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机电一体化
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变速泵控液压伺服风力机新型变桨距控制系统
蒋茂雄
国立台湾大学工程科学与海洋工程系。
文章信息
文章历史：
于2011年2月5日在线可用
关键字：
风力发电机变桨控制
变速泵控制液压伺服系统
具有自校正模糊滑模补偿的路径跟踪控制和自适应模糊控制器
摘 要
本文旨在开发一种新型的由变速泵控制液压伺服系统驱动的大型风力发电机的变桨控制系统。为了进行实际的桨距控制实验，针对2兆瓦风力涡轮机叶片的液压桨距控制系统进行了全面测试，包括新颖的桨距控制机制，变速泵控制的液压伺服系统，扰动系统和基于PC的控制系统，经过设计和设置。由交流伺服电机，恒排量液压活塞泵，两个差动液压缸和液压回路组成的变速泵控制液压伺服系统，具有高响应和高能效，因此非常适合风力涡轮机应用。此外，为了在提出的新型变桨控制系统中实现变桨控制，开发了一种具有自校正模糊滑模补偿的自适应模糊控制器（AFC-STFSMC），以设计变桨控制器。最后，建立了开发的变速泵控制液压伺服系统，并通过在不同路径轮廓，负载扭矩下的全尺寸试验台上的实际实验，对风轮机的桨距控制进行路径跟踪控制和路径定位控制进行了验证。
- 介绍
风能被认为是全世界正在开发和应用的最重要的绿色能源之一。近年来，现代风能的应用已经扩展。中国台湾，中国，日本，韩国和印度等亚洲国家已开始开发和应用风能来减少CO2污染。中国台湾于1990年代开始开发风能。大型风力涡轮机（2兆瓦）于2006年由台电公司和一家名为VWind AG的德国公司开始运营。现代大型风力涡轮机可分为三种不同类型，包括恒速类型，变桨距控制类型和变速类型。恒速风力涡轮机的主要控制任务包括空气制动器，偏航控制和自动切断。因为叶片的桨距角是固定的，所以不控制电力输出，因此输出电力容易受到来自变化的风速的较大干扰的影响，因此具有较差的电力质量。因此，开发了变桨距控制风力涡轮机。通过控制叶片的可变俯仰角，可以使风力涡轮机的转速保持恒定，因此当风速高于额定风速时仍可以产生额定电功率。但是，当风速低于额定风速。为了减少这个问题，提出了将叶片的可变桨距控制和发电机的转速控制相结合的变速风力涡轮机。当风速低于额定风速时，通过发电机的转速控制根据可变风速来控制风力涡轮机的转速，以保持最佳功率系数Cp。当风速高于额定风速时，叶片的可变螺距控制用作可变螺距控制风力涡轮机以产生最佳电力。
近年来，在风力涡轮机的相关领域中的一些研究已经发表。在1980年代研究了具有固定桨距角和失速控制的恒速风力涡轮机[1].因为控制系统和控制策略相对简单，所以电力输出相对不稳定，并且功率系数Cp也较低。1990年代，琼斯和史密斯[2] 分析了如何保持变速风力发电机的电力输出。弗里曼和巴拉斯[3] 通过实验对风力发电机组的动力学模型进行了系统辨识。伊丹和里尔[4] 通过鲁棒控制实现了变速风力发电机。宋等。[5] 通过非线性自适应控制研究了变桨距控制和变速风力涡轮机。雷费尔特[6] 研究了水平轴风力发电机的动态建模和控制。布克扎扎尔和西格尔迪贾内[7] 讨论了无风速变速风力发电机的非线性控制测量。坎布隆等。[8] 开发了用于额定转速和可变功率运行方式的风力涡轮机的强大数字控制。
当今风力涡轮机的变桨驱动系统可分为电动机驱动和液压驱动两种类型。在电动机驱动系统中，需要带齿轮的电动机。这意味着存在严重的齿轮腐蚀和磨损以及抗干扰性较差的问题。在液压驱动型变桨控制中，主要使用阀控液压缸。驱动俯仰角的液压缸由伺服阀控制，因此无需齿轮，并且由于采用了缸驱动，因此具有更好的耐用性。然而，阀控液压系统的能源效率低[16].
液压泵控制系统具有高能效。然而，传统的泵控制系统的响应相对较低，在该系统中，通过可变排量泵或恒定排量泵通过可变转速的交流感应电动机来改变排量。最近，已经引入了由交流伺服电动机驱动的高响应泵控制系统。持有者[9] 最早在1995年提出了液压泵控制系统的概念，该系统由齿轮泵和交流伺服电动机驱动，具有可变转速，用于注塑机。Ruhlicke[10] 研究了由具有可变转速的交流伺服电机驱动的双泵控制系统对非对称气缸的位置控制。卡兹迈尔和费尔德曼[11] 使用模糊控制来研究具有可变转速的泵控制系统以进行定位控制。比尔德斯坦[12] 比较了采用空客A321飞行控制系统的位置控制的可变转速泵控制系统和可变排量的性能。持有者[13] 开发了一种使用交流伺服电机和带有运动控制系统的恒定排量内齿轮泵的静液压驱动器，以节省动力。哈比比和戈登堡[14] 讨论了使用齿轮泵和电动机的电动液压执行器的设计问题。海尔比格[15] 在使用交流伺服电机和恒定排量内齿轮泵的注塑机中，在速度和压力控制方面实现了高效率和高响应特性。
一些研究已经探索了智能控制，例如fuz-zy控制和神经网络，用于控制复杂的液压伺服系统。为了减少模糊控制中的模糊规则，提出了将模糊控制设计方法和SMC方案相结合的模糊滑模控制（FSMC）。[18,19].FSMC不需要常规模糊控制中的两个输入变量，而仅需要一个模糊输入变量，并且具有较少的模糊规则，并且对参数变化具有更好的鲁棒性[19].尽管如此，FSMC仍然具有必须通过耗时的试错程序来调整模糊规则的缺点。为了解决这个问题，已经研究了使用Lyapunov综合方法的自适应模糊控制（AFC），用于使用自适应律自动调整模糊规则并获得令人满意的系统响应。[20,21,23].
