CN108457797B - 一种抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，包含：S1、测量安装在塔架上的机舱的侧向振动加速度瞬时值；S2、对机舱的侧向振动加速度瞬时值进行预处理；S3、计算经预处理的侧向振动加速度瞬时值的频域信号，并通过频域信号的峰值幅度所对应的频率值，获取塔架侧向固有频率瞬时值；S4、对经预处理的侧向振动加速度瞬时值进行滤波处理，并通过积分反馈调节设计塔架侧向振动的阻尼环路，叠加至正常功率控制的转速‑转矩环路中，作为风力发电机组的控制信号，以抑制塔架侧向振动。本发明通过增加塔架侧向阻尼，减小塔架侧向振动，降低载荷；又通过振动加速度实时调节减振力度，保证良好的功率输出品质。

Description

一种抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制风力发电机组塔架振动的方法，具体是指抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法。
背景技术
风力发电机组塔架振动一直以来是研究者重点关注的问题。目前的研究大多集中在塔架前后方向上的减振与降载，这是由于在风资源良好的风场条件下，塔架顶部的轴向推力是塔架振动的主要来源，而其对应的塔架My疲劳载荷也是塔架设计时着重参考的因素。而对于塔架侧向振动以及相对应的塔架Mx疲劳载荷，则由于对塔架的影响相对较小，目前的研究也较少。
但是在实际工程应用中，在某些风况复杂、地形复杂、以及湍流度高的风场条件下，风力发电机塔架的侧向振动情况也将较为明显。尤其是在叶片结冰、故障等其他因素导致风轮不平衡增大的情况下，由塔架侧向振动产生的侧向载荷的增加也不容忽视。进一步，对于作为未来发展重点与热点的海上机组，由于受到风浪载荷的联合作用，与陆上机组相比，塔架侧向振动的情况就更为明显，导致塔架侧向载荷显著增加，在某些复杂情况下甚至占据风力发电机组塔架振动的主导地位。因此，对塔架侧向振动的研究也是十分必要的，其受重视的程度也会逐渐增加。
现有技术中，对塔架侧向振动问题的解决方案，多是根据塔顶/机舱侧向振动加速度，计算得到一个塔架侧向频率上的较小转矩补偿，并叠加到发电机用于正常功率控制的电磁转矩给定上，最终通过相位的调整来抑制塔架侧向振动。但是，该方法所采用的转矩补偿，会影响发电机转矩的平滑度，从而影响功率输出品质，因此需要考虑尽量减小其影响。另外，若塔架侧向频率发生偏移，那么该方法的控制效果会下降。
基于上述，本发明提出一种新型的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，以解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，通过增加塔架侧向阻尼，减小塔架侧向振动，降低载荷；又通过振动加速度实时调节减振力度，保证良好的功率输出品质。
为实现上述目的，本发明提供一种抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，包含以下步骤：
S1、测量安装在塔架上的机舱的侧向振动加速度瞬时值；
S2、对机舱的侧向振动加速度瞬时值进行预处理；
S3、计算经预处理的侧向振动加速度瞬时值的频域信号，并通过频域信号的峰值幅度所对应的频率值，获取塔架侧向固有频率瞬时值；
S4、对经预处理的侧向振动加速度瞬时值进行滤波处理，并通过积分反馈调节设计塔架侧向振动的阻尼环路，叠加至正常功率控制的转速-转矩环路中，作为风力发电机组的控制信号，以抑制塔架侧向振动。
所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、以经过塔架塔顶中心点且垂直机舱主轴的直线为中心线，并且沿机舱主轴线，在机舱上对称安装第一振动加速度传感器和第二振动加速度传感器；
S12、利用第一振动加速度传感器和第二振动加速度传感器分别测量得到机舱的侧向振动加速度瞬时值aA和aB。
所述的S2中，具体包含以下步骤：
S21、对机舱的侧向振动加速度瞬时值aA和aB进行修正处理，消除其中的直流分量和趋势项，获得修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’；
S22、对修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’进行加权计算，获得加权侧向振动加速度瞬时值ains；具体为：
ains＝fac1×aA’+fac2×aB’；
其中，fac1、fac2分别为修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’的权重系数。
所述的S3中，具体包含以下步骤：
S31、对加权侧向振动加速度瞬时值ains进行快速傅里叶变换处理，将时域信号ains变换为相应的频域信号；
S32、利用峰值检测器获取频域信号的峰值幅度所对应的频率值；
S33、对峰值检测器输出的频率值进行滤波处理，滤除塔架固有频率附近的噪声信号，得到塔架侧向固有频率瞬时值ftw。
所述的S33中，塔架固有频率附近的噪声信号包括：风轮转动频率信号、以及风轮转动频率的3倍频信号。
所述的S4中，具体包含以下步骤：
S41、选择塔架侧向固有频率瞬时值ftw作为带通滤波器的中心频率，对加权侧向振动加速度瞬时值ains进行带通滤波处理，获得塔架侧向固有频率对应的加速度ains,tw；
