CN107762730B - 一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统及控制方法，带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统包括：带有尾缘襟翼的风力机叶片、传感器模块、转矩观测器和控制系统；带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的控制方法包括以下步骤：步骤一：进行带有尾缘襟翼的大型变桨风力机实验测试及系统模型辨识，其步长为μ；步骤二：控制带有尾缘襟翼结构的风力机叶片的桨距；步骤三：控制带有尾缘襟翼结构的风力机叶片的襟翼；步骤四：根据步骤三可得针对叶轮转矩及叶根疲劳载荷的即时控制量，分别为襟翼角输入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)，其被控量分别为转矩观测器得到的估计转矩与对应叶片1、叶片2、叶片3的应变传感器信号值。根据襟翼角输入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)及相应优化指标可得叶片1、叶片2、叶片3的三襟翼角控制量

Description

一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及大型变桨风力机控制系统及控制方法。

背景技术

随着化石能源的逐渐短缺与科学技术的不断进步，风能资源作为一种有巨大发展潜力的可再生能源，越来越受到人们的重视。随着风能利用技术的不断进步，全球风电行业不断发展，而这其中又以我国的风电发展速度最为迅速。如今，风力机的大型化已经成为了风能行业未来发展的主要趋势。

在风力机运行过程中风力机叶片会遇到许多负载影响因素，其来源主要有湍流风、塔影效应、风剪切及偏航偏差等。而且，风力机叶轮转矩也会因为这些负载影响因素产生波动，从而导致功率波动。在这些负载因素影响下，风力机叶片还会因其柔性产生大幅度的随机振动，导致风力机产生较大的疲劳载荷。这些随机振动严重影响风力机叶片的使用寿命，而且其对于风力机塔架、轮毂等结构也产生了载荷作用，同时减少了其他组件的使用寿命，使得风力机度电成本急剧提升。而且，传统变桨控制系统对于风力机功率快速波动及风力机载荷快速变化均难以起到很好的控制效果。

因此希望有一种大型变桨风力机控制系统及控制方法可以克服或至少减轻现有技术中风力机的疲劳载荷并控制风力机功率的波动问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的控制方法能够抑制风力机的疲劳载荷并控制风力机功率波动。

本发明提供一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的控制方法，所述带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统包括：带有尾缘襟翼的风力机叶片、传感器模块、转矩观测器和控制系统；

带有尾缘襟翼的风力机叶片包括：腹板、3个变襟翼电机、3个主动轴、3个从动轴、3个传动带、3个尾缘襟翼和3个变桨距电机；

传感器模块包括：3个分别安装在所述大型变桨风力机三个叶片根部的迎风侧的应变传感器和6个安装在所述大型变桨风力机三个叶片的中部及叶尖处的热风式风速传感器；应变传感器与第一低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接，用于检测带有尾缘襟翼的风力机叶片根部的应变信号；热风式风速传感器与第二低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接，用于估算风轮平面的风速；

控制系统包括：电磁屏蔽机柜、A/D模数转换器、D/A数模转换器、嵌入式系统、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第五低通滤波器、RS485接口和上位机；嵌入式系统通过RS485接口与上位机相连，用于监控控制系统的运行情况、接受上位机命令并且控制系统内组件之间的信号传输；电磁屏蔽机柜安装于控制系统外部，用于屏蔽控制系统外部的电磁干扰；

带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：进行带有尾缘襟翼的大型变桨风力机实验测试及系统模型辨识，其步长为μ；

步骤二：控制带有尾缘襟翼结构的风力机叶片的桨距；

步骤三：控制带有尾缘襟翼结构的风力机叶片的襟翼；

步骤四：根据步骤三可得针对叶轮转矩及叶根疲劳载荷的即时控制量，分别为襟翼角输入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)，其被控量分别为转矩观测器得到的估计转矩与对应叶片1、叶片2、叶片3的应变传感器信号值，根据襟翼角输入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)及相应优化指标可得叶片1、叶片2、叶片3的三襟翼角控制量u₁(k),u₂(k),u₃(k)。

