CN103850876B - 一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于风力发电变桨控制技术领域的一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法。该方法步骤为：1）采用理论修正与误差辨识相结合的方法修正测量风速；2）计算风剪切、塔影效应影响下的桨叶载荷预测值；3）对独立变桨控制桨距角进行分配计算。本方法无需装设桨叶载荷传感器就能通过独立变桨进行载荷控制，延长风电机组使用寿命和降低故障率；载荷计算时考虑了风速修正、风剪切、塔影效应，使载荷计算更加准确；结合变桨执行机构的变桨速率与频率提出一种桨距角分配方法，保证控制的快速性和实时性；利用载荷预测由统一变桨控制器输出的桨距角控制量和载荷优化补偿量之和得到各个桨叶桨距角，在保证功率控制的同时实现载荷控制。

Description

一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法

技术领域

本发明属于风力发电变桨控制技术领域，特别涉及一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法。

背景技术

由于风力发电机组不断向大型化发展，塔架高度和风轮直径也随之增加，风湍流、风剪切、塔影等效应的存在使得整个桨叶扫掠平面内风速差异明显增大，这不但影响了统一变桨距的控制效果，而且各处不一致的风速作用风轮上必然引起载荷不均衡。叶轮上的不均衡载荷会给变桨轴承、轮毂、主轴、偏航轴承、塔架等风电机组关键部件造成很大疲劳载荷，同时引发的风电机组零部件长时间的大幅度振动，对整个风电机组运行的稳定性以及疲劳寿命有着直接的不良影响。独立变桨距控制技术是基于风轮扫掠面内风速的变化以及风电机组各部件承受气动载荷，独立控制三个叶片桨距角的技术，目的在于限制风轮输出功率，同时改善风电机组所受气动载荷。

目前大型风电机组的独立变桨距控制形成了两种主要控制方法：一种是基于桨叶方位角的独立变桨距控制，另一种是基于桨叶载荷的独立变桨距控制。前者根据桨叶的方位角，对统一变桨控制器给出桨距角控制量进行重新分配，典型控制系统结构如附图1，该控制算法简单，对风剪切、塔影效应引起的载荷不均衡可以起到较好的控制效果，但检测量不包含风电机组实际载荷，无法实现载荷的反馈控制，对风湍流引起的不均衡载荷不能起到较好的抑制作用；第二种方法是采用传感器进行桨叶载荷测量，把图2a）所示的旋转坐标系下测量载荷经过坐标变换到图2b）所示的固定坐标系中，再对多变量耦合系统进行解耦控制，典型控制系统结构如图3，这种方法控制效果好于前一种方法，但需要测量桨叶载荷，控制算法也相对复杂，在国外大型风电机组中已经应用。

但由于目前我国绝大多数风电机组未在叶片上装设载荷传感器，因此第二种方法不易实现。采用基于方位角的载荷控制技术对现有风电机组进行独立变桨控制更具现实性。如何根据桨叶方位角对统一变桨控制器输出的桨距角控制量进行分配成为主要第一种方法的主要研究内容，目前主要研究成果存在如下问题：

1）利用权系数分配桨距角来实现独立变桨。对于权系数的计算，一般采用桨叶某处（如R/2或3R/4处）风速的平方作为权系数的运算依据，至于取何处风速目前仍没有统一的位置确定方法，而且其合理性还有待证明。

2）采用智能控制算法（模糊控制与神经网络等）进行权系数计算或桨距角分配。因目前多数PLC并不支持智能控制算法，智能控制中大量的数据计算也会影响控制器的实时性，因此难以应用于实际的风电机组。

3）以挥舞载荷计算平均值作为控制器设定值来实现独立载荷控制。当三个桨叶挥舞载荷相等时，叶轮的偏航力矩和俯仰力矩并不平衡。

4）以方位角的某些三角函数（如正弦值）作为调整桨距角的权系数。虽可保证任一时刻各桨叶桨距角相对统一给定桨距角调整量之和为零，但没有从理论上分析合理性与是否最优。

以上的几种分配方法没有考虑变桨执行机构的变桨速率限制，这也使得许多控制策略的仿真效果在实际中难以达到。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤1：采用理论修正与误差辨识相结合的方法修正测量风速；

