一种分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统及方法与流程

1.本发明涉及一种分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统及方法，属于风力发电控制技术领域。


背景技术：

2.应对全球气候变化是人类面临的最重大而紧迫的挑战之一。近年来，为了应对气候变化挑战、减少碳排放，我国在能源绿色低碳发展方面做了许多努力，开发利用可再生能源规模稳居世界第一。风力发电更是当今发展最快的绿色能源之一，是我国能源结构优化的重要发展方向。随着风电技术不断进步，风力发电机组大型化、规模化发展的竞争趋势更加突出，同时对机组经济效益和稳定运行的要求也越来越高。
3.风力发电机组对风能的最大捕获能力，依赖于机组对风向实时精确的跟踪。偏航系统是水平轴风力发电机组实时精准对风的关键部件。风力发电机偏航系统主要由偏航轴承、偏航电机、偏航减速箱、液压制动器等部件组成。偏航轴承的内外圈分别与风电机组的机舱和塔筒用螺栓连接，轮齿采用外齿或内齿形式。当偏航时偏航电机驱动安装在偏航减速箱上的小齿轮与大齿圈啮合带动机舱旋转，使风轮对准风向，使风机最大效率捕风。随着风力发电行业设计和制造水平的提高，单机容量也在不断突破。目前，新增装机的主流机型已经由原来的单机容量2mw机组，发展到单机容量6mw及以上机组。为了满足大容量机组的安全平稳偏航对风，偏航系统的驱动机构也增加到了12组及以上。
4.目前，传统的偏航系统控制方式中，偏航电机的驱动控制多为常用的软启动或变频器，由plc并联控制多台变频器或软启动同时启停电机，实现风电机组偏航对风功能。常用多台偏航电机启停控制系统图，如下传图1统变频器和软起动方案多电机控制系统结构概图。传统方案中，风力发电机组的偏航控制命令，通过plc直接同时下发给变频器或软启动，利用变频器或软启动控制偏航电机工作，从而完成偏航。
5.目前，6mw风电机组偏航系统拥有了更多的偏航驱动机构，偏航过程偏航轴承程受载荷情况比2mw保持均衡的要求更高。而现有技术方案中对于偏航驱动12台异步电机的控制方式为独立控制，各电机之间相互独立，在偏航过程中不能实现多偏航驱动轴同步控制，进而在12台偏航电机运行时形成相互“追尾”的现象，造成偏航系统大小齿轮和偏航电机的机械损伤。
6.风力发电机组偏航系统的偏航轴承的内外圈分别与风电机组的机舱和塔筒用螺栓连接，由偏航电机，减速器，减速器传动小齿轮等形成12组偏航驱动系统的驱动小齿传动偏航轴承大轮齿的内齿。由此，偏航系统中偏航大齿和驱动小齿的齿轮间隙，在风力发电机组偏航电机启动时，现有的控制方案对齿轮啮合的速度和转矩不能精准控制，造成齿轮间隙引起的机械冲击。
7.风力发电机组偏航过程，也不同于一般的多电机传动应用环境。对风力发电机组的偏航过程受力分析，偏航轴承齿圈承受的受力载荷，由于外界风载引起的偏航转矩，在运行过程中处于时刻变化。由于整个偏航过程，不同的风况下，风载存在变化较大，为了维持
机组位置和偏航稳定性，需要通过及时调整偏航驱动电机输出力矩和阻尼力矩。传统技术方案对多台偏航电机的并联控制，缺少精确动态调整的控制算法和执行单元，不能精确控制运行过程中的转矩和位置的跟随变化，也不能避免机械和电气的冲击。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统及方法，以解决目前控制方案对齿轮啮合的速度和转矩不能精准控制、进而造成齿轮间隙引起的机械冲击的问题。
9.本发明为解决上述技术问题而提供一种分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统，该控制系统包括有偏航控制单元和若干个主运动控制器，每个主运动控制器控制连接有至少两个从运动控制器；主运动控制器控制的主偏航电机均衡分布在偏航轴承上，从运动控制器控制的从偏航电机用于均衡分布在每个主偏航电机两侧；
10.所述偏航控制单元用于根据偏航对风命令向主运动控制器下发运动控制指令，并接收各偏航电机运动状态信息，完成偏航电机运动控制，实现平稳偏航对风；
