双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法及其系统

技术领域

本申请涉及风力发电技术领域，具体地涉及一种双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法及其系统。

背景技术

风电机组变桨系统是风电机组安全、稳定、高效运行的核心系统。但是变桨系统存在故障率高、维护费用高等问题。此外，风电机组大型化与海上风电的不断发展，对变桨系统在稳定性、可靠性、高效性等方面提出了更高的要求。

风电机组大型化导致变桨系统载荷增大，单驱式变桨系统由于驱动力有限已不能满足变桨驱动系统的要求；此外，单驱式变桨系统存在径向偏载和局部载荷过大的问题，因此亟需设计出更符合大容量机组的可靠的变桨系统。其中双(多)驱式变桨系统是一种有效的解决方案。

在一篇名称为《一种用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构》的现有技术文献中，变桨机构由两套闭式泵控液压系统驱动，当一套变桨驱动系统液压回路出现故障失压时，控制系统自动切换至第二套驱动系统的液压回路，实现了变桨系统冗余设计，提高了系统可靠性。但是，该系统是由一个液压缸实现变桨，仍存在径向偏载和局部载荷过大的问题。在另外一篇名称为《一种风力发电机组变桨双电机驱动控制系统》的现有技术文献中，双驱控制可以对载荷平均分配，使得单个驱动器的出力更小，进而可以减小加载到轴承齿面的疲劳载荷，延长变桨轴承寿命，并实现了双电机同步控制。此外，在名称为《一种双电机变桨系统的控制方法及装置》的现有技术文献中，对主电机和从电机分别进行控制，使电机目标转矩一部分由主电机输出，另一部分由从电机输出，实现主电机和从电机的协调控制，保证桨叶能够达到目标位置。从上述文献公开的内容可以获知，电动变桨技术已经相对成熟，如何将液压系统的优势与大型变桨系统更好地相结合还有待进一步探索。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明通过变桨控制器接收主控系统变桨指令，控制两套EHA(闭式泵控液压系统)驱动单元分别进行位置和压力控制，实现双EHA驱动独立变桨系统对主控系统桨距角指令的高精度、高动态跟踪。

为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：一种双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法，其包括以下步骤：

步骤1：基于风场SCADA(数据采集与监视控制系统)和风电机组数据，建立变桨系统载荷与机组功率预测模型；

获取风场中长期SCADA数据和风电机组数据，清洗数据，并进行归一化处理，获得状态量的归一化结果x和实际量的归一化结果y；将状态量的归一化结果x＝{v,w,θ,β,Δψ}作为神经网络的输入，实际量的归一化结果y＝{P,T

式中：T

步骤2：利用变桨载荷与机组功率预测模型，获得机组变桨载荷与机组功率预测值；

机组主控系统实时监测并采集的状态量x＝{v,w,θ,β,Δψ}；将上述归一化后的状态量代入机组变桨载荷模型与机组功率预测模型，获得机组变桨载荷与机组功率预测值为T

式中：y表示实际量的归一化结果；y

步骤3：根据桨距角指令与变桨载荷预测值，建立第一EHA驱动单元的控制环节；

将桨距角指令信号转化为第一液压缸的位移信号，控制变桨系统的液压缸活塞杆位移，则第一液压缸位移指令信号的计算模型如下所示：

式中：l

变桨控制器将主控系统的桨距角指令β

步骤4：根据变桨载荷预测值与第一EHA驱动单元的速度误差反馈信号，建立第二EHA驱动单元控制环节；

变桨控制器将变桨载荷预测值T

式中：F

步骤5：协同控制第一EHA驱动单元和第二EHA驱动单元，实现双EHA驱动单元的协同控制；

获取步骤3、4中所述的第一EHA驱动单元和第二EHA驱动单元协同驱动叶片变桨，实现双EHA驱动独立变桨系统对主控系统的桨距角指令的动态高精度跟踪，最终实现双EHA驱动单元的协同控制。