步骤2：计算风剪切、塔影效应影响下的桨叶载荷预测值；

步骤3：对独立变桨控制桨距角进行分配计算。

所述步骤1具体包括以下子步骤：

子步骤11：利用风轮动量理论对测量风速进行理论修正，采用如下公式：

2ρπR²V³-2ρπR²V′V²-P′＝0；

其中，P’为风电机组发电功率；ρ为空气密度；R为风轮半径；V′为测量风速；V为轮毂处实际风速；

利用计算机迭代求解上式得到测量风速修正值V″，V″∈[V′，V_out]，V_out为切出风速；

子步骤12：基于测风塔风速数据的误差辨识，得到风电机组轮毂处实际风速；

当风电机组处于测量风速低于额定风速时，进行最大风能捕获控制，此时桨距角保持最佳角度β₀不变，则：

ΔV′＝f₁′(ω){V′＜V_e，β＝β₀}；

其中，ΔV′表示测量风速修正值V′′与轮毂处实际风速V之间的误差；ω为风轮转速；β为桨距角；β₀为最佳桨距角；V_e为额定风速；

当风电机组处于测量风速高于额定风速时，风电机组进行恒功率控制，转速保持在额定转速不变，则：

ΔV′＝f₂′(β){V′≥V_e，ω＝ω_e}；

其中，ω_e为风轮额定转速；

则载荷计算时使用的轮毂处实际风速V为：

$V=V^{\&prime;\&prime;}+{\mathrm{\&Delta;V}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}{V}^{\&prime;\&prime;}+{f_1}^{\&prime;}\left(\mathrm{\&omega;}\right),V^{\&prime;}<V_e\\ V^{\&prime;\&prime;}+{f_2}^{\&prime;}\left(\mathrm{\&beta;}\right),V^{\&prime;}\&GreaterEqual;V_e\end{array}\right.;$

其中，f₁′(ω)和f₂′(β)根据具体风电机组数据采集与监视控制系统SCADA中记录的运行数据进行拟合。

所述步骤2包括：

对于能获得桨叶翼型详细参数的风电机组，采用基于叶素理论的桨叶载荷计算公式计算叶根挥舞弯矩M_YBi：

其中，i为桨叶序号；F_XBi为第i号桨叶在旋转坐标系中X轴方向的受力；F_YBi为第i号桨叶在旋转坐标系中Y轴方向的受力；M_XBi为第i号桨叶的叶根摆振弯矩，M_YBi为第i号桨叶的叶根挥舞弯矩；r₀为轮毂半径；R为风轮半径；l为叶素弦长；w为相对风速；r为桨叶某一点到轮毂中心的半径； 为下一采样周期的第i号桨叶方位角，为当前采样周期的第i号桨叶方位角，τ为控制器采样周期；d为塔架中心到轮毂中心的距离；C_l，C_d为升力系数和阻力系数；倾角I_i表示第i号桨叶的攻角α和桨距角β之和；

对于不能获得桨叶翼型详细参数的风电机组，采用基于动量理论的桨叶载荷计算公式计算叶根挥舞弯矩M_YBi：

其中，C_p为风能利用系数；λ=ωR/V，λ为叶尖速比；λ_i为第i号桨叶的叶尖速比；β_i为第i号桨叶的桨距角；ω为风轮转速；r₁为桨叶所受合力的等效受力点位置；V_r1为r₁处的风速，A为风剪切修正系数；B为塔影修正系数。

