速度将角度设定值P转化为若干较小的角度rp，并将这些较小的角度 分若干个工作周期输出，而非一次性将主控的角度设定值P直接给出，且电机从当前位置 最终转动到角度设定值P的过程中，电机转动的角速度都经历了加速、勻速及减速3个阶 段，从而最大限度减少电机振动幅度，使电机稳定运行；
由于每个工作周期输出的较小角度值rp都是基于当前桨叶的角度与角速度计算得到 的，有效避免因通信延迟导致收到的设定角度值离散、无规律，进一步导致风机大幅度震动 的后果，提高了发电质量以及整个风机使用寿命。速度响应方面，虽有通信延迟，但本系统算法决定了不需在软件上进行延迟处理。 速度曲线上看到的延迟，仅由风机机械惯性造成。因此，减小了延迟时间。同时，桨叶即将 到达控制位置时，通过提高减速幅度，加快减速，减小了调节时间，在不增加风机振动幅度 的情况下提高了响应速度。控制精度方面，桨叶定位精确，控制误差不超过0.005°，而风场控制要求误差不 超过0. 02°，可见本系统控制精度能够很好的满足风场控制要求的精度。现有技术中，变桨 距控制系统的电机在设定速度在-3° /s 7° /s的情况下，电机空载时振动非常大，控制 曲线不够平滑，多次实验数据证明采用本发明的变桨距控制系统的电机振动较小，控制曲 线比较平滑。在设定速度正转大于7° /s，反转大于3° /s情况下两者控制相差不大，电机 都无振动且控制曲线非常平滑。
图1是变桨距系统的总体示意图。图2是变桨距控制电路的原理框图。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙 述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只 是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。如图2为变桨距控制电路的原理框图。以其中一片桨叶的控制电路为例，风力发 电机组变桨距控制电路，包括PID单元、驱动器、电机、加速度控制单元、编码器、加法器，还 包括位移连续化控制单元；所述位移连续化控制单元一方面接收主控单元输出的设定角位 移值P，一方面接收加速度控制单元输出的角加速度ap ；位移连续化控制单元的输出端与 加法器的正相输入端连接，所述PID单元的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的驱动 信号输出端与电机驱动信号输入端连接，所述编码器用于采集电机角位移值，编码器的输 出端与加法器的反相输入端连接；所述加法器的输出端与PID单元的输入端连接。
上述PID单元、加速度控制单元、位移连续化控制单元、加法器都可以在PLC控制 单元中实现。所述编码器可选用SSI编码器。上述变桨距控制电路的工作流程包括
步骤201 位移连续化控制单元根据当前工作周期中电机的角度计算值S与当前工作 周期中电机的角速度计算值V，按照角加速度设定值ap计算下一工作周期Tp应输出的角位 移值rp ；当电机正向转动时所述角加速度设定值ap大于或者等于0，当前工作周期角速度 计算值V大于或者等于0 ；当电机反向转动时所述角加速度设定值ap小于或者等于0，当前 工作周期角速度计算值V小于或者等于0 ；
步骤202 角位移值rp减去编码器反馈回来的电机实际角位移，得到差值ep ；
步骤203 对差值印进行PID运算得到角速度值u ；
步骤204 驱动器将角速度u转换为电压值，并用此电压值驱动电机转动；
步骤205:在下一个工作周期中重复步骤20广204，直到电机带动桨叶转动角度等于设 定的角位移值P。其中，步骤201中一个工作周期Tp，位移连续化控制单元应输出的角位移值rp计 算方法为
设当前工作周期电机的角速度计算值为V，当前工作周期电机的角度计算值为S (由 于桨叶在电机的带动下转动的电机的角度、角速度均等于桨叶的角度、角速度，文中计算 公式统一以电机角度、角速度来代替桨叶的角度、角速度)，限定电机允许的最大角速度为 Vmax>0、最小速度为VmirKO，电机允许的最大速度Vmax与最小速度Vmin均是根据风机安全 需要设定的常量，设位移连续化控制单元的一个工作周期，亦即PLC单元的一个工作周期， 为Tp (常量)
当电机正向转动时(V ^ 0 ;ap ^ 0)，位移连续化控制单元输出的下一工作周期角位移 值rp计算过程包括
判断电机在当前工作周期角度计算值S、当前工作周期角速度计算值V的基础上按照 角加速度设定值ap转动到角速度为零的状态时的角度S+V2A2Xap)与角度设定值P的大 小关系
步骤a.如果S+V2/ (2 X ap)〈P，则比较在当前工作周期角速度计算值V基础上按照角加 速度设定值ap加速一个工作周期后，电机的速度V+apXTp是否超过电机允许的最大速度 Vmax:
步骤al.如果V+apXTp SVmax，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp+1/2 XapX (Tp)2 Vn=V+apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤a2.如果V+apXTp>VmaX，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+VmaxXTp Vn=Vmax再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤b.如果S+V2A2 Xap) =P，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输 出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤c.如果S+V2/ (2 X ap) >P，位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输出的下一 工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn计算如下 rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V。
当电机反向转动时(V ^ 0 ;ap ^ 0)，位移连续化控制单元输出的下一工作周期角位移 值rp计算过程包括
判断电机在当前工作周期角度计算值S、当前工作周期角速度计算值V的基础上按照 角加速度设定值ap转动到角速度为零的状态时的角度S+V2A2Xap)与角度设定值P的大 小关系
步骤d.如果S+V2A2Xap) > P，则比较在当前工作周期角速度计算值V基础上按照 角加速度设定值ap加速一个工作周期后，电机的速度V+apXTp是否大于或者等于电机允 许的最小速度Vmin:
步骤dl.如果V+apXTp >Vmin，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp+1/2 XapX (Tp)2 Vn=V+apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤d2.如果V+apXTp <Vmin，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+VminXTp Vn=Vmin
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；
步骤e.如果S+V2/ (2 X ap) =P,则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输 出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速度计算值V ；
