CN102168650B - 基于主控的兆瓦级风力机统一和独立变桨混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法，即发电机转速偏差较大时，采用统一变桨控制方式，转速偏差较小时，采用独立变桨控制方式，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作。统一变桨控制时风机主控发出的变桨命令即为每个桨叶的变桨给定命令；独立变桨控制时则对风机主控发出的变桨命令进行模型转换得到对应的平均风速，并结合每个桨叶各自的空间位置，通过摆振载荷和挥舞载荷模型计算和控制，得到每个桨叶各自的变桨命令。统一变桨控制器和独立变桨控制器都是以风机主控发出的变桨命令作为控制器的输入值，既保证了与风机整机有很好的兼容性和通用性，又综合了统一变桨控制响应快和独立变桨控制精度高的优点，达到输出稳定和最优功率，减小和平衡桨叶载荷、降低主轴振动，提高风力机动力稳定性和使用寿命的目的。

Description

基于主控的兆瓦级风力机统一和独立变桨混合控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电的控制方法，具体地说，是一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法。

背景技术

风能是一种可再生能源，近年来，风能开发与利用已广泛受到高度重视。一般的，变速和变桨距调节方式是兆瓦级水平轴风力机风能收集和转换的两种主要功率调节方式。在风速低于额定风速的情况下，主要采用变速调节方式，即通过调节发电机转子转速，获得最大风能转换功率；当风速大于额定风速时，采用变桨距调节方式，即通过调节桨距角，使发电机输出功率基本上等于额定功率。

风力机变桨控制有统一变桨和独立变桨两种控制方式。统一变桨控制方式是指风力机每个桨叶接受风力机主控发出的一个大小相同的变桨命令进行功率调节。这种控制方式本质上是认为整个风轮扫掠面上风速等于轮毂处平均风速。显然统一变桨控制是一个比较理想化的控制方式，其优点是其控制策略简单易实现，变桨机构响应快，轮毂叶根处驱动齿轮无须频繁变动磨损较小，缺点是控制精度不高，桨叶载荷受力不平衡带来较严重的振动、疲劳、动力稳定性、使用寿命等问题。

实际中风力机受到风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航等因素的影响，使得风速在整个风轮扫掠面上是处处不同的，从而加剧了桨叶在风轮扫掠面上所受到的空气动力载荷的周期性变化。由于作用于风轮桨叶上的周期性气动载荷会引起桨叶的动响应，而此响应又反馈于外部气动载荷，使得本就复杂的风力机振动、疲劳、动力稳定性、使用寿命等问题变得更加复杂且不容忽视。同时由于风速的这种周期性变化，对并网型的风力发电机组而言，其输出电压和输出功率也存在一定的波动，输出电能的品质也会产生一定影响。

独立变桨控制考虑到实际中风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航因素对风力机的影响，变桨角度不仅与轮毂处平均风速有关，而且还与各桨叶在风轮扫掠面空间位置有关。这种控制方式优点是控制精度高，通过微调各桨叶桨距角，改善由风轮扫掠面上风速大小不同产生的不对称载荷对风力机振动、疲劳、动力稳定性、使用寿命的影响，其缺点是控制策略复杂，轮毂叶根处驱动齿轮频繁变动磨损较大，另外由于叶轮转动较快，例如对目前陆上2兆瓦风力机，变桨动作时风轮只须3～4秒旋转一圈，这对变桨机构精确快速响应提出了很高要求。

目前风力机变桨控制只采用单一的变桨控制策略，正如前文谈到的，不管是采用独立变桨还是统一变桨，二者都存在优点和不足，且随着风力机容量增大，这些优缺点表现的愈加显著。

海洋风资源丰富，不占用土地，机位选择空间大，有利于选择场地，受环境制约少，且海上风速高、湍流强度小、风电机组发电量多、风能利用更加充分，其能量收益沿海风资源丰富地区比陆地高20％～40％。而且海上风力机单机容量越来越大，风力机叶片越来越长，塔架越来越高，叶轮转速相比陆上风机相对较小，这些都有利于海上兆瓦级风力机独立变桨控制的应用。

