本发明涉及风力发电领域，特别涉及风力发电交流变桨伺服驱动器输出力矩平滑控制方法。
背景技术：
风力发电机组的关键承力部件的设计，如叶片、齿轮和轴承等，需要保证其20年运行寿命中具有较高的抗疲劳性能。承力部件如果长期承受过大的力矩和风速变化所带来的瞬间大冲量冲击，必然导致承力部件寿命减少甚至损坏。一旦关键承力部件受到损坏，其所带来的经济破坏是巨大的，不仅会给风电设备制造企业带来不可估量的损失，还会影响整个风电行业和国民经济的健康发展。
变速恒频风力发电机组在输出频率恒定的情况下，其风轮转速可随风速在较宽的范围内变化，使其能够最大效率地利用风能。但是风速波动时，会使风力发电机及变桨电机承受很大的冲击，长期瞬间过大的力矩作用于风机系统，会增加系统的机械损伤风险，影响风力发电机及变桨电机的寿命，甚至导致风力发电机组的安全事故。
变桨控制系统的运行状态直接决定了这些关键部件的承力大小和风速变化所带来的冲击。近年来，随着交流变桨系统的大量使用，风机关键承力部件的质量问题频出。由于交流变桨驱动电机输出扭矩大，叶片、齿轮和轴承等频繁地承受过大的瞬时扭矩，容易出现开裂等结构性的损伤，最终导致风机损坏。因此优化变桨控制系统以降低风力发电机组关键部件的疲劳应力和冲量，对提高风力发电机组运行的可靠性和寿命具有重大的意义。而现有的变桨控制系统运行时基本上都是简单地满足功率最优的控制原则，而未考虑在不同工况和风速下其控制对风机承力部件疲劳寿命的影响。
风机交流变桨伺服控制系统一般存在三个控制环路：最外层的位置环、中间层的速度环和最内层的转矩环。风力发电机一般是根据最大功率跟踪原则随着风速来调整桨叶迎风角度，即通过变桨控制器的最外层位置环来进行调节。但是，上述风机功率调节的过程中，为了维持风机的输出功率，变桨驱动器必须将桨叶调整到一定的角度，而突然快速波动的风速会导致变桨驱动器输出转矩急剧增大，造成突加的能量对叶片、轴承和齿轮瞬间大转矩冲击，导致关键承力部件的应力疲劳。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种有效减低和减小风速波动和交流变桨驱动电机大扭矩输出时，对叶片、齿轮和轴承等瞬时扭矩冲击的风力发电交流变桨伺服驱动器输出力矩平滑控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
风力发电交流变桨伺服驱动器输出力矩平滑控制方法，包括以下顺序步骤：
步骤1)计算变桨电机当前的加速度a＝dωr/dt；
步骤2)判断变桨电机当前的控制模式：如果变桨电机处于速度控制模式，进入步骤3)，如果变桨电机处于位置控制模式，则进入步骤5)；
步骤3)判断变桨电机当前的运行状态：
①如果变桨电机处于匀速状态，当a–0<-δ时，令ttmp1＝t*em，进入步骤4)；
②如果变桨电机处于加速状态，当a–ar<-δ时，令ttmp1＝t*em，进入步骤4)；
③如果变桨电机处于减速状态，当a-af>δ时，令ttmp1＝t*em，进入步骤4)；
步骤4)转矩平滑控制逻辑，输出最终目标转矩，进入步骤6；
步骤5)判断桨叶角度变化速率，当dλr/dt>λs时，令ttmp1＝t*em，进入步骤4)；
步骤6)重复步骤1)；
其中：δ为电机加速度设定阀值；t*em为设定目标转矩；ar为预设加速的加速度，ar＝ω*s/tr，ω*s为电机额定转速，tr为电机加速时间；af为预设减速的加速度，af＝-ω*s/tf，tf为电机减速时间；λs为桨叶角度变化率设定阀值；步骤3)中，变桨电机处于匀速状态时，加速度值为0；变桨电机处于加速状态时，加速度值ar为正；变桨电机处于减速状态时，加速度af值为负。
具体地，所述转矩平滑控制逻辑包括：
①令δt*e＝ζttmp1/τf；
②令t*e＝t*e-δt*e；
③当t*e＞(1-ζ)ttmp1时，回到②；当t*e≤(1-ζ)ttmp1时，t*e＝(1-ζ)ttmp1，转到④；
④令ttmp2＝t*em；
