CN106321352A - 一种等效变桨微分控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等效变桨微分控制方法及装置，所述方法包括：采用静态能量偏差的PI控制方法分别获取第一控制参数、第二控制参数；采用动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数；将风轮测量转速与风轮参考转速作为输入，比例-积分-等效微分PID控制器依据第一控制参数、第二控制参数和第三控制参数对风力发电机组进行控制，实现风轮转速对风轮参考转速的跟随。将通过采用静态能量偏差的PI控制方法获取的第一控制参数、第二控制参数和通过动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数相结合，作为PID控制器的参数值对风力发电机组进行实时控制，有效的提高了大型风力发电机组在风速快速变化的风况下变桨动作的动态响应能力。

Description

一种等效变桨微分控制方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制技术领域，更具体地说，涉及一种等效变桨微分控制方法及装置。

背景技术

现有变桨控制多以发电机转速为输入量，通过PI控制器(proportionalintegral controller)控制输出变桨角度，经过变桨执行装置实现对转速的控制。

传统的PI控制结构简单，通常通过MATLAB等仿真软件建模调整的方式获取控制参数，由于风力发电机组模型的准确度对控制参数的整定结果有较大影响，但对于大型风力发电机组这种非线性程度较高的大型结构，建立准确的模型有较大难度，因此通过MATLAB等仿真软件建模调整的方式获取的控制参数往往与实际机组运行参数相差甚远。且通常采用的PI控制缺少对动态偏差控制，在急剧变化的风况下机组运行稳定性降低。

综上可知，如何获取精确的控制参数以及提高变桨系统的动态响应能力是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种等效变桨微分控制方法及装置，用以获取精确的控制参数以及提高变桨系统的动态响应能力。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种等效变桨微分控制方法，包括：

采用静态能量偏差的PI控制方法分别获取第一控制参数、第二控制参数；

采用动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数；

将风轮测量转速与风轮参考转速作为输入，比例-积分-等效微分PID控制器依据所述第一控制参数、所述第二控制参数和所述第三控制参数对风力发电机组进行控制，实现所述风轮测量转速对所述风轮参考转速的跟随；

其中，按照下述公式获取所述第一控制参数：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取所述第二控制参数：

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取所述第三控制参数：

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω为风轮测量转速，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼。

优选的，所述分别获取第一控制参数、第二控制参数包括：

在变桨范围内，分别获取风轮气动转矩、机械功率及所述风轮参考转速的第一关系式和所述风轮气动转矩、所述变桨角度、所述机械功率及所述风轮参考转速间的第二关系式；

分别对所述第一关系式和所述第二关系式进行泰勒展开，并按照下述公式获取所述变桨角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ为设定点附近的变桨角变化量，K_P为第一控制参数、K_I为第二控制参数，ΔΩ为风轮转速变化量，G_gearbox为齿轮箱传动比，t为时间变量。

在所述变桨角度公式的基础上，采用空气动力学转矩关系式及控制理论，按照下式获取所述风轮参考转速的二阶微分关系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；为风轮旋转加速度，为风轮旋转速度变化量，φ为风轮旋转速度。

获取所述风轮参考转速的二阶微分关系式的稳定状态，在所述稳定状态下，获取所述第一控制参数和所述第二控制参数。

优选的，所述对第二关系式进行泰勒展开包括：

通过叶片设计获取变桨风力发电机组叶片的与所述变桨角度θ之间关系，根据获取的所述关系对所述第二关系式进行泰勒展开。

优选的，所述获取所述第三控制参数包括：

采用空气动力学转矩关系获取风轮旋转总能量偏差与静态能量偏差；

采用所述总能量偏差和所述静态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度；

依据获取的所述变桨角度获取所述第三控制参数。

优选的，所述采用所述总能量偏差和所述静态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度包括：

消除所述静态能量偏差，获取剩余动态能量偏差，依据所述剩余动态能量偏差获取变桨吸收能量的所述变桨角度。

另一方面，本发明提供了一种等效变桨微分控制装置，包括：

第一获取单元，用于采用静态能量偏差的PI控制方法分别获取第一控制参数、第二控制参数；

第二获取单元，用于采用动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数；

控制单元，用于将风轮测量转速和风轮参考转速作为输入，比例-积分-等效微分PID控制器依据所述第一控制参数、所述第二控制参数和所述第三控制参数对风力发电机组进行控制，实现所述风轮测量转速对所述风轮参考转速的跟随；

