CN107401482B - 一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法及系统，方法包括：A，测量风机风轮转速，基于所测转速和转速设定值计算出统一桨距角给定值βref；B，将统一桨距角给定值分配给每个桨叶，得到每个桨叶独立变化的桨距角给定值βiref＝Kiβref，权系数Ki由每个桨叶的方位角反馈确定；C，测量风机的传动链输入转矩，分析得到风轮旋转频率的倍频量，基于3倍倍频量和6倍倍频量计算得到每个桨距角微调量Δβi；D：根据每个桨叶桨距角给定值和桨距角微调量得到桨叶的期望桨距角，根据此期望桨距角控制每个桨叶。本发明基于方位角反馈的独立变桨距控制的基础上增加一个桨距角微调量，可以更好的控制由周期性激励引起的传动链扭振。

Description

一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种双馈式风力发电机组的周期性激励引起的传动链扭振抑制控制方法，还涉及一种采用此控制方法的系统。
背景技术
随着常规能源短缺的日益严重，可再生能源开发与利用无疑将成为今后能源开发主要方向。目前，风力发电技术已经成熟，风电装机容量不断扩大，截止至2016年底，中国风电装机容量已突破176.1GW，随着在役机组数量的增加，如何保证风电机组安全、可靠、高效底运行已成为风电行业关注的重点。
风电机组的工作环境恶劣，风速有很高的不稳定行，机组部件很容易损坏，尤其是传动链的损坏率更高，而风电机组有安装在偏远山区且距离地面较高，维修不便，风电机组的传动链扭振抑制在这种情况下具有重要的意义。
双馈风电机组变桨距控制有统一变桨距控制和独立变桨距控制两种控制方式。统一变桨距控制是指对风机控制系统对风机的三个桨叶片发出相同的变桨距角的控制方式，这种控制方式本质上认为风轮的整个旋转平面的风速相同，其优点是对变桨距系统的要求较小，控制策略简单容易实现，缺点是控制输出功率会有波动，对整个机组的振动有很大影响。在实际的情况中，风轮受到风切变和塔影效应等因素的影响时，在风轮的旋转平面各处的风速是不相同的，尤其是风机单机容量不断增大，桨叶片半径不断增长的情况下，独立变桨距控制是降低风电机组由风切变和塔影效应等周期性激励引起的传动链扭振幅值的最有效方式，这种控制方式的优点是控制精度高，通过微调各个桨叶片的桨距角，能够很好的改善由风轮旋转平面上风速大小不同产生的不对称载荷对传动链输入转矩的波动，其缺点是对变桨系统要求更高，控制策略复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法及系统，基于方位角反馈的独立变桨距控制的基础上增加一个桨距角微调量，可以更好的控制由周期性激励引起的传动链扭振。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤A，测量风机风轮转速，基于所测转速和转速设定值计算出统一桨距角给定值βref；
步骤B，将统一桨距角给定值分配给每个桨叶，得到每个桨叶独立变化的桨距角给定值βiref＝Kiβref，权系数Ki由下表达式计算：其中，i＝1、2、3；n为指数系数，ki为参数由每个桨叶的方位角确定；
步骤C，测量风机的传动链输入转矩，分析得到风轮旋转频率的倍频量，基于3倍频量和6倍频量分量计算得到每个桨距角微调量Δβi；
步骤D：根据每个桨叶桨距角给定值βiref和桨距角微调量Δβi得到桨叶的期望桨距角，根据此期望桨距角控制每个桨叶。
进一步的，ki参数可由以下方法计算得到，
当桨叶方位角θi在旋转平面上半部分时：当桨叶方位角θi在旋转平面下半部分时：
式中，记θ为第一个桨叶的实测方位角，θ1＝θ，θ2＝θ+120°，θ3＝θ+240°；r为叶素距叶根的距离；h为轮毂中心距地面高度；m＝1+α(α-1)R2/8h2，其中R为风轮半径；α为风切变系数；a为塔筒半径；x为风轮旋转平面距塔架轴线的距离。
进一步的，每个桨距角微调量的计算过程为：
步骤C1：测得风机的传动链输入转矩；
步骤C2：对传动链输入转矩进行FFT分析，得到与风轮转速相关的3、6、9倍倍频量；
步骤C3：给3、6倍频分量设一死区，当3倍频分量超出死区范围时，令K'i＝ksKi，则由3倍频分量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ'i＝K'iβref；当6倍频分量超出死区范围时，K”i＝ktKi，则由6倍频分量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ”i＝K”iβref；