可优选的是，所述步骤1中的获取风场中长期SCADA数据和风电机组数据，清洗数据，并进行归一化处理，具体为：

所述风场中长期SCADA数据和风电机组数据的内容覆盖全部风况下v

所述数据进行清洗为剔除机组停机状态、传感器采集错误及干扰的数据；

获取风场中长期SCADA数据和风电机组数据，清洗数据，并进行归一化处理，处理过程如下所示：

式中：x

可优选的是，所述步骤3中的根据桨距角指令与变桨载荷预测值，建立第一EHA驱动单元的控制环节，具体为：

设计前馈控制环节C

e

式中：e

设计误差补偿控制器C

根据变桨载荷预测值T

将上述三部分控制环节相加，得到第一EHA驱动单元中伺服电机的转速控制指令ω

ω

式中：ω

伺服驱动器控制伺服电机转速跟踪转速指令ω

可优选的是，所述步骤4中的根据变桨载荷预测值与第一EHA驱动单元的速度误差反馈信号，建立第二EHA驱动单元控制环节，具体为：

设计前馈控制环节C

e

式中：e

设计误差补偿控制器C

e

式中：e

设计前馈补偿控制器C

将上述三部分控制环节相加，得到第二EHA驱动单元中伺服电机的转矩控制指令T

T

式中：T

伺服驱动器控制伺服电机转矩跟踪转矩指令T

本发明的第二个方面提出了一种基于前述双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法的变桨系统，能够实现双EHA驱动独立变桨系统协同控制，所述变桨系统包括：风电机组主控系统、变桨控制器、第一EHA驱动单元和第二EHA驱动单元和变桨轴承；

所述风电机组主控系统主要用于风电机组整机状态检测与控制，结合机组运行状态与风况对变桨系统进行控制；

所述变桨控制器将主控系统的桨距角指令转化为第一EHA驱动单元的第一伺服电机的转速指令，并结合预测的变桨载荷与液压缸两腔压力反馈设定第二EHA驱动单元的伺服电机的转矩指令；所述变桨控制器分别对第一EHA驱动单元、第二EHA驱动单元进行位置控制与压力控制，实现双EHA驱动独立变桨系统对主控系统的桨距角指令的动态高精度跟踪；

所述第一EHA驱动单元包括第一伺服驱动器、第一伺服电机、第一双向定排量泵、第一液控单向阀、第二液控单向阀、第一溢流阀、第二溢流阀、第一电磁开关阀、第二电磁开关阀、第三电磁开关阀、第四电磁开关阀、第五电磁开关阀、第六电磁开关阀、第一闭式油箱、第一应急蓄能器、第一液压缸、第一位移传感器、第一无杆腔压力传感器和第一有杆腔压力传感器；所述第一伺服驱动器和第一伺服电机连接，控制第一伺服电机转速与转矩；所述第一伺服电机和第一双向定排量泵同轴相连；所述第一双向定排量泵的P口分别和第五电磁开关阀的P口、第六电磁开关阀的P口、第二溢流阀的Q口、第二液控单向阀的Q口、第一液控单向阀的控制油口连接；所述双向定排量泵的Q口分别和第一电磁开关阀的P口、第二溢流阀的P口、第一液控单向阀的Q口、第二液控单向阀的控制油口连接；所述第一液控单向阀的P口分别和第一溢流阀的Q口、第二电磁开关阀的P口、第一闭式油箱的油口、第三电磁开关阀的P口、第二溢流阀的Q口、第二液控单向阀的P口连接；所述第四电磁开关阀的P口分别和第一应急蓄能器的油口、第六电磁开关阀的Q口连接；所述第一液压缸的无杆腔分别和第一无杆腔压力传感器、第三电磁开关阀的Q口、第四电磁开关阀的Q口、第五电磁开关阀的Q口连接；所述第一液压缸的有杆腔分别和第一电磁开关阀的Q口、第二电磁开关阀的P口、第一有杆腔压力传感器连接；所述第一位移传感器安装在第一液压缸上，用于监测液压缸活塞杆位移；所述第二EHA驱动单元包括第二伺服驱动器、第二伺服电机、第二双向定排量泵、第三液控单向阀、第四液控单向阀、第三溢流阀、第四溢流阀、第七电磁开关阀、第八电磁开关阀、第九电磁开关阀、第十电磁开关阀、第十一电磁开关阀、第十二电磁开关阀、第二闭式油箱、第二应急蓄能器、第二液压缸、第二位移传感器、第二无杆腔压力传感器和第二有杆腔压力传感器；

