一种风机偏航控制方法及系统与流程

1.本发明涉及一种风机偏航控制方法及系统，属于风力发电机偏航系统技术领域。


背景技术：

2.风力发电机组的偏航系统又称对风装置，其作用在当前风速方向变化时，能够驱动风轮重新对准风向以便于获得最大风能。当偏航系统偏航结束时，采用矢量控制的偏航控制系统并不会闭合偏航电机的抱闸制动器，若此时的外界风载大导致本已偏航停机的机舱在风载作用下又产生了运动，伺服驱动器控制偏航电机输出力矩代替偏航电机制动器的制动力矩，以对抗外界风载的作用使得机舱快速停止下来，不需要闭合偏航电机的制动器；若机舱在偏航停机后外界风载并不大，机舱实际转速可以正常减速到零转速，则此时处于静止状态的偏航电机仍会输出静态转矩以来抗衡液压刹车系统的阻尼力矩。此时，偏航系统的机械传动齿轮处于持续受力状态，机舱也会因受力形变而持续发出噪音，这是采用矢量控制算法的偏航系统因自身特性带来的副作用，是一种需要消除的异常现象。
3.当机舱快要到达目标偏航位置后，伺服驱动器开始降低扭矩电流的输出，控制偏航电机的输出转矩减小，控制机舱按照一定的减速度执行减速运动直至进入静止状态。在不考虑外界风载力矩的情况下，偏航电机的输出转矩无需降到零而是仅需降到与阻尼力矩大致相等即可让机舱在机械摩擦力矩的作用下停止下来。只要机舱偏航运动的动力(电机输出转矩)不为零，则机舱就会存在相对运动趋势，相对运动趋势的存在导致转换为静摩擦力矩的阻尼力矩不会自动降到零，只有等到机舱失去动力(电机输出转矩变为0)即机舱失去相对运动趋势后阻尼力矩才能自行消除。但由于偏航停机后，偏航电机的转速命令和实际转速都为0，因此伺服驱动器的速度环输入偏差e＝0，速度环无法自行消除积分累计量b0，导致速度环的输出无法归零，伺服驱动器持续控制偏航电机输出静态转矩。偏航电机静态转矩的存在使得机舱始终存在相对运动趋势，导致已转换为静摩擦力矩的阻尼力矩无法自动消除。此时偏航电机输出的静态力矩始终与阻尼力矩保持抗衡状态，导致机舱因此持续受力从而不间断地发出噪音，另外由于伺服驱动器持续输出电流，偏航电机长时间处于工作状态导致发热严重。
4.偏航系统停机后机舱处于静止状态时，偏航电机输出的静态转矩与液压刹车系统输出的阻尼力矩相互抗衡，如果卸放液压刹车系统的油压为0，虽然可以使阻尼力矩消失，从而让偏航电机输出的静态转矩随之消失，但是偏航停机时液压刹车系统必须处于全压制动状态，不可能采取该方式解决该问题。如果采取偏航停机时让伺服驱动器去使能的方式消除偏航电机输出的静态转矩，则当外界风载突然增大导致机舱移位时，偏航电机对抗外界风载力矩的能力也会随之同时消失。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种风机偏航控制方法及系统，用以解决机舱停机时偏航电机无法消除静态转矩导致阻尼力矩无法消除、机舱发出噪音和严重发热的问题。
6.为实现上述目的，本发明的方案包括：
7.本发明的一种风机偏航控制方法，包括以下步骤：
8.1)获取偏航电机的指令速度与偏航电机的实际速度；
9.2)当偏航电机的指令速度和实际速度都为0时，速度环的输入偏差为零，令偏航电机速度环中的积分累积量的系数小于1，根据积分累积量对积分控制量进行计算，将当前得到的积分控制量结果赋值给下一刻的积分累积量，直至积分累积量减小至一定阈值时，将积分累积量清零，使速度环的转矩电流为0，偏航电机的静态转矩为0。
10.有益效果：本发明的风机偏航控制方法，在偏航电机的指令速度和实际速度都为0时，根据积分控制量和积分累积量的计算关系，令积分累积量的系数小于1，并通过积分控制量不断赋值给下一刻的积分累积量，使积分累积量不断减小，直到减小到一定数值以下，直接将积分累积量清零，以消除偏航电机的静态转矩。该方法在偏航停机时，在不需要卸放液压刹车系统的油压，也不去使能偏航驱动器的情况下，消除了静态转矩，机舱偏航系统的传动齿轮不再持续受力从而延长了其使用寿命，机舱也不再因持续受力而不间断地发出噪音，而积分累积量清零后，速度环的转矩电流也为零，而不是维持在某个特定值上，偏航电机不再因长时间输入电流而导致严重发热。
11.进一步地，所述积分控制量为：
12.b＝μb0+k
ie13.b0为积分累积量，ki为积分控制系数，e为速度环的输入偏差量。
