CN102996335A

CN102996335A - 一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法

Info

Publication number: CN102996335A
Application number: CN2012104093152A
Authority: CN
Inventors: 杜佳佳; 万宇宾; 刘红文; 王靛
Original assignee: CSR Zhuzou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: CN102996335B

Abstract

大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，由变桨距控制系统与转矩控制系统组成，在风机运行的过程之中，桨距PID控制器与转矩控制器同时运行，其中变桨距控制由桨距PID控制器实现，转矩控制由转矩控制器实现。变桨距控制系统由桨距偏差计算模块、桨距PID控制器模块、桨距限幅模块等组合而成，转矩控制系统由转矩偏差计算模块、转矩PID控制器模块、转矩大小限幅模块等组合而成。本发明所提供的解耦控制算法在没有增加额外硬件情况下，修改控制器软件实现了桨距控制器与转矩控制器的解耦算法，降低了风机的成本。

Description

一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法

技术领域

本发明涉及一种大型风电机组的控制方法，特别是涉及一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法

背景技术

随着风电的规模化应用，发电企业及电网运营商在功率曲线、电网友好性、机组寿命以及优化设计等多个方面对风电机组整机控制系统提出了更为严格的要求。现有的风机整机控制系统主要采取转矩控制和变桨距控制相结合的控制方法，在风电机组的功率小于额定功率时，主要采用转矩控制方法，利用转矩控制器给出转矩命令，间接调节风机的转速跟随风速变化实现最优叶尖速比，捕获最大的风能。当风速超过风力发电机额定风速的时候，风力发电机的转速和功率已经达到额定值，转矩控制转化为变桨距控制，通过改变桨叶节距角来改变叶片攻角，限制风轮吸收的能量，维持风机的转矩与转速，使风力机组处于额定值附近发电。同时还需要一种能够在转矩控制器与变桨距控制器之间实现切换过渡的控制策略。

目前，风电机组在额定以下和额定以上两种控制策略之间的切换主要有两种方法，一种是采用单纯的开关转换方式，利用发电机的功率作为判断依据，当风机的功率小于额定功率时采用转矩控制策略，当风机的功率大于额定功率时采用变桨距控制策略。另外一种方法是在使用PID（比例、积分、微分）控制算法的基础上采用积分器饱和的方法以及一个桨距动作的标识变量来完成两种控制策略的切换过程：桨距控制与转矩控制都采用PID（比例、积分、微分）控制器，在额定状态以下时桨距PID控制器的积分项饱和，桨距角输出指令限制在最小桨距角，转矩控制器起作用而桨距控制器不起作用；在额定状态以上时，转矩PID控制器的积分项饱和，转矩输出指令限制在额定转矩，桨距控制器起作用而转矩控制器不起作用；当桨距控制器起作用、桨距角大于某个设定值的时候，桨距动作的标识量被设置，这个设置的标识量用来限制转矩的取值，防止在桨距动作的过程中转矩的不正常跌落。

对于风速处于额定风速上下不断波动的工况，采用单纯开关转换的控制策略，由于风速的不断变化，风力发电机将会在转矩控制和变桨距控制两种控制方法之间频繁切换，增加了系统各个部件的疲劳载荷，降低了风力机组的使用寿命。同时切换的过程没有任何控制上的平滑措施，导致风机关键零部件在切换过程中的载荷冲击增大，影响了风机部件的寿命；同时加大了风机对电网的冲击，影响了电能质量，增加了电网的安全隐患。

采用积分器饱和外加辅助变量的方法来实现桨距控制器与转矩控制器切换过程的控制策略，当风速处于额定风速附近上下不断波动时，桨距控制器与转矩控制器仍然会同时作用，达不到解耦的目的，导致风机运行状态的不稳定；当积分器处于过饱和状态时会导致桨距执行器或者转矩执行器不动作，而当转速变化过快时又可能会导致执行器的误动作；同时辅助变量的加入也会导致控制切换的不平滑。这些缺点都会影响风机运行的稳定性，增加风机的载荷冲击与疲劳载荷，提高了风机的成本，影响了风机的使用寿命。