11.所述主运动控制器用于接收偏航控制单元的速度和转矩命令，并根据接收到的速度和转矩命令控制主偏航电机，同时协调对应的从运动控制器的跟随运动状态，来完成多台偏航电机的同步工作；所述从运动控制器用于根据主运动控制器的运动状态信息，驱动从偏航电机响应跟随主偏航电机的速度和转矩运动状态。
12.本发明利用分布式主从运动控制器，实现多电机偏航驱动协调控制系统，使风力风电机组多电机偏航驱动机构的偏航电机运动控制器均衡分布控制，同时利用主从偏航电机运动控制器的跟随协调控制，实现分布式的多电机运动控制器在偏航运动过程中同步运动控制，避免了多台偏航电机在运行时由于不同步的追尾现象以及偏航系统各驱动小齿和偏航大齿的受力形成追咬的机械损失。
13.进一步地，所述的偏航控制单元在进行偏航控制时向主运动控制器分配正反方向驱动命令，协调主运动控制器控制偏航方向的主偏航电机逐步加载转速，并控制其他主偏航电机调节反向转速，使偏航驱动机构的偏航小齿轮缓慢啮合偏航轴承的大齿，待齿轮间隙补偿完成后，主运动控制器分别调节各主偏航电机输出正反向平衡力矩。
14.本发明采用的正反方向驱动命令能够使风力发电机组多电机偏航驱动机构的偏航驱动小齿轮和偏航回转轴承大齿轮完成了缓慢柔和的啮合过程，避免了偏航启动产生的啮合冲击，同时偏航电机也完成了柔性启动避免了机械和电气冲击。本方案的偏航优化控制方法实现了偏航驱动系统的柔性启动，使得偏航齿轮间隙在启动过程中动态补偿，避免了齿隙啮合过程力矩突变和转速突变以及偏航电机和减速器的机械冲击伤害。
15.进一步地，当各偏航电机输出平衡转矩使机舱偏航位置稳定后，偏航控制单元通过主运动控制器驱动偏航电机加速至偏航电机额定转速进入偏航运行状态。
16.进一步地，主运动控制器采用内环为电流环、中间环为速度环以及外环为位置环的三环控制方式控制主偏航电机。
17.主偏航电机的运动控制通过外环位置控制环、中间速度控制环和内环的电流控制环，能够精确动态调节主偏航电机的输出转速和转矩，使偏航系统在偏航过程中保持实时精准稳定对风。
18.进一步地，从运动控制器根据主运动控制器的转矩电流为电机控制的转矩电流给定值控制从偏航电机运动，并将从偏航电机的转矩电流反馈值上传给主运动控制器。
19.进一步地，偏航控制单元和主运动控制器之间采用powerlink总线进行数据传输，主运动控制器和从运动控制器之间采用powerlink总线进行数据传输。
20.本发明在偏航控制单元和主运动控制器之间采用powerlink总线进行数据传输，在主运动控制器和从运动控制器之间采用powerlink总线进行数据传输，能够实现偏航控制单元和主运动控制器之间以及主运动控制器和从运动控制器之间数据的高效传输。
21.本发明还提供了一种分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制方法，该控制方法包括以下步骤：
22.将偏航电机化分为主偏航电机和从偏航电机，并使主偏航电机均衡分布在偏航轴承上，从偏航电机均衡分布在每个主偏航电机两侧，为每个主偏航电机配置主偏航电机控制器，为每个从偏航电机配置从偏航电机控制器；
23.通过主运动控制器接收偏航控制单元下发的速度和转矩命令，并根据接收到的速度和转矩命令控制主偏航电机，同时协调对应的从运动控制器的跟随运动状态，来完成多台偏航电机的同步工作；通过从运动控制器根据主运动控制器的运动状态信息，执行响应驱动从偏航电机响应跟随的速度和转矩运动状态。
24.进一步地，所述的偏航控制单元在进行偏航控制时向主运动控制器分配正反方向驱动命令，协调主运动控制器控制偏航方向的主偏航电机逐步加载转速，并控制其他主偏航电机调节反向转速，使偏航驱动机构的偏航小齿轮缓慢啮合偏航轴承的大齿，待齿轮间隙补偿完成后，主运动控制器分别调节各主偏航电机输出正反向平衡力矩。
25.进一步地，主运动控制器采用内环为电流环、中间环为速度环以及外环为位置环的三环控制方式控制主偏航电机。
26.进一步地，从运动控制器根据主运动控制器的转矩电流为电机控制的转矩电流给定值控制从偏航电机运动，并将从偏航电机的转矩电流反馈值上传给主运动控制器。
