CN105179184A - 一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法，首先，塔架需配置有塔架加阻控制器和塔架加速度传感器，及在塔架内部装有可自动调整自身阻尼来对塔架不同方向振动进行消减的阻尼调节连杆机构，并与常规塔架加阻控制策略相结合，得到一套的全新自动阻尼调节控制策略：根据塔架不同方向的振动，调整阻尼调节连杆机构的角度，进而可以调整塔架结构阻尼，从而对塔架弯矩载荷进行消减，并在该阻尼调节连杆机构上安装传感器，用于测量阻尼力大小，进而针对塔架的阻尼力作为控制量输入进行塔架加速度和阻尼力的反馈控制，确保塔架全方位的减振，大大消减塔架设计载荷，实现最优控制。本发明可以更加精准地控制塔架的振动，实现最优控制。

Description

一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组柔性塔架阻尼调节控制的技术领域，尤其是指一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法。

背景技术

现代风力发电机组基本上都为变速、柔性结构；并且在单机容量上从上世纪的千瓦级别突破到目前的3-8MW，未来应用到海上的单机容量将达到10MW。在这样的背景下，为最大程度的获取风能、降低机组载荷和降低风机的总体度电成本，一种采用超柔塔架应运而生。但问题接踵而来，超柔性塔架较刚性塔架其一阶固有频率明显降低，其很容易与机组转速范围内的某个速度点重合，从而导致共振。

若想通过增加塔架直径或壁厚以提高塔筒频率，从而避开共振点，势必造成成本上的增加，达不到降低风机度电成本的效果，因此优化塔架无法从原则上解决共振问题，通过控制策略来避免机组运行在共振转速点是唯一可行的方法。针对塔架一阶固有频率同机组转速在正常运行范围之内存在交点这一问题，在控制策略中加入共振转速穿越功能，避免机组运行在特定的转速范围内，并考虑到机组穿越共振区间时易引起塔架振动，为提高机组稳定运行性能，防止机组在转速禁区来回切换，减小塔架振动，本发明提出了一种解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法，可以更加精准地控制塔架的振动，实现最优控制，鲁棒性强，具有自适应性和快速性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法，首先，所述塔架需配置有塔架加阻控制器和塔架加速度传感器，及在塔架内部安装有能够自动调整自身阻尼来对塔架不同方向振动进行消减的阻尼调节连杆机构，并与常规塔架加阻控制策略相结合，得到一套的全新自动阻尼调节控制策略：根据塔架不同方向的振动，调整阻尼调节连杆机构的角度，进而可以调整塔架结构阻尼，从而对塔架弯矩载荷进行消减，并在该阻尼调节连杆机构上安装传感器，用于测量阻尼力大小，进而针对塔架的阻尼力作为控制量输入进行塔架加速度和阻尼力的反馈控制，确保塔架全方位的减振，大大消减塔架设计载荷，实现最优控制；其包括以下步骤：

1)确定塔架一阶固有频率与风力发电机组转速运行范围是否存在交点

根据发电机转速范围以及塔架一阶频率，确定塔架一阶固有频率同风力发电机组转速在正常运行范围之内是否存在交点，如果存在则启动自动阻尼调节控制策略；若不存在交点，则此策略不启用，采用常规塔架加阻控制策略；

2)塔架加阻控制

通过塔架加速度传感器测量出塔架前后加速度，而后通过计算得出塔架在不同方位的加速度，将其输入到塔架加阻控制器，作为该控制器的输入量，经过塔架加阻控制器得到实际所需的阻尼力；

与常规塔架加阻控制器不同的是，常规塔架加阻控制器的输出信号是桨距角，而此塔架加阻控制器的输出信号是阻尼力；

3)将风力发电机组实际所需的阻尼力信号输送给阻尼调节连杆机构，阻尼调节连杆机构通过调整其连杆的安装角和距离，从而产生所需要的阻尼力，并作用于塔架，如此进行反馈控制，从而避免塔架振动，实现塔架设计载荷的最优控制。

所述常规塔架加阻控制策略采用的是风力发电机组机舱前后加速度反馈控制方式，以机舱前后加速度作为控制器的输入量，输出桨距角信号，通过微调桨距角，改变风力发电机组所受推力，从而减小塔架振动。