其中，按照下述公式获取所述第一控制参数：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取所述第二控制参数：

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取所述第三控制参数：

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω为风轮测量转速，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼。

优选的，所述第一获取单元包括：

第三获取单元，用于在变桨范围内，分别获取风轮气动转矩、机械功率及所述风轮参考转速的第一关系式和所述风轮气动转矩与变桨角度、所述机械功率及所述风轮参考转速间的第二关系式；

第一计算单元，用于分别对所述第一关系式和所述第二关系式进行泰勒展开，并按照下述公式获取所述变桨角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ为设定点附近的变桨角变化量，K_P为第一控制参数、K_I为第二控制参数，ΔΩ为风轮转速变化量，G_gearbox为齿轮箱传动比，t为时间变量。

第二计算单元，用于在所述变桨角度公式的基础上，采用空气动力学转矩关系式及控制理论，按照下式获取所述风轮参考转速的二阶微分关系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；为风轮旋转加速度，为风轮旋转速度变化量，φ为风轮旋转速度。

第四获取单元，用于获取所述风轮参考转速的二阶微分关系式的稳定状态，在所述稳定状态下，获取所述第一控制参数和所述第二控制参数。

优选的，所述第一计算单元包括：

第五获取单元，用于通过叶片设计获取变桨风力发电机组叶片的与所述变桨角度θ之间的关系，根据获取的所述关系对所述第二关系式进行泰勒展开。

优选的，所述第二获取单元包括：

第六获取单元，用于采用空气动力学转矩关系获取风轮旋转总能量偏差与静态能量偏差；

第七获取单元，用于采用所述总能量偏差和所述静态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度；

第八获取单元，用于依据获取的所述变桨角度获取所述第三控制参数。

优选的，所述第七获取单元包括：

第九获取单元，用于消除所述静态能量偏差，获取剩余动态能量偏差，依据所述剩余动态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明提供的一种等效变桨微分控制方法及装置，将通过采用静态能量偏差的PI控制方法获取的第一控制参数、第二控制参数和通过动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数相结合，作为到PID控制器的参数值对风力发电机组进行实时控制，与现有技术相比，本发明提供的等效变桨微分控制方法即系统获取的PID控制器的控制参数精确度较高，且在采用通过动态能量偏差获取的等效微分参数对风力发电机组进行控制时，更有效的提高了大型风力发电机组在风速快速变化的风况下变桨动作的动态响应能力，避免了机组超速、叶尖间隙过小以及产生极端载荷等情况的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制方法的一种流程图；

图2为本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制方法的另一种流程图；

图3为本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制方法中的变桨风力发电机组叶片的与变桨角度θ之间关系示意图；

图4为本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制装置的一种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制方法的一种子结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制方法的另一种子结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种风况的示意图；

图8为本发明实施例提供的等效变桨微分控制方法与传统控制方法控制转速对比示意图；

图9为本发明实施例提供的等效变桨微分控制方法与传统控制方法控制叶尖间隙对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，其示出了本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制方法，可以包括以下步骤：

步骤101：采用静态能量偏差的PI控制方法分别获取第一控制参数、第二控制参数。

步骤102：采用动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数。

步骤103：将风轮测量转速和风轮参考转速作为输入，比例-积分-等效微分PID控制器依据第一控制参数、第二控制参数和第三控制参数对风力发电机组进行控制，实现风轮测量转速对风轮参考转速的跟随。

其中，按照下述公式获取第一控制参数：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取第二控制参数：

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取第三控制参数：

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω为风轮测量转速，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼。

需要说明的是，本发明实施例是将PI控制与动态能量偏差推导的过程与PID(Proportion Integration Differentiation)控制相结合，依次获取第一控制参数、第二控制参数和第三控制参数后，采用获取的三个控制参数控制PID控制器，使风力发电机组的风轮转速不断与风轮参考转速相等，即通过三个控制参数根据实际转速偏差Ω-Ω_ref实时调整，以提高风力发电机组在湍流风况下对转速的控制。