附图说明
27.图1是传统变频器和软起动方案多电机控制系统结构示意图；
28.图2是本发明分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统拓扑结构示意图；
29.图3是本发明实施例中均衡分布的多电机偏航驱动主从协调控制系统结构图；
30.图4是本发明中主从偏航电机运动控制结构示意图；
31.图5是本发明所采用的主偏航电机运动状态控制原理示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
33.控制系统实施例：
34.本发明的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统如图2所示，包括有偏航控制单元和若干个主运动控制器，每个主运动控制器控制连接有至少两个从运动控制器；主运动控制器控制的主偏航电机均衡分布在偏航轴承上，从运动控制器控制的从偏航电机用于均衡分布在每个主偏航电机两侧。通过主运动控制器接收偏航控制单元下发的速度和
转矩命令，并根据接收到的速度和转矩命令控制主偏航电机，同时协调对应的从运动控制器的跟随运动状态，来完成多台偏航电机的同步工作；通过从运动控制器根据主运动控制器的运动状态信息，执行响应驱动从偏航电机响应跟随的速度和转矩运动状态。下面结合具体的实例进行详细说明。
35.本发明对风力发电机组偏航轴承的齿圈传动强度分析，对齿间载荷的分配、接触面压力分布以及应力建立模型进行计算，根据偏航轴承载荷分析，依据不均衡扭矩载荷情况下的应力情况，选择均衡分布的四台偏航驱动电机为主偏航驱动电机，由四台主运动控制器完成电机的运作状态控制；同时将每台主偏航驱动电机邻近的两台偏航电机，设定为其对应的从偏航电机，由本发明的从运动控制器完成从偏航电机的跟随运动状态控制。
36.本实施例的偏航电机设置如图3所示，其中电机a、电机b、电机c和电机d为主偏航电机，这四台主偏航电机带有旋转编码器，分别通过四台主运动控制器直接驱动电机工作，并将电机编码器信号反馈给对应的主运动控制器。分布在每台主偏航两侧的电机为其从偏航电机，即电机a1和电机a2为主偏航电机a的从偏航电机，即电机b1和电机b2为主偏航电机b的从偏航电机，即电机c1和电机c2为主偏航电机c的从偏航电机，即电机d1和电机d2为主偏航电机d的从偏航电机。从偏航电机的运动控制器跟随对应的主偏航电机运动控制器的运动控制状态，对电机的运动状态进行跟随控制。
37.主从偏航电机运动控制结构如图4所示，偏航控制单元与四台主偏航电机的主运动控制器之间采用powerlink高速总线通讯，以实现实时控制命令和运动数据的传输；四台主运控制器与对应从偏航电机运动控制器之间也利用powerlink高速总线通讯，以实现跟随控制命令和电机运动数据传输。
38.在上述均衡分布的多电机偏航驱动主从协调控制系统的基础上，偏航控制单元根据控制系统左右偏航的命令向主运动控制器分配正反方向驱动命令。首先协调主运动控制器控制偏航方向的三台主偏航电机逐步加载转速，另外一台主偏航电机调节反向转速，使偏航驱动机构的偏航小齿轮缓慢柔和啮合偏航轴承的大齿，待齿轮间隙缓慢补偿完成后，主运动控制器分别调节四台主偏航电机输出正反向平衡力矩，同时各从偏航电机同步协调运动状态。偏航控制单元协调控制偏航液压电磁阀释放偏航刹车压力到余压值，同时依靠电机输出平衡转矩保持机舱偏航位置不变。当系统各电机输出平衡转矩保持机舱偏航位置稳定后，偏航控制单元再驱动偏航电机平缓加速至偏航电机额定转速进入偏航运行状态。由此，在偏航系统启动过程中偏航轴承大齿和偏航驱动小齿存在的齿轮啮合间隙，可以缓慢补偿间隙减少齿面机械冲击。同时本方案方法中控制各偏航电机输出力矩使得，偏航驱动机构形成了偏航加速前的预涨紧力偏航驱动机构受力动态平衡，避免偏航启动过程中机组产生摇摆晃动和振动发生。