⑤令δt*e＝[ttmp2-(1-ζ)ttmp1]/τr；
⑥令t*e＝t*e+δt*e；
⑦如果t*em＜t*max，当t*e＜t*em时，回到⑥；当t*e≥t*em时，t*e＝t*em；如果t*em≥t*max，当t*e＜t*max时，回到⑥，当t*e≥t*max时，t*e＝t*max；
其中：ζ为转矩平滑控制系数；t*e为最终目标转矩；τf为转矩平滑下调系数；τr为转矩平滑上调系数；t*max为最大输出转矩。
进一步地，所述ζ的大小为0＜ζ＜1，且与a＝dωr/dt线性相关，a＝dωr/dt越大，ζ越大。
进一步地，所述τf与a＝dωr/dt线性相关，且a＝dωr/dt越大，τf越小。
进一步地，所述τr与a＝dωr/dt线性相关，且a＝dωr/dt越大，τr越小。
采用上述技术方案，分别根据速度控制模式下和位置控制模式对变桨电机进行了转矩平滑控制。在速度控制模式下，通过计算当前加速度a＝dωr/dt，分别与预设的加速的加速度ar＝ω*s/tr、减速的加速度af＝ω*s/tf、匀速的加速度0进行求差，再与设定的阀值进行比较，判断上述情况是否需要对变桨电机进行转矩平滑控制。在位置控制模式下，通过求解桨叶的位置变化率dλr/dt，与设定的阀值λs进行比较，判断是否需要对变桨电机进行转矩平滑控制。使得在出现较大的风速波动下，通过对变桨电机进行转矩平滑控制，有效避免对风机的关键部件叶片、齿轮和轴承等产生冲击，有效提高风机的叶片、齿轮和轴承等的使用寿命和使用性能，提高企业的经营效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明风力发电交流变桨伺服驱动器控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如附图1风力发电交流变桨伺服驱动器控制系统示意图所示，其包括最内层转矩环(响应最快)、中间层速度环和最外层位置环组成(响应最慢)。其中，λ*r是目标桨叶角度，λr是实际桨叶角度，δλr是目标桨叶角度和实际桨叶角度的差值，ω*r是目标变桨速度，ωr是实际变桨速度，t*em是经过速度环pi调整后的目标转矩，t*e是经过转矩平滑调整控制后输出的最终目标转矩，te是输出的实际转矩，i*d和i*q分别是输出目标励磁电流和转矩电流，id和iq分别是输出实际励磁电流和转矩电流，θr是变桨电机旋转角度。
在具体应用过程中，当风速波动突然增大时，如果变桨电机的速度ωr突然上升，说明波动的风对桨叶调整形成一个助力，则不需要进行转矩平滑控制处理。如果变桨电机的速度ωr突然下降，说明波动的风对桨叶调整形成一个阻力，将可能会对发生冲击的可能；将判断是否需要对转矩进行平滑控制。同时，在桨叶角度调整到位时，若果此时风速波动突然增大，也有可能产生冲击，会导致位置信号dλr/dt变化率大于设定的位置信号变化率的阀值λs，甚至导致δλr>δλ*r，发生冲击现象。
通过以上分析，要避免变桨电机、传动箱、以及风机叶轮转动齿轮在出现较大风速波动时产生冲击，提高风机系统的使用寿命和使用性能，需要对变桨电机的输出力矩进行平滑控制，降低由于波动过大引起的冲击。
具体实施过程中，风力发电交流变桨伺服驱动器输出力矩平滑控制方法包括以下顺序步骤：
步骤1)计算变桨电机当前的加速度a＝dωr/dt；
步骤2)判断变桨电机当前的控制模式：如果变桨电机处于速度控制模式，进入步骤3)，如果变桨电机处于位置控制模式，则进入步骤5)；
步骤3)判断变桨电机当前的运行状态：
①如果变桨电机处于匀速状态，当a–0<-δ时，令ttmp1＝t*em，进入步骤4)；
②如果变桨电机处于加速状态，当a–ar<-δ时，令ttmp1＝t*em，进入步骤4)；
③如果变桨电机处于减速状态，当a-af>δ时，令ttmp1＝t*em，进入步骤4)；
步骤4)转矩平滑控制逻辑，输出最终目标转矩，进入步骤6；
步骤5)判断桨叶角度变化速率，当dλr/dt>λs时，令ttmp1＝t*em，进入步骤4)；