优选地，所述步骤一中包括：

(1)在襟翼角为0°的情况下，通过实验测试确定桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，风力机输出额定功率时的风速大小，记为v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，下标0,1,...,20表示桨距角的大小；

(2)在桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，采用与桨距角相对应的风速v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，三襟翼角采用同一输入信号控制，将襟翼角的控制信号与叶轮转矩信号作为输入输出，分别使用系统辨识方法得到低阶状态空间模型集SS₁＝{SS_1,0°,SS_1,1°,...,SS_1,20°}；转矩观测器用来获得叶轮转矩的估计值，转矩观测器与第三低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接；

(3)在桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，采用与桨距角相对应的风速v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，将单襟翼角的变化量与其相对应的应变传感器信号作为输入输出信号，使用系统辨识方法得到低阶状态空间模型集SS₂＝{SS_2,0°,SS_2,1°,...,SS_2,20°}，其他两个襟翼角与对应应变传感器的输入输出低阶状态空间模型集可使用该低阶状态空间模型集SS₂。

优选地，所述步骤二中包括：

(1)使用以下方式进行模糊控制器设计：

i在襟翼角为0°的情况下，以风速v作为输入量，桨距角α作为输出量，将输入量根据模糊关系进行分类，得到隶属度函数和模糊规则；

ii以估计风速v'作为模糊控制器的输入变量，选择隶属度函数进行模糊化，再根据模糊规则进行反模糊化，即可得到桨距角逻辑控制量α'_v；

(2)在风力机实际运行过程中，估计风速v'为其中，分别为六个热风式风速传感器的测量值；将估计风速v'作为模糊控制器输入变量，得到桨距角逻辑输出量α'_v，为防止桨距角频繁变动，将桨距角逻辑控制量α'_v进行四舍五入取整，即可确定桨距角实际控制量α_v。

优选地，所述步骤三中包括：

(1)单输入单输出系统的状态空间方程为：

其中，A为系数矩阵，b为控制向量，c^T为输出向量，x(k)为状态变量，u(k)为输入量，y(k)为输出量，状态空间模型为状态空间模型集SS₁,SS₂中的状态空间模型，可根据桨距角实际控制量a_v选择；k时刻起，系统在M步系统输入U(k)＝[u(k),...,u(k+M-1)]^T作用下未来P个时刻的系统输出为：

Y(k)＝F_yx(k)+G_yU(k)

其中：

(2)k时刻起，为使系统在M步系统输入u(k),...,u(k+M-1)作用下未来P时刻的输出预测值y(k+i)接近给定期望值w(k+i),i＝1,…,P，同时抑制控制输入剧烈变化，其性能指标为：

其中，W(k)＝[w(k+1),…,w(k+P)]^T为输出期望值，Q_y,R_y是适当维数的输出和控制加权矩阵，||...||₂为矩阵的2-范数；其最优解的解析表达式为：

即时控制量为

其中，为中间变量，其表达式为

(3)得到即时控制量后，将即时控制量输出，进行下一步骤的计算。

优选地，所述步骤四中包括：

(1)系统的未来输出变化为：

其中，将u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)代入，可得系统的未来输出变化Y₁(k),Y₂₁(k),Y₂₂(k),Y₂₃(k)，归一化后得到输出变化向量

(2)控制量变化的优化指标为

其中，代表归一化后的给定值向量；下标i指代风力机叶片标号，i＝1,2,3；Q_1i,Q_2i分别表示叶轮转矩控制与叶根疲劳载荷控制的合适维数的权值矩阵；||...||₂为矩阵的2-范数；通过使优化指标最小的方式，即可得到风力机三叶片的襟翼角控制量u₁(k),u₂(k),u₃(k)，作为控制量对叶轮转矩及叶根疲劳载荷进行控制；