实际中变桨控制系统一般是作为部件给风机整机配套的，接收风力机主控发出的变桨命令，驱动变桨机构完成变桨动作。风力机主控是各风力机厂家在整机设计时就开发完成的，是风力机整机控制的核心，变桨控制器如果脱离主控，不但要加大设计成本，更重要的是不能和主控连接，从安全性和可靠性的角度，风力机整机厂家不会轻易采用。

经对现有技术的文献检索发现，统一变桨控制相对比较成熟，差异较大和应用难点主要集中在独立变桨控制上。Bossanyi等在《Wind energy》（风能）（2005年，第8卷，第481--485页）上发表的“Further load reduction with individual pitch control”（独立变桨控制对减弱载荷的研究），该文中提出了一种由每个桨叶的挥舞方向载荷作为控制输入量，控制每个桨叶动作的独立变桨控制方法。该文中谈到的独立变桨控制方法虽然挥舞方向载荷有所减弱，但是存在的问题一是挥舞方向载荷需考虑哪些因素的影响和怎么计算没有明确给出，二是所构成的控制系统是开环的，无法保证系统的安全和稳定。

邢钢等人发表在《农业工程学报》（2008年，第24卷第5期，第181-186页）上的“风力发电机组变桨距控制方法研究”，独立变桨控制采用的是神经网络算法，通过测量获得大量观测数据来训练神经网络，再用训练好的神经网络去估计不同高度的风速，最后预测每个桨叶指定位置的来流角，并利用其变化量分别修正各桨叶的节距角。这种方法有很大应用难度，这是因为考虑风剪切和塔影效应等因素后，整个风轮面风速都不同，怎么测且测多少个点来形成样本数据是很复杂的，另外通过预测来流角来得到桨距角也不是一个理想的方法，因为风速和风轮转速确定了，则来流角就确定了。对于桨叶来说，沿展向风速是不同的，所以各点处来流角是不同的，但对确定的一个桨叶来说，不考虑桨叶外形扭角的前提下，桨距角变化是大小相同的，这就是说需要确定桨叶各点处大小不同的功角，或者说需要确定各点的桨距角变化量，这样做同样样本数据量很大。

辛理夫等人申请了“用于风力发电机组的独立变桨控制系统及控制方法”（申请号：200810241144.0）发明专利，该发明专利提出了一种风机功率控制器、周期性不均匀载荷补偿控制器、瞬态冲击载荷补偿控制器组成的控制模块对风力机功率、风轮转速、叶轮位置信号、桨叶角度信号、桨叶振动信号进行处理，来综合调节桨叶桨距角的控制方法。

叶杭冶等人发表在《机床与液压》（2009年1月，第37卷第1期，第90-93页）上的“基于半物理仿真的变速恒频独立变桨距控制”，该文中提出了一种电机电磁阻转矩调节和分段PID权系数分配的控制算法分别实现变速恒频和独立变桨距控制方法，该方法是基于风速的控制策略，即在计算一个和距地面高度有关的桨叶平均风速基础上，再通过3倍的桨叶平均风速与三个桨叶的平均风速之和的比值，来计算得到各桨叶权系数。

林勇刚等人发表在《太阳能学报》（2005年12月，第26卷第6期，第780-786页）上的“大型风力发电机组独立桨叶控制系统”，该文中提出了模糊控制结合以桨叶空间方位角作为主体因素的加权系数的独立控制方法。与以上技术不同或创新之处在于，本发明首先明确提出了是基于风机主控的，集合统一变桨和独立变桨两种控制优点的混合控制方法；其次独立变桨控制算法不同，本发明是基于风机主控输出的变桨命令进行混合控制，既保证了风力机功率稳定输出，又保证了与风机整机有很好的兼容性和通用性；第三，独立变桨控制时提出了对主控变桨命令、桨叶方位角分段建模转换的算法，既一定程度上满足了快速响应要求，又改善了变桨动作对桨叶根部驱动齿轮的磨损；最后本发明则是采用光纤传感系统测量桨叶根部形变来计算得到桨叶摆振载荷和挥舞载荷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，针对兆瓦级水平轴风力机提供一种统一变桨和独立变桨混合控制方法，使其在保证风力机功率稳定和最优输出的前提下，平衡和减小桨叶载荷，降低风力机的振动，提高风力机动力稳定性和使用寿命。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法，其特点是：实现该方法的系统包括变桨混合控制器，变桨混合控制器由变桨控制开关、统一变桨控制器和独立变桨控制器组成，所述的独立变桨控制器由桨距角-风速转换模型、方位角转换模型、摆振载荷计算模型、挥舞载荷计算模型、摆振载荷控制器、挥舞载荷控制器、位置环控制器组成；