经检索：

申请号为201210009371.7的发明公开一种兆瓦级风力机组的控制方法、控制系统及兆瓦级风力机组，该控制方法中首先检测风力发电机当前状态的功率，只有控制器判断该风力发电机当前状态的功率大于预设极限功率值，并且风力发电机在高于预设时间时，风力发电机的控制方法才会由转矩控制方法变换至变桨距控制方法，除此外一直采用响应比较快的转矩控制方法进行控制；该控制方法不仅满足一般工况下风力发电机的控制需求，而且有效解决了在风速处于额定风速上下波动且波动较小工况下，两种控制方法频繁转换的现象，减少变桨系统的疲劳强度，提高风力机组各部件的使用寿命，并且对于极端升降阵风工况，可以解决风轮超速和极限载荷较大的问题。

申请号为201010250626.X的发明提供了一种风力发电机组的功率控制方法，其包括双PID转矩计算控制步骤之间转换时，加入滞环。本发明所述的风力发电机组的功率控制方法在现有风力发电机硬件的基础上，通过结合风力发电机组的运行参数信息，如转速、功率、转矩、风速、变桨角度等，在一套新的控制算法的处理下，将原来的功率波动较大，修改为风力发电机在运行风速范围内，转矩和功率变化相对较缓，减小风力发电机的闪变大小，可实现更佳的控制效果。

申请号为200910183567.6的发明提供了一种兆瓦级风力发电机组联合控制策略，当风力发电机所处风速在额定风速上下浮动时，转矩控制策略和变桨距控制策略同时保持运行状态，实现变桨距PID控制器和转矩PID控制器之间的无扰动切换。本发明充分利用了PID算法的积分饱和特性，使得转矩PID控制器和变桨距PID控制器之间的切换平滑且灵敏，避免了以往开关方式切换过程中的变桨距控制器和转矩控制器之间的相互干扰，同时保证了在同一时间只有一个控制器工作，避免了风速在额定点上下浮动时，风力发电机功率的剧烈波动，进而降低了载荷冲击，提高了电能质量，增大了风力发电机组的可靠性，提升了风力发电机组的运行性能。

上述这些专利虽然与风力机组的控制有关，但是都还是属于前面所述的两种控制方法类型，也都存在前面所述的一些不足和问题，因此很有必要对此加以进一步的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现行的变桨距控制与转矩控制的解耦技术方案在变桨距控制与转矩控制切换的过程中会导致较大的冲击载荷，同时两种控制之间的切换过于频繁，导致关键零部件的疲劳载荷过大，影响了部件的使用寿命的问题。为此我们提出一种在不增加风机硬件措施的情况下，为变速变桨距风力发电机组提供一种转矩控制器与变桨距控制器解耦的技术方案。

为了解决上述现有技术中所存在问题，本发明提出的技术方案是：一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，风力发电机整个控制系统由变桨距控制系统与转矩控制系统组成，在风机运行的过程之中，桨距PID（比例、积分、微分）控制器与转矩PID控制器同时运行，其中变桨距控制由桨距PID控制器实现，转矩控制由转矩PID控制器实现。

进一步地，变桨距控制系统由桨距偏差计算模块、桨距PID控制器模块、桨距限幅模块等组合而成；桨距偏差计算模块以转矩控制系统中的转矩命令中间值作为输入，经过数据处理之后得到桨距偏差；而桨距偏差与桨距控制的转速误差的差值称为桨距联合偏差（上述桨距控制的转速误差是由经过低通、带通、带阻等滤波器滤波处理后的发电机测量转速与桨距控制的转速参考点相减得到，而桨距控制的转速参考点即为额定转速），桨距联合偏差作为桨距PID控制器模块的输入，桨距PID控制器模块对桨距联合偏差处理后输出的数据经过了桨距位置限幅模块的处理之后，得到了桨距控制命令的中间值；桨距控制命令的中间值与塔架加阻模块计算后所得到的桨距角在一起经过处理之后，所得的输出作为桨距命令输出的最终值发送至桨距执行机构执行变桨动作。

进一步地，转矩控制系统由转矩偏差计算模块、转矩PID控制器模块、转矩大小限幅模块等组合而成；转矩偏差计算模块以桨距控制系统中的桨距命令中间值作为输入，经过数据处理之后得到转矩偏差，转矩偏差与转矩控制的转速误差的和值称为转矩联合偏差（上述转矩控制的转速误差是滤波后的发电机转速与转矩控制的转速参考点相减得到转矩控制的转速误差，而转矩控制的转速参考点在发电机的低转速段与高转速段分别设定了不同的转速点），转矩联合偏差作为转矩PID控制器模块的输入，经过转矩PID控制器模块处理后输出的信号经过转矩大小限幅模块后，得到了转矩控制命令的中间值，这一中间值与传动链加阻模块计算得到的转矩在一起经过处理之后，所得的输出作为转矩命令输出的最终值发送至转矩执行机构执行变转矩动作。

