CN103334876A - 风机叶片在叶轮旋转平面的三阶频率振动抑制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种风机叶片在叶轮旋转平面（IN-PLANE）的三阶频率振动抑制系统及方法。所述系统包括：发电机转速测量模块，获得发电机转速测量值；比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值比较；比例积分控制器，对比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；带通滤波器，从发电机转速测量值中提取出风机叶片IN-PLANE三阶固有频率信号；微分模块，对带通滤波结果进行微分运算；比例增益模块，对微分运算结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；加法器，将发电机电磁扭矩的第一和第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，以降低风机叶片IN-PLANE三阶频率振动幅度。
Description
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种风机叶片IN-PLANE三阶频率振动抑制系统和方法。
背景技术
随着风力发电机（Wind Turbine，MT，简称风机）的设计容量和叶片长度增加，叶片IN-PLANE三阶固有频率信号表现出频率越来越低且同时信号强度大幅增加的趋势（这里，IN-PLANE指的是风机叶轮旋转所在的平面，即，风机叶轮旋转平面），导致发电机转速测量值以及风机塔架（也称为塔筒）的side-side方向（与叶轮迎风方向垂直的方向，也是就与风向垂直的方向）加速度信号中，叶片IN-PLANE三阶固有频率信号明显。发电机转速测量值中明显的叶片IN-PLANE三阶固有频率信号在额定风速以上会被风机的变桨执行机构响应，风机的变桨电机会以叶片IN-PLANE三阶固有频率快速振荡，导致变桨电机温度快速上升，甚至导致变桨的烧毁。
风机控制策略目前采用两种方式来应对上述问题。一方面减小设置在发电机转速-变桨控制回路中的低通滤波器的截止频率，另一方面在叶片IN-PLANE三阶固有频率处采用陷波滤波器，以此来防止变桨执行机构对叶片IN-PLANE三阶固有频率进行响应，避免额定风速以上变桨电机温度快速上升或者烧毁。
然而，采用减小设置在发电机转速-变桨控制回路中的低通滤波器的截止频率以及采用陷波滤波器的方案，一方面并不能减小塔架side-side方向叶片IN-PLANE三阶固有频率的振动，另一方面，减小设置在发电机转速-变桨控制回路中的低通滤波器的截止频率，反而会导致发电机转速-变桨闭环控制回路中超调量增加、动态响应速度变慢等动态特性变差的现象。
发明内容
本发明的目的在于减小风机在并网发电模式下运行时，在发电机转速测量信号以及塔筒Side-side方向上叶片IN-PLANE三阶固有频率振动的幅度，避免变桨执行机构由于对叶片IN-PLANE三阶固有频率响应所发生的变桨电机温度快速上升甚至烧毁的故障。
本发明的目的还在于提升发电机转速-变桨速率闭环控制回路的动态特性，包括降低超调量、缩短响应时间等。
根据本发明的一方面，提供一种风机叶片IN-PLANE三阶频率振动抑制系统，所述振动抑制系统包括：发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例积分控制器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；带通滤波器，对发电机转速测量值进行带通滤波，从发电机转速测量值中提取出风机叶片IN-PLANE三阶固有频率信号；微分模块，对带通滤波器的带通滤波结果进行微分运算；比例增益模块，对微分模块的微分运算结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；加法器，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低风机叶片IN-PLANE三阶频率振动幅度。
振动抑制系统还可包括：第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
振动抑制系统还可包括：第二低通滤波器，连接在比例积分控制器和加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
带通滤波器的传递函数可以是其中，s表示复变量，ξ表示阻尼系数，ω表示角频率。
根据本发明的另一方面，提供一种风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶频率振动抑制方法，所述方法包括：测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；对发电机转速测量值进行带通滤波，从发电机转速测量值中提取出风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶固有频率信号；对带通滤波结果进行微分运算；对微分运算结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶频率振动幅度。
可对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果与发电机转速设定值进行比较。
可对比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
带通滤波的传递函数可以是
其中，s表示复变量，ξ表示阻尼系数，ω表示角频率。
根据本发明的风机叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制系统和方法可以在机组处于并网发电模式时的各种工况下，大幅限制风机塔架Side-side方向上叶片IN-PLANE三阶固有频率振动幅度；可以避免变桨执行机构发生叶片IN-PLANE三阶固有频率的快速振荡而产生的变桨电机温度快速上升甚至变桨电机烧毁现象，因此在额定风速以上运行时对风机变桨执行机构提供了很好的保护；采用本发明，可使得发电机转速-变桨速率闭环控制系统超调量减小、带宽增加、响应时间缩短，因此有效改善了额定风速以上机组运行时的动态响应特性和性能。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是示出根据本发明实施例的风机叶片IN-PLANE三阶频率振动抑制系统的框图；