39.通过上述控制过程，可使风力发电机组多电机偏航驱动机构的偏航驱动小齿轮和偏航回转轴承大齿轮完成了缓慢柔和的啮合过程，避免了偏航启动产生的啮合冲击，同时偏航电机也完成了柔性启动避免了机械和电气冲击。本方案的偏航优化控制方法实现了偏航驱动系统的柔性启动，使得偏航齿轮间隙在启动过程中动态补偿，避免了齿隙啮合过程力矩突变和转速突变，避免了偏航电机和减速器的机械冲击伤害。
40.主偏航电机运动控制器：主偏航电机采用位置环、速度环和电流环同步控制，如图5所示。主运动控制器利用主偏航电机带的旋转编码器获取电机位置信息，通过速度给定值
和反馈值，完成pi调节得出主偏航电机的转矩电流给定；主运动控制器输出三相电流检测，经过三相电流坐标变化计算得到电机的励磁电流和转矩电流反馈值；主运动控制器利用主偏航电机的位置环、速度环和电流环协调控制算法，控制偏航电机动态输出驱动力矩。
41.从偏航电机运动控制器：从偏航电机控制依靠电流环完成运动状态控制工作。具体而言，从运动控制器通过powerlink高速总线获取主运动控制器的转矩电流给定值，并以主运动控制的转矩电流为电机控制的转矩电流给定值控制从偏航电机运动。从运动控制器将从偏航电机的转矩电流反馈值，上传给主运动控制器。主偏航电机运动控制根据主从偏航电机的转矩电流反馈值与外环速度控制得出的转矩电流给定值校准。
42.本发明的多电机偏航驱动主从协调控制系统应用在6mw及以上大型风力发电机组，能够实现12台及以上偏航驱动电机的偏航系统对风功能。与当前传统的偏航控制系统相比，本发明首先提出了利用分布式主从运动控制器，实现多电机偏航驱动协调控制系统，使偏航系统的各电机同步协调运动。其次，基于多电机偏航驱动主从协调控制系统的应用，实现了偏航轴承大齿和偏航驱动小齿的啮合间隙动态补偿，形成偏航系统偏航驱动轴与偏航轴承的预张紧，避免了偏航电机启停过程产生的机械冲击。同时，在系统运行状态下，可以通过分布式主从协调的偏航电机运动状态控制算法精确的动态调整多偏航电机的转矩和转速，实现偏航过程中多电机转矩动态协调控制，避免因风速环境变化引起的偏航系统不均衡载荷变化，造成偏航电机不均衡过载损坏。实现精确偏航对风控制，减少偏航系统机械和电气的故障发生，降低了系统维护成本，提升了风力发电机组的发电量。
43.控制方法实施例：
44.本发明的控制方法将偏航电机化分为主偏航电机和从偏航电机，并使主偏航电机均衡分布在偏航轴承上，从偏航电机均衡分布在每个主偏航电机两侧，为每个主偏航电机配置主偏航电机控制器，为每个从偏航电机配置从偏航电机控制器；通过主运动控制器接收偏航控制单元下发的速度和转矩命令，并根据接收到的速度和转矩命令控制主偏航电机，同时协调对应的从运动控制器的跟随运动状态，来完成多台偏航电机的同步工作；通过从运动控制器根据主运动控制器的运动状态信息，执行响应驱动从偏航电机响应跟随的速度和转矩运动状态。该方法的具体实现过程已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

技术特征：
1.一种分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统，其特征在于，该控制系统包括有偏航控制单元和若干个主运动控制器，每个主运动控制器控制连接有至少两个从运动控制器；主运动控制器控制的主偏航电机均衡分布在偏航轴承上，从运动控制器控制的从偏航电机用于均衡分布在每个主偏航电机两侧；所述偏航控制单元用于根据偏航对风命令向主运动控制器下发运动控制指令，并接收各偏航电机运动状态信息，完成偏航电机运动控制，实现平稳偏航对风；所述主运动控制器用于接收偏航控制单元的速度和转矩命令，并根据接收到的速度和转矩命令控制主偏航电机，同时协调对应的从运动控制器的跟随运动状态，来完成多台偏航电机的同步工作；所述从运动控制器用于根据主运动控制器的运动状态信息，驱动从偏航电机响应跟随主偏航电机的速度和转矩运动状态。2.根据权利要求1所述的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统，其特征在于，所述的偏航控制单元在进行偏航控制时向主运动控制器分配正反方向驱动命令，协调主运动控制器控制偏航方向的主偏航电机逐步加载转速，并控制其他主偏航电机调节反向转速，使偏航驱动机构的偏航小齿轮缓慢啮合偏航轴承的大齿，待齿轮间隙补偿完成后，主运动控制器分别调节各主偏航电机输出正反向平衡力矩。