根据以上文献调查，变桨距控制和研究了风力发电机的电力输出控制。但是，对变桨控制系统，特别是变桨控制的液压伺服驱动系统的研究很少。液压阀控制的伺服系统已应用于当今风力涡轮机的可变螺距控制系统，制动系统和偏航系统。但是，液压阀控制的系统响应速度快，但能源效率较低，因此需要更大的油箱和冷却器。机舱的重量因此增加。
风力涡轮机的驱动系统必须具有高能效和良好的鲁棒性，以应对风力发电机组中的变化。输入随机风速。由交流伺服电机和恒定排量液压活塞泵组成的变速泵控制液压伺服系统可实现高响应和高能效，因此非常适合风力涡轮机中的应用。本文旨在为新型风力发电机的变桨控制系统开发变速泵控制的液压伺服系统。为了执行变桨控制的实际实验，对2兆瓦风力涡轮机叶片的液压变桨控制系统进行了全面测试，包括新型变桨控制机制，变速泵控制的液压伺服系统，扰动系统和设计并建立了一个基于PC的控制系统。此外，为了补偿库仑轴承摩擦力对所提出的新型变桨控制系统的变桨控制的影响，开发了一种具有自调整模糊滑模补偿的自适应模糊控制器（AFC-STFSMC），以设计变桨控制器. .最后，将通过在不同路径轮廓下的全尺寸试验台中的实际实验，构建并验证开发的变速泵控制液压伺服系统，以用于风力涡轮机的桨距控制的路径跟踪控制和路径定位控制负载扭矩和随机风速。
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变桨控制系统
- 常规变桨控制系统
当今大型风力涡轮机的变桨距控制系统由电动机，液压马达或液压缸驱动。由于翼型，电动马达和液压马达驱动系统的驱动需要齿轮，因此抵抗叶片外部干扰的鲁棒性较低。相反，液压缸驱动系统具有更好的耐用性，因为它们需要旋转机构但不需要齿轮。当今风力涡轮机中使用的液压缸驱动系统由液压伺服阀控制，即液压阀控制的伺服系统，该系统响应速度快但能量效率低。本文代替液压阀控制系统，开发了变速电液泵控制系统，该系统由变速AC伺服电动机驱动，用于风力涡轮机的变桨距控制系统。
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- 新型变桨控制系统
如图所示，在这项工作中开发了新颖的可变螺距控制系统。图。1包含两个由变速液压泵控制系统控制的差动缸。两个液压缸安装在叶片的根部。变速液压泵控制系统由交流伺服电机和恒排量活塞泵组成。由于液压泵控制回路是封闭的，因此泵的入口和出口体积流量必须相同。在本文中，泵与两个差动缸之间的液压回路设计如下图所示图。1c.通过将来自泵的油管连接到两个气缸的相对侧，则在泵的入口和出口处的活塞面积将变得相同。另外，由两个气缸产生的用于驱动俯仰角运动的扭矩在相同的旋转方向上，并且可以相加。因此，两个差动液压缸的尺寸可以小于仅由一个缸驱动的尺寸。
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- 新型变桨控制系统的测试台布置
大型2兆瓦风力涡轮机的整体系统性能很难在实验室进行实验分析。实现可变螺距的全面实验分析
控制系统，结合2 MW风力发电机叶片的动态响应，设置了由变速液压泵控制系统驱动的2 MW风力发电机叶片的满量程可变桨距控制系统的试验台向上，如图所示图2.主要组件的规格列于表格1.
该试验台包含变速液压泵控制系统，转子质量系统，扰动系统和基于PC的控制系统。变速液压泵控制系统由交流伺服电机，恒排量活塞泵和两个差动液压缸组成，如图所示。图3.转子质量系统是根据台湾大学海上风力涡轮机研究小组设计的2 MW风力涡轮机的叶片规划的，用于模拟其动态特性，因此转子质量为2050 kg，惯性矩为1238公斤m2。扰动系统由两个液压缸和两个比例压力控制阀组成，用于调节在仿真模型中计算出的负载扭矩[17] 根据风速。基于PC的控制系统实现了控制策略和数据采集。俯仰控制实验系统用于分析俯仰控制的性能不同风速条件下的2 MW风力发电机组。变速液压泵控制系统的建模
按照中的试验台图2，为控制器设计推导了变速液压泵控制系统中主要组件的数学模型，包括伺服电动机，恒排量活塞泵和受控缸。交流伺服电机伺服电动机按比例将输入电压转换为转速，可以描述为
x frac14; Ka · u eth;1THORN;
其中，x表示伺服电机的转速；Ka是伺服控制单元的增益，u是输入电压。
(C1)
个人电脑
D/A
压力传感器（I2）
A/D
(C2)
基于PC的控制器
交流伺服电机
M
(C2)
(C2)
扰动缸
俯仰角传感器（I1）
恒排量泵
比例溢流阀
M
(C1)
压力传感器（I2）
卡
D/A
产业
特发
I/O
在ce
I / O接口卡
A/D
图2.由液压泵控制的双缸系统驱动的新型风力发电机变桨控制系统的试验台。
表格1
试验台的规格。
组件 技术指标
交流伺
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