所述第二伺服驱动器和第二伺服电机连接，控制第二伺服电机转速与转矩；所述第二伺服电机和第二双向定排量泵同轴相连；所述第二双向定排量泵的P口分别和第十一电磁开关阀的P口、第十二电磁开关阀的P口、第四溢流阀的Q口、第四液控单向阀的Q口、第三液控单向阀的控制油口连接；所述第二双向定排量泵的Q口分别和第七电磁开关阀的P口、第四溢流阀的P口、第三液控单向阀的Q口、第四液控单向阀的控制油口连接；所述第三液控单向阀的P口分别和第三溢流阀的Q口、第八电磁开关阀的P口、第二闭式油箱的油口、第九电磁开关阀的P口、第四溢流阀的Q口、第四液控单向阀的P口连接；所述第十电磁开关阀的P口分别和第二应急蓄能器的油口、第十二电磁开关阀的Q口连接；所述第二液压缸的无杆腔分别和第二无杆腔压力传感器、第九电磁开关阀的Q口、第十电磁开关阀的Q口、第十一电磁开关阀的Q口连接；所述第二液压缸的有杆腔分别和第七电磁开关阀的Q口、第八电磁开关阀的口、第二有杆腔压力传感器连接；所述第二位移传感器安装在第二液压缸上，用于监测第二液压缸活塞杆位移；

所述变桨轴承外圈固定在轮毂上，变桨轴承内圈与叶片根部、传扭盘固定连接，第一液压缸和第二液压缸平行对置安装，第一液压缸和第二液压缸的有杆腔尾部分别与轮毂通过铰链连接，第一液压缸和第二液压缸的活塞杆端部分别通过关节轴承与传扭盘连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用的双EHA驱动独立变桨系统包括两个EHA驱动单元，高度集成的闭式泵控液压系统(EHA)驱动单元无需液压滑环与长管路，减小油液泄漏风险，维护便捷；两个EHA驱动单元平行对置安装，协同驱动叶片变桨，驱动力大，径向偏载小。

(2)本发明通过变桨载荷预测，并分别对第一EHA驱动单元、第二EHA驱动单元进行位置高精度控制与压力补偿控制，能实现双EHA驱动独立变桨系统对主控系统的桨距角指令的高精度、高动态的跟踪。

附图说明

图1为本发明实施例双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法的控制框图；

图2为本发明实施例的双EHA驱动独立变桨系统结构示意图；

图3为本发明实施例的变桨执行机构结构示意图；

图4为本发明实施例的变桨执行机构液压杆结构示意图；

图5为本发明实施例中变桨系统控制模式切换方法的流程图；

图6为本发明实施例中变桨协同控制方法的控制系统原理图；

图7为本发明实施例中变桨系统载荷与机组功率预测模型训练流程图。

主要附图标记：

1、第一伺服驱动器；2、第一伺服电机；3、第一双向定排量泵；4、第一液控单向阀；5、第一溢流阀；6、第一电磁开关阀；7、第二电磁开关阀；8、第一位移传感器；9、传扭盘；10、变桨轴承；11、第一液压缸；12、第一无杆腔压力传感器；13、第一闭式油箱；14、第三电磁开关阀；15、第四电磁开关阀；16、第五电磁开关阀；17、第一应急蓄能器；18、第六电磁开关阀；19、第二溢流阀；20、第二液控单向阀；21、第一有杆腔压力传感器；22、变桨控制器；23、主控系统；24、第二伺服驱动器；25、第二伺服电机；26、第二双向定排量泵；27、第三液控单向阀；28、第三溢流阀；29、第七电磁开关阀；30、第八电磁开关阀；31、第二有杆腔压力传感器；32、第二位移传感器；33、第二液压缸；34、第二无杆腔压力传感器；35、第二闭式油箱；36、第九电磁开关阀；37、第十电磁开关阀；38、第十一电磁开关阀；39、第二应急蓄能器；40、第十二电磁开关阀；41、第四溢流阀；42、第四液控单向阀；43、轮毂；44、叶片；A、第一EHA驱动单元、B、第二EHA驱动单元。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本发明实施例采用的双EHA驱动独立变桨系统包括两个EHA驱动单元，高度集成的闭式泵控液压系统(EHA)驱动单元无需液压滑环与长管路，减小油液泄漏风险，维护便捷；两个EHA驱动单元平行对置安装，协同驱动叶片变桨，驱动力大，径向偏载小；通过变桨载荷预测，并分别对第一EHA驱动单元A、第二EHA驱动单元B进行位置高精度控制与压力补偿控制，能实现双EHA驱动独立变桨系统对主控系统的桨距角指令的高精度、高动态的跟踪。如图1所示为本发明实施例双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法的控制框图。

本发明实施例提供了一种双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法，如图2所示为本发明实施例的流程图；为了证明本发明的适用性，将其应用于实例，具体包含如下步骤：