3.根据权利要求1或2所述的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统，其特征在于，当各偏航电机输出平衡转矩使机舱偏航位置稳定后，偏航控制单元通过主运动控制器驱动偏航电机加速至偏航电机额定转速进入偏航运行状态。4.根据权利要求3所述的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统，其特征在于，主运动控制器采用内环为电流环、中间环为速度环以及外环为位置环的三环控制方式控制主偏航电机。5.根据权利要求3所述的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统，其特征在于，从运动控制器根据主运动控制器的转矩电流为电机控制的转矩电流给定值控制从偏航电机运动，并将从偏航电机的转矩电流反馈值上传给主运动控制器。6.根据权利要求1或2所述的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统，其特征在于，偏航控制单元和主运动控制器之间采用powerlink总线进行数据传输，主运动控制器和从运动控制器之间采用powerlink总线进行数据传输。7.一种分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：将偏航电机化分为主偏航电机和从偏航电机，并使主偏航电机均衡分布在偏航轴承上，从偏航电机均衡分布在每个主偏航电机两侧，为每个主偏航电机配置主偏航电机控制器，为每个从偏航电机配置从偏航电机控制器；通过主运动控制器接收偏航控制单元下发的速度和转矩命令，并根据接收到的速度和转矩命令控制主偏航电机，同时协调对应的从运动控制器的跟随运动状态，来完成多台偏航电机的同步工作；通过从运动控制器根据主运动控制器的运动状态信息，执行响应驱动从偏航电机响应跟随的速度和转矩运动状态。8.根据权利要求7所述的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制方法，其特征在于，所述的偏航控制单元在进行偏航控制时向主运动控制器分配正反方向驱动命令，协调主运动控制器控制偏航方向的主偏航电机逐步加载转速，并控制其他主偏航电机调节反向转
速，使偏航驱动机构的偏航小齿轮缓慢啮合偏航轴承的大齿，待齿轮间隙补偿完成后，主运动控制器分别调节各主偏航电机输出正反向平衡力矩。9.根据权利要求7或8所述的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制方法，其特征在于，主运动控制器采用内环为电流环、中间环为速度环以及外环为位置环的三环控制方式控制主偏航电机。10.根据权利要求7或8所述的分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制方法，其特征在于，从运动控制器根据主运动控制器的转矩电流为电机控制的转矩电流给定值控制从偏航电机运动，并将从偏航电机的转矩电流反馈值上传给主运动控制器。

技术总结
本发明涉及一种分布式主从协调多轴驱动的偏航运行控制系统及方法，属于风力发电控制技术领域。本发明利用分布式主从运动控制器，实现多电机偏航驱动协调控制系统，使风力风电机组多电机偏航驱动机构的偏航电机运动控制器均衡分布控制，同时利用主从偏航电机运动控制器的跟随协调控制，实现分布式的多电机运动控制器在偏航运动过程中同步运动控制，避免了多台偏航电机在运行时由于不同步的追尾现象以及偏航系统各驱动小齿和偏航大齿的受力形成追咬的机械损失。成追咬的机械损失。成追咬的机械损失。


技术研发人员：刘伟鹏 卢晓光 王朝东 唐涛 李延青 刘栋 骆坚强 张小伟 徐奉友 刘心社
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：2023.03.02
技术公布日：2023/7/6