CN103527405A - 一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，提出基于转速偏差的前馈控制策略，当风力发电机组运行在额定风速以上时，首先利用发电机转速的测量值与设定值得到转速偏差，然后通过前馈控制给出合适的前馈变桨角，再与反馈PI控制器的输出相加作为桨距角的设定点。具有如下优点：1.只需对转速偏差采用前馈补偿，不用测量多位置的风速，避免增加额外的成本。2.大大简化了前馈控制系统，降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件。3.比纯反馈控制具有控制精度高、温度速度快的特点。

Description

一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法

技术领域

本发明涉及一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，属于风机变桨控制技术领域。 

背景技术

随着控制理论、电力电子技术、计算机控制技术等相关技术的进步与完善，风力发电技术取得了突飞猛进的发展，风力发电机组控制技术也由原来单一的定桨距失速控制转向变桨距和变速控制技术。 

现在常用的变速变桨距风力发电机组的基本控制策略是：（一）在额定风速以下时通过调节发电机转矩使风轮按照最佳叶尖速比运行，追踪最大风能利用系数，风能利用率较高；（二）当超过额定风速时通过变桨限制气动力矩，稳定功率输出。在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。基于此大型风力发电机组大都采用了变桨距控制技术。 

变桨距控制系统在风力发电机组中起主动调节(保持额定功率)和优化(在小于额定风速时优化功率)的作用。在低风速时，叶片转动到合适位置确保叶轮具有最大起动力矩，其意味着风力发电机组能够在更低风速下开始发电，无需把发电机作为电动机使用及设计电动机起动的程序。并入电网时，为确保平缓并网发电，变桨距控制系统还可以在一定时间内保持发电机的适当转速。并入电网后，能够通过调节桨距角限制风力发电机组的输出功率，使风力发电机组在高风速下获得额定功率输出，桨距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，不受气流密度变化的影响。变桨距风力发电机组的额定风速较低，在风速超过其额定风速时发电机组的出力也不会下降，始终保持在一个接近理想化的水平，提高了发电效率。需要脱离电网时，变桨距控制系统可以先转动叶片使之减小功率，在发电机和电网断开之前，功率降到最低，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载过程。 

风力发电机组存在多个变化的运行范围，而且自然风速大小随机变化，从而会导致风力发电机组随风速在各个运行工况之间频繁切换。不同工况之间切换容易引起控制系统的暂态响应变差，变桨距控制系统必须能够确保风力发电机组在所有运行工况下的鲁棒稳定性。 

目前，具体地，电动变桨距风力发电机组大多数是采用变增益PI或PID变桨距控制方式，通过测量偏差来调整叶片桨距角，改变气流对叶片的攻角，从而改变风轮获得的空气动力转矩使机组输出功率保持稳定。变速变桨距风力发电机组是一个非线性、多变量、时变的复杂系统，因此很难建立精确的数学模型，对于风力发电机组的变桨距系统而言，传统的PID反馈控制方法存在反馈信号校正动作滞后的问题，限制了控制作用的充分发挥。另外，风力发电机组在变桨过程中不可避免地会对风力发电机组造成载荷冲击，对于大型变速变桨风力发电机组的变桨控制，如何能在提高功率品质的同时，降低风力发电机组关键部位的载荷成为主要问题。通常可以通过机械方法，如通过弹性连接件和支撑件增加传动系统阻尼等，但是这样会增加成本，并且由于风电机组自身阻尼非常小，控制效果并不理想。 

通过上述分析可知，现有变速变桨距风力发电机组的变桨距控制系统主要存在如下几个方面的缺陷： 

1.无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。

2.被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，故限制了控制作用的充分发挥。 

3.PI控制技术成熟、结构简单，易于工程实现，但对非线性、多干扰对象适应性、鲁棒性差。 

变桨距控制水平与风力发电机组的运行特性息息相关，为了达到良好的控制效果：变桨距控制系统应该对变化的风速作出快速的响应；通过改变风力机叶片的桨距角调节风力发电机组的输出功率，适应风速的变化，确保风力发电机组的安全运行。 

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种通过对发电机转速偏差增加前馈补偿和利用塔筒前后方向加速度反馈增大系统等效阻尼的控制方法。 

为实现上述目的，本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，1.一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，包括： 