S1：基于风场SCADA和风电机组数据，建立变桨系统载荷与机组功率预测模型。

获取风场中长期SCADA数据和风电机组数据，清洗数据，并进行归一化处理，获得状态量的归一化结果x和实际量的归一化结果y。

风场中长期SCADA数据和风电机组数据的内容覆盖全部风况下v

式中：x

将状态量的归一化结果x＝{v,w,θ,β,Δψ}作为神经网络的输入，实际量的归一化结果y＝{P,T

式中：T

S2：利用变桨载荷与机组功率预测模型，获得机组变桨载荷与机组功率预测值。

机组主控系统实时监测并采集的状态量x＝{v,w,θ,β,Δψ}；将上述归一化后的状态量代入机组变桨载荷模型与机组功率预测模型，获得机组变桨载荷与机组功率预测值为T

式中：y表示实际量的归一化结果；y

S3：根据桨距角指令与变桨载荷预测值，建立第一EHA驱动单元A的控制环节。

设计前馈控制环节C

e

式中：e

设计误差补偿控制器C

根据变桨载荷预测值T

将上述三部分控制环节相加，得到第一EHA驱动单元A中第一伺服电机的转速控制指令ω

ω

式中：ω

第一伺服驱动器控制第一伺服电机转速跟踪转速指令ω

将桨距角指令信号转化为第一液压缸的位移信号，控制变桨系统的液压缸活塞杆位移，则第一液压缸位移指令信号的计算模型如下所示：

式中：l

变桨控制器将主控系统的桨距角指令β

S4：根据变桨载荷预测值与第一EHA驱动单元A的速度误差反馈信号，建立第二EHA驱动单元B控制环节。

设计前馈控制环节C

e

式中：e

设计误差补偿控制器C

e

式中：e

设计前馈补偿控制器C

将上述三部分控制环节相加，得到第二EHA驱动单元A中第二伺服电机的转矩控制指令T

T

式中：T

第二伺服驱动器控制第二伺服电机转矩跟踪转矩指令T

变桨控制器将变桨载荷预测值T

式中：F

S5：协同控制第一EHA驱动单元A和第二EHA驱动单元B，实现双EHA驱动单元的协同控制。

获取S3、4中的第一EHA驱动单元A和第二EHA驱动单元B协同驱动叶片变桨，实现双EHA驱动独立变桨系统对主控系统的桨距角指令的动态高精度跟踪，最终实现双EHA驱动单元的协同控制。如图5所示为本发明实施例中变桨系统控制模式切换方法的流程图。

如图6所示为本发明实施例中变桨协同控制方法的控制系统原理图；表1所示为通过本方法控制原理实现的EHA驱动变桨与阀控缸变桨系统的效率对比数据，能够明显看出本方法的系统效率要高于阀控缸变桨系统效率。

表1 EHA驱动变桨与阀控缸变桨系统的效率对比

本发明的第二个方面提出了一种双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法的变桨系统，能够实现双EHA驱动独立变桨系统协同控制，变桨系统主要结构包括：风电机组主控系统23、变桨控制器22、第一EHA驱动单元A、第二EHA驱动单元B和变桨轴承10。

风电机组主控系统23主要用于风电机组整机状态检测与控制，结合机组运行状态与风况对变桨系统进行控制。

变桨控制器22将主控系统23的桨距角指令转化为第一EHA驱动单元A的第一伺服电机2的转速指令，并结合预测的变桨载荷与液压缸两腔压力反馈设定第二EHA驱动单元B的伺服电机B的转矩指令；如图3所示为本发明实施例的变桨执行机构结构示意图。变桨控制器22分别对第一EHA驱动单元A、第二EHA驱动单元B进行位置控制与压力控制，实现双EHA驱动独立变桨系统对主控系统23的桨距角指令的动态高精度跟踪。如图4所示为本发明实施例的变桨执行机构液压杆结构示意图。