所述步骤3具体包括以下子步骤：

子步骤31：对叶根挥舞弯矩M_YBi进行坐标变换，公式如下：

其中，为桨叶方位角；M_YN为轮毂固定坐标系下的俯仰力矩；M_ZN为轮毂固定坐标系下的偏航力矩； 为三个桨叶产生的俯仰力矩分量， 为三个桨叶产生的偏航力矩分量；

子步骤32：根据俯仰力矩和偏航力矩的关系确定主要不平衡载荷，并确定统一变桨桨距角补偿增量Δβ的方向；

如果|M_YN-M_ZN|>M₀，主要不平衡载荷为M_YN；若M_Yi与M_YN同号，则方向相同，增大桨距角，桨距角补偿增量值为正，反之为负；其中M₀为俯仰力矩M_YN与偏航力矩M_ZN之差的一个阈值；

如果|M_YN-M_ZN|≤M₀，主要不平衡载荷为M_ZN；若M_Zi与M_ZN同号，则方向相同，增大桨距角，则桨距角补偿增量值为正，反之为负；

子步骤33：计算桨距角补偿增量值Δβ；

桨距角补偿增量值的计算公式如下：

Δβ＝β′·τ；

其中，Δβ为桨距角补偿增量值；β′为变桨速率；

设定∑Δβ_i＝0，对载荷分量方向相同的两个桨叶的补偿增量值进行权值分配，公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_i=\frac{M_{\mathrm{Yi}}}{M_{\mathrm{Yi}}+M_{\mathrm{Yj}}}\mathrm{\&Delta;\&beta;}\\ {\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_j=\frac{M_{\mathrm{Yj}}}{M_{\mathrm{Yi}}+M_{\mathrm{Yj}}}\mathrm{\&Delta;\&beta;}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_i=\frac{M_{\mathrm{Zi}}}{M_{\mathrm{Zi}}+M_{\mathrm{Zj}}}\mathrm{\&Delta;\&beta;}\\ {\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_j=\frac{M_{\mathrm{Zj}}}{M_{\mathrm{Zi}}+M_{\mathrm{Zj}}}\mathrm{\&Delta;\&beta;}\end{array}\right.;$

其中，i=1、2、3，j=1、2、3，i不等于j；Δβ_i为第i号桨叶的桨距角补偿增量值；Δβ_j为第j号桨叶的桨距角补偿增量值；

子步骤34：计算每个桨叶的独立变桨桨距角，公式如下：

β_i＝β_r±Δβ_i；

其中，β_r为统一变桨控制输出控制量。

发明的有益效果：1）我国目前商业运行风电机组很多运行时间已经超过5年或度过质保期，不均衡载荷会引起严重的疲劳载荷和振动，严重影响着风电机组寿命和稳定性。通过本发明无需装设桨叶载荷传感器进行独立变桨载荷控制，可延长风电机组使用寿命和降低故障率；

2）本发明进行载荷计算时考虑了风速修正、风剪切、塔影效应，可使计算载荷更加准确；

3）本发明结合变桨执行机构的变桨速率与频率提出一种桨距角分配方法，保证了控制的快速性和实时性，并且没有对原有变桨机构提出更高要求；

4）本发明利用载荷预测由统一变桨控制器输出的桨距角控制量和载荷优化补偿量之和得到各个桨叶桨距角，可在保证功率控制的同时实现载荷控制；

5)现有大型风电机组多数采用电动变桨距技术，即每个叶片配备一套独立的变桨距控制器，因此，对现有电动变桨距机组来说无需做出结构调整，只需对原有控制程序进行改造和加装方位角编码器即可在目前主流风电机组中实现独立桨距控制，具有良好的经济性和应用前景。

附图说明

图1为基于桨叶方位角的独立变桨距控制系统；

图2a）为载荷变换所用的桨叶旋转坐标系；

图2b）为载荷变换所用的轮毂固定旋转坐标系；

图3为基于桨叶载荷的独立变桨距控制系统；

图4为本发明提出的风电机组的独立变桨控制方法流程图；

图5为基于叶素理论的叶素受力分析图；

图6为某1.5MW风电机组当风速=12m/s时的载荷仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法作进一步的说明。