(3)若风力机未达到稳定状态，则跳转至步骤二中进行下一步长的控制计算；若风力机达到稳定状态，则结束控制循环。

本发明公开了一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统及控制方法，相对于大型风力机独立变桨系统，本系统具有快速抑制叶轮转矩波动和减小叶根疲劳载荷的能力，其采用模糊控制器对变桨距电机进行控制，为防止变桨距电机频繁动作，对控制器输出的叶片桨距角进行了四舍五入取整，减少了叶片桨距角变化频率，可以增加叶片使用寿命。在此基础上，采用尾缘襟翼结构来控制叶轮转矩及叶根疲劳载荷，因尾缘襟翼变化速率快的优势其能更好的应对叶轮转矩波动及减小叶根疲劳载荷。本发明增加了风力机叶片的使用寿命，优化了叶片的气弹特性，抑制了叶根疲劳载荷波动，且能够有效地控制叶轮转矩的波动。

附图说明

图1是带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的结构框图；

图2是带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的叶轮结构示意图；

图3是带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的工作流程图；

图4是带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制方法中转矩、尾缘襟翼控制器及应变传感器和尾缘襟翼控制器之间的控制流程图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，所述控制系统包括带有尾缘襟翼结构的风力机叶片，传感器模块、转矩观测器和控制系统。所述带有尾缘襟翼的风力机叶片包括三个变襟翼电机及三个变桨距电机，所述传感器模块包括三个应变传感器模块及六个热风式风速传感器模块，所述控制系统包括电磁屏蔽机柜、A/D模数转换器、D/A数模转换器、嵌入式系统、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第五低通滤波器、RS485接口及上位机；

其中，所述三个应变传感器与第一低通滤波器、A/D模数转换器、嵌入式系统顺次连接，用于检测带有尾缘襟翼结构的风力机叶片根部的应变信号；所述六个热风式风速传感器与第二低通滤波器、A/D模数转换器、嵌入式系统顺次连接，用于估计风轮平面的大概风速；所述转矩观测器用来获得叶轮转矩的估计值，其与第三低通滤波器、A/D模数转换器、嵌入式系统顺次相连；所述低通滤波器用于滤除信号中带有的高频干扰信号，所述A/D模数转换器用于将模拟信号转换成数字信号；

所述嵌入式系统与D/A数模转换器、第四低通滤波器、三个变襟翼电机顺次相连；所述嵌入式系统与D/A数模转换器，第五低通滤波器、三个变桨距电机顺次相连；所述D/A数模转换器用于将数字信号转换成模拟信号；所述低通滤波器用于滤掉信号的高频干扰；所述变襟翼电机根据控制信号不同来变化襟翼摆角；所述变桨距电机根据控制信号不同来变化叶片桨距角；

所述电磁屏蔽机柜安装于控制系统外部，用于屏蔽控制系统外部的电磁干扰；所述嵌入式系统通过RS485接口与上位机相连；所述嵌入式系统用于监控控制系统的运行情况、接受上位机命令及各控制系统内组件之间的信号传递。所述转矩观测器用于估计叶轮转矩。所述六个热风式风速传感器估计得的平均风速对应三个变桨距电机。

如图2所示，第一应变传感器31、第二应变传感器32和第三应变传感器33分别安装在大型变桨风力机三个叶片根部的迎风侧，分别对应第一变襟翼电机21、第二变襟翼电机22和第三变襟翼电机23；第一变桨距电机41、第二变桨距电机42和第三变桨距电机43分别安装在大型变桨风力机三个叶片的根部；第一热风式风速传感器11、第二热风式风速传感器12、第三热风式风速传感器13、第四热风式风速传感器14、第五热风式风速传感器15和第六热风式风速传感器16分别安装在大型变桨风力机三个叶片的中部及叶尖处；第二变襟翼电机22安装在风力机叶片的腹板上，与主动轴81、传动带91、从动轴71和尾缘襟翼顺次相接，第二变襟翼电机22带动尾缘襟翼动作；所述转矩观测器51安装在大型变桨风力机轮毂内。

图3是本发明提供的一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统及控制方法的控制流程图：图3中，本发明的系统工作流程如下：