本发明的优点在于：本发明所提供的解耦控制算法在没有增加额外硬件情况下，修改控制器软件实现了桨距控制器与转矩控制器的解耦算法，降低了风机的成本。

在桨距控制器与转矩控制器的切换过程中没有采用硬件开关转换的控制方法，也没有在程序中使用一个标识变量来标识控制器转换的过程，而是采用联合偏差以及加入延迟环节的方法使两种控制器轮流起作用，在两个控制器之间平滑过渡；这样就避免了在控制器切换的过程中风机各个部件的载荷冲击，以及发电机对电网的冲击。

解耦控制算法中采用的延迟环节还可以避免风机在额定状态附近工作时两种控制器的频繁切换，减少了风机桨距执行器、转矩执行器开关动作的频率，减少了风机关键部件的疲劳载荷，增加了部件的使用寿命。

附图说明

图1 转矩控制与桨距控制的解耦结构原理图；

图2 桨距偏差计算模块的结构原理图；

图3桨距偏差生成器的非线性环节示意图；

图4 转矩偏差计算模块的结构原理图；

图5 转矩偏差生成器的非线性环节示意图；

图6 风机的稳态工作曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

附图1给出本发明的转矩控制与桨距控制的解耦结构原理图，通过附图可以看出，本发明涉及一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，风力发电机整个控制系统由变桨距控制系统与转矩控制系统组成，在风机运行的过程之中，桨距PID控制器与转矩控制器同时运行，其中变桨距控制由桨距PID控制器实现，转矩控制由转矩控制器实现。

如图1所示，变桨距控制系统包括桨距偏差计算模块1、桨距PID控制器模块2、桨距位置限幅模块3；所述变桨距控制由桨距PID控制器实现是指，先由桨距偏差计算模块1计算出桨距偏差，桨距偏差再与桨距控制转速误差的差称为桨距联合偏差，再将桨距联合偏差输入桨距PID控制器模块2，桨距PID控制器模块对桨距联合偏差处理，得到的输出数据再经过桨距位置限幅模块3处理得到了桨距控制命令的中间值，再将桨距控制命令的中间值与塔架加阻模块14合成之后，经过处理得到桨距角，并将最终结果输出作为桨距命令输出的最终值发送至桨距执行机构执行变桨动作。

其中，桨距控制的转速误差是由经过低通、带通、带阻等滤波器滤波处理后的发电机测量转速与桨距控制的转速参考点相减得到，而桨距控制的转速参考点即为额定转速；桨距控制命令的中间值还将作为转矩控制系统的转矩偏差计算模块4的输入值。

如图1所示，转矩控制系统包括转矩偏差计算模块4、转矩PID控制器模块5、转矩大小限幅模块6；桨距控制命令的中间值作为转矩偏差计算模块4的输入信号，经过转矩偏差计算模块4的处理之后得到转矩偏差，转矩偏差与转矩控制的转速误差的和称为转矩联合偏差（上述转矩控制的转速误差是滤波后的发电机转速与转矩控制的转速参考点相减得到转矩控制的转速误差，而转矩控制的转速参考点在发电机的低转速段与高转速段分别设定了不同的转速点），转矩联合偏差作为转矩PID控制器5模块的输入，经过转矩PID控制器模块5处理后输出的信号经过转矩大小限幅模块6后，得到了转矩控制命令的中间值，这一中间值与传动链加阻模块7计算得到的转矩在一起经过处理后，所得的输出作为转矩命令输出的最终值发送至转矩执行机构执行变转矩动作。

如图2所示，在桨距偏差计算模块的内部，桨距偏差发生器8接收转矩PID控制器输出的转矩命令中间值，根据非线性环节的特性采用插值的方法生成相应的偏差，偏差乘以桨距偏差增益9后再经过桨距偏差延迟环节10输出桨距偏差，桨距控制的转速误差与桨距偏差的差值构成桨距联合偏差，桨距联合偏差输入到桨距PID控制器模块，控制器模块经过计算输出桨距指令。