步骤C4：桨距角微调量为Δβi＝Δβ'i+Δβ”i。
进一步的，在步骤C3中，当3、6倍频分量的幅值在死区范围内，则结束此过程，相应的桨距角微调量为0。
相应的，本发明还提供了一种周期性激励引起的传动链扭振控制系统，其特征是，包括统一变桨距控制模块、方位角反馈模块、桨距角微调量模块和独立变桨距控制模块；
统一变桨距控制模块，测量风机风轮转速，基于所测转速和转速设定值计算出统一桨距角给定值βref；
方位角反馈模块，将统一桨距角给定值分配给每个桨叶，得到每个桨叶独立变化的桨距角给定值βiref＝Kiβref，权系数Ki由下表达式计算：其中，i＝1、2、3；n为指数系数，ki为参数由每个桨叶的方位角确定；
桨距角微调量模块，测量风机的传动链输入转矩，分析得到风轮旋转频率的倍频量，基于3倍倍频量和6倍倍频量计算得到每个桨距角微调量Δβi；
独立变桨距控制模块，根据每个桨叶桨距角给定值βiref和桨距角微调量Δβi得到桨叶的期望桨距角，根据此期望桨距角控制每个桨叶。
进一步的，方位角反馈模块中ki参数可由以下方法计算得到，
当桨叶方位角θi在旋转平面上半部分时：当桨叶方位角θi在旋转平面下半部分时：
式中，记θ为第一个桨叶的实测方位角，θ1＝θ，θ2＝θ+120°，θ3＝θ+240°；r为叶素距叶根的距离；h为轮毂中心距地面高度；m＝1+α(α-1)R2/8h2，其中R为风轮半径；α为风切变系数；a为塔筒半径；x为风轮旋转平面距塔架轴线的距离。
进一步的，桨距角微调量模块中每个桨距角微调量的计算过程为：
步骤C1：通过转矩测量测得风机的传动链输入转矩；
步骤C2：对传动链输入转矩进行FFT分析，得到与风轮转速相关的3、6、9倍倍频量；
步骤C3：给3、6倍频分量设一死区，当3倍频分量超出死区范围时，令K'i＝ksKi，则由3倍频分量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ'i＝K'iβref；当6倍频分量超出死区范围时，K”i＝ktKi，则由6倍频分量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ”i＝K”iβref；
步骤C4：桨距角微调量为Δβi＝Δβ'i+Δβ”i。
进一步的，在步骤C3中，当3、6倍频分量的幅值在死区范围内，则结束此过程，相应的桨距角微调量为0。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1.直接对所测得的传动链输入转矩进行FFT分析求相关倍频分量，更容易获得传动链振动频率幅值等相关信息；
2.由于双馈风电机组上通常会有测量桨叶片方位角的转速传感器，采用方位角反馈的独立变桨距控制易于装配且成本较低；
3.在基于方位角反馈的独立变桨距控制的基础上增加了一个桨距角微调量，可以更好的抑制由周期性激励引起的传动链扭振；
4.对倍频量设置死区，避免了独立变桨控制系统频繁动作引起疲劳损坏。
附图说明
图1是本发明一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法结构图示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一种周期性激励引起的传动链扭振控制系统，包括统一变桨距控制模块、方位角反馈模块、桨距角微调量模块和独立变桨距控制模块；
统一变桨距控制模块，测量风机风轮转速，基于所测转速和转速设定值计算出统一桨距角给定值βref；
方位角反馈模块，将统一桨距角给定值分配给每个桨叶，得到每个桨叶独立变化的桨距角给定值βiref＝Kiβref，权系数Ki由下表达式计算：其中，i＝1、2、3；n为指数系数，ki为参数由每个桨叶的方位角确定；
桨距角微调量模块，测量风机的传动链输入转矩，分析得到风轮旋转频率的倍频量，基于3倍倍频量和6倍倍频量计算得到每个桨距角微调量Δβi；
独立变桨距控制模块，根据每个桨叶桨距角给定值βiref和桨距角微调量Δβi得到桨叶的期望桨距角，根据此期望桨距角控制每个桨叶。
相应的，如图1所示，本发明的一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法，包括以下步骤：