所述阻尼调节连杆机构包括多个带有可调阻尼器的阻尼调节连杆单元及带有多个铰接头的连接件，该多个阻尼调节连杆单元置于塔架的塔筒内部，并沿塔筒的周向均布，能够应对塔架不同方向的振动，通过各自可调阻尼器，根据塔架的振动倾角的变化调节自身的阻尼，进而对塔架弯矩载荷进行消减，所述连接件固定安装在塔筒上部的平台底部，并位于塔筒中心处，其上的铰接头数量与阻尼调节连杆单元相一致，且一个阻尼调节连杆单元对应一个铰接头，该多个阻尼调节连杆单元分别与连接件上的相应铰接头活动铰接，且每个阻尼调节连杆单元上均安装有一个传感器，用于测量阻尼调节连杆单元的角度变化，进而计算测得阻尼力大小。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、对阻尼力进行反馈控制，通过阻尼反馈控制，可以更加精准地控制塔架的振动，实现最优控制。

2、采用能够自动调整自身阻尼来对塔架不同方向振动进行消减的阻尼调节连杆机构，连杆结构的特点使得它具有快速响应这一优势，能实现控制器的快速响应，及时避免塔架振动，而且优于传统的塔架加阻控制器只能对塔架前后或者左右方向振动的控制。

3、可以有效降低塔架的设计载荷，从而降低塔架的重量，同时又能非常有效地控制风机的整体振动，综合提高风机的性能。

附图说明

图1为常规塔架加阻控制策略的原理框图。

图2为本发明所述自动阻尼调节控制方法的原理框图。

图3为本发明所述自动阻尼调节控制方法的步骤流程图。

图4为阻尼调节连杆机构的安装示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

在介绍本发明方法之前，需要对带有常规塔架加阻控制的控制策略作简单介绍，其原理图如图1所示，由图可知，常规塔架加阻控制策略采用的是风力发电机组机舱前后加速度反馈控制方式，以机舱前后加速度作为控制器的输入量，输出桨距角信号，通过微调桨距角，改变风力发电机组所受推力，从而减小塔架振动。

但此方法只对塔架单一方向的振动起到作用，而在实际中，塔架振动的方向往往是复杂多变的，基于此，我们提出了一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法：首先，所述塔架需配置有塔架加阻控制器和塔架加速度传感器，及在塔架内部安装有能够自动调整自身阻尼来对塔架不同方向振动进行消减的阻尼调节连杆机构，并与常规塔架加阻控制策略相结合，得到一套的全新自动阻尼调节控制策略：根据塔架不同方向的振动，调整阻尼调节连杆机构的角度，进而可以调整塔架结构阻尼，从而对塔架弯矩载荷进行消减，并在该阻尼调节连杆机构上安装传感器，用于测量阻尼力大小，进而针对塔架的阻尼力作为控制量输入进行塔架加速度和阻尼力的反馈控制，确保塔架全方位的减振，大大消减塔架设计载荷，实现最优控制。

本发明方法的控制原理如图2所示，主要步骤如图3所示，其包括以下步骤：

1)确定塔架一阶固有频率与风力发电机组转速运行范围是否存在交点

根据发电机转速范围以及塔架一阶频率，确定塔架一阶固有频率同风力发电机组转速在正常运行范围之内是否存在交点，如果存在则启动自动阻尼调节控制策略；若不存在交点，则此策略不启用，采用常规塔架加阻控制策略。

2)塔架加阻控制

通过塔架加速度传感器测量出塔架前后加速度，而后通过计算得出塔架在不同方位的加速度，将其输入到塔架加阻控制器，作为该控制器的输入量，经过塔架加阻控制器得到实际所需的阻尼力。

与常规塔架加阻控制器不同的是，常规塔架加阻控制器的输出信号是桨距角，而此塔架加阻控制器的输出信号是阻尼力。

3)将风力发电机组实际所需的阻尼力信号输送给阻尼调节连杆机构，阻尼调节连杆机构通过调整其连杆的安装角和距离，从而产生所需要的阻尼力，并作用于塔架，如此进行反馈控制，从而避免塔架振动，实现塔架设计载荷的最优控制。

如图4所示，所述的阻尼调节连杆机构包括多个带有可调阻尼器的阻尼调节连杆单元及带有多个铰接头的连接件，该多个阻尼调节连杆单元置于塔架的塔筒内部，并沿塔筒的周向均布，能够应对塔架不同方向的振动，通过各自可调阻尼器，根据塔架的振动倾角的变化调节自身的阻尼，进而对塔架受到的弯矩载荷进行消减，所述连接件固定安装在塔筒上部的平台底部，并位于塔筒中心处，其上的铰接头数量与阻尼调节连杆单元相一致，且一个阻尼调节连杆单元对应一个铰接头，该多个阻尼调节连杆单元分别与连接件上的相应铰接头活动铰接，且每个阻尼调节连杆单元上均安装有一个传感器，用于测量阻尼调节连杆单元的角度变化，进而计算测得阻尼力大小。