步骤11：测量风力发电机组的发电机转速 ω_mea；

步骤12：将发电机转速ω_mea与设定转速ω_set进行差值运算得到转速偏差Δω；

步骤13：PI控制，即PI控制器利用步骤12中得到的转速偏差Δω，并按照拉普拉斯关系式

（其中K₀为PI控制器的比例系数，T₀为积分时间常数）得出变桨控制期望输出的桨距角β₀；

步骤14：前馈控制，即检测出发电机转速扰动Δω，等同于步骤12所述的转速偏差，再通过动态前馈控制器计算出期望的前馈扰动补偿桨距角Δβ₀；

步骤15：根据步骤13中PI控制期望输出的桨距角β₀和步骤14中前馈控制期望输出的前馈扰动补偿桨距角Δβ₀进行如下运算：β₀+Δβ₀；

步骤16：由桨距角限制器对β₀+Δβ₀作限制处理后输出相应的桨距角。

综上所述，本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法提出基于转速偏差的前馈控制策略，当风力发电机组运行在额定风速以上时，首先利用发电机转速的测量值与设定值得到转速偏差，然后通过前馈控制给出合适的前馈变桨角，再与反馈PI控制器的输出相加作为桨距角的设定点。通过该控制策略可以避免测量风力发电机组桨叶迎风面的风速。具有如下优点： 

1.只需对转速偏差采用前馈补偿，不用测量多位置的风速，避免增加额外的成本。

2.大大简化了前馈控制系统，降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件。 

3.比纯反馈控制具有控制精度高、温度速度快的特点。 

附图说明

图1为本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法基本控制策略示意图。 

图2为本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法具体控制策略示意图。 

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。 

请参阅图1，本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法在背景技术的基础之上主要增加并设计的变桨距控制方法可分为两部分：第一部分是根据发电机转速偏差计算桨距角的变化，即通过发动机转速偏差计算桨距角的控制策略是在PI控制的基础上加入前馈扰动补偿控制；第二部分是通过塔筒前方振动方向的加速度来获得桨距角补偿值。这两部分得到的桨距角再相加即是桨距角给定，再发送到变桨执行结构。下面结合图例对该关键技术进行详细描述。 

请参阅图1及图2，本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法10，包括： 

步骤11：测量风力发电机组的发电机转速ω_mea；

步骤12：将发电机转速ω_mea与设定转速ω_set进行差值运算得到转速偏差Δω；

步骤13：PI控制，即PI控制器利用步骤12中得到的转速偏差Δω，并按照拉普拉斯关系式

（其中K₀为PI控制器的比例系数，T₀为积分时间常数）得出变桨控制期望输出的桨距角β₀；

步骤14：前馈控制，即检测出发电机转速扰动Δω，等同于步骤12所述的转速偏差，再通过动态前馈控制器计算出期望的前馈扰动补偿桨距角Δβ₀；

步骤15：根据步骤13中PI控制期望输出的桨距角β₀和步骤14中前馈控制期望输出的前馈扰动补偿桨距角Δβ₀进行如下运算：β₀+Δβ₀；

步骤16：由桨距角限制器对β₀+Δβ₀作限制处理后输出相应的桨距角。

所述步骤14中的动态前馈控制器可采用按如下拉普拉斯关系式

，其中K_d是前馈系数，T₁和T₂为时间常数。 

所述步骤14中的动态前馈控制器也可采用按如下拉普拉斯关系式得到期望的前馈扰动补偿桨距角Δβ₀：

，其中，，K_d是前馈系数，T₁、T₁'、T₂和T₂'均为时间常数。 

所述步骤14中的动态前馈控制器具有对时间超前和滞后进行补偿的作用。 

由于风速仪一般位于风力发电机组的逆风区，塔影效应和尾流效应的影响会使得测量风速与风力发电机组桨叶迎风面的实际风速有一定误差，如果通过在风力发电机组正前方的轮毂等高处安装风速仪来减小与风力发电机组桨叶迎风面的风速差别，尽管能有效提高风速测量的准确性，但安装风速仪增加了该方法的应用难度。因此，本发明利用转速偏差的扰动来进行前馈补偿的方法可大大简化前馈控制系统，有利于工程上的实际应用。 

所述步骤11中发电机转速ω_mea是通过增量式编码器测量出。 

所述步骤12中转速偏差Δω是通过发电机转速设定值ω_set减去转速测量值ω_mea计算得到的。 

步骤16中的桨距角限制器是为了满足附加桨距角的输出值在期望范围内，避免输出值过大使得变桨速率变大，增加变桨电机的负荷。 

本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法10进一步包括塔筒振动控制步骤110，该塔筒振动控制步骤110进一步包括： 

步骤111：测量出塔筒顶部前后方向的加速度G_TFA；

步骤112：积分器按拉普拉斯关系式

（其中K₁为积分器的放大系数，T₃为时间常数）得到期望的补偿桨距角Δβ₁，补偿桨距角Δβ₁的主要作用是增大塔筒等效阻尼；

步骤113：根据变速变桨控制过程期望输出的桨距角（β₀+Δβ₀）和塔筒振动控制过程期望输出的附加桨距角Δβ₁得出统一变桨距控制期望输出的桨距角β：β₀+Δβ₀+Δβ₁并输出给桨距角限制器。