S42、对塔架侧向固有频率对应的加速度ains,tw进行加速度-转矩的积分反馈调节，设计增益调度的塔架侧向振动的阻尼环路，获得塔架侧向振动阻尼的积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]；
S43、将积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]叠加至用于正常功率控制的转速-转矩环路中进行转矩补偿，获得总电磁转矩给定Ttot，作为控制信号输出至风力发电机组。
所述的S42中，采用增益调度算法进行加速度-转矩的积分反馈调节，具体为：设定若干加速度值[a1，a2，…，an]，调节每个加速度值对应的积分增益，以在不同的输入激励下均获得符合要求的频率响应，进而获得积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]。
所述的S43中，正常功率控制的转速-转矩环路是指，将发电机转速作为输入，将转矩给定作为输出，进行反馈环路调节。
综上所述，本发明提供的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，通过增加塔架侧向阻尼，减小塔架侧向振动，降低载荷；又通过振动加速度实时调节减振力度，保证良好的功率输出品质，实现风机载荷抑制与功率输出两个整机控制目标的折中。
附图说明
图1为本发明的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合图1，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，为本发明提供的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，包含以下步骤：
S1、测量安装在塔架上的机舱的侧向振动加速度瞬时值；
S2、对机舱的侧向振动加速度瞬时值进行预处理；
S3、计算经预处理的侧向振动加速度瞬时值的频域信号，并通过频域信号的峰值幅度所对应的频率值，获取塔架侧向固有频率瞬时值；
S4、对经预处理的侧向振动加速度瞬时值进行滤波处理，并通过积分反馈调节设计塔架侧向振动的阻尼环路，叠加至正常功率控制的转速-转矩环路中，作为风力发电机组的控制信号，以抑制塔架侧向振动。
所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、以经过塔架塔顶中心点且垂直机舱主轴的直线为中心线，并且沿机舱主轴线，在机舱上对称安装第一振动加速度传感器A和第二振动加速度传感器B；
S12、利用第一振动加速度传感器A和第二振动加速度传感器B分别测量得到机舱的侧向振动加速度瞬时值aA和aB。
所述的S2中，具体包含以下步骤：
S21、对机舱的侧向振动加速度瞬时值aA和aB进行修正处理，消除其中的直流分量和趋势项，获得修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’；
S22、对修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’进行加权计算，获得加权侧向振动加速度瞬时值ains；具体为：
ains＝fac1×aA’+fac2×aB’；
其中，fac1、fac2分别为修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’的权重系数。
所述的S3中，具体包含以下步骤：
S31、对加权侧向振动加速度瞬时值ains进行快速傅里叶变换(FFT，Fast FourierTransformation)处理，将时域信号ains变换为相应的频域信号；
S32、利用峰值检测器获取频域信号的峰值幅度所对应的频率值；一般情况下，峰值检测器所采用的频率范围在塔架固有频率的附近，例如峰值检测器采用0.2Hz～0.5Hz的频率范围；
S33、对峰值检测器输出的频率值进行滤波处理，滤除塔架固有频率附近的噪声信号，得到塔架侧向固有频率瞬时值ftw。
所述的S33中，塔架固有频率附近的噪声信号包括：风轮转动频率信号(1P信号)、风轮转动频率的3倍频信号(3P信号)、以及其他影响塔架固有频率的信号。其中，所述的1P信号和3P信号可通过发电机转速信号计算得到。
所述的S4中，具体包含以下步骤：
S41、选择塔架侧向固有频率瞬时值ftw作为带通滤波器的中心频率，对加权侧向振动加速度瞬时值ains进行带通滤波处理，获得塔架侧向固有频率对应的加速度ains,tw；
S42、对塔架侧向固有频率对应的加速度ains,tw进行加速度-转矩的积分反馈调节，设计增益调度的塔架侧向振动的阻尼环路，降低塔架侧向固有频率瞬时值ftw处对应的频率响应，增加塔架侧向振动的阻尼，获得符合要求的塔架侧向振动阻尼的积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]，其中，n>0；
S43、将积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]叠加至用于正常功率控制的转速-转矩环路中，根据塔架侧向振动的阻尼环路的增益进行转矩补偿，获得总电磁转矩给定Ttot，作为控制信号输出至风力发电机组。
所述的S42中，采用增益调度算法进行加速度-转矩的积分反馈调节，具体为：设定若干加速度值[a1，a2，…，an]，调节每个加速度值对应的积分增益，以在不同的输入激励下均获得符合要求的频率响应，进而获得积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]。