本发明方法是塔架加速度和阻尼力的反馈控制，相比于传统的塔架加阻控制，具有鲁棒性强，最优控制，具有自适应性和快速性等优点，如下：

1、对阻尼力进行反馈控制，通过阻尼反馈控制，可以更加精准地控制塔架的振动，实现最优控制。

2、采用能够自动调整自身阻尼来对塔架不同方向振动进行消减的阻尼调节连杆机构，连杆结构的特点使得它具有快速响应这一优势，能实现控制器的快速响应，及时避免塔架振动；阻尼调节连杆机构是由多个带有可调阻尼器的阻尼调节连杆单元均布于塔架内，所以可以对不同方向的振动进行消减，而优于传统的塔架加阻控制器只能对塔架前后或者左右方向振动的控制。

综上所述，本发明方法可以有效降低塔架的设计载荷，从而降低塔架的重量，同时又能非常有效地控制风机的整体振动，综合提高风机的性能，具有广泛的应用前景，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法，其特征在于：首先，所述塔架需配置有塔架加阻控制器和塔架加速度传感器，及在塔架内部安装有能够自动调整自身阻尼来对塔架不同方向振动进行消减的阻尼调节连杆机构，并与常规塔架加阻控制策略相结合，得到一套的全新自动阻尼调节控制策略：根据塔架不同方向的振动，调整阻尼调节连杆机构的角度，进而可以调整塔架结构阻尼，从而对塔架弯矩载荷进行消减，并在该阻尼调节连杆机构上安装传感器，用于测量阻尼力大小，进而针对塔架的阻尼力作为控制量输入进行塔架加速度和阻尼力的反馈控制，确保塔架全方位的减振，大大消减塔架设计载荷，实现最优控制；其包括以下步骤：

1)确定塔架一阶固有频率与风力发电机组转速运行范围是否存在交点

根据发电机转速范围以及塔架一阶频率，确定塔架一阶固有频率同风力发电机组转速在正常运行范围之内是否存在交点，如果存在则启动自动阻尼调节控制策略；若不存在交点，则此策略不启用，采用常规塔架加阻控制策略；

2)塔架加阻控制

通过塔架加速度传感器测量出塔架前后加速度，而后通过计算得出塔架在不同方位的加速度，将其输入到塔架加阻控制器，作为该控制器的输入量，经过塔架加阻控制器得到实际所需的阻尼力；

与常规塔架加阻控制器不同的是，常规塔架加阻控制器的输出信号是桨距角，而此塔架加阻控制器的输出信号是阻尼力；

3)将风力发电机组实际所需的阻尼力信号输送给阻尼调节连杆机构，阻尼调节连杆机构通过调整其连杆的安装角和距离，从而产生所需要的阻尼力，并作用于塔架，如此进行反馈控制，从而避免塔架振动，实现塔架设计载荷的最优控制。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法，其特征在于：所述常规塔架加阻控制策略采用的是风力发电机组机舱前后加速度反馈控制方式，以机舱前后加速度作为控制器的输入量，输出桨距角信号，通过微调桨距角，改变风力发电机组所受推力，从而减小塔架振动。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组柔性塔架的自动阻尼调节控制方法，其特征在于：所述阻尼调节连杆机构包括多个带有可调阻尼器的阻尼调节连杆单元及带有多个铰接头的连接件，该多个阻尼调节连杆单元置于塔架的塔筒内部，并沿塔筒的周向均布，能够应对塔架不同方向的振动，通过各自可调阻尼器，根据塔架的振动倾角的变化调节自身的阻尼，进而对塔架弯矩载荷进行消减，所述连接件固定安装在塔筒上部的平台底部，并位于塔筒中心处，其上的铰接头数量与阻尼调节连杆单元相一致，且一个阻尼调节连杆单元对应一个铰接头，该多个阻尼调节连杆单元分别与连接件上的相应铰接头活动铰接，且每个阻尼调节连杆单元上均安装有一个传感器，用于测量阻尼调节连杆单元的角度变化，进而计算测得阻尼力大小。