本发明提供的一种等效变桨微分控制方法，将通过采用静态能量偏差的PI控制方法获取的第一控制参数、第二控制参数和通过动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数相结合，作为到PID控制器的参数值对风力发电机组进行实时控制，与现有技术相比，本发明提供的等效变桨微分控制方法即系统获取的PID控制器的控制参数精确度较高，且在采用通过动态能量偏差获取的等效微分参数对风力发电机组进行控制时，更有效的提高了大型风力发电机组在风速快速变化的风况下变桨动作的动态响应能力，避免了机组超速、叶尖间隙过小以及产生极端载荷等情况的发生。

请参考图2，其示出了本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制方法的另一种流程图，可以包括以下步骤：

步骤201：在变桨范围内，分别获取风轮气动转矩、机械功率及转速的第一关系式和气动转矩、变桨角度、机械功率及风轮参考转速间的第二关系式。

步骤202：通过叶片设计获取变桨风力发电机组叶片的与变桨角度θ之间的关系，根据获取的关系对第二关系式进行泰勒展开，及对第一关系式进行泰勒展开。

步骤203：按照下述公式获取变桨角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ为设定点附近的变桨角变化量，K_P为第一控制参数、K_I为第二控制参数，ΔΩ为风轮转速变化量，G_gearbox为齿轮箱传动比，t为时间变量。

步骤204：在变桨角度公式的基础上，采用空气动力学转矩关系式及控制理论，按照下式获取风轮参考转速的二阶微分关系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P风轮吸收功率，θ为变桨角度；为风轮旋转加速度，为风轮旋转速度变化量，φ为风轮旋转速度。

步骤205：获取风轮转速的二阶微分关系式的稳定状态，在稳定状态下，获取第一控制参数和第二控制参数。

步骤206：采用空气动力学转矩关系获取风轮旋转总能量偏差与静态能量偏差。

步骤207：消除静态能量偏差，获取剩余动态能量偏差，依据剩余动态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度。

步骤208：依据获取的变桨角度获取第三控制参数。

步骤209：将获取的第三控制参数根据风力发电机组的风轮测量转速进行实时控制。

变桨风力发电机在高风速环境下，通过调节风轮叶片变桨角度限制风能吸收，从而维持风力发电机工作在额定功率设定区域。由于受到风轮叶片气动性能的影响，叶片变桨角度调整随风速变化呈非线性关系。因此，为获得更佳的变桨控制效果，变桨控制器参数值需要根据风轮叶片气动特性进行整定。为减少MATLAB等软件建模不准确对控制参数值的影响，本发明实施例提出了一种等效变桨微分控制方法，即直接通过动力学关系对PI控制参数进行整定。

首先，获取变桨范围内风轮气动转矩与机械功率及转速的关系：

$T_{gen}=\frac{P_0}{G_{gearbox}{\mathrm{\Ω}}_{ref}}---\left(1\right)$

其中，T_gen为发电机转矩，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速。

类似的，获取气动转矩与变桨角度、机械功率及风轮参考转速之间关系：

$T_{aero}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{P(\mathrm{\θ},{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}---\left(2\right)$

将上式(1)(2)进行一阶泰勒展开，得到下式：

$T_{gen}\≈\frac{P_0}{G_{gearbox}{\mathrm{\Ω}}_{ref}}-\frac{P_0}{G_{gearbox}{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}---\left(3\right)$

$T_{aero}=\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}+\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}\left(\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}\right)\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中，Δθ为设定点附近的变桨角变化量。

其中，采用PI控制器可以获取到变桨角度调整表达式为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_p{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt---\left(5\right)$

再由空气动力学转矩关系式：

$T_{aero}-G_{gearbox}{T}_{gen}=(I_{rotor}+G_{gearbox}^2{I}_{gen})\frac{d}{dt}({\mathrm{\Ω}}_{ref}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω})=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(6\right)$