风力发电机组并网前，首先根据风机具体工况在变桨控制开关中预设一个转速偏差阈值并设定一个转速给定值；风力发电机组并网后，转速传感器测得的发电机转速测量值与转速给定值相比较，得到一个转速偏差，触发变桨控制开关动作，即当转速偏差大于这一阈值时，统一变桨控制器动作；当转速偏差小于这一阈值时，独立变桨控制器动作；

当转速偏差大于转速偏差阈值时，风机主控输出的变桨命令作为统一变桨控制器的给定值，统一变桨控制器输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

当转速偏差小于转速偏差阈值时，风机主控输出的变桨命令由桨距角-风速转换模型转换为对应的平均风速，位置环控制器输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

所述的变桨混合控制方法包括统一变桨控制方法和独立变桨控制方法；

所述的统一变桨控制方法具体步骤是：

（1）当转速偏差大于阈值时，即风速突然增大或减小，此时统一变桨控制器工作，风机主控输出变桨命令作为统一变桨控制器的输入给定值，桨叶的桨距角测量值通过安装在电气伺服变桨机构中电动机输出轴上的位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到统一变桨控制器；给定值和反馈值二者比较产生统一变桨控制器的偏差值；

（2）统一变桨控制器可以采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

统一变桨控制器、电气伺服变桨机构和位移传感器构成一个完整的闭环控制系统；

所述的独立变桨控方法的具体步骤是：

（1）当转速偏差小于阈值时，即风速增大或减小不明显，此时独立变桨控制器工作，风机主控输出的变桨命令通过独立变桨控制器中的桨距角-风速转换模型转换为对应的平均风速；桨距角-风速转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；

（2）桨叶方位角由安装在桨叶上的方位角传感器检测得到；方位角转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；

（3）平均风速和桨叶方位角分别输入到摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型中；摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型输出值是在考虑风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航因素对摆振载荷和挥舞载荷影响后，先计算出三个桨叶各自的摆振载荷和挥舞载荷，然后求平均值得到的，再分别乘以权系数作为摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值；

（4）摆振载荷测量值和挥舞载荷测量值由安装在桨叶上的光纤传感系统测量得到；每个光纤传感系统由4个光纤载荷传感器组成，两两安装于每个叶片根部的摆振和挥舞方向，通过光源探测器测量叶片根部形变，并经信号处理后得到叶片摆振和挥舞两个方向的载荷，最后作为反馈值输入到摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器中；摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值和反馈值分别比较，产生摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的偏差值；

（5）摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器可以采用常规的PI或PID控制算法，分别输出变桨命令；

（6）两个变桨命令相加求平均值后，得到合成变桨命令，作为位置环控制器的给定值，桨叶的桨距角测量值通过位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到位置环控制器；位置环控制器的给定值和反馈值二者比较产生位置环控制器的偏差值；

（7）位置环控制器采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

独立变桨控制器、电气伺服变桨机构、桨叶、位移传感器、光纤传感系统、方位角传感器构成一个完整的闭环控制系统。

在本发明技术方案中：

1、风机主控通过变频器控制器与发电机相连，构成最外环闭环控制系统。风机主控输出的变桨命令保证了本发明不论是采用统一变桨控制，还是采用独立变桨控制，风机功率都能稳定和最优输出。风机主控具体闭环控制流程不在本发明讨论范畴。

2、桨距角-风速转换模型可以根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出，如可以以桨距角变化每1°来划分变桨区间。区间划分越细，控制精度越高，但是变桨动作频率随之也越快，对驱动齿轮的磨损也会越大。

3、桨叶方位角由安装在桨叶上的方位角传感器检测得到。同样考虑到变桨频繁动作将对桨叶根部驱动齿轮产生较大磨损，方位角可通过独立变桨控制器中的方位角转换模型转换为分段的方位角。方位角转换模型可以根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格形式分段给出，如可以以方位角变化每10°来划分变桨区间。同样区间划分越细，控制精度越高，但是变桨动作频率随之也越快，对驱动齿轮的磨损也会越大。