所述塔筒振动控制步骤110中可进一步至少包括用陷波器对加速度G_TFA进行滤波处理的步骤1111。陷波器是用来阻止塔架加速度出现不希望的频率，主要是叶片通过频率。将振动加速度通过一个带增益的积分器即可得到附加桨距角，在变桨控制过程中加入该附加桨距角，能有效降低塔筒的振动幅值。积分器中增益有助于消除静差，加快响应速度，推迟截止频率。 

所述塔筒振动控制步骤110中在利用陷波器对加速度G_TFA进行滤波处理的步骤1111之前可再进一步用高通滤波器对加速度G_TFA进行处理的步骤1112。在附加桨距角的计算中，由于测量塔筒前后加速度比测量速度更容易，机舱底部的加速度传感器能很方便得到塔架的前后振动加速度，积分后即得到塔架前后振动的速度。为了更好地避免加速度信号的漂移，有必要串联个高通滤波器。（其表达式为： 式中，ω为高通滤波器的固有频率，ζ为高通滤波器的阻尼比。） 

具体实施中，本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法中所述塔筒顶部前后方向加速度G_TFA按以下拉普拉斯关系式进行滤波： $\frac{G_{\mathrm{TFAf}}\left(s\right)}{G_{\mathrm{TFA}}\left(s\right)}=(1-\frac{1}{1+2{\mathrm{\ζ}}_{1}s/{\mathrm{\ω}}_1+s^2/{{\mathrm{\ω}}_1}^2})\·\frac{1+{2\mathrm{\ζ}}_{2}s/{\mathrm{\ω}}_2+s^2/{{\mathrm{\ω}}_2}^2}{1+{2\mathrm{\ζ}}_{3}s/{\mathrm{\ω}}_3+s^2/{{\mathrm{\ω}}_3}^2},$ ，其中，，G_TFAf为滤波后的塔筒顶部前后方向加速度；ω₁为高通滤波器的固有频率；ζ₁为高通滤波器的阻尼比；ω和ω₃为陷波器的固有频率；ζ₂和ζ₃为陷波器的阻尼比。

塔筒振动控制步骤110通过塔架前后方向加速度计算附近桨距角是为增大系统等效阻尼，降低塔筒的载荷。 

本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法可再进一步包括由相位补偿模块进行相位补偿的步骤120。该相位补偿模块包含有增益K，低通滤波器和陷波器，主要作用是补偿转速测量值滤波后造成的相位偏差。 

具体实施例中，所述步骤120期望输出的桨距角β按以下拉普拉斯关系式进行相位补偿：

其中：β_f为滤波后的输出桨距角；K为增益系数；T_a为滞后校正器的时间常数；T_b为超前校正器的时间常数；a为网络系数，决定相位角的超前量。 

所述发电机测量转速ω_mea按以下拉普拉斯关系式进行滤波： 

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{meaf}}\left(s\right)}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mea}}\left(s\right)}=K\·\frac{{{\mathrm{\ω}}_4}^2}{s^2+{2\mathrm{\ζ}}_4{\mathrm{\ω}}_{4}s+{{\mathrm{\ω}}_4}^2}\·\frac{1+{2\mathrm{\ζ}}_{5}s/{\mathrm{\ω}}_5+s^2/{{\mathrm{\ω}}_6}^2}{1+{2\mathrm{\ζ}}_{6}s/{\mathrm{\ω}}_6+s^2/{{\mathrm{\ω}}_6}^2}$

其中：ω_meaf为滤波后的发电机转速；K为调整系数；ω₄为低通滤波器的固有频率；ζ₄为低通滤波器的阻尼比；ω₅和ω₆为陷波器的固有频率；ζ₅和ζ₆为陷波器的阻尼比。

本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法又进一步包括利用增益表来实现PI控制器增益根据风况的变化而变化步骤。由于桨距角的变化对于风速而言是非线性的，在高风速时，桨距角的很小变化就会对气动力矩产生很大的影响。因此，需要设置增益表来实现PI控制器增益根据风况的变化而变化，通过对增益的调整来保证变桨控制的动态响应和稳定性。 

PI控制器是基于被控量的偏差及变化率进行控制的，属于反馈控制。在风电系统呈现延迟和受干扰因素多、干扰频率高的情况下，反馈系统的动态响应速度往往不够理想，而动态前馈控制器可根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于变桨距系统惯性和滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈控制器器就进行了补偿，通过此可以使被控量因扰动而产生的偏差降低至最小，直至消失。因此在PI控制基础上加入动态前馈控制，可以大大消除随机性外扰对系统的影响，进一步提高控制品质。 