所述的S43中，正常功率控制的转速-转矩环路是指，将发电机转速作为输入，将转矩给定作为输出，进行反馈环路调节。
综上所述，本发明提供的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，根据机舱的侧向振动加速度计算塔架侧向固有频率，实现频率的实时更新，保证侧向振动的阻尼效果；并根据实时加速度值，设计增益调度的塔架侧向振动的阻尼环路，进行积分反馈调节，即可增加塔架侧向阻尼，减小塔架侧向振动，降低塔架Mx疲劳载荷，又可根据振动加速度实时调节减振力度，通过对实时振动情况的判断尽量减小发电机电磁转矩波动，降低对功率输出品质的影响，实现风机载荷抑制与功率输出两个整机控制目标的折中。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、测量安装在塔架上的机舱的侧向振动加速度瞬时值；
S2、对机舱的侧向振动加速度瞬时值进行预处理，获得加权侧向振动加速度瞬时值；
S3、计算经预处理的侧向振动加速度瞬时值的频域信号，并通过频域信号的峰值幅度所对应的频率值，获取塔架侧向固有频率瞬时值；
S4、对经预处理的侧向振动加速度瞬时值进行滤波处理，并通过积分反馈调节设计塔架侧向振动的阻尼环路，叠加至正常功率控制的转速-转矩环路中，作为风力发电机组的控制信号，以抑制塔架侧向振动；
所述的S4中，具体包含以下步骤：
S41、选择塔架侧向固有频率瞬时值ftw作为带通滤波器的中心频率，对加权侧向振动加速度瞬时值ains进行带通滤波处理，获得塔架侧向固有频率对应的加速度ains,tw；
S42、对塔架侧向固有频率对应的加速度ains,tw进行加速度-转矩的积分反馈调节，设计增益调度的塔架侧向振动的阻尼环路，获得塔架侧向振动阻尼的积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]；
S43、将积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]叠加至用于正常功率控制的转速-转矩环路中进行转矩补偿，获得总电磁转矩给定Ttot，作为控制信号输出至风力发电机组。
2.如权利要求1所述的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其特征在于，所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、以经过塔架塔顶中心点且垂直机舱主轴的直线为中心线，并且沿机舱主轴线，在机舱上对称安装第一振动加速度传感器和第二振动加速度传感器；
S12、利用第一振动加速度传感器和第二振动加速度传感器分别测量得到机舱的侧向振动加速度瞬时值aA和aB。
3.如权利要求2所述的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其特征在于，所述的S2中，具体包含以下步骤：
S21、对机舱的侧向振动加速度瞬时值aA和aB进行修正处理，消除其中的直流分量和趋势项，获得修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’；
S22、对修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’进行加权计算，获得加权侧向振动加速度瞬时值ains；具体为：
ains＝fac1×aA’+fac2×aB’；
其中，fac1、fac2分别为修正后的侧向振动加速度瞬时值aA’、aB’的权重系数。
4.如权利要求3所述的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其特征在于，所述的S3中，具体包含以下步骤：
S31、对加权侧向振动加速度瞬时值ains进行快速傅里叶变换处理，将时域信号ains变换为相应的频域信号；
S32、利用峰值检测器获取频域信号的峰值幅度所对应的频率值；
S33、对峰值检测器输出的频率值进行滤波处理，滤除塔架固有频率附近的噪声信号，得到塔架侧向固有频率瞬时值ftw。
5.如权利要求4所述的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其特征在于，所述的S33中，塔架固有频率附近的噪声信号包括：风轮转动频率信号、以及风轮转动频率的3倍频信号。
6.如权利要求4所述的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其特征在于，所述的S42中，采用增益调度算法进行加速度-转矩的积分反馈调节，具体为：设定若干加速度值[a1，a2，…，an]，调节每个加速度值对应的积分增益，以在不同的输入激励下均获得符合要求的频率响应，进而获得积分增益组[Ki,SS,1，Ki,SS,2，…，Ki,SS,n]。
7.如权利要求4所述的抑制风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其特征在于，所述的S43中，正常功率控制的转速-转矩环路是指，将发电机转速作为输入，将转矩给定作为输出，进行反馈环路调节。
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