4、由于实际中三个桨叶的方位角不同，三个桨叶各自的摆振载荷和挥舞载荷大小也不同，求取平均值作为控制器的给定值后，即能保证三个桨叶摆振载荷和挥舞载荷大小相同，尤其是对桨叶挥舞方向载荷平衡具有重要意义。分别乘以权系数，还可以调节摆振载荷和挥舞载荷的大小，从而最终使其在保证风力机功率稳定和最优输出的前提下，平衡和减小桨叶载荷，降低风力机的振动，提高风力机动力稳定性和使用寿命。

5、本发明所述的电气伺服变桨机构为常规的电气伺服变桨机构，它可以为直流伺服变桨机构或交流伺服变桨机构，它主要由驱动器、电动机、减速器、电池箱或超级电容箱构成。每个桨叶分别对应一组电气伺服变桨机构。当本发明方法中采用交流伺服变桨机构时，本发明方法更适合于海上风机应用。

 6、本发明所述的转速传感器是安装于发电机输出轴上，用于检测发电机的转速；位移传感器安装于每个电动机输出轴上，位移传感器可以采用光电编码器，用于检测电动机转动角度，从而间接得到每个桨叶的桨距角；方位角传感器安装于一个桨叶的根部，用于检测桨叶的方位角；光线传感系统安装于每个桨叶上，每个系统由4个光纤载荷传感器组成，两两安装于每个叶片根部的摆振和挥舞方向，通过光源探测器测量叶片根部形变，并经信号处理后得到叶片摆振和挥舞两个方向的载荷。由于三个桨叶之间相差120度，相差角度是固定不变的，转速也是相同的，所以转速传感器、方位角传感器各只须安装一组。

与现有技术相比，本发明是基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法，当转速偏差大于阈值时，即风速大范围变化，采用统一变桨控制策略，当转速偏差小于阈值时，即风速小范围变化，采用独立变桨控制策略。本发明方法综合两种变桨控制策略优点，使其在保证风力机功率稳定和最优输出的前提下，平衡和减小桨叶载荷，降低风力机的振动，提高风力机动力稳定性和使用寿命。

另外考虑实际中变桨控制系统一般是作为部件给风机整机配套的，接收风力机主控发出的变桨命令，驱动变桨机构完成变桨动作的。风力机主控是各风力机厂家在整机设计时就开发完成的，是风力机整机控制的核心，变桨控制器如果脱离主控，不但要加大设计成本，更重要的是不能和主控连接，从安全性和可靠性的角度，风机整机厂家不会轻易采用。本发明是基于风机主控实现变桨控制的，既保证了风力机功率稳定输出，又保证了与风机整机有很好的兼容性和通用性。即使不作为配套部件，由于和风机主控留有接口，完全移植入风机主控中，也是十分简单方便。

附图说明

图1为风力机统一和独立变桨混合控制框图。

图2为变桨控制开关原理框图。

图3为统一变桨控制原理框图。

图4为独立变桨控制原理框图。

图5为风速与桨距角对应关系原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，以兆瓦级三桨叶水平轴风力机为具体研究主体，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1，参照图1-4，一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法：实现该方法的系统包括变桨混合控制器，变桨混合控制器由变桨控制开关、统一变桨控制器和独立变桨控制器组成，所述的独立变桨控制器由桨距角-风速转换模型、方位角转换模型、摆振载荷计算模型、挥舞载荷计算模型、摆振载荷控制器、挥舞载荷控制器、位置环控制器组成；

风力发电机组并网前，首先根据风机具体工况在变桨控制开关中预设一个转速偏差阈值并设定一个转速给定值；风力发电机组并网后，转速传感器测得的发电机转速测量值与转速给定值相比较，得到一个转速偏差，触发变桨控制开关动作，即当转速偏差大于这一阈值时，统一变桨控制器动作；当转速偏差小于这一阈值时，独立变桨控制器动作；

当转速偏差大于转速偏差阈值时，风机主控输出的变桨命令作为统一变桨控制器的给定值，统一变桨控制器输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