如图3所示，桨距偏差发生器8是一个非线性环节计算器。横轴是输入转矩命令，纵轴是生成的桨距偏差，桨距偏差发生器的非线性环节主要包括以下几种形式，从总体趋势上来看，桨距偏差随着转矩命令的增大而减少，当转矩命令达到额定转矩时桨距偏差为0，至于减小的趋势则根据风电机组的参数不同而有所变化。桨距偏差增益对桨距偏差发生器生成的偏差进行增益放大以及量纲转换，变换后的桨距偏差与转速误差的量纲相同。桨距偏差延迟环节是对生成的桨距偏差进行滞后滤波，主要作用是延迟偏差变化的时间，避免短时阵风的干扰，进一步降低了转矩控制器与桨距控制器同时作用的可能性，增强了转矩控制器与桨距控制器的解耦效果

如图4所示，在转矩偏差计算模块4中，转矩偏差发生器11接收桨距PID控制器输出的经过限幅的桨距命令中间值，根据非线性环节的特性采用插值的方法生成相应的偏差，偏差乘以转矩偏差增益12后再经过转矩偏差延迟环节13输出转矩偏差，转矩偏差与转矩控制的转速误差之和构成转矩联合偏差，转矩联合偏差输入到转矩PID控制器模块，转矩控制器模块经过计算输出转矩指令。

如图5所示，转矩偏差发生器11是一个非线性环节计算器。横轴是输入的桨距命令，纵轴是生成的转矩偏差，转矩偏差发生器的非线性环节主要包括以下几种情况，从总体趋势上来看，转矩偏差随着桨距命令的增大而增大，当桨距命令达到顺桨角度时转矩偏差达到最大，至于增大的趋势则根据风机的结构不同而有所变化。转矩偏差增益对转矩偏差发生器生成的偏差进行增益放大以及量纲转换，转换后的转矩偏差量纲与转速误差相同，转矩偏差延迟环节是对生成的转矩偏差进行滞后滤波，主要作用是延迟偏差变化的时间，避免短时阵风的干扰，并进一步降低了转矩控制器与桨距控制器同时作用的可能性，增强了转矩控制器与桨距控制器的解耦效果。

如图6所示，曲线ABCDEF是风机的工作曲线，AB是风机的起动阶段；在BCD段，风机的发电机转矩按照公式给出以控制风轮转速跟踪风速变化维持最优叶尖速比获得最大风能捕获系数；在D点发电机达到额定转速；在DE段，发电机的转矩指令按照转矩PID控制器给出，控制发电机转速保持额定转速不变，在E点发电机转矩达到额定转矩，发电机的功率为额定功率，风机工作开始在额定状态；之后，随着风速的增大，风机变桨系统启动，通过改变改变桨距角改变叶片攻角，从而改变风机吸收的风能，维持风机工作在额定状态。

下面通过具体实施例来讲述本发明：

一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，风力发电机整个控制系统由变桨距控制系统与转矩控制系统组成，在风机运行的过程之中，桨距PID（比例、积分、微分）控制器与转矩PID控制器同时运行，其中变桨距控制由桨距PID控制器实现，转矩控制由转矩PID控制器实现。

其中，桨距控制器与转矩控制器在风机的整个工作过程中保持同时运行状态，本发明的解耦策略能够有效的解除了二者之间的耦合，使两个控制器能够分别单独起作用。桨距控制的转速参考点恒为发电机的额定转速，而转矩控制的转速参考点在发电机低转速的时候设定为发电机的最低工作转速，也就是A点的转速，而在发电机高转速的时候，转速参考点设定为发电机的额定转速。当风机处于启动阶段AB时，桨距控制的转速误差远远小于零，而由于转矩命令远小于额定转矩所以桨距偏差为正值，桨距控制的转速误差与桨距偏差的差值小于零，所以桨距控制器模块输出的桨距命令为负值，由于桨距限幅的作用桨距角就被限制在最小桨距角处，桨距执行机构不动作。此时对应的转矩偏差为0，同时由于转矩控制器的转速参考点为发电机最小转速，转矩PID控制器模块根据转矩联合偏差（转速误差与转矩偏差的和）经过计算输出转矩命令，维持发电机的转速恒定，控制风机的启动过程。所以，在风机工作的AB段，风机的桨距控制系统不起作用而转矩控制系统起作用，本发明的解耦控制算法实现了两种控制器的解耦。