如图4所示为本发明提出的风电机组的独立变桨控制方法流程图。目前风电机组功率曲线中的风速主要采用风速计的测量风速，由于受风速计安装位置和尾流旋转效应等影响，该测量风速并不能准确反应轮毂风速，因此采用此风速对风电机组载荷进行计算并不准确，所以本发明的第一步为采用理论修正与系统辨识相结合的方法修正测量风速。

子步骤11：利用风轮动量理论对测量风速进行理论修正。

风速计一般安装在风轮后的机舱顶部，所以其测量的风速应是风电机组作功后的风速，该测量风速相对轮毂处风速偏低。风轮吸收的能量等于风轮前后气流动能之差：

P＝ρπR²V(V₁ ²/2-V₂ ²/2)（1）

其中，P为风轮吸收功率，ρ为空气密度，R为风轮半径，V为轮毂处实际风速；V₁为风轮前风速，V₁为未知量，V₂为风轮后风速。根据风轮动量理论，轮毂处实际风速V为风轮前后风速V₁、V₂的算术平均值，即

V＝(V₁+V₂)/2（2）

由于轮毂处测量风速V′较接近于V₂，如果忽略风电机组的本身的能量损失，风电机组发电功率P’接近于风轮吸收功率P，将（1）、（2）联立得关于V的一元三次方程：

2ρπR²V³-2ρπR²V′V²-P′＝0（3）

其中，P’为风电机组发电功率。该方程可利用计算机迭代求得[V′，V_out]范围内满足一定精度要求的实数解V″，V_out为切出风速。由于解的范围较小，在对误差要求不高的情况下，迭代过程会快速收敛而求得方程实根，V″即为由风电机组功率及测量风速计算得到测量风速修正值。

子步骤12：基于测风塔风速数据的误差辨识，得到风电机组轮毂处实际风速。

由于上面的理论修正方法中存在着一些理想化假设，而测量风速还受尾流旋转、湍流效应、风速计本身误差、风速计安装位置、阵风等诸多因素影响，因此实际风电机组的风速情况与理论修正后的风速仍有差别，但测量风速经过理论修正后，和轮毂风速的误差已经显著减小，因此可以利用数值拟合的办法找到测量风速修正值和轮毂处实际风速误差的近似关系式。拟合时可选择与测风塔位置相近的风电机组运行数据，这样经风剪切效应折算后测风塔风速相当于轮毂高度处的实际风速。

经过对大量风电机组运行数据和测风塔数据的分析，测量风速V′与轮毂处实际风速V之间的误差ΔV主要和风电机组运行数据中转速、桨距角和功率有关，即

ΔV＝V-V′＝f(P，ω，β)（4）

其中，ΔV表示测量风速V′与轮毂处实际风速V之间的误差；ω为风轮转速；β为桨距角。这样需要采用多元最小二乘法进行计算，计算相对复杂，但经过风速的理论修正，风电机组功率对修正后风速的影响已经很小，（4）式可简化：

ΔV′＝V-V″＝f′(ω，β)（5）

其中，ΔV′表示测量风速修正值V″与轮毂处实际风速V之间的误差。

根据风电机组的控制策略，可以依据风速把风电机组并网后的控制过程分为两个阶段：低风速阶段，即测量风速低于额定风速，此时，风电机组主要进行最大风能捕获控制，此时桨距角保持最佳角度β₀不变，则：