图2示出了叶轮直径为66米的1.5MW风机发电机转速-变桨速率闭环bode图；图3示出了叶轮直径为87米的1.5MW风机发电机转速-变桨速率闭环bode图；
图4示出了叶轮直径为128米的6.0MW风机发电机转速-变桨速率闭环bode图；
图5示出了叶轮直径为150米的6.0MW风机发电机转速-变桨速率闭环bode图；
图6示出了发电机电磁扭矩-发电机转速测量信号的开环阶跃响应；
图7示出了根据现有技术的在发电机转速-变桨速率控制回路中引入陷波滤波器和降低低通滤波器截止频率的技术方案的闭环阶跃响应；
图8示出了根据本发明的叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制技术方案的闭环阶跃响应；
图9示出了根据现有技术的在发电机转速-变桨速率控制回路中引入陷波滤波器和降低低通滤波器截止频率的技术方案的闭环bode图；
图10示出了根据本发明的叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制技术方案的闭环bode图；
图11示出根据本发明实施例的风机叶片IN-PLANE三阶频率振动抑制方法的流程图。
具体实施方式
现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。
图1是示出根据本发明实施例的风机叶片IN-PLANE三阶频率振动抑制系统的框图。
参照图1，风机叶片IN-PLANE三阶频率振动抑制系统包括发电机转速测量模块（未示出）、比较器101、比例积分（PI）控制器102、带通滤波器103、微分模块104、比例增益模块105和加法器106。
发电机转速测量模块安装在风机机舱内，测量发电机转速（即，获得发电机转速测量值）。比较器101将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较。PI控制器102接收比较器101的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
带通滤波器103对发电机转速测量值进行带通滤波，从发电机转速测量值中提取出风机叶片IN-PLANE三阶固有频率信号。带通滤波器103的传递函数可以是
其中，s表示复变量，ξ表示阻尼系数，ω表示角频率。带通滤波器103的功能就是从发电机转速测量值中提取出风机叶片IN-PLANE三阶固有频率信号。
微分模块104对带通滤波器103的带通滤波结果进行微分运算。
比例增益模块105对微分模块104的微分运算结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值。
加法器106将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值。发电机电磁扭矩给定值被输入到风机中，用于控制风机的电磁扭矩，从而降低风机叶片IN-PLANE三阶频率振动幅度。
优选地，可在发电机转速测量模块和比较器101之间连接有第一低通滤波器107，第一低通滤波器107对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器101，以与发电机转速设定值进行比较。
另外，可在PI控制器102和加法器106连接有第二低通滤波器108，第二低通滤波器108对PI控制器102的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器106作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
图2示出了叶轮直径为66米的1.5MW（兆瓦）风机发电机转速-变桨速率闭环bode（伯德）图，图3示出了叶轮直径为87米的1.5MW风机发电机转速-变桨速率闭环bode图，图4示出了叶轮直径为128米的6.0MW风机发电机转速-变桨速率闭环bode图，图5示出了叶轮直径为150米的6.0MW风机发电机转速-变桨速率闭环bode图，从图2至图5中可以看出，随着叶片直径增加和风机设计容量增加，叶片IN-PLANE三阶固有频率不断降低，而且相应频率信号强度大幅增加。
图6示出了发电机电磁扭矩-发电机转速测量信号的开环阶跃响应，其中虚线表示根据现有技术的在发电机转速-变桨速率控制回路中引入陷波滤波器和降低低通滤波器截止频率的技术方案，实线表示根据本发明的叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制技术方案。明显的是，根据本发明的叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制方案可以大幅度降低塔架Side-side方向上叶片IN-PLANE三阶固有频率振动幅度。
图7示出了根据现有技术的在发电机转速-变桨速率控制回路中引入陷波滤波器和降低低通滤波器截止频率的技术方案的闭环阶跃响应，图8示出了根据本发明的叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制技术方案的闭环阶跃响应。明显的是，与现有技术相比，根据本发明的叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制技术方案的超调量更低，调节时间更短。
图9示出了根据现有技术的在发电机转速-变桨速率控制回路中引入陷波滤波器和降低低通滤波器截止频率的技术方案的闭环bode图，图10示出了根据本发明的叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制技术方案的闭环bode图。明显的是，与现有技术相比，根据本发明的叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制技术方案的带宽更大，响应速度更快。
在根据本发明的风机叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制系统中，通过带通滤波器103、微分模块104、比例增益模块105将风机发电机转速测量信号引入到发电机电磁扭矩控制中，大幅提升了发电机电磁扭矩-发电机转速测量信号开环控制、发电机转速-变桨速率闭环控制的性能；风机发电机转速测量信号经过带通滤波器103、微分模块104、比例增益模块105之后所引入的附加发电机电磁扭矩放置在第二低通滤波器108之后，而不是PI控制器102的输出端，因此避免了第二低通滤波器108对风机发电机转速信号经过带通滤波器、微分模块、比例增益模块之后所引入的附加发电机电磁扭矩信号相位的影响。