在风机工作的BCD曲线段，转矩控制器按照最优转矩的方式给出转矩命令，控制发电机的转速跟随风速的变化，保持风机的叶尖速比

为最优以及最大的风能利用系数

Figure 2012104093152100002DEST_PATH_IMAGE006

。在这一阶段，由于转矩命令小于额定转矩所以桨距偏差计算模块得到桨距偏差大于零，同时桨距控制的转速误差小于零，所以桨距PID控制器模块的输入桨距联合偏差小于零，由于限幅作用，桨距角维持在最小桨距角处，此时桨距执行机构不动作。所以在风机的BCD段，桨距控制系统不起作用而转矩控制系统起作用，本发明的解耦控制算法实现了转矩控制器与桨距控制器的解耦。

在风机工作曲线的DEF段，桨距控制器以及转矩控制器的参考转速都设定为额定转速，在这一段风机发电机的转速保持在额定转速。随着风速的上升，发电机转矩升高，功率升高，当达到E点，发电机转矩达到额定转矩，功率达到额定功率。之后随着风速的升高，发电机维持转矩不变，变桨距执行器开始动作，通过改变桨叶攻角、风机吸收的风能来维持发电机转速以及功率不变。下面分成几种情况来分别阐述本发明的解耦控制算法在风机工作的DEF段的作用机制。

针对风机工作在额定状态以下，风速由额定以下向额定以上上升的情况，本发明的桨距控制与转矩控制的解耦策略能够有效的解除风速上升过程中在额定点附近的桨距控制与转矩控制的耦合作用。首先当风机处于额定以下的工作状态时，发电机转矩小于额定转矩，桨距偏差大于零，桨距还维持在最小桨距角处，转矩偏差为零，转矩偏差与转速偏差之和作为转矩PID控制器的输入，控制器输出转矩命令，维持发电机转速恒定。在风速升高过程中，发电机转速以及转速误差升高，而转矩偏差为零，所以转矩PID控制器的输入转矩联合偏差（转矩转速误差与转矩偏差之和）升高，转矩控制器的输出指令升高；而此时由于转矩命令的值小于额定转矩，桨距偏差为正值，而且要相对大于此时的转速误差，因此桨距PID控制器的输入桨距联合偏差（转速误差与桨距偏差的差值）为负值，桨距控制器的输出命令为最小桨距角的值，桨距执行器没有动作。当发电机的转矩继续上升达到额定转矩的时候，由桨距偏差发生器的非线性环节可知此时对应的偏差为零，但是偏差要经过延迟环节才能得到桨距偏差，桨距偏差需要经过一段时间才能为零；所以此时桨距联合偏差仍然为负值，桨距PID控制器输出的桨距指令仍然为最小桨距角，桨距执行器不动作。之后，发电机转矩继续维持在额定转矩，发电机转速及转速误差继续上升，而最终输出的桨距偏差继续变小趋近于零，经过一段延迟时间后，桨距PID控制器的输入桨距联合偏差变为正值，桨距控制器输出的变桨指令大于最小桨距角，变桨执行器开始动作。可见，只有当转矩维持在额定转矩并经过延迟环节所规定的时间后变桨执行器才开始动作，改变风机吸收的风能，维持风机工作在额定状态，这样在风速上升的过程中就解决了风机由额定之下向额定之上状态过渡时桨距控制与转矩控制的耦合问题。

针对风机工作在额定以上，风速降低风机由额定以上向额定以下工作状态变化的情况，本发明的解耦策略可以有效的解除风速下降过程中的桨距控制与转矩控制的耦合作用。风机处于额定状态以上时，转矩为额定转矩，桨距偏差为零，桨距PID控制器给出的变桨距指令大于最小桨距角，变桨距执行器处于工作过程中，转矩偏差大于零。当风速降低时，发电机转速以及转速误差降低，但是由于此时转矩偏差大于零，且转矩偏差的绝对值大于转矩转速误差的绝对值，所以转矩PID控制器的输入转矩联合偏差（转矩偏差与转矩转速误差之和）仍然大于零，转矩控制器输出的转矩指令仍然为额定转矩；而由于桨距偏差为零，桨距PID控制器的输入桨距联合偏差（桨距控制转速误差与桨距偏差之差）为负值，所以控制器的输出指令为负值，桨距执行器控制桨距向最小桨距角动作。当风速达到额定以及额定以下时，桨距PID控制器的输出指令为最小桨距角，桨距执行器停止动作，此时的转矩偏差生成器输出的偏差为零，但是偏差要经过延迟环节才能得到转矩偏差，所以此时转矩偏差仍然大于零，转矩联合偏差仍然大于零，转矩控制器的转矩输出指令仍然为额定转矩。之后，桨距执行器停止动作，发电机转矩维持为额定转矩，发电机转速以及转速误差继续降低，转矩偏差继续趋近于零，经过一段延迟时间后转矩联合偏差开始为负值，转矩执行器开始动作降低发电机转矩并维持发电机转速恒定。这样在风速下降的下降过程中就解决了风机由额定之上向额定之下状态过渡时桨距控制与转矩控制的耦合问题。