ΔV′＝f₁′(ω){V′＜V_e，β＝β₀}（6）

其中，β₀为最佳桨距角，V_e为额定风速。

高风速阶段，即测量风速高于额定风速，此时，风电机组主要进行恒功率控制，转速基本保持在额定转速不变，则：

ΔV′＝f₂′(β){V′≥V_e，ω＝ω_e}（7）

其中，ω_e为风轮额定转速。这样只需使用一元的最小二乘法即可对ΔV′进行拟合，分别得到两个阶段的拟合算式，因此载荷计算时使用的轮毂处实际风速V为：

$V=V^{\&prime;\&prime;}+{\mathrm{\&Delta;V}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}{V}^{\&prime;\&prime;}+{f_1}^{\&prime;}\left(\mathrm{\&omega;}\right),V^{\&prime;}<V_e\\ V^{\&prime;\&prime;}+{f_2}^{\&prime;}\left(\mathrm{\&beta;}\right),V^{\&prime;}\&GreaterEqual;V_e\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，f₁′(ω)和f₂′(β)需要根据具体风电机组数据采集与监视控制系统SCADA中记录的运行数据进行拟合。

第二步为计算风剪切、塔影效应影响下的桨叶载荷预测值。

受风剪切影响，风电机组旋转平面内不同高度处的来流风速表示如下：

其中，v为叶素风速；A为风剪切修正系数；r为桨叶某一点到轮毂中心的半径；为桨叶方位角；H为轮毂高度；a为风剪切系数。

则风速受塔影效应影响后的理论计算模型：

其中，B为塔影修正系数；D_t为塔径修正系数；d为塔架中心到轮毂中心的距离。塔影效应只在塔架中心线从左到右的±π/6区域内起作用。综合考虑风剪和塔影效应后，计算用于独立变桨控制的桨叶载荷时，风速应采用：

由于受风剪切、塔影效应影响风速会随着方位角出现周期性变化，桨叶载荷也将发生周期性波动。考虑到风轮的快速旋转和变桨速率的限制，控制器如果根据本时刻的方位角计算载荷再进行独立变桨，控制作用滞后，因此发明根据预测载荷提前进行桨距角分配计算，下一采样周期时的桨叶方位角为：

其中，τ为控制器采样周期；i为桨叶序号，为下一采样周期的第i号桨叶方位角，为当前采样周期的第i号桨叶方位角。

所以当对桨叶载荷进行计算时，有两种方法，第一种：对于能获得桨叶翼型详细参数的风电机组，基于叶素理论进行空气动力载荷计算。

根据叶素理论，叶素所受气动力dF可分解为升力dL和阻力dD，受力分析如图5所示，按垂直和平行于旋转平面方向又可分解为法向力dF_a和切向力dF_u。旋转坐标系下的桨叶空气动力载荷是桨叶所有叶素微元载荷之和：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{XB}}=\frac{1}{2}{\&Integral;}_{r_0}^R{w}^2\mathrm{\&rho;l}(C_1\&CenterDot;\cos I+C_d\&CenterDot;\sin I)\mathrm{dr}\\ F_{\mathrm{YB}}=\frac{1}{2}{\&Integral;}_{r_0}^R{w}^2\mathrm{\&rho;l}(C_1\&CenterDot;\sin I-C_d\&CenterDot;\cos I)\mathrm{dr}\\ M_{\mathrm{XB}}=\&Integral;r\&CenterDot;{\mathrm{dF}}_y=\frac{1}{2}{\&Integral;}_{r_0}^R{w}^2\mathrm{\&rho;l}(C_1\&CenterDot;\sin I-C_d\&CenterDot;\cos I)\mathrm{rdr}\\ M_{\mathrm{YB}}=\&Integral;r\&CenterDot;{\mathrm{dF}}_x=\frac{1}{2}{\&Integral;}_{r_0}^R{w}^2\mathrm{\&rho;l}(C_1\&CenterDot;\cos I+C_d\&CenterDot;\sin I)\mathrm{rdr}\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，l为叶素弦长；w为相对风速；r₀为轮毂半径；R为风轮半径；F_XB为桨叶旋转坐标系中X轴方向受力；F_YB为桨叶旋转坐标系中Y轴方向受力；M_XB为叶根摆振弯矩；M_YB为叶根挥舞弯矩；C_l，C_d为升力系数和阻力系数；倾角I表示攻角α和桨距角β之和。