其中，T_aero为低速轴气动转矩，I_rotor，I_gen分别为风轮惯性矩和发电机惯性矩，ΔΩ为风轮转速变化量，为风轮旋转加速度。

根据经典PI控制理论，典型风轮转速二阶微分关系可表达为：

$I\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+D\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+K\mathrm{\φ}=0---\left(7\right)$

设结合式(3)～(6)，式(7)可改写为：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0---\left(8\right)$

在二阶微分表达式中，频率ω及阻尼ζ分别为：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{K}{I}},\mathrm{\ζ}=\frac{D}{2\sqrt{KI}}=\frac{D}{2I\mathrm{\ω}}---\left(9\right)$

根据经典控制理论，装置频率在ω＝0.6及阻尼ζ＝0.6～0.7时二阶装置可以达到较为满意的稳定状态。为此可得到变桨PI参数值与之间关系式如下：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}---\left(10\right)$

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}---\left(11\right)$

其中，图3所示的变桨风力发电机组叶片的与变桨角度θ之间关系均可近似为一阶线性关系，其可容易通过叶片设计方获得，需要说明的是，几乎所有的变桨风力发电机组的与变桨角度θ之间关系均可近似为一阶线性关系。

根据空气动力学转矩关系式(6)可以得到风轮旋转总能量偏差与静态能量偏差为：

$T_{aero}\mathrm{\Ω}-G_{gearbox}{T}_{gen}\mathrm{\Ω}=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}\mathrm{\Ω}---\left(12\right)$

即总能量偏差为：

${\mathrm{\ΔP}}_a=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}\mathrm{\Ω}---\left(13\right)$

$T_{aero}{\mathrm{\Ω}}_{ref}-G_{gearbox}{T}_{gen}{\mathrm{\Ω}}_{ref}=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Ω}}_{ref}---\left(14\right)$

即静态能量偏差为：

${\mathrm{\ΔP}}_s=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Ω}}_{ref}---\left(15\right)$

由于静态能量偏差已经通过PI控制消除，因此剩余动态能量偏差可表示为：

${\mathrm{\ΔP}}_a-{\mathrm{\ΔP}}_s=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})---\left(16\right)$

将式(16)与变桨角度相关联，可得到下式：

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_a-{\mathrm{\ΔP}}_s}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}}\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})---\left(17\right)$

结合图3所示变桨角度与间的关系，动态能量偏差所需通过变桨吸收能量的角度为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}}\right|\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(18\right)$

结合PID控制原理，将动态偏差调整视为PID控制器的微分项(D部分)即有：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=K_d\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(19\right)$

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|---\left(20\right)$

通过式(20)得到的控制参数K_d根据实际转速偏差Ω-Ω_ref实时调整，是作为PI控制的补充可有效提高风力发电机组在湍流风况下对风轮测量转速的控制效果。

其中，PID控制计算如下式所示：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_p{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt+K_D{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(21\right)$

本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制方法，将通过PI控制获取的第一控制参数、第二控制参数和通过动态能量偏差获取的第三控制参数相结合，作为到PID控制器的参数值对风力发电机组进行实时控制，与现有技术相比，本申请提供的等效变桨微分控制方法中获取的第一控制参数、第二控制参数和第三控制参数相对比较准确，且三个控制参数可以直接应用到PID控制中，而不需要像现有技术在建模过程中需要逐一调试，进而减少了获取准确参数过程中的调试时间，避免带来不必要的使用风险。

与上述方法的实施例相对应，本发明实施例还提供了一种等效变桨微分控制装置，请参考图4，其示出了本发明实施例提供的一种的等效变桨微分控制装置的一种结构示意图，包括：第一获取单元11、第二获取单元12和控制单元13，其中：

第一获取单元11，用于采用静态能量偏差的PI控制方法分别获取第一控制参数、第二控制参数。

其中，请参考图5，其示出了本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制装置的一种子结构示意图，包括：第三获取单元21、第一计算单元22、第二计算单元23和第四获取单元24，其中：