步骤A：测量风机风轮转速，基于所测转速和转速设定值计算出统一桨距角给定值βref。
此过程由风机统一变桨距控制模块完成的，采用的是统一变桨距控制方法，基于此桨叶独立变化的桨距角给定值进行独立变桨距控制，是为了抑制叶片载荷波动(叶片挥舞载荷)。其具体计算包括：
步骤A1：测量风机风轮转速ωt；
步骤A2：将所测风轮转速ωt与设定转速ωset进行比较得到转速偏差Δω；
步骤A3：由转速偏差Δω通过PI控制器得到统一桨距角给定值βref。
步骤B：将统一桨距角给定值分配给每个桨叶，得到每个桨叶独立变化的桨距角给定值βiref＝Kiβref。
此过程由风机方位角反馈模块完成，具体为通过权系数将统一桨距角给定值进行分配，得到每个桨叶独立变化的桨距角给定值：βiref＝Kiβref。
权系数Ki由下表达式计算：且满足
其中，i＝1、2、3；n为指数系数，取值范围为1～5，本发明实施例中经试验验证，n取值为3时效果最佳。k1为与桨叶1有关的参数，k2为与桨叶2有关的参数，k3为与桨叶3有关的参数。由实现了独立变桨距的首要控制目标，即和统一变桨距一样可以稳定输出功率。
ki参数可由以下方法计算得到，风轮整个旋转平面均受风切变影响，风轮旋转平面下半部受到塔影效应的影响，当桨叶方位角θi在旋转平面上半部分时：当桨叶方位角θi在旋转平面下半部分时：
式中，记θ为第一个桨叶的实测方位角，θ1＝θ，θ2＝θ+120°，θ3＝θ+240°；r为叶素距叶根的距离；h为轮毂中心距地面高度；m＝1+α(α-1)R2/8h2，其中R为风轮半径，此处m仅仅是一个表达式，为了使ki的表达式看起来简洁。α为风切变系数；a为塔筒半径；x为风轮旋转平面距塔架轴线的距离。
由于现有技术中双馈风电机组上通常会设有测量桨叶片方位角的转速传感器，采用方位角反馈的独立变桨距控制易于装配且成本较低。
步骤C：测量风机的传动链输入转矩，分析得到风轮旋转频率的倍频量，基于3倍倍频量和6倍倍频量计算得到每个桨距角微调量Δβi。
此过程由风机桨距角微调量模块完成，桨距角微调量模块的输入是传动链输入转矩，输出是桨距角微调量，作用是减小传动链扭振。具体过程包括：
步骤C1：通过转矩测量测得风机的传动链输入转矩；
步骤C2：对传动链输入转矩进行FFT分析，得到与风轮转速相关的3、6、9倍倍频量，风切变主要主导3倍频分量，塔影效应主要影响3、6、9倍频分量；
步骤C3：给3、6倍频分量设一死区(此死区就是幅值范围，具体数值由变桨控制系统要求和轴系扭振要求两方面确定)，当轴系扭振幅值(可由FFT分析传动链输入转矩得到)在死区范围内，此桨距角微调量模块不动作(即不输出桨距角微调量信号，结束此计算过程，相应的Δβi＝0)；避免了此桨距角微调量模块频繁动作引起疲劳损坏。
为了避免基于方位角反馈的独立变桨控制系统过多动作，基于方位角反馈的独立变桨控制系统的死区可能会较大，这也导致传动链输入转矩的倍频量较大，导致轴系的振动。为了在轴系的倍频量较大时，对叶片的变桨角度多做调整，多加的桨距角微调量是来降低轴系扭振。
步骤C4：当3倍频分量超出死区范围时，令K'i＝ksKi(ks取值范围在0～0.5之间，ks参数的大小与超出幅值的大小正相关)，则由3倍频分量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ'i＝K'iβref；
步骤C5：当6倍频分量超出死区范围时，令K”i＝ktKi(kt取值范围在0～1.5之间，本发明实施例中取值为1)，则由6倍频分量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ”i＝K”iβref；
步骤C6：当3倍频或6倍频分量超出死区范围，微调量控制部分都会动作，相互不影响，是并联的关系，所以桨距角微调量也是相加的关系。因此计算得到桨距角微调量为Δβi＝Δβ'i+Δβ”i。
步骤D：根据每个桨叶桨距角给定值和桨距角微调量得到桨叶的期望桨距角，根据此期望桨距角控制每个桨叶。
此过程由风机独立变桨距控制模块完成，采用独立变桨距控制方法，具体为先计算每个桨叶桨距角，为桨距角给定值加上桨距角微调量：βi＝Kiβref+Δβ'i+Δβ”i；再由现有技术中变桨距控制系统的每个变桨距执行机构，依据每个桨叶的桨距角分别进行调节。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤A，测量风机风轮转速，基于所测转速和转速设定值计算出统一桨距角给定值βref；
