大型风力机变桨距电液比例位置伺服控制系统设计

付鑫

摘 要：本文通过分析讨论液压系统在风力机变桨距控制中的工作过程，并设计了一种应用于大型风力机变桨距控制的电液比例位置伺服控制系统。

关键词：风力机；电液比例；位置；伺服控制

在桨距控制系统中，其调节过程一般选用液压缸或者伺服电机作为其驱动力，传动装置会根据液压缸输出的机械位移或者伺服电机的角位移来调整风机片的位移，从而对桨距进行调节。电液比例控制技术原理简单而且精度较高，具有很大的应用前景。本文在分析大型风力机液压系统主要部件参数的前提下，对变桨距系统的建模分析，并完成了大型风力机变桨距电液比例位置伺服控制器的设计。

1 伺服控制系统

作为电液转换元件与功率放大元件的电液伺服阀，是在电液伺服系统中的核心部件。它将电子与液压巧妙结合，具有灵敏高效的特点，能够控制大惯量从而实现大功率的运动输出，具有相当广泛的应用。另外，由于相关技术的成熟，使用位置伺服来设计的电液控制系统的应用更为广泛，在大型风力机的变桨距控制中也是如此。

2 电液系统的主要参数

对于液压系统来说，其主要参数有执行元件的工作压力p和最大流量Q，在兆瓦级的风力机变桨距系统中，工作压力通常使用130～180bar，所以此处的计算选取一个中间值150bar。最大流量的值对于液压系统的元件选取至关重要。而想要获得最大流量的值，还需要提前获得执行元件的结构参数。

2.1 液压缸驱动力的计算

液压变桨的风力机通过液压缸活塞来推动变桨距推盘，并推动连杆以改变桨叶节距。桨叶变距推盘所受到的阻力主要来自以下几个方面：桨叶本身的惯性力矩、空气作用产生的气动力矩、叶片形状和材质产生的离心弯矩以及内部各部件间的摩擦阻力等，其中，惯性力矩是变桨力矩中起最大作用的部分。

在后面的讨论中，假设桨叶为一个整体，且为刚体，其主轴均匀通过负载面的中心。着重分析由桨叶本身质量所带来的离心力作用产生的弯矩。

设桨叶截面上的B点质量为，另设经过同一原点C的坐标系，但相对原坐标转过角。可得质量为B点离心力为：

根据前述理论分析，液压驱动力应该等于三倍的变桨距力矩也即。

2.2 液压系统尺寸和流量计算

要保证在停机风速下，风轮叶片仍能够实现顺桨，液压缸推力必须大于最大变桨距力矩。在油路供油压力确定之后，可以通过选择合适的活塞直径来满足上述推力要求。

另外，液压系统流量能够直接反映风力机叶片的变桨距速度。现行风力机最大变桨距速度一般控制在8°～10°/s，那么可通过如下公式计算器最大液压油流量：

3 伺服系统数字控制器设计

本文所设计的变桨距电液比例位置伺服系统控制器如图1所示，它是一种数模混合控制器。

3.1 节距控制器的设计

节距控制器针对给定的节距位置信号来产生控制电压信号，从而控制通过电液比例阀中的压力油的方向和流量。本设计中的节距控制器使用模糊PID作为反馈控制器，实现闭环控制，另外还有扰动前馈补偿控制。

模糊控制器的设计过程有以下几个步骤：首先，将变量模糊化，此处将给定桨叶节距信号与位置反馈信号比较所得误差e进行模糊化；其次，设定模糊规则，根据风力机变桨距控制规律；然后，进行模糊推理，本控制器中的模糊推理采用Mamdani的Max-Min法；最后，解模糊化，本控制器解模糊采用质心法。经过解模糊化之后输出的电压值U的精确值。PID控制器的控制规律为：

3.2 前馈控制器设计

在基于误差的闭环控制系统中，当误差产生时，输出将会有一定的延时。为了弥补不足，本设计采用干扰补偿的前馈控制来加快该系统的响应速度。如图1所示，为本文中所设计的风能扰动前馈补偿。这样，就可以有效补偿这种变化造成的扰动。

本文设计了一种应用于大型风力机变桨距电液比例位置伺服的控制器，通过分析计算变桨力矩、液压缸推力等重要参数，给出了控制器的总体设计方案，着重介绍了部分控制单元的设计方法和思路。

参考文献

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[2]邢作霞，肖澤亮，王家骅，等.风力发电电动变桨距载荷模拟及控制策略仿真实验平台开发[J].实验技术与管理，2014，31（11）：89-93.

[3]龚宇琴.风电机组独立变桨控制策略的研究[D].北京交通大学，2014.

（作者单位：河南省理工中等学校）