考虑受风剪切、塔影效应影响，基于叶素理论的空气动力载荷计算公式为：

其中，i为桨叶序号，F_XBi为第i号桨叶在旋转坐标系中X轴方向的受力，F_YBi为第i号桨叶在旋转坐标系中Y轴方向的受力，M_XBi为第i号桨叶的叶根摆振弯矩，M_YBi为第i号桨叶的叶根挥舞弯矩；倾角I_i表示第i号桨叶的攻角α和桨距角β之和。

第二种：对于不能获得桨叶翼型详细参数的风电机组，采用基于动量理论的空气动力载荷计算。

由风轮动量理论可计算风力机转矩及所受合力：

$\left\{\begin{array}{c}F=P/V=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\&rho;\&pi;}{R}^2{V}^2\\ T=\frac{P}{\mathrm{\&omega;}}=\frac{1}{2\mathrm{\&lambda;}}{C}_p\mathrm{\&rho;\&pi;}{R}^3{V}^2\end{array}\right.---\left(15\right)$

其中，T为风轮转矩；F为风轮所受合力；C_p为风能利用系数，与λ和β存在非线性关系；λ为叶尖速比，λ=ωR/V；ω为风轮转速。因此，对于三叶片风力机来说，其载荷坐标系下的桨叶受力与载荷为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{XB}}=\frac{1}{3}{F}_a=\frac{T}{{3r}_1}=\frac{1}{6}{C}_p(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})\mathrm{\&rho;\&pi;}{R}^2{V}^2\sqrt{1-\frac{R}{{\mathrm{\&lambda;r}}_1}}\\ F_{\mathrm{YB}}=\frac{1}{3}{F}_u=\frac{1}{3}\sqrt{F^2-{F_u}^2}=\frac{1}{{6\mathrm{\&lambda;r}}_1}{C}_p\mathrm{\&rho;\&pi;}{R}^3{V}^2\\ M_{\mathrm{XB}}=\frac{1}{3}{F}_u{r}_1=\frac{1}{6}{C}_p(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})\mathrm{\&rho;\&pi;}{R}^2{V}^2\sqrt{{r_1}^2-\frac{r_{1}R}{\mathrm{\&lambda;}}}\\ M_{\mathrm{YB}}=\frac{1}{3}{F}_a{r}_1=\frac{1}{6\mathrm{\&lambda;}}{C}_p\mathrm{\&rho;\&pi;}{R}^3{V}^2\end{array}\right.---\left(16\right)$

其中，r₁为桨叶所受合力的等效受力点位置。该计算方法利用了风能利用系数来推算桨叶的具体受力，准确性低于叶素理论，但对一些无法获得桨叶翼型参数的老旧风电机组，可以利用C_p曲线来估算风力机气动载荷。

考虑受风剪切、塔影效应影响，基于动量理论的桨叶载荷计算公式为：

其中，V_r1为r₁处的风速，λ_i为第i号桨叶的叶尖速比；β_i为第i号桨叶的桨距角。

本发明方法主要是根据公式（14）和（17）中的最后一个式子计算叶根挥舞弯矩M_YBi，公式（14）和（17）中的其余方程给出了桨叶总体载荷计算方法。

第三步为对独立变桨控制桨距角进行分配计算。

子步骤31：对叶根挥舞弯矩M_YBi进行坐标变换。

风轮的不平衡载荷可以分解为风轮旋转平面内的水平和竖直两个方向上的载荷，即对轮毂坐标系下Y轴和Z轴方向，因此需将桨叶旋转坐标系下的桨叶载荷转换为轮毂固定坐标系下的偏航力矩和俯仰力矩：

