CN104033334B - 一种风力发电机组叶片减振控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种风力发电机组叶片减振控制方法及系统，该方法包括预设叶片振动加速度参考值、采集得到叶片的振动加速度测量值、将所述测量值与参考值进行比较、根据比较结果控制叶片减振。该系统包括：采集得到叶片的振动加速度测量值的叶片振动信号采集系统；控制叶片减振的减振控制执行系统；以及预设叶片振动加速度参考值，接收叶片振动信号采集系统输出的叶片振动加速度测量值，并根据该测量值与参考值的比较结果控制减振控制执行系统的减振控制计算系统。将本发明减振控制系统增设于叶片上，可在风速变化的时候调整叶片减振控制系统的阻尼，从而减小叶片轴向方向上的振动，实现叶片的稳定运行，对提高风力发电机组的运行寿命有重要意义。

Description

一种风力发电机组叶片减振控制方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组叶片减振控制方法及系统。

背景技术

我国风能发展的潜力巨大，尤其在沿岸很多地方风能资源丰富，具备很好的开发前景，通过在这些地点建立风力发电机组可以充分利用这些能量，创造巨大的经济价值。

风力发电机组控制系统是整个发电机组的核心，直接影响着整个发电系统的性能。由于风机机组叶片受到阵风推力产生的轴向方向上的载荷巨大，风速的微小变化就会引起轴向力较大的变化，引起叶片在轴向方向上的振动，所以设计合理的控制系统会对叶片进行降载减振，从而降低叶片、轮毂以及其他相关部件的载荷，这对延长风力发电机组的运行寿命起着至关重要的作用。现有风力发电机组控制系统通过设置变桨机构，在风速过大的时候变换桨叶角度来改变叶片处的空气入流角，减小叶片受到的轴向载荷，但是变桨动作所需要的扭矩巨大，同时叶片本身具有较大的转动惯量，作为变桨执行机构的低速大扭矩电机的响应时间延迟较大，不能及时的进行变桨动作，导致叶片轴向方向上振动过大、载荷过高，无法达到叶片所能承受的范围，影响了叶片以及整个机组的性能和寿命，导致风力发电机组的维护成本居高不下。

由此可见，上述现有的风力发电机组控制方法及系统在设计与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种能够在海流流速或风速变化的时候改变叶片轴向振动的阻尼，减小叶片的轴向振动和载荷，保证风力发电机组控制系统的控制性能，提高风力发电机组运行寿命的风力发电机组叶片减振控制方法及系统，实属当前本领域的重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机组叶片减振控制方法及系统，使其能够在海流流速或风速变化的时候改变叶片轴向振动的阻尼，减小叶片的轴向振动和载荷，保证风力发电机组控制系统的控制性能，提高风力发电机组运行寿命。

为解决上述技术问题，本发明一种风力发电机组叶片减振控制方法，包括以下步骤：预设叶片振动加速度参考值；采集得到叶片的振动加速度测量值；将所述测量值与参考值进行比较；根据比较结果控制叶片减振。

作为本发明的一种改进，所述的减振采用液压减振。

所述的控制叶片减振是通过调节液压减振器的节流孔流通面积来实现，所述的液压减振器节流孔流通面积的调节目标值的计算公式为：

$u=K_{P}e+K_I\∫e+K_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}$

其中，K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数，e为叶片振动加速度测量值和参考值的差值，所述的参考值为0。

所述的叶片的振动加速度测量值先经过滤，去除噪声影响后再与参考值进行比较。

此外，本发明还提供了一种风力发电机组叶片减振控制系统，包括：采集得到叶片的振动加速度测量值的叶片振动信号采集系统；控制叶片减振的减振控制执行系统；以及预设叶片振动加速度参考值，接收叶片振动信号采集系统输出的叶片振动加速度测量值，并根据该测量值与参考值的比较结果控制减振控制执行系统的减振控制计算系统。