针对风机工作在额定风速以下，突然有一个上升的短时阵风使风速瞬间到达额定风速以上然后风速又下降到额定风速以下的情况，本发明的解耦策略能够有效避免桨距执行器的频繁动作。风机工作在额定以下情况时，桨距指令为最小桨距角，转矩偏差为零，转矩指令小于额定转矩，桨距偏差大于零。当来一个阵风使风速瞬间达到额定风速以上时，发电机转速上升，转矩转速误差上升，转矩PID控制器输出的转矩指令上升并达到额定转矩，桨距偏差发生器的输出为零，但是由于桨距偏差发生器输出的偏差要经过延迟环节的作用，此时桨距偏差仍然为正值，桨距PID控制器的输入桨距联合偏差（桨距控制的转速误差与桨距偏差的差值）仍然为负值，所以桨距控制器的指令输出为最小桨距角，桨距执行器不动作。经过一段时间风速下降到额定风速以下，发电机转速及转速误差下降，转矩PID控制器的输出指令下降，桨距偏差大于零，相应的桨距联合偏差小于零，桨距PID控制器的输出指令为最小桨距角，风机重新处于额定以下工作状态。在短时上升阵风的整个风速变化过程中，本发明的解耦控制算法能够避免风机的转矩控制器与桨距控制器同时起作用。

针对风机工作在额定风速以上，突然有一个下降的短时阵风使风速瞬间到达额定风速以下然后风速又上升到额定风速以上的情况，本发明的解耦策略能够使发动机转矩有效维持在额定转矩，防止发动机转矩、功率瞬间下跌。当风机工作在额定风速以上时，转矩指令为额定转矩，桨距偏差为零，桨距角大于最小桨距角的值，转矩偏差大于零。当风速突然降低到额定以下时，发电机转速及转速误差降低，桨距PID执行器的输出指令变小并减少到最小桨距角，转矩偏差发生器输出的偏差也减少至零，但是由于转矩偏差发生器输出的偏差要经过延迟环节的作用，此时转矩偏差仍然大于零，所以转矩PID控制器的输入转矩联合偏差（转矩控制的转速误差与转矩偏差的和）大于零，控制器输出的转矩指令仍然为额定转矩；经过一段时间风速重新上升至额定风速以上，发电机转速以及转速误差上升，桨距PID执行器输出的指令变大，转矩偏差发生器输出的转矩偏差变大，转矩联合偏差变大，转矩PID控制器输出的转矩指令为额定转矩，风机重新工作于额定工作状态。这样在短时下降阵风的整个风速变化过程中，本发明的解耦策略能够避免转矩、功率的瞬间下跌以及风机转矩控制器与桨距控制器的耦合作用。

Claims

1.一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，风力发电机整个控制系统由变桨距控制系统与转矩控制系统组成，在风机运行的过程之中，桨距PID控制器与转矩控制器同时运行，其中变桨距控制由桨距PID控制器实现，转矩控制由转矩控制器实现。

2.如权利要求1所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，变桨距控制系统包括桨距偏差计算模块、桨距PID控制器模块、桨距位置限幅模块；所述变桨距控制由桨距PID控制器实现是指，先由桨距偏差计算模块计算出桨距偏差，再与桨距控制的转速误差合成为桨距联合偏差，再将桨距联合偏差输入桨距PID控制器模块，桨距PID控制器模块对桨距联合偏差处理后的输出数据给桨距位置限幅模块，得到了桨距控制命令的中间值，再将桨距控制命令的中间值与塔架加阻模块合成之后，经过处理计算后所得到桨距角，并将最终结果输出作为桨距命令输出的最终值发送至桨距执行机构执行变桨动作。

3.如权利要求2所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，桨距控制的转速误差是由经过低通、带通、带阻等滤波器滤波处理后的发电机测量转速与桨距控制的转速参考点相减得到，而桨距控制的转速参考点即为额定转速；桨距控制命令的中间值还将作为转矩控制系统的转矩偏差计算模块的输入值。