步骤6)重复步骤1)；
其中：δ为电机加速度设定阀值；t*em为设定目标转矩；ar为预设加速的加速度，ar＝ω*s/tr，ω*s为电机额定转速，tr为电机加速时间；af为预设减速的加速度，af＝-ω*s/tf，tf为电机减速时间；λs为桨叶角度变化率设定阀值；步骤3)中，变桨电机处于匀速状态时，加速度值为0；变桨电机处于加速状态时，加速度值ar为正；变桨电机处于减速状态时，加速度af值为负。
更为具体地，转矩平滑控制逻辑包括：
①令δt*e＝ζttmp1/τf；
②令t*e＝t*e-δt*e；
③当t*e＞(1-ζ)ttmp1时，回到②；当t*e≤(1-ζ)ttmp1时，t*e＝(1-ζ)ttmp1，转到④；
④令ttmp2＝t*em；
⑤令δt*e＝[ttmp2-(1-ζ)ttmp1]/τr；
⑥令t*e＝t*e+δt*e；
⑦如果t*em＜t*max，当t*e＜t*em时，回到⑥；当t*e≥t*em时，t*e＝t*em；如果t*em≥t*max，当t*e＜t*max时，回到⑥，当t*e≥t*max时，t*e＝t*max；
其中：ζ为转矩平滑控制系数；t*e为最终目标转矩；τf为转矩平滑下调系数；τr为转矩平滑上调系数；t*max为最大输出转矩。
在加速度(a＝dωr/dt)控制模式下，第①步中的转矩平滑系数ζ决定了转矩平滑控制的度，即将转矩线性减少至风速突变发生时转矩的(1-ζ)ttmp1，转矩平滑系数ζ的取值范围为0＜ζ＜1，其大小根据风速波动的程度来决定，根据步骤1)中的加速度变化量大小来判断；且ζ与a＝dωr/dt线性相关，a＝dωr/dt越大，ζ越大。
转矩平滑下调系数τf决定了转矩线性向下调整的斜率，其大小跟据风速波动程度来决定；τf与a＝dωr/dt线性相关，且a＝dωr/dt越大，τf越小。
在转矩平滑控制逻辑的第④步，由于平滑控制的影响，速度环的转差率进一步增大，会导致当前输出的t*em比步骤2)中输出的t*em大，因此在转矩平滑控制上升阶段要使得最终输出目标转矩t*e从(1-ζ)ttmp1开始以δt*e的增量上升。
转矩平滑上调系数τr决定了转矩线性向上调整的斜率，其大小跟据风速波动程度来决定，τr与a＝dωr/dt线性相关，且a＝dωr/dt越大，τr越小。
在转矩平滑控制逻辑的第⑦步，在变桨驱动器输出转矩平滑上调的过程中，如果风速波动过大，使得当前t*em大于驱动器的最大限制转矩t*max，则最终输出目标转矩输出t*e不能超过t*max，否则对变桨电机、叶片、齿轮和轴承都会有损伤的风险。在当前t*em不超过最大限制转矩t*max的情况下，在t*e≥t*em时，立刻让t*e＝t*em，结束转矩平滑控制。
在dλr/dt位置控制模式下，通过调整电机加速时间tr和电机减速时间tf来控制变桨驱动器输出转矩的回收与迎送时间，转矩保证在此时间段内对变桨电机的功率调节跟踪造成的影响最小，同时又能保证对变桨驱动器的力矩平滑控制。通过调整转矩平滑控制系数ζ来控制变桨驱动器输出转矩回收量的大小，保证在不同强度风力变化时，都能够很好地缓解叶片、齿轮和轴承所受到的冲击。转矩平滑控制系数ζ根据变桨电机的加速度变化量(对应风速突变量)来线性调节，可以针对不同的风速波动智能调节转矩平滑度。
由于转矩环有一个pi调节器，将输出最终目标转矩设定为t*e＝(1-ζ)ttmp1，并不会导致输出实际转矩te马上就变化到t*e而造成瞬间的抖动。tf时间结束后，不令最终输出目标转矩t*e马上等于当前的t*em，而是以δt*e＝[ttmp2-(1-ζ)ttmp1]/τr的增量逐渐从t*e＝(1-ζ)ttmp1开始递增，是因为前述的转矩回收动作会导致转差率增大，使得转速环输出的t*em比较大，假设此时直接令t*e＝t*em，由于转矩环响应非常快，就会导致变桨驱动器瞬间输出大转矩，对叶片、轴承和齿轮等造成很大的冲击。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。