作为进一步改进，所述的叶片振动信号采集系统采用振动加速度传感器。

所述的叶片振动信号采集系统还包括设置在振动加速度传感器的输出端的滤波器。

所述的减振控制执行系统采用液压减振器。

所述的减振控制计算系统采用PID控制器。

所述的PID控制器采用的计算公式为：

$u=K_{P}e+K_I\∫e+K_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}$

其中，u液压减震器的节流孔流通面积调节目标值，K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数，e为叶片振动加速度测量值和参考值的差值，所述的参考值为0。

采用这样的设计后，将本发明减振控制系统增设于叶片上，可在风速变化的时候调整叶片减振控制系统的阻尼，从而减小叶片轴向方向上的振动，实现叶片的稳定运行，对提高风力发电机组的运行寿命有重要意义。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明一种风力发电机组叶片减振控制系统的组成示意图。

图2是本发明一种风力发电机组叶片减振控制系统的减振器模型图。

具体实施方式

本发明风力发电机组叶片减振控制方法的主要步骤包括预设叶片振动加速度参考值、采集得到叶片的振动加速度测量值、将所述测量值与参考值进行比较、以及根据比较结果控制叶片减振。

其中，叶片振动加速度的单位是m/s²，可以用来衡量叶片振动的幅值等性质。叶片处于非振动状态的时候，叶片振动加速度为0。本发明中需要对测量得到的叶片振动加速度数值进行反馈闭环控制，所以其参考值设为0。

进一步具体来说，本发明所采用的叶片振动加速度测量值是先经过滤，去除噪声影响后再与参考值进行比较，并通过调节液压减振器的节流孔流通面积来实现叶片减振。

请参阅图1所示，对应于上述方法，本发明风力发电机组叶片减振控制系统，包括叶片振动信号采集系统、减振控制计算系统和减振控制执行系统。其中，叶片振动信号采集系统主要采用振动加速度传感器；减振控制执行系统主要采用液压减振器；减振控制计算系统主要采用PID控制器，其预设有叶片振动加速度参考值，接收叶片振动信号采集系统输出的叶片振动加速度测量值，并根据该测量值与参考值的比较结果控制减振控制执行系统的减振控制计算系统。

进一步具体来说，叶片振动信号采集系统用于采集得到叶片的振动加速度测量值。在具体实施过程中，需现在风力发电机组的叶片上安装振动加速度传感器，由于风速变化而引起叶片在轴向方向上的振动，该振动加速度传感器能够对叶片振动的加速度数值进行采集测量，反应叶片振动的运动性质。

由于振动加速度传感器测量出的加速度信号会受到测量过程中产生的噪声影响，所以可在振动加速度传感器之后连接滤波器对采集到的信号进行滤波，振动加速度传感器将输入端接收测量得的风机叶片加速度振动信号输出到滤波器，去除噪声对信号的影响，利于保证整个控制系统的性能。

减振控制计算系统将滤波之后的叶片振动加速度测量值与参考值进行比较，并将比较后得出的差值输入给PID控制器，计算出控制器的输出值，即减振控制执行系统中液压减震器的节流孔流通面积，以得到预期的减少叶片振动的控制效果。

其中，PID控制器采用的计算公式为：

$u=K_{P}e+K_I\∫e+K_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}$

这里u为PID控制器的输出值(即液压减震器的节流孔流通面积调节目标值)，K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数，e为叶片振动加速度测量值和参考值的差值。

本发明控制器中放大比例环节会使系统动作迅速，反应速度快，稳态误差变小，但比例系数过大会使系统的振荡次数增加，调节时间变长。积分环节可消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。微分环节可以提高系统动态特性，反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。通过综合考虑系统的动态性能和静态性能，对这三个参数进行逐步的调节，使得PID控制器的输出能够满足控制要求，能够兼顾系统稳定性和对目标参考曲线的快速跟踪等多项性能指标。

减振控制执行系统接收PID控制器输出的控制信号，通过改变液压减振器节流孔的流通面积调节振动阻尼系数的大小，输出信号到被控对象风机叶片上，从而改善叶片因风速变化引起的振动现象。液压减振器工作力矩较大，控制精度较高，能够满足减小叶片振动的要求。