当转速偏差小于转速偏差阈值时，风机主控输出的变桨命令由桨距角-风速转换模型转换为对应的平均风速，位置环控制器输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

所述的变桨混合控制方法包括统一变桨控制方法和独立变桨控制方法；

所述的统一变桨控制方法具体步骤是：

（1）当转速偏差大于阈值时，即风速突然增大或减小，此时统一变桨控制器工作，风机主控输出变桨命令作为统一变桨控制器的输入给定值，桨叶的桨距角测量值通过安装在电气伺服变桨机构中电动机输出轴上的位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到统一变桨控制器；给定值和反馈值二者比较产生统一变桨控制器的偏差值；

（2）统一变桨控制器采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

统一变桨控制器、电气伺服变桨机构和位移传感器构成一个完整的闭环控制系统；

所述的独立变桨控方法的具体步骤是：

（1）当转速偏差小于阈值时，即风速增大或减小不明显，此时独立变桨控制器工作，风机主控输出的变桨命令通过独立变桨控制器中的桨距角-风速转换模型转换为对应的平均风速；桨距角-风速转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；

（2）桨叶方位角由安装在桨叶上的方位角传感器检测得到；方位角转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；

（3）平均风速和桨叶方位角分别输入到摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型中；摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型输出值是在考虑风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航因素对摆振载荷和挥舞载荷影响后，先计算出三个桨叶各自的摆振载荷和挥舞载荷，然后求平均值得到的，再分别乘以权系数作为摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值；

（4）摆振载荷测量值和挥舞载荷测量值由安装在桨叶上的光纤传感系统测量得到；每个光纤传感系统由4个光纤载荷传感器组成，两两安装于每个叶片根部的摆振和挥舞方向，通过光源探测器测量叶片根部形变，并经信号处理后得到叶片摆振和挥舞两个方向的载荷，最后作为反馈值输入到摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器中；摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值和反馈值分别比较，产生摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的偏差值；

（5）摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器采用常规的PI或PID控制算法，分别输出变桨命令；

（6）两个变桨命令相加求平均值后，得到合成变桨命令，作为位置环控制器的给定值，桨叶的桨距角测量值通过位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到位置环控制器；位置环控制器的给定值和反馈值二者比较产生位置环控制器的偏差值；

（7）位置环控制器采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

独立变桨控制器、电气伺服变桨机构、桨叶、位移传感器、光纤传感系统、方位角传感器构成一个完整的闭环控制系统。

实施例2，参照图1-4，一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法。

其具体实施流程如下：

1、如图1所示，变桨混合控制器由变桨控制开关、统一变桨控制器、独立变桨控制器组成。风力发电机组并网前，首先根据风机具体工况在变桨控制开关中预设一个转速偏差阈值。风力发电机组并网后，转速传感器测得的发电机转速测量值与转速给定值相比较，得到一个转速偏差，触发变桨控制开关动作。当转速偏差大于这一阈值时，统一变桨控制器动作；当转速偏差小于这一阈值时，独立变桨控制器动作。

2、风机主控输出变桨命令到变桨混合控制器，转速传感器安装于发电机输出轴上，用于检测发电机的转速；位移传感器安装于每个电动机输出轴上，位移传感器采用光电编码器，用于检测电动机转动角度，从而间接得到每个桨叶的桨距角；方位角传感器安装于一个桨叶的根部，用于检测桨叶的方位角；光线传感系统安装于每个桨叶上，每个系统由4个光纤载荷传感器组成，两两安装于每个叶片根部的摆振和挥舞方向，通过光源探测器测量叶片根部形变，并经信号处理后得到叶片摆振和挥舞两个方向的载荷。由于三个桨叶之间相差120度，相差角度是固定不变的，转速也是相同的，所以转速传感器、方位角传感器各只须安装一组。各传感器检测得到的发电机转速、桨叶桨距角、桨叶摆振、挥舞载荷、桨叶方位角也一并输入变桨混合控制器。变桨混合控制器输出变桨命令，驱动电气伺服变桨机构动作，实现桨叶桨距角调节。电气伺服变桨机构主要由驱动器、电动机、减速器、电池箱或超级电容箱（图中未示出）构成。