步骤B，将统一桨距角给定值分配给每个桨叶，得到每个桨叶独立变化的桨距角给定值βiref＝Kiβref，权系数Ki由下表达式计算：其中，i＝1、2、3；n为指数系数，ki为参数；
步骤C，测量风机的传动链输入转矩，分析得到风轮旋转频率的倍频量，基于3倍倍频量和6倍倍频量计算得到每个桨距角微调量Δβi；
步骤D：根据每个桨叶桨距角给定值和桨距角微调量得到桨叶的期望桨距角，根据此期望桨距角控制每个桨叶；
每个桨距角微调量的计算过程为：
步骤C1：通过转矩测量测得风机的传动链输入转矩；
步骤C2：对传动链输入转矩进行FFT分析，得到与风轮转速相关的3、6、9倍倍频量；
步骤C3：给3、6倍频量设一死区，当3倍频量超出死区范围时，令K′i＝ksKi，则由3倍频量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ′i＝K′iβref；当6倍频量超出死区范围时，K″i＝ktKi，则由6倍频量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ″i＝K″iβref；ks和kt是参数；
步骤C4：桨距角微调量为Δβi＝Δβ′i+Δβ″i。
2.根据权利要求1所述的一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法，其特征是，ki参数可由以下方法计算得到，
当桨叶方位角θi在旋转平面上半部分时：当桨叶方位角θi在旋转平面下半部分时：
式中，记θ为第一个桨叶的实测方位角，θ1＝θ，θ2＝θ+120°，θ3＝θ+240°；r为叶素距叶根的距离；h为轮毂中心距地面高度；m＝1+α(α-1)R2/8h2，其中R为风轮半径；α为风切变系数；a为塔筒半径；x为风轮旋转平面距塔架轴线的距离。
3.根据权利要求1所述的一种周期性激励引起的传动链扭振控制方法，其特征是，在步骤C3中，当3、6倍频量的幅值在死区范围内，则结束此过程，相应的桨距角微调量为0。
4.一种周期性激励引起的传动链扭振控制系统，其特征是，包括统一变桨距控制模块、方位角反馈模块、桨距角微调量模块和独立变桨距控制模块；
统一变桨距控制模块，测量风机风轮转速，基于所测转速和转速设定值计算出统一桨距角给定值βref；
方位角反馈模块，将统一桨距角给定值分配给每个桨叶，得到每个桨叶独立变化的桨距角给定值βiref＝Kiβref，权系数Ki由下表达式计算：其中，i＝1、2、3；n为指数系数，ki为参数；
桨距角微调量模块，测量风机的传动链输入转矩，分析得到风轮旋转频率的倍频量，基于3倍倍频量和6倍倍频量计算得到每个桨距角微调量Δβi；
独立变桨距控制模块，根据每个桨叶桨距角给定值βiref和桨距角微调量Δβi得到桨叶的期望桨距角，根据此期望桨距角控制每个桨叶；
桨距角微调量模块中每个桨距角微调量的计算过程为：
步骤C1：通过转矩测量测得风机的传动链输入转矩；
步骤C2：对传动链输入转矩进行FFT分析，得到与风轮转速相关的3、6、9倍倍频量；
步骤C3：给3、6倍频量设一死区，当3倍频量超出死区范围时，令K′i＝ksKi，则由3倍频量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ′i＝K′iβref；当6倍频量超出死区范围时，K″i＝ktKi，则由6倍频量幅值超出而增加的桨距角微调量为Δβ″i＝K″iβref；ks和kt是参数；
步骤C4：桨距角微调量为Δβi＝Δβ′i+Δβ″i。
5.根据权利要求4所述的一种周期性激励引起的传动链扭振控制系统，其特征是，方位角反馈模块中ki参数可由以下方法计算得到，
当桨叶方位角θi在旋转平面上半部分时：当桨叶方位角θi在旋转平面下半部分时：
式中，记θ为第一个桨叶的实测方位角，θ1＝θ，θ2＝θ+120°，θ3＝θ+240°；r为叶素距叶根的距离；h为轮毂中心距地面高度；m＝1+α(α-1)R2/8h2，其中R为风轮半径；α为风切变系数；a为塔筒半径；x为风轮旋转平面距塔架轴线的距离。
6.根据权利要求4所述的一种周期性激励引起的传动链扭振控制系统，其特征是，在步骤C3中，当3、6倍频量的幅值在死区范围内，则结束此过程，相应的桨距角微调量为0。
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