第三获取单元21，用于在变桨范围内，分别获取风轮气动转矩、机械功率及转速的第一关系式和风轮气动转矩、变桨角度、机械功率及风轮参考转速间的第二关系式。

第一计算单元22，用于分别对第一关系式和第二关系式进行泰勒展开，并按照下述公式获取变桨角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ为设定点附近的变桨角变化量，K_P为第一控制参数、K_I为第二控制参数，ΔΩ为风轮转速变化量，G_gearbox为齿轮箱传动比，t为时间变量。

第一计算单元22还可以包括：第五获取单元221，其中：

第五获取单元221，用于通过叶片设计获取变桨风力发电机组叶片的与变桨角度θ之间的关系，根据获取的关系对所述第二关系式进行泰勒展开。

需要说明的是，第五获取单元221用于获取第二控制参数表达式中的值，且其是在叶片设计过程中获取的。

第二计算单元23，用于在变桨角度公式的基础上，采用空气动力学转矩关系式及控制理论，按照下式获取风轮参考转速的二阶微分关系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；为风轮旋转加速度，为风轮旋转速度变化量，φ为风轮旋转速度。

第四获取单元24，用于获取风轮转速的二阶微分关系式的稳定状态，在稳定状态下，获取第一控制参数和第二控制参数。

第二获取单元12，用于采用动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数K_D。

其中，请参考图6，其示出了本发明实施例提供的一种等效变桨微分控制装置的另一种子结构示意图，第二获取单元12可以包括：第六获取单元31、第七获取单元32和第八获取单元33，其中：

第六获取单元31，用于采用空气动力学转矩关系获取风轮旋转总能量偏差与静态能量偏差。

第七获取单元32，用于采用总能量偏差和静态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度。

其中，第七获取单元32还可以包括：第九获取单元321，其中：

第九获取单元321，用于消除静态能量偏差，获取剩余动态能量偏差，依据剩余动态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度。

第八获取单元33，用于依据获取的变桨角度获取第三控制参数。

控制单元13，用于将风轮测量转速与风轮参考转速作为输入，比例-积分-等效微分PID控制器依据第一控制参数、第二控制参数和第三控制参数对风力发电机组进行控制，实现风轮测量转速对风轮参考转速的跟随。

在本发明实施例提供的等效变桨微分控制装置中，对2MW风力发电机组在如图7所示的风况下进行了控制，其中图8和图9示出了采用传统控制方法和采用本发明实施例提供的控制方法的效果对比图，需要说明的是，深色粗线为采用本发明实施例提供的控制方法获取的控制结果，浅色细线为传统PI控制方法获取的控制结果。对比两幅图可知，在本发明实施例提供的等效变桨微分控制方法下，获取的风力发电机组的风轮测量转速波动相对传统PI控制方法获取的风轮测量转速波动更小，且叶尖间隙更大。

本发明提供的一种等效变桨微分控制装置，将通过采用静态能量偏差的PI控制方法获取的第一控制参数、第二控制参数和通过动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数相结合，作为到PID控制器的参数值对风力发电机组进行实时控制，与现有技术相比，本发明提供的等效变桨微分控制方法即系统获取的PID控制器的控制参数精确度较高，且在采用通过动态能量偏差获取的等效微分参数对风力发电机组进行控制时，更有效的提高了大型风力发电机组在风速快速变化的风况下变桨动作的动态响应能力，避免了机组超速、叶尖间隙过小以及产生极端载荷等情况的发生。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种等效变桨微分控制方法，其特征在于，包括：

采用静态能量偏差的PI控制方法分别获取第一控制参数、第二控制参数；

采用动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数；

将风轮测量转速与风轮参考转速作为输入，比例-积分-等效微分PID控制器依据所述第一控制参数、所述第二控制参数和所述第三控制参数对风力发电机组进行控制，实现所述风轮测量转速对所述风轮参考转速的跟随；

其中，按照下述公式获取所述第一控制参数：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取所述第二控制参数：

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取所述第三控制参数：

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω为风轮测量转速，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别获取第一控制参数、第二控制参数包括：