14.有益效果：根据积分控制量的公式得知，积分控制量与积分累积量成线性关系，当偏航停机时，积分累积量的系数小于1，积分累积量等于上一次积分控制量的结果，因此积分累积量逐渐递减，进而静态转矩逐渐减小至零，而非直接清零，使得机舱在偏航停机瞬间的运动状态和受力状态过渡地更加平滑和稳定，减少了机舱在停机瞬间的振动。
15.进一步地，当偏航电机的指令速度不为0或实际速度不为0时，令偏航电机速度环中的积分累积量的系数等于1，根据当前得到的积分控制量所对应的速度环的输出转矩控制偏航电机。
16.有益效果：当机舱在偏航运动停止后外界风载突然增大，此时偏航电机的实际转速不为0，因此速度环的输入偏差量不为零，同时偏航电机实际转速不为0而自动恢复为1，此时令积分累积量的系数为1，伺服驱动器的速度环能够重新开始正常工作，控制偏航电机输出转矩对抗风载作用使机舱能够重新恢复到静止状态。
17.进一步地，速度环的转矩电流为速度环的比例控制量与积分控制量的和。
18.有益效果：转矩电流为速度环的比例控制量与积分控制量的和，当偏航停机时，速度环的比例控制量为0，积分控制量也为0，进而速度环的转矩电流也为零，而不是维持在某个特定值上，偏航电机不再因长时间输入电流而导致严重发热。
19.进一步地，速度环的比例控制量为比例控制系数与输入偏差的乘积。
20.本发明的一种风机偏航控制系统，包括处理器，所述处理器用于执行程序指令以实现如上述任一项所述的风机偏航控制方法。
21.有益效果：本发明的风机偏航系统，主要包括处理器，来执行程序指令实现风机偏航控制方法，该系统的设置结构简单，当偏航停机时，在不需要卸放液压刹车系统的油压、也不去使能偏航驱动器的情况下，能够很好的消除静态转矩，进而使机舱偏航系统的传动
齿轮不再持续受力从而延长了其使用寿命，机舱也不再因持续受力而不间断地发出噪音。
附图说明
22.图1是本发明的方法实施例中偏航停机时静态转矩的矢量控制系统转速环工作原理图；
23.图2是是本发明的方法实施例中在偏航停机时自动消除电静态转矩功能的流程图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
25.风机偏航控制方法实施例：
26.如图1所示的一种消除偏航系统静态转矩的方法，首先获取偏航电机的指令速度和实际速度，当偏航电机处于偏航停止状态时，令偏航电机速度环中的积分累积量的系数小于1，根据积分累积量对积分控制量进行计算，将得到的积分控制量结果再次赋值给积分累积量，直至积分累积量减小至一定阈值时，将积分累积量清零，使速度环的转矩电流为0，偏航电机的静态转矩为0。具体实施方式如下：
27.如图1所示，在伺服驱动器的矢量控制算法中，速度环的输入偏差量为偏航电机的指令速度v
cmd
和偏航电机的实际速度v
real
的差值，即e＝v
cmd-v
real
。速度环的输出量为驱动器的转矩电流(该电流主要控制的是输出电流中的q轴电流分量)的控制指令i
cmd
，该转矩电流的控制指令由速度环的比例控制部分与速度环的积分控制部分确定，即速度环的比例控制量与积分控制量的和(a+b，其中，a为速度环的比例控制量，b为速度环的积分控制量)。速度环的比例控制量a为：
28.a＝k
p
*e
29.式中，k
p
为比例控制系数，为固定值。
30.速度环的积分控制量b为：
31.b＝μb0+ki*e
32.式中，b0为积分累积量，其初始值为0，ki*e为积分比例因子，ki为积分控制系数。当积分控制量b的计算完成时，将该计算结果赋值给积分累积量b0，即b0＝b。
33.如图2所示的流程图中，当主控系统下发至伺服驱动器的偏航电机的指令速度为0，且偏航电机的实际速度也为0时，当前偏航电机处于偏航停止状态，此时伺服驱动器的静态转矩消除功能使能。此时，速度环的输入偏差量为0，进而速度环的比例控制量a为0，速度环的积分控制因子为0，即b＝μb0，此时，令积分累积量b0的系数μ《1，当积分控制量b按照主控系统的指令，将当前的计算结果不断赋值给下一刻的积分累积量b0时，积分控制量b和积分累积量b0逐渐减小，此时转矩电流的控制指令i
cmd
也对应减小，直至积分累积量b0减小至一定阈值b
min
，将积分累积量直接清零，偏航电机的静态转矩得到彻底的消除。其中，阈值b
min
并非恒定值，该值需要根据风机的具体机型，结合现场调试情况确定，一般将该阈值b
min
设定为积分累积量b0初始值的5％至15％之间。