图11示出根据本发明实施例的风机叶片IN-PLANE三阶频率振动抑制方法的流程图。
参照图11，在步骤1101，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值。可通过安装在风机机舱内的发电机转速测量模块测量发电机转速。
在步骤1102，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较。
在步骤1103，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
在步骤1104，通过带通滤波器对发电机转速测量值进行带通滤波，从发电机转速测量值中提取出风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶固有频率信号。
在步骤1105，对带通滤波器的带通滤波结果进行微分运算。
在步骤1106，对微分运算结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值。
在步骤1107，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值。所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶频率振动幅度。
在进行步骤1102之前，可先对发电机转速测量值进行低通滤波，然后将低通滤波的结果与发电机转速设定值进行比较。
可先对比例积分结果进行低通滤波，然后将低通滤波的结果作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
根据本发明的风机叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制系统和方法可以在机组处于并网发电模式时的各种工况下，大幅限制风机塔架Side-side方向上叶片IN-PLANE三阶固有频率振动幅度；可以避免变桨执行机构发生叶片IN-PLANE三阶固有频率的快速振荡而产生的变桨电机温度快速上升甚至变桨电机烧毁现象，因此在额定风速以上运行时对风机变桨执行机构提供了很好的保护；采用本发明，可使得发电机转速-变桨速率闭环控制系统超调量减小、带宽增加、响应时间缩短，因此有效改善了额定风速以上机组运行时的动态响应特性和性能。
此外，风机叶片IN-PLANE三阶固有频率振动抑制系统和方法可应用于直驱兆瓦风机。
虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶频率振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统包括：
发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；
比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；
比例积分控制器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；
带通滤波器，对发电机转速测量值进行带通滤波，从发电机转速测量值中提取出风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶固有频率信号；
微分模块，对带通滤波器的带通滤波结果进行微分运算；
比例增益模块，对微分模块的微分运算结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；
加法器，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶频率振动幅度。
2.根据权利要求1所述的振动抑制系统，还包括：第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
3.根据权利要求1所述的振动抑制系统，还包括：第二低通滤波器，连接在比例积分控制器和加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
4.根据权利要求1所述的振动抑制系统，其特征在于，带通滤波器的传递函数是
其中，s表示复变量，ξ表示阻尼系数，ω表示角频率。
5.一种风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶频率振动抑制方法，其特征在于，所述方法包括：
测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；
将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；
对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；
对发电机转速测量值进行带通滤波，从发电机转速测量值中提取出风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶固有频率信号；
对带通滤波结果进行微分运算；
对微分运算结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；
将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低风机叶片在风机叶轮旋转平面的三阶频率振动幅度。
6.根据权利要求5所述的振动抑制方法，其特征在于，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果与发电机转速设定值进行比较。
7.根据权利要求5所述的振动抑制方法，其特征在于，对比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
8.根据权利要求5所述的振动抑制方法，其特征在于，带通滤波的传递函数是
其中，s表示复变量，ξ表示阻尼系数，ω表示角频率。
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