在变桨范围内，分别获取风轮气动转矩、机械功率及所述风轮参考转速的第一关系式和所述风轮气动转矩、所述变桨角度、所述机械功率及所述风轮参考转速间的第二关系式；

分别对所述第一关系式和所述第二关系式进行泰勒展开，并按照下述公式获取所述变桨角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ为设定点附近的变桨角变化量，K_P为第一控制参数、K_I为第二控制参数，ΔΩ为风轮转速变化量，G_gearbox为齿轮箱传动比，t为时间变量。

在所述变桨角度的公式基础上，采用空气动力学转矩关系式及控制理论，按照下式获取所述风轮参考转速的二阶微分关系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}\left(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}\right)G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}\left(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}\right)G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；为风轮旋转加速度，为风轮旋转速度变化量，φ为风轮旋转速度。

获取所述风轮参考转速的二阶微分关系式的稳定状态，在所述稳定状态下，获取所述第一控制参数和所述第二控制参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对第二关系式进行泰勒展开包括：

通过叶片设计获取变桨风力发电机组叶片的与所述变桨角度θ之间的关系，根据获取的所述关系对所述第二关系式进行泰勒展开。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述第三控制参数包括：

采用空气动力学转矩关系获取风轮旋转总能量偏差与静态能量偏差；

采用所述总能量偏差和所述静态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度；

依据获取的所述变桨角度获取所述第三控制参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用所述总能量偏差和所述静态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度包括：

消除所述静态能量偏差，获取剩余动态能量偏差，依据所述剩余动态能量偏差获取变桨吸收能量的所述变桨角度。

6.一种等效变桨微分控制装置，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于采用静态能量偏差的PI控制方法分别获取第一控制参数、第二控制参数；

第二获取单元，用于采用动态能量偏差获取等效微分的第三控制参数；

控制单元，用于将风轮测量转速与风轮参考转速作为输入，比例-积分-等效微分PID控制器依据所述第一控制参数、所述第二控制参数和所述第三控制参数对风力发电机组进行控制，实现所述风轮测量转速对所述风轮参考转速的跟随；

其中，按照下述公式获取所述第一控制参数：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取所述第二控制参数：

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；

按照下述公式获取所述第三控制参数：

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|$

在上式中，G_gearbox为齿轮箱传动比，Ω为风轮测量转速，Ω_ref为风轮参考转速，ω为频率，ζ为阻尼。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一获取单元包括：

第三获取单元，用于在变桨范围内，分别获取风轮气动转矩、机械功率及所述风轮参考转速的第一关系式和所述风轮气动转矩、变桨角度、所述机械功率及所述风轮参考转速间的第二关系式；

第一计算单元，用于分别对所述第一关系式和所述第二关系式进行泰勒展开，并按照下述公式获取所述变桨角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ为设定点附近的变桨角变化量，K_P为第一控制参数、K_I为第二控制参数，ΔΩ为风轮转速变化量，G_gearbox为齿轮箱传动比，t为时间变量。

第二计算单元，用于在所述变桨角度公式的基础上，采用空气动力学转矩关系式及控制理论，按照下式获取所述风轮参考转速的二阶微分关系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}\left(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}\right)G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}\left(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}\right)G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain为风力发电机组传动链转动惯量，P为风轮吸收功率，θ为变桨角度；为风轮旋转加速度，为风轮旋转速度变化量，φ为风轮旋转速度。

第四获取单元，用于获取所述风轮参考转速的二阶微分关系式的稳定状态，在所述稳定状态下，获取所述第一控制参数和所述第二控制参数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一计算单元包括：

第五获取单元，用于通过叶片设计获取变桨风力发电机组叶片的与所述变桨角度θ之间的关系，根据获取的所述关系对所述第二关系式进行泰勒展开。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二获取单元包括：

第六获取单元，用于采用空气动力学转矩关系获取风轮旋转总能量偏差与静态能量偏差；

第七获取单元，用于采用所述总能量偏差和所述静态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度；

第八获取单元，用于依据获取的所述变桨角度获取所述第三控制参数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第七获取单元包括：

第九获取单元，用于消除所述静态能量偏差，获取剩余动态能量偏差，依据所述剩余动态能量偏差获取变桨吸收能量的变桨角度。