步骤301：控制系统初始化，确定步长为μ；

步骤302：读出风速传感器数据，估计当前风速；

步骤303：根据估计风速使用桨距模糊控制器计算桨距角，为防止变桨距电机频繁动作，进行四舍五入取整；

步骤304：桨距电机根据控制器信号进行动作；此外，根据桨距角信号不同，选择不同的转矩观测器-尾缘襟翼状态空间模型及应变传感器-尾缘襟翼状态空间模型；

步骤305：读取转矩观测器信号及应变传感器信号；

步骤306：转矩观测器-尾缘襟翼控制器及应变传感器-尾缘襟翼控制器分别根据转矩观测器信号、应变传感器信号的给定值与实际值之间的偏差计算控制量；

步骤307：优化计算，根据给定优化目标，得出襟翼角实际控制量；

步骤308：将襟翼角实际控制量输出至变襟翼电机，使变襟翼电机动作；

步骤309：控制是否收敛，如收敛，则结束控制流程，如未收敛，则返回步骤302再次进行控制流程；

图4是本发明提供的一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统及控制方法中转矩观测器-尾缘襟翼控制器及应变传感器-尾缘襟翼控制器控制流程图。控制器控制流程中，被控量即为系统输出量，控制量即为系统输入量。襟翼角控制量的控制流程如下：

步骤401：采集被控量y(k)；

步骤402：计算得出偏差量e(k)＝w(k)-y(k)，其中，w(k)为给定值；

步骤403：根据现有状态空间模型及优化目标得出系统的即时控制量u(k)；其中，y'(k)为被控量预测值；||...||₂为矩阵的2-范数；W(k)＝[w(k+1),…,w(k+P)]^T为输出期望值；Y'(k)＝[y'(k+1),...,y'(k+P)]^T为被控量预测值；U(k)＝[u(k),...,u(k+M-1)]^T为控制量；P,M分别为预测步长、控制步长；Q_y,R_y是适当维数的输出和控制加权矩阵；A为系数矩阵，b为控制向量，c^T为输出向量；

步骤404：将即时控制量u(k)输出；

步骤405：若收到控制终止信号，则控制循环终止；若未收到控制终止信号，则返回步骤401，继续进行控制流程。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的控制方法，其特征在于，所述带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统包括：带有尾缘襟翼的风力机叶片、传感器模块、转矩观测器和控制系统；

带有尾缘襟翼的风力机叶片包括：腹板、3个变襟翼电机、3个主动轴、3个从动轴、3个传动带、3个尾缘襟翼和3个变桨距电机；

传感器模块包括：3个分别安装在所述大型变桨风力机三个叶片根部的迎风侧的应变传感器和6个安装在所述大型变桨风力机三个叶片的中部及叶尖处的热风式风速传感器；应变传感器与第一低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接，用于检测带有尾缘襟翼的风力机叶片根部的应变信号；热风式风速传感器与第二低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接，用于估算风轮平面的风速；

控制系统包括：电磁屏蔽机柜、A/D模数转换器、D/A数模转换器、嵌入式系统、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第五低通滤波器、RS485接口和上位机；嵌入式系统通过RS485接口与上位机相连，用于监控控制系统的运行情况、接受上位机命令并且控制系统内组件之间的信号传输；电磁屏蔽机柜安装于控制系统外部，用于屏蔽控制系统外部的电磁干扰；

所述带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：进行带有尾缘襟翼的大型变桨风力机实验测试及系统模型辨识，其步长为μ；

步骤二：控制带有尾缘襟翼结构的风力机叶片的桨距；

步骤三：控制带有尾缘襟翼结构的风力机叶片的襟翼；

步骤四：根据步骤三可得针对叶轮转矩及叶根疲劳载荷的即时控制量，分别为襟翼角输入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)，其被控量分别为转矩观测器得到的估计转矩与对应叶片1、叶片2、叶片3的应变传感器信号值，根据襟翼角输入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)及相应优化指标可得叶片1、叶片2、叶片3的三襟翼角控制量u₁(k),u₂(k),u₃(k)；