其中，为桨叶方位角；M_YN为轮毂固定坐标系下的俯仰力矩；M_ZN为轮毂固定坐标系下的偏航力矩； 为三个桨叶产生的俯仰力矩分量， 为三个桨叶产生的偏航力矩分量。

偏航力矩和俯仰力矩随方位角会发生周期性变化，图6为某1.5MW机组当风速=12m/s时的载荷仿真图。由于风剪切效应的存在，使风轮处在多数位置时有|M_YN-M_ZN|>M₀，主要不平衡载荷为M_YN，因此进行桨距角分配时，考虑减小M_YN；而当|M_YN-M_ZN|≤M₀，主要不平衡载荷为M_ZN，进行桨距角分配时，考虑减小M_ZN；其中M₀为俯仰力矩M_YN与偏航力矩M_ZN之差的一个阈值。

子步骤33：计算桨距角补偿增量值Δβ。

理论上，在任一方位角时，通过寻优可以找到一组（β₁，β₂，β₃）使得M_YN或M_ZN为最小值，但需要进行迭代计算，寻优的过程可能无法满足控制的快速性与实时性要求，并且该组最优桨距角可能又无法同时满足功率控制的需要。为保证功率控制的前提下减小不平衡载荷，利用预测载荷来确定桨距角补偿量作为统一变桨控制输出控制量的增量，考虑到变桨速率的限制及控制器的运算周期，桨距角补偿增量值为：

Δβ＝β′·τ（19）

式中，β′为变桨速率。对于补偿增量值的正负，可根据每个桨叶经坐标变换后产生的载荷分量与总载荷的方向进行比较来确定，即若M_Yi与M_YN同号，则方向相同，增大桨距角，桨距角补偿增量值为正，反之为负；若M_Zi与M_ZN同号，则方向相同，增大桨距角，则桨距角补偿增量值为正，反之为负。为了保证不影响统一变桨距的控制效果，可使∑Δβ_i＝0，这样需要再对载荷分量方向相同的两个桨叶的补偿值进行权值分配：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_i=\frac{M_{\mathrm{Yi}}}{M_{\mathrm{Yi}}+M_{\mathrm{Yj}}}\mathrm{\&Delta;\&beta;}\\ {\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_j=\frac{M_{\mathrm{Yj}}}{M_{\mathrm{Yi}}+M_{\mathrm{Yj}}}\mathrm{\&Delta;\&beta;}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_i=\frac{M_{\mathrm{Zi}}}{M_{\mathrm{Zi}}+M_{\mathrm{Zj}}}\mathrm{\&Delta;\&beta;}\\ {\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_j=\frac{M_{\mathrm{Zj}}}{M_{\mathrm{Zi}}+M_{\mathrm{Zj}}}\mathrm{\&Delta;\&beta;}\end{array}\right.---\left(20\right)$

其中，i=1、2、3，j=1、2、3，i不等于j；Δβ_i为第i号桨叶的桨距角补偿增量值；Δβ_j为第j号桨叶的桨距角补偿增量值。

子步骤34：经过补偿后的独立变桨控制桨距角为：

β_i＝β_r±Δβ_i（21）

其中，β_r为统一变桨控制输出控制量。

需要说明的是，确定某风场ΔV’公式和安装方位角测量用绝对值编码器的工作应提前完成。其中对ΔV’的系统辨识工作可利用测风塔数据与风电机组运行数据进行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤1：采用理论修正与误差辨识相结合的方法修正测量风速；

步骤2：计算风剪、塔影效应影响下的桨叶载荷预测值；

步骤3：对独立变桨控制桨距角进行分配计算；

所述步骤1具体包括以下子步骤：

子步骤11：利用风轮动量理论对测量风速进行理论修正，采用如下公式：

2ρπR²V³-2ρπR²V′V²-P′＝0；

其中，P′ 为风电机组发电功率；ρ为空气密度；R为风轮半径；V′为测量风速；V为轮毂处实际风速；利用计算机迭代求解上式得到测量风速修正值V″，V″∈[V′，V_out]，V_out为切出风速；