4.如权利要求1所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，转矩控制系统包括转矩偏差计算模块、转矩PID控制器模块、转矩大小限幅模块；桨距控制命令的中间值作为转矩偏差计算模块的输入信号，经过转矩偏差计算模块的处理之后得到转矩偏差，转矩偏差与转矩控制的转速误差的差值称为转矩联合偏差，转矩联合偏差作为转矩PID控制器模块的输入，经过转矩PID控制器模块处理后输出的信号经过转矩大小限幅模块后，得到了转矩控制命令的中间值，这一中间值与传动链加阻模块计算得到的转矩在一起经过处理后，所得的输出作为转矩命令输出的最终值发送至转矩执行机构执行变转矩动作。

5.如权利要求4所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，所述转矩联合偏差的转矩控制的转速误差是滤波后的发电机转速与转矩控制的转速参考点相减得到转矩控制的转速误差，而转矩控制的转速参考点在发电机的低转速段与高转速段分别设定了不同的转速点。

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，在桨距偏差计算模块的内部，桨距偏差发生器接收转矩PID控制器输出的转矩命令中间值，根据非线性环节的特性采用插值的方法生成相应的偏差，偏差乘以桨距偏差增益后再经过延迟环节输出桨距偏差，桨距控制的转速误差与桨距偏差的差值构成桨距联合偏差，桨距联合偏差输入到桨距PID控制器模块，控制器模块经过计算输出桨距指令。

7.如权利要求1-5任意一项所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，桨距偏差发生器是一个非线性环节计算器；横轴是输入转矩命令，纵轴是生成的桨距偏差，桨距偏差发生器的非线性环节主要包括以下几种形式，从总体趋势上来看，桨距偏差随着转矩命令的增大而减少，当转矩命令达到额定转矩时桨距偏差为0，至于减小的趋势则根据风电机组的参数不同而有所变化；桨距偏差增益对桨距偏差发生器生成的偏差进行增益放大以及量纲转换，变换后的桨距偏差与转速误差的量纲相同；桨距偏差延迟环节是对生成的桨距偏差进行滞后滤波，主要作用是延迟偏差变化的时间，避免短时阵风的干扰，进一步降低了转矩控制器与桨距控制器同时作用的可能性，增强转矩控制器与桨距控制器的解耦效果。

8.如权利要求1-5任意一项所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，在转矩偏差计算模块中，转矩偏差发生器接收桨距PID控制器输出的经过限幅的桨距命令中间值，根据非线性环节的特性采用插值的方法生成相应的偏差，偏差乘以转矩偏差增益后再经过延迟环节输出转矩偏差，转矩偏差与转矩控制的转速误差之和构成转矩联合偏差，转矩联合偏差输入到转矩PID控制器模块，转矩控制器模块经过计算输出转矩指令。

9.如权利要求1-5任意一项所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，转矩偏差发生器是一个非线性环节计算器；横轴是输入的桨距命令，纵轴是生成的转矩偏差，转矩偏差发生器的非线性环节主要包括以下几种情况，从总体趋势上来看，转矩偏差随着桨距命令的增大而增大，当桨距命令达到顺桨角度时转矩偏差达到最大，至于增大的趋势则根据风机的结构不同而有所变化；转矩偏差增益对转矩偏差发生器生成的偏差进行增益放大以及量纲转换，转换后的转矩偏差量纲与转速误差相同，转矩偏差延迟环节是对生成的转矩偏差进行滞后滤波，主要作用是延迟偏差变化的时间，避免短时阵风的干扰，并进一步降低了转矩控制器与桨距控制器同时作用的可能性，增强转矩控制器与桨距控制器的解耦效果。

10.如权利要求1-5任意一项所述的一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，其特征在于，曲线ABCDEF是风机的工作曲线，AB是风机的起动阶段；在BCD段，风机的发电机转矩按照公式

给出以控制风轮转速跟踪风速变化维持最优叶尖速比获得最大风能捕获系数，在D点发电机达到额定转速；在DE段，发电机的转矩指令按照转矩PID控制器给出，控制发电机转速保持额定转速不变，在E点发电机转矩达到额定转矩，发电机的功率为额定功率，风机工作开始在额定状态；之后，随着风速的增大，风机变桨系统启动，通过改变改变桨距角改变叶片攻角，从而改变风机吸收的风能，维持风机工作在额定状态。