所述步骤一中包括：

(1)在襟翼角为0°的情况下，通过实验测试确定桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，风力机输出额定功率时的风速大小，记为v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，下标0,1,...,20表示桨距角的大小；

(2)在桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，采用与桨距角相对应的风速v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，三襟翼角采用同一输入信号控制，将襟翼角的控制信号与叶轮转矩信号作为输入输出，分别使用系统辨识方法得到低阶状态空间模型集SS₁＝{SS_1,0°,SS_1,1°,...,SS_1,20°}；转矩观测器用来获得叶轮转矩的估计值，转矩观测器与第三低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接；

(3)在桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，采用与桨距角相对应的风速v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，将单襟翼角的变化量与其相对应的应变传感器信号作为输入输出信号，使用系统辨识方法得到低阶状态空间模型集SS₂＝{SS_2,0°,SS_2,1°,...,SS_2,20°}，其他两个襟翼角与对应应变传感器的输入输出低阶状态空间模型集可使用该低阶状态空间模型集SS₂；

所述步骤二中包括：

(1)使用以下方式进行模糊控制器设计：

i在襟翼角为0°的情况下，以风速v作为输入量，桨距角α作为输出量，将输入量根据模糊关系进行分类，得到隶属度函数和模糊规则；

ii以估计风速v'作为模糊控制器的输入变量，选择隶属度函数进行模糊化，再根据模糊规则进行反模糊化，即可得到桨距角逻辑控制量α'_v；

(2)在风力机实际运行过程中，估计风速v'为其中，分别为六个热风式风速传感器的测量值；将估计风速v'作为模糊控制器输入变量，得到桨距角逻辑输出量α'_v，为防止桨距角频繁变动，将桨距角逻辑控制量α'_v进行四舍五入取整，即可确定桨距角实际控制量α_v；

所述步骤三中包括：

(1)单输入单输出系统的状态空间方程为：

其中，A为系数矩阵，b为控制向量，c^T为输出向量，x(k)为状态变量，u(k)为输入量，y(k)为输出量，状态空间模型为状态空间模型集SS₁,SS₂中的状态空间模型，可根据桨距角实际控制量a_v选择；k时刻起，系统在M步系统输入U(k)＝[u(k),...,u(k+M-1)]^T作用下未来P个时刻的系统输出为：

Y(k)＝F_yx(k)+G_yU(k)

其中：

(2)k时刻起，为使系统在M步系统输入u(k),...,u(k+M-1)作用下未来P时刻的输出预测值y(k+i)接近给定期望值w(k+i),i＝1,…,P，同时抑制控制输入剧烈变化，其性能指标为：

其中，W(k)＝[w(k+1),…,w(k+P)]^T为输出期望值，Q_y,R_y是适当维数的输出和控制加权矩阵，||...||₂为矩阵的2-范数；其最优解的解析表达式为：

即时控制量为

其中，为中间变量，其表达式为

(3)得到即时控制量后，将即时控制量输出，进行下一步骤的计算；

所述步骤四中包括：

(1)系统的未来输出变化为：

其中，将u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)代入，可得系统的未来输出变化Y₁(k),Y₂₁(k),Y₂₂(k),Y₂₃(k)，归一化后得到输出变化向量

(2)控制量变化的优化指标为

其中，代表归一化后的给定值向量；下标i指代风力机叶片标号，i＝1,2,3；Q_1i,Q_2i分别表示叶轮转矩控制与叶根疲劳载荷控制的合适维数的权值矩阵；||...||₂为矩阵的2-范数；通过使优化指标最小的方式，即可得到风力机三叶片的襟翼角控制量u₁(k),u₂(k),u₃(k)，作为控制量对叶轮转矩及叶根疲劳载荷进行控制；

(3)若风力机未达到稳定状态，则跳转至步骤二中进行下一步长的控制计算；若风力机达到稳定状态，则结束控制循环。