子步骤12：基于测风塔风速数据的误差辨识，得到风电机组轮毂处实际风速；

当风电机组处于测量风速低于额定风速时，进行最大风能捕获控制，此时桨距角保持最佳角度β₀不变，则：

ΔV′＝f₁′(ω){V′<V_e，β＝β₀}；

其中，ΔV′表示测量风速修正值V″与轮毂处实际风速V之间的误差；ω为风轮转速；β为桨距角；β₀为最佳桨距角；V_e为额定风速；

当风电机组处于测量风速高于额定风速时，风电机组进行恒功率控制，转速保持在额定转速不变，则：

ΔV′＝f₂′(β){V′≥V_e，ω＝ω_e}；

其中，ω_e为风轮额定转速；

则载荷计算时使用的轮毂处实际风速V为：

其中，f₁′(ω)和f₂′(β)根据具体风电机组数据采集与监视控制系统SCADA中记录的运行数据进行拟合。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：

对于能获得桨叶翼型详细参数的风电机组，采用基于叶素理论的桨叶载荷计算公式计算叶根挥舞弯矩M_YBi：

其中，i为桨叶序号；F_XBi为第i号桨叶在旋转坐标系中X轴方向的受力；F_YBi为第i号桨叶在旋转坐标系中Y轴方向的受力；M_XBi为第i号桨叶的叶根摆振弯矩，M_YBi为第i号桨叶的叶根挥舞弯矩；r₀为轮毂半径；R为风轮半径；l为叶素弦长；w为相对风速；r为桨叶某一点到轮毂中心的半径； 为下一采样周期的第i号桨叶方位角，为当前采样周期的第i号桨叶方位角，τ为控制器采样周期；d为塔架中心到轮毂中心的距离；C_l，C_d为升力系数和阻力系数；倾角I_i表示第i号桨叶的攻角α和桨距角β之和；

对于不能获得桨叶翼型详细参数的风电机组，采用基于动量理论的桨叶载荷计算公式计算叶根挥舞弯矩M_YBi：

其中，C_p为风能利用系数；λ＝ωR/V，λ为叶尖速比；λ_i为第i号桨叶的叶尖速比；β_i为第i号桨叶的桨距角；ω为风轮转速；r₁为桨叶所受合力的等效受力点位置；V_r1为r₁处的风速，A为风剪切修正系数；B为塔影修正系数。

3.根据权利要求2所述的一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下子步骤：

子步骤31：对叶根挥舞弯矩M_YBi进行坐标变换，公式如下：

其中，为桨叶方位角；M_YN为轮毂固定坐标系下的俯仰力矩；M_ZN为轮毂固定坐标系下的偏航力矩；为三个桨叶产生的俯仰力矩分量，为三个桨叶产生的偏航力矩分量；

子步骤32：根据俯仰力矩和偏航力矩的关系确定主要不平衡载荷，并确定统一变桨桨距角补偿增量Δβ的方向；

如果|M_YN-M_ZN|>M₀，主要不平衡载荷为M_YN；若M_Yi与M_YN同号，则方向相同，增大桨距角，桨距角补偿增量值为正，反之为负；其中M₀为俯仰力矩M_YN与偏航力矩M_ZN之差的一个阈值；

如果|M_YN-M_ZN|≤M₀，主要不平衡载荷为M_ZN；若M_Zi与M_ZN同号，则方向相同，增大桨距角，则桨距角补偿增量值为正，反之为负；

子步骤33：计算桨距角补偿增量值Δβ；

桨距角补偿增量值的计算公式如下：

Δβ＝β′·τ；

其中，Δβ为桨距角补偿增量值；β′为变桨速率；

设定∑Δβ_i＝0，对载荷分量方向相同的两个桨叶的补偿增量值进行权值分配，公式如下：

或

其中，i＝1、2、3，j＝1、2、3，i不等于j；Δβ_i为第i号桨叶的桨距角补偿增量值；Δβ_j为第j号桨叶的桨距角补偿增量值；子步骤34：计算每个桨叶的独立变桨桨距角，公式如下：

β_i＝β_r±Δβ_i；

其中，β_r为统一变桨控制输出控制量。