34.当主控系统下发至伺服驱动器的偏航电机的指令速度不为0，或者偏航电机的实际速度不为0时，即当前偏航电机处于偏航运动状态，此时速度环的输入偏差量不为0，进而
比例控制量a不为0，此时的积分控制量b的积分比例因子不为0，令积分累积量b0的系数μ＝1，偏航驱动器以正常运行的矢量控制流程控制偏航电机。
35.当机舱在偏航运动停止后外界风载突然增大，机舱在外界风载的作用下偏航位置(角度)发生变化时，由于此时偏航电机的实际转速不为0，所以速度环的输入偏差量e≠0，偏航电机实际转速不为0而自动恢复为1，所以伺服驱动器的静态转矩消除功能自动去使能，伺服驱动器速度环能够重新开始正常工作，控制偏航电机输出转矩对抗风载作用使机舱能够重新恢复到静止状态。
36.风机偏航控制系统实施例：
37.本实施例中的一种风机偏航控制系统，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互。存储器包括至少一个存储器能够存储伺服驱动器的矢量控制算法，处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，执行各种功能应用以及数据处理，实现本发明的方法实施例中介绍的风机偏航控制方法。
38.其中，处理器可以为微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga等处理装置。
39.存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如ram、rom等；也可为利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘等；还可为利用光学方式存储信息的各式存储器，例如cd、dvd等；当然，还可为其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。
40.以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种风机偏航控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取偏航电机的指令速度与偏航电机的实际速度；2)当偏航电机的指令速度和实际速度都为0时，速度环的输入偏差为零，令偏航电机速度环中的积分累积量的系数小于1，根据积分累积量对积分控制量进行计算，将当前得到的积分控制量结果赋值给下一刻的积分累积量，直至积分累积量减小至一定阈值时，将积分累积量清零，使速度环的转矩电流为0，偏航电机的静态转矩为0。2.根据权利要求1所述的风机偏航控制方法，其特征在于，所述积分控制量为：b＝μb0+k
i
eb0为积分累积量，k
i
为积分控制系数，e为速度环的输入偏差量。3.根据权利要求2所述的风机偏航控制方法，其特征在于，当偏航电机的指令速度不为0或实际速度不为0时，令偏航电机速度环中的积分累积量的系数等于1，根据当前得到的积分控制量所对应的速度环的输出转矩控制偏航电机。4.根据权利要求2所述的风机偏航控制方法，其特征在于，速度环的转矩电流为速度环的比例控制量与积分控制量的和。5.根据权利要求4所述的风机偏航控制方法，其特征在于，速度环的比例控制量为比例控制系数与输入偏差的乘积。6.一种风机偏航控制系统，包括处理器，其特征在于，所述处理器用于执行程序指令以实现如权利要求1-5任一项所述的风机偏航控制方法。

技术总结
本发明涉及一种风机偏航控制方法及系统，属于风力发电机偏航系统技术领域。本发明首先获取偏航电机的指令速度与偏航电机的实际速度，当偏航电机的指令速度和实际速度都为0时，速度环的输入偏差为零，令偏航电机速度环中的积分累积量的系数小于1，根据积分累积量对积分控制量进行计算，将当前得到的积分控制量结果赋值给下一刻的积分累积量，直至积分累积量减小至一定阈值时，将积分累积量清零，使速度环的转矩电流为0，偏航电机的静态转矩为0，该方法能够在机舱停机时，不卸放刹车系统的油压的情况下，消除偏航电机的静态转矩。消除偏航电机的静态转矩。消除偏航电机的静态转矩。


技术研发人员：王旭昊 代兴华 张聪 王海明 刘德林
受保护的技术使用者：许昌许继风电科技有限公司
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/6/28