3、变桨控制开关工作原理如图2所示。ω*为给定转速，其值一般设定为发电机额定转速，ω为反馈转速，是发电机转速通过安装在输出轴上的转速传感器检测得到的值。二者比较后得到转速偏差e_ω，e_ω与转速偏差阈值比较。当转速偏差大于转速偏差阈值时，统一变桨控制器动作；当转速偏差小于转速偏差阈值时，独立变桨控制器动作。

4、统一变桨控制工作原理如图3所示。图3给出了桨叶A的统一变桨控制方法，其它两个桨叶与其完全相同，具体实施流程如下：

（1）当转速偏差大于阈值时，如风力机如遇阵风等情况，风速突然增大或减小，此时统一变桨控制器工作，风机主控输出变桨命令β*作为统一变桨控制器的输入给定值，桨叶A的桨距角测量值β通过安装在电气伺服变桨机构中电动机输出轴上的位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到统一变桨控制器。

（2）给定值β*和反馈值β二者比较产生统一变桨控制器的偏差值e_c。

（3）统一变桨控制器可采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令n*到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作。

（4）统一变桨控制器、电气伺服变桨机构和位移传感器构成一个完整的闭环控制系统。

5、独立变桨控制工作原理如图4所示。由图4可知独立变桨控制器由桨距角-风速转换模型、方位角转换模型、摆振载荷计算模型、挥舞载荷计算模型、摆振载荷控制器、挥舞载荷控制器、位置环控制器组成。图4只给出了桨叶A的独立变桨控制方法，其它两个桨叶与其基本相同，唯一区别是桨叶B、C无须再安装方位角传感器，因为桨叶A、B、C空间位置两两相差120°，知道桨叶A的方位角，即可推算出桨叶B、C的方位角。具体实施流程如下：

（1）当转速偏差小于阈值时，如风力机工况相对稳定，风速增大或减小不明显，此时独立变桨控制器工作，风机主控输出变桨命令β*通过独立变桨控制器中的桨距角-风速转换模型转换为对应的平均风速v。一般的，兆瓦级风力机桨距角和风速是一个单调增的抛物线故系，如图5所示。桨距角-风速转换模型可以根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出，如可以以桨距角变化每1°来划分变桨区间。区间划分越细，控制精度越高，但是变桨动作频率随之也越快，对驱动齿轮的磨损也会越大。

（2）桨叶方位角θ由安装在桨叶上的方位角传感器检测得到。考虑到变桨频繁动作将对桨叶根部驱动齿轮产生较大磨损，方位角可通过独立变桨控制器中的方位角转换模型转换为分段的方位角θ_i。方位角转换模型可以根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格形式分段给出，如可以以方位角变化每10°来划分变桨区间。同样区间划分越细，控制精度越高，但是变桨动作频率随之也越快，对驱动齿轮的磨损也会越大。

（3）平均风速v和方位角θ_i分别输入到摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型中。摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型输出值M_x-i和M_y-i是在考虑风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航等因素对摆振载荷和挥舞载荷影响后，先计算三个桨叶各自的摆振载荷和挥舞载荷，然后求平均值得到的。摆振载荷M_x-i和挥舞载荷M_y-i分别乘以权系数a_x和a_y得到M_x*和M_y*，作为摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值。由于实际中三个桨叶的方位角不同，三个桨叶各自的摆振载荷和挥舞载荷大小也不同，求取平均值作为控制器的给定值后，即能保证三个桨叶摆振载荷和挥舞载荷大小相同，尤其是对桨叶挥舞方向载荷平衡具有重要意义。分别乘以权系数a_x和a_y，还可以调节摆振载荷和挥舞载荷的大小，从而最终使其在保证风力机功率稳定和最优输出的前提下，平衡和减小桨叶载荷，降低风力机的振动，提高风力机动力稳定性和使用寿命。

（4）桨叶A的摆振载荷测量值M_x和挥舞载荷测量值M_y由安装在桨叶上的光纤传感系统测量得到。每个系统由4个光纤载荷传感器组成，两两安装于每个叶片根部的摆振和挥舞方向，通过光源探测器测量叶片根部形变，并经信号处理后得到叶片摆振和挥舞两个方向的载荷，最后作为反馈值输入到摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器中。

（5）给定值M_x*和M_y*分别和反馈值M_x和M_y二者比较，产生摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的偏差值e_x和e_y。