请配合参阅图2所示，在本发明的液压减振器模型图中，液压减振器的活塞液压缸里充满黏性液压油，活塞液压缸的活塞1上有节流孔，使得上下腔中的油液互相流动。油液通过节流孔时将产生阻尼，节流孔越小，油的黏度越大，阻尼力越大。在叶片2上下振动时，减振器活塞1上下移动，弹性系统的振动被减振器阻尼吸收。

用K表示液压减振器的弹性刚度，A表示液压减振器活塞上的节流孔的流通面积，δ表示液压减振器的阻尼系数，m表示叶片质量，ρ表示液压油的密度，B表示液压缸的工作面积，C表示阀口的流量系数，则有：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\ρ}{B}^2}{2C^2{A}^2}$

由上面的公式可知，通过调整节流口孔的流通面积A，可以调整减振器的阻尼系数δ。对于叶片在轴向方向上的振动系统来说，其振动阻尼比ξ为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\sqrt{\mathrm{Km}}}$

因为叶片在轴向方向上的振动是周期衰减振动，阻尼比ξ的大小决定了叶片振动的运动性能。对于叶片低频的振动，阻尼比ξ对系统的影响不大，可以将阻尼比调整为较小的数值。对于叶片振动比较明显的共振段，需要加大阻尼比ξ，降低系统振动的峰值。对于叶片振动的高频段，系统自身对于输入的振动位移具有减弱的作用，阻尼比在高频振动的情况下对系统的影响变小，需要降低阻尼比ξ，降低系统的能量损失。所以液压减振器接收PID控制器输出的控制信号，将液压减振器节流孔的流通面积A调整到PID控制器给出的数值，就改变了减振器的阻尼系数δ，进而改变了叶片振动阻尼比ξ的大小，改善了叶片在因风速变化激励产生的振动。

目前风力发电机组中应用的变桨执行机构由于变桨力矩和响应时间的限制，难以通过变换桨叶角度来减小叶片受到的轴向载荷，导致叶片轴向方向上振动过大。而本发明具体实施方式所设计的风力发电机组叶片减振控制系统，可以根据测量的振动加速度信号，通过PID控制器输出给液压减振器调节节流孔的流通面积来调整叶片振动的阻尼系数，改善叶片因风速变化产生的振动过大的现象，能满足控制系统的动态性能和静态性能的需求，降低了风力发电机组维护成本，提高了叶片以及整个机组的性能和寿命。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种风力发电机组叶片减振控制方法，其特征在于包括以下步骤：

预设叶片振动加速度参考值；

采集得到叶片的振动加速度测量值；

将所述测量值与参考值进行比较；

根据比较结果控制叶片减振；

其中，所述的减振采用液压减振；所述的控制叶片减振是通过调节液压减振器的节流孔流通面积来实现，所述的液压减振器节流孔流通面积的调节目标值的计算公式为：

$u=K_{P}e+K_I\∫e+K_D\frac{de}{dt}$

其中，K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数，e为叶片振动加速度测量值和参考值的差值，所述的参考值为0。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片减振控制方法，其特征在于所述的叶片的振动加速度测量值先经过滤，去除噪声影响后再与参考值进行比较。

3.一种风力发电机组叶片减振控制系统，其特征在于包括：

采集得到叶片的振动加速度测量值的叶片振动信号采集系统；

控制叶片减振的减振控制执行系统；以及

预设叶片振动加速度参考值，接收叶片振动信号采集系统输出的叶片振动加速度测量值，并根据该测量值与参考值的比较结果控制减振控制执行系统的减振控制计算系统；

其中，所述的减振控制执行系统采用液压减振器；所述的减振控制计算系统采用PID控制器；所述的PID控制器采用的计算公式为：

$u=K_{P}e+K_I\∫e+K_D\frac{de}{dt}$

其中，u液压减震器的节流孔流通面积调节目标值，K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数，e为叶片振动加速度测量值和参考值的差值，所述的参考值为0。

4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组叶片减振控制系统，其特征在于所述的叶片振动信号采集系统采用振动加速度传感器。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电机组叶片减振控制系统，其特征在于所述的叶片振动信号采集系统还包括设置在振动加速度传感器的输出端的滤波器。