步骤f.如果S+V2A2Xap) < P，位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输出的 下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn计算如下 rp=S+VXTp-l/2XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp
再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V。 本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
权利要求
1.一种风力发电机组变桨距控制电路，包括PID单元、驱动器、电机、编码器、加法器， 所述PID单元的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的驱动信号输出端与电机驱动信号 输入端连接，所述编码器用于采集电机角位移值，编码器的输出端与加法器的反相输入端 连接；所述加法器的输出端与PID单元的输入端连接，其特征在于，还包括位移连续化控制 单元与加速度控制单元；所述位移连续化控制单元包含接收角度设定值P的输入端，位移 连续化控制单元还接收加速度控制单元输出的角加速度设定值ap ；位移连续化控制单元 的输出端与所述加法器的正相输入端连接。
2.如权利要求1所述的一种风力发电机组变桨距控制电路，其特征在于，所述编码器 为SSI编码器。
3.如权利要求1或2所述的一种风力发电机组变桨距控制电路的工作方法，其特征在 于，控制电机分若干工作周期转到角度设定值P，包括以下步骤步骤201 位移连续化控制单元根据当前工作周期中电机的角度计算值S与当前工作 周期中电机的角速度计算值V，按照角加速度设定值ap计算下一工作周期Tp应输出的角位 移值rp ；当电机正向转动时所述角加速度设定值ap大于或者等于0，当前工作周期角速度 计算值V大于或者等于0 ；当电机反向转动时所述角加速度设定值ap小于或者等于0，当前 工作周期角速度计算值V小于或者等于0 ；步骤202 角位移值rp减去SSI编码器反馈回来的电机实际角位移，得到差值ep ；步骤203 对差值ep进行PID运算得到当前工作周期应输出的角速度值u ；步骤204 驱动器将角速度u转换为电压值，并用此电压值驱动电机转动；步骤205 在下一个工作周期中重复步骤20广204，直到电机带动桨叶转动角度等于设 定的角位移值P。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组变桨距控制电路工作方法，其特征在于， 当电机正向转动时，所述步骤201中位移连续化控制单元在当前工作周期应当输出的下一 工作周期角位移值rp计算过程包括判断电机在当前工作周期角度计算值S、当前工作周期角速度计算值V的基础上按照 角加速度设定值ap转动到角速度为零的状态时的角度S+V2A2Xap)与角度设定值P的大 小关系步骤a.如果S+V2/ (2 X ap)〈P，则比较在当前工作周期角速度计算值V基础上按照角加 速度设定值ap加速一个工作周期后，电机的速度V+ apXTp是否超过电机允许的最大速 度 Vmax步骤al.如果V+ apXTp彡Vmax，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期 应输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp+1/2 XapX (Tp)2 Vn=V+apXTp再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；步骤a2.如果V+apXTp>VmaX，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+VmaxXTpVn=Vmax再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；步骤b.如果S+V2A2 Xap) =P，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输 出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；步骤c.如果S+V2/ (2 X ap) >P，位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输出的下一 工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn计算如下 rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V。
5.根据权利要求3所述的一种风力发电机组变桨距控制电路工作方法，其特征在于， 当电机反向转动时，所述步骤201中位移连续化控制单元输出的下一工作周期角位移值rp 计算过程包括判断电机在当前工作周期角度计算值S、当前工作周期角速度计算值V的基础上按照 角加速度设定值ap转动到角速度为零的状态时的角度S+V2A2Xap)与角度设定值P的大 小关系步骤d.如果S+V2A2Xap) > P，则比较在当前工作周期角速度计算值V基础上按照 角加速度设定值ap加速一个工作周期后，电机的速度V+apXTp是否大于或者等于电机允 许的最小速度Vmin:步骤dl.如果V+apXTp >Vmin，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp+1/2 XapX (Tp)2 Vn=V+apXTp再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；步骤d2.如果V+apXTp <Vmin，则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应 输出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+VminXTp Vn=Vmin再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；步骤e.如果S+V2/ (2 X ap) =P,则计算出位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输 出的下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn rp=S+V X Tp-1/2 XapX (Tp)2Vn=V-apXTp再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V ；步骤f.如果S+V2A2Xap) < P，位移连续化控制单元应当在当前工作周期应输出的 下一工作周期角位移值rp与下一工作周期电机角速度计算值Vn计算如下 rp=S+VXTp-l/2XapX (Tp)2 Vn=V-apXTp再将rp的值赋给当前工作周期电机角度计算值S，将Vn值赋给当前工作周期电机角速 度计算值V。
全文摘要
本发明公开了一种风力发电机组变桨距控制电路及其工作方法，涉及电气控制领域，尤其是一种风力发电机组变桨距控制电路及控制方式。本发明的技术要点是将主控单元输出的角度设定值P按照加速度控制单元输出的加速度ap、电机当前位置的角度值S、电机当前的角速度分解为若干较小的角度rp，并且分若干工作周期输出。本发明具有输出控制速度曲线平稳、系统响应快、控制精度高的优点。主要用于风力发电机组变桨距控制。
文档编号F03D7/00GK102141003SQ20111003759
公开日2011年8月3日 申请日期2011年2月14日 优先权日2011年2月14日
发明者张宇行, 苗强, 袁旭宏 申请人:成都阜特科技有限公司