综上所述，本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法提出基于转速偏差的前馈控制策略，当风力发电机组运行在额定风速以上时，首先利用发电机转速的测量值与设定值得到转速偏差，然后通过前馈控制给出合适的前馈变桨角，再与反馈PI控制器的输出相加作为桨距角的设定点。通过该控制策略可以避免测量风力发电机组桨叶迎风面的风速。具有如下优点： 

1.只需对转速偏差采用前馈补偿，不用测量多位置的风速，避免增加额外的成本。

2.大大简化了前馈控制系统，降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件。 

3.比纯反馈控制具有控制精度高、温度速度快的特点。 

以上所述的技术方案仅为本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法的较佳实施例，任何在本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法基础上所作的等效变换或替换都包含在本专利的权利要求的范围之内。 

Claims (12)

1.一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，包括： 

步骤11：测量风力发电机组的发电机转速ω_mea； 

步骤12：将发电机转速ω_mea与设定转速ω_set进行差值运算得到转速偏差Δω； 

步骤13：PI控制，即PI控制器利用步骤12中得到的转速偏差Δω，并按照拉普拉斯关系式

（其中K₀为PI控制器的比例系数，T₀为积分时间常数）得出变桨控制期望输出的桨距角β₀； 

步骤14：前馈控制，即检测出发电机转速扰动Δω，等同于步骤12所述的转速偏差，再通过动态前馈控制器计算出期望的前馈扰动补偿桨距角Δβ₀； 

步骤15：根据步骤13中PI控制期望输出的桨距角β₀和步骤14中前馈控制期望输出的前馈扰动补偿桨距角Δβ₀进行如下运算：β₀+Δβ₀； 

步骤16：由桨距角限制器对β₀+Δβ₀作限制处理后输出相应的桨距角。 

2.根据权利要求1所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述步骤14中的动态前馈控制器可采用按如下拉普拉斯关系式

其中K_d是前馈系数，T₁和T₂为时间常数。 

3.根据权利要求1所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述步骤14中的动态前馈控制器也可采用按如下拉普拉斯关系式得到期望的前馈扰动补偿桨距角Δβ₀： 

其中，K_d是前馈系数，T₁、T₁'、T₂和T₂'均为时间常数。 

4.根据权利要求2或3之一所述的一种双馈式风力发电机组变 桨距控制方法，其特征在于：所述步骤11中发电机转速ω_mea是通过增量式编码器测量出。 

5.根据权利要求4所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述步骤12中转速偏差Δω是通过发电机转速设定值ω_set减去转速测量值ω_mea计算得到的。 

6.根据权利要求1所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：本发明一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法进一步包括塔筒振动控制步骤110，该塔筒振动控制步骤110进一步包括： 

步骤111：测量出塔筒顶部前后方向的加速度G_TFA； 

步骤112：积分器按拉普拉斯关系式（其中K₁为积分器的放大系数，T₃为时间常数）得到期望的补偿桨距角Δβ₁，补偿桨距角Δβ₁的主要作用是增大塔筒等效阻尼； 

步骤113：根据变速变桨控制过程期望输出的桨距角（β₀+Δβ₀）和塔筒振动控制过程期望输出的附加桨距角Δβ₁得出统一变桨距控制期望输出的桨距角β：β₀+Δβ₀+Δβ₁并输出给桨距角限制器。 

7.根据权利要求6所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述塔筒振动控制步骤110中可进一步至少包括用陷波器对加速度G_TFA进行滤波处理的步骤1111。 

8.根据权利要求7所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述塔筒振动控制步骤110中在利用陷波器对加速度G_TFA进行滤波处理的步骤1111之前可再进一步用高通滤波器对加速度G_TFA进行处理的步骤1112。 

9.根据权利要求7或8所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述塔筒顶部前后方向加速度G_TFA按以下拉普拉斯关系式进行滤波： 其中，G_TFAf为滤波后的塔筒顶部前后方向加速度；ω₁为高通滤波器的固有频率；ζ₁为高通滤波器的阻尼比；ω₂和ω₃为陷波器的固有频率；ζ₂和ζ₃为陷波器的阻 尼比。 

10.根据权利要求1所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法可再进一步包括由相位补偿模块进行相位补偿的步骤120。 

11.根据权利要求10所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述步骤120期望输出的桨距角β按以下拉普拉斯关系式进行相位补偿：

其中：β_f为滤波后的输出桨距角；K为增益系数；T_a为滞后校正器的时间常数；T_b为超前校正器的时间常数；a为网络系数，决定相位角的超前量。 

12.根据权利要求11所述的一种双馈式风力发电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述发电机测量转速ω_mea按以下拉普拉斯关系式进行滤波： 

其中：ω_meaf为滤波后的发电机转速；K为调整系数；ω₄为低通滤波器的固有频率；ζ₄为低通滤波器的阻尼比；ω₅和ω₆为陷波器的固有频率；ζ₅和ζ₆为陷波器的阻尼比。 

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