第一EHA驱动单元A包括第一伺服驱动器1、第一伺服电机2、第一双向定排量泵3、第一液控单向阀4、第二液控单向阀20、第一溢流阀5、第二溢流阀19、第一电磁开关阀6、第二电磁开关阀7、第三电磁开关阀14、第四电磁开关阀15、第五电磁开关阀16、第六电磁开关阀18、第一闭式油箱13、第一应急蓄能器17、第一液压缸11、第一位移传感器8、第一无杆腔压力传感器12和第一有杆腔压力传感器21。第一伺服驱动器1和第一伺服电机2连接，控制第一伺服电机2转速与转矩；第一伺服电机2和第一双向定排量泵3同轴相连；第一双向定排量泵3的P口分别和第五电磁开关阀16的P口、第六电磁开关阀18的P口、第二溢流阀19的Q口、第二液控单向阀20的Q口、第一液控单向阀4的控制油口连接；双向定排量泵3的Q口分别和第一电磁开关阀6的P口、第二溢流阀19的P口、第一液控单向阀4的Q口、第二液控单向阀20的控制油口连接；第一液控单向阀4的P口分别和第一溢流阀5的Q口、第二电磁开关阀7的P口、第一闭式油箱13的油口、第三电磁开关阀14的P口、第二溢流阀19的Q口、第二液控单向阀20的P口连接；第四电磁开关阀15的P口分别和第一应急蓄能器17的油口、第六电磁开关阀18的Q口连接；第一液压缸11的无杆腔分别和第一无杆腔压力传感器12、第三电磁开关阀14的Q口、第四电磁开关阀15的Q口、第五电磁开关阀16的Q口连接；第一液压缸11的有杆腔分别和第一电磁开关阀6的Q口、第二电磁开关阀7的P口、第一有杆腔压力传感器21连接；第一位移传感器8安装在第一液压缸11上，用于监测液压缸11活塞杆位移。第二EHA驱动单元B包括第二伺服驱动器24、第二伺服电机25、第二双向定排量泵26、第三液控单向阀27、第四液控单向阀42、第三溢流阀28、第四溢流阀41、第七电磁开关阀29、第八电磁开关阀30、第九电磁开关阀36、第十电磁开关阀37、第十一电磁开关阀38、第十二电磁开关阀40、第二闭式油箱35、第二应急蓄能器39、第二液压缸33、第二位移传感器32、第二无杆腔压力传感器34和第二有杆腔压力传感器31。

第二伺服驱动器24和第二伺服电机25连接，控制第二伺服电机25转速与转矩；第二伺服电机25和第二双向定排量泵26同轴相连；第二双向定排量泵26的P口分别和第十一电磁开关阀38的P口、第十二电磁开关阀40的P口、第四溢流阀41的Q口、第四液控单向阀42的Q口、第三液控单向阀27的控制油口连接；第二双向定排量泵26的Q口分别和第七电磁开关阀29的P口、第四溢流阀41的P口、第三液控单向阀27的Q口、第四液控单向阀42的控制油口连接；第三液控单向阀27的P口分别和第三溢流阀28的Q口、第八电磁开关阀30的P口、第二闭式油箱35的油口、第九电磁开关阀36的P口、第四溢流阀41的Q口、第四液控单向阀42的P口连接；第十电磁开关阀37的P口分别和第二应急蓄能器39的油口、第十二电磁开关阀40的Q口连接；第二液压缸33的无杆腔分别和第二无杆腔压力传感器34、第九电磁开关阀36的Q口、第十电磁开关阀37的Q口、第十一电磁开关阀38的Q口连接；第二液压缸33的有杆腔分别和第七电磁开关阀29的Q口、第八电磁开关阀30的P口、第二有杆腔压力传感器31连接；第二位移传感器32安装在第二液压缸33上，用于监测第二液压缸33活塞杆位移。

变桨轴承10外圈固定在轮毂43上，变桨轴承10内圈与叶片44根部、传扭盘9固定连接，第一液压缸11和第二液压缸33平行对置安装，第一液压缸11和第二液压缸33的有杆腔尾部分别与轮毂43通过铰链连接，第一液压缸11和第二液压缸33的活塞杆端部分别通过关节轴承与传扭盘9连接。

综上，本案例双EHA驱动独立变桨系统的变桨协同控制方法的预测结果证明了具有很好的效果。

(1)本发明实施例采用的双EHA驱动独立变桨系统包括两个EHA驱动单元，高度集成的闭式泵控液压系统(EHA)驱动单元无需液压滑环与长管路，减小油液泄漏风险，维护便捷；两个EHA驱动单元平行对置安装，协同驱动叶片变桨，驱动力大，径向偏载小。

(2)本发明实施例通过变桨载荷预测，并分别对第一EHA驱动单元、第二EHA驱动单元进行位置高精度控制与压力补偿控制，能实现双EHA驱动独立变桨系统对主控系统的桨距角指令的高精度、高动态的跟踪。

(3)本发明实施例使用本方与与阀控缸变桨系统的效率进行对比，能够明显看出本方法应用系统效率要高于阀控缸变桨系统效率。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。