（6）摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器可采用常规的PI或PID控制算法，分别输出变桨命令β_x和β_y。

（7）β_x和β_y相加求平均值后，得到合成变桨命令β_h*，作为位置环控制器的给定值，桨叶A的桨距角测量值β通过位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到位置环控制器。

（8）给定值β_h*和反馈值β二者比较产生位置环控制器的偏差值e_i。

（9）位置环控制器可采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令n*到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作。

（10）独立变桨控制器、电气伺服变桨机构、桨叶、位移传感器、光纤传感系统、方位角传感器构成一个完整的闭环控制系统。

综上所述，本实施例方法是一套基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法，通过该方法可以有效地进行混合控制，实现统一变桨和独立变桨。

Claims (1)

1.一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法，其特征在于：实现该方法的系统包括变桨混合控制器，变桨混合控制器由变桨控制开关、统一变桨控制器和独立变桨控制器组成，所述的独立变桨控制器由桨距角-风速转换模型、方位角转换模型、摆振载荷计算模型、挥舞载荷计算模型、摆振载荷控制器、挥舞载荷控制器、位置环控制器组成；

风力发电机组并网前，首先根据风机具体工况在变桨控制开关中预设一个转速偏差阈值并设定一个转速给定值；风力发电机组并网后，转速传感器测得的发电机转速测量值与转速给定值相比较，得到一个转速偏差，触发变桨控制开关动作，即当转速偏差大于这一阈值时，统一变桨控制器动作；当转速偏差小于这一阈值时，独立变桨控制器动作；

当转速偏差大于转速偏差阈值时，风机主控输出的变桨命令作为统一变桨控制器的给定值，统一变桨控制器输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

当转速偏差小于转速偏差阈值时，风机主控输出的变桨命令由桨距角-风速转换模型转换为对应的平均风速，位置环控制器输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

桨距角-风速转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；方位角转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格形式分段给出；

所述的变桨混合控制方法包括统一变桨控制方法和独立变桨控制方法；

所述的统一变桨控制方法具体步骤是：

（1）当转速偏差大于阈值时，即风速突然增大或减小，此时统一变桨控制器工作，风机主控输出变桨命令作为统一变桨控制器的输入给定值，桨叶的桨距角测量值通过安装在电气伺服变桨机构中电动机输出轴上的位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到统一变桨控制器；给定值和反馈值二者比较产生统一变桨控制器的偏差值；

（2）统一变桨控制器采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

统一变桨控制器、电气伺服变桨机构和位移传感器构成一个完整的闭环控制系统；

所述的独立变桨控方法的具体步骤是：

（1）当转速偏差小于阈值时，即风速增大或减小不明显，此时独立变桨控制器工作，风机主控输出的变桨命令通过独立变桨控制器中的桨距角-风速转换模型转换为对应的平均风速；桨距角-风速转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；

（2）桨叶方位角由安装在桨叶上的方位角传感器检测得到；方位角转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；

（3）平均风速和桨叶方位角分别输入到摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型中；摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型输出值是在考虑风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航因素对摆振载荷和挥舞载荷影响后，先计算出三个桨叶各自的摆振载荷和挥舞载荷，然后求平均值得到的，再分别乘以权系数作为摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值；

（4）摆振载荷测量值和挥舞载荷测量值由安装在桨叶上的光纤传感系统测量得到；每个光纤传感系统由4个光纤载荷传感器组成，两两安装于每个叶片根部的摆振和挥舞方向，通过光源探测器测量叶片根部形变，并经信号处理后得到叶片摆振和挥舞两个方向的载荷，最后作为反馈值输入到摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器中；摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值和反馈值分别比较，产生摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的偏差值；

（5）摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器采用常规的PI或PID控制算法，分别输出变桨命令；

（6）两个变桨命令相加求平均值后，得到合成变桨命令，作为位置环控制器的给定值，桨叶的桨距角测量值通过位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到位置环控制器；位置环控制器的给定值和反馈值二者比较产生位置环控制器的偏差值；

（7）位置环控制器采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；

独立变桨控制器、电气伺服变桨机构、桨叶、位移传感器、光纤传感系统、方位角传感器构成一个完整的闭环控制系统。

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