CN109812382B - 一种风电机组塔架振动控制方法及系统 - Google Patents

一种风电机组塔架振动控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风电机组塔架振动控制方法及系统。本发明要解决的技术问题是现有的测量塔顶机舱单一方向的振动加速度会导致测量精度不准，塔架的振动控制效果不好。本发明通过对塔顶水平面内任意方向的加速度或速度进行矢量合，或测量并计算以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心的球面半径方向的振动加速度，并利用带通滤波器对合加速度或合速度进行一阶与二阶滤波，得到基于风机塔顶振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值，再将其与基于风机发电机转速的变桨控制振动输入值进行矢量相加，最终利用上述两方面的振动输入值控制风机的变桨速率，以达到精确测量并降低塔顶机舱在其所受合力方向的一阶和/或二阶固有频率振幅的效果。

Description

一种风电机组塔架振动控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种风电机组塔架振动控制方法及系统，尤其涉及一 种水平轴风电机组塔架振动控制方法及系统。
背景技术
风力发电是一种绿色、清洁、环保的能源利用方式，在海上以及 陆地上自然风较大的地区通过安装风力发电装置可以充分利用该地 区的自然能源，将其转化为电能，从而创造巨大的经济利益。
然而，随着目前风电机组的风轮直径越来越大，塔架高度也越来 越高，机组共振发生的概率也越来越大，发生共振的主要原因一方面 在于湍流、塔影、风切变以及风机载荷等指标的变化使得风电机组的 塔架和机舱产生振动，另一方面在风机的变桨控制中由于载荷转矩的 变化而易导致塔架和机舱内部的传动系统的振动。比如对于定桨恒速 风电机组，塔架的振动直接受到风载影响，对塔架的振动通常采用加 设振动超限保护开关；而对于变速恒频风电机组，除了风载以外，当 风轮转速变化，风轮旋转频率接近塔架一阶固有频率时会导致瞬间共 振，此时则通过对变桨系统的控制调节来调节塔架振动的动态阻尼， 从而起到减振的作用。
现有技术中很多均采用降低刚度和频率，从而使得塔架柔性增 加，这样使得塔架/机舱的固有频率与激振频率交叉发生共振的概率 降低，但这样也降低了风电机组系统的结构强度，导致其使用寿命大 大降低。现有的风电机组塔架振动控制方法对变桨要求较高，不管是 通过测量塔顶的某一方向的振动加速度还是振动速度值，其均会出现 变桨轴承以及相应的传动机构的损耗严重的问题，同时测量精度也不 准确，忽视了其它方向的振动因素，因而导致实际的振动控制效果较 差。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明为了克服现有的仅测量塔顶机舱单一方向的振动加速度 而导致的测量精度不准，塔架的振动控制效果不好的问题。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种风电机组塔架振 动控制方法，包括如下的步骤：
1)同时测量风机塔顶机舱轴向和径向方向的振动加速度，并清 除上述两个方向的振动加速度的数据干扰信号；并对上述清差后的振 动加速度进行积分，以分别得到塔顶上述两个方向的振动速度；
2)计算上述两个方向的振动速度的矢量合，以得到塔顶振动合 速度；
3)利用带通滤波器对该振动合速度进行带通滤波，以提取出在 塔顶的所述振动合速度方向的一阶固有频率信号，然后利用二阶滤波 器对上述带通滤波器的滤波结果进行二阶滤波，以得到基于风机塔顶 振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
4)测量发电机转速以得到发电机转速的测量值，并将该测量值 与发电机转速的设定值进行比较，再对该比较结果进行比例积分运 算，得到基于风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输 入值；
5)将上述基于风机塔顶振动加速度的变桨控制振动输入值和上 述基于风机发电机转速的变桨控制振动输入值进行矢量相加，利用该 矢量相加值用于控制风机的变桨速率，以降低风机塔架在其所受合力 方向的一阶和/或二阶固有频率振动幅度。
优选地，所述振动合速度的方向位于塔顶的水平面上；或者所述 振动合速度的方向为以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心的球 面半径方向，此时所述振动加速度或振动速度方向不限于塔顶机舱水 平面内的轴向或径向方向。
优选地，测量所述振动加速度的加速度传感器安装于机舱内的塔 顶与机舱的连接位置处，并且沿塔架的圆周方向/球面方向均布数个 加速度传感器用于测量所述振动加速度。
优选地，所述带通滤波器的传递函数为：
Figure GDA0002027357420000031
Figure GDA0002027357420000032
其中，
Figure GDA0002027357420000033
表示角速度，ζ表示阻尼系数，s表示复变量。
此外，本发明还提供了另外一种风电机组塔架振动控制方法，包 括如下的步骤：
1)同时测量风机塔顶机舱轴向和径向方向的振动加速度，并清 除上述两个方向的振动加速度的数据干扰信号，再对上述清差后的上 述两个方向的振动加速度计算矢量合，以得到塔顶振动合加速度；
2)对上述振动合加速度进行积分，以得到塔顶振动合速度；
3)利用带通滤波器对该振动合速度进行带通滤波，以提取出在 塔顶的所述振动合速度方向的一阶固有频率信号，然后利用二阶滤波 器对上述带通滤波器的滤波结果进行二阶滤波，以得到基于风机塔顶 振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
4)测量发电机转速以得到发电机转速的测量值，并将该测量值 与发电机转速的设定值进行比较，再对该比较结果进行比例积分运 算，得到基于风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输 入值；
5)将上述基于风机塔顶振动加速度的变桨控制振动输入值和上 述基于风机发电机转速的变桨控制振动输入值进行矢量相加，利用该 矢量相加值用于控制风机的变桨速率，以降低风机塔架在其所受合力 方向的一阶和/或二阶固有频率振动幅度。
优选地，所述振动合加速度的方向位于塔顶的水平面上；或者所 述振动合加速度的方向为以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心 的球面半径方向，此时以该球心为中心，设定距离为半径的球面上均 匀安装多个加速度传感器，以测得预定位置的加速度值，并对各个所 述加速度值进行矢量相加以得到合加速度。
优选地，测量所述振动加速度的加速度传感器安装于机舱内的塔 顶与机舱的连接位置处，并且沿塔架的圆周方向/球面方向均布数个 加速度传感器用于测量所述振动加速度。
优选地，所述带通滤波器的传递函数为：
Figure GDA0002027357420000051
Figure GDA0002027357420000052
其中，
Figure GDA0002027357420000053
表示角速度，ζ表示阻尼系数，s表示复变量。
同时，本发明还提供一种风电机组塔架振动控制系统，其包括：
加速度测量模块，用于同时测量风机塔顶机舱轴向和径向方向的 振动加速度；
误差校正模块，用于清除上述两个方向的振动加速度的数据干扰 信号；
加速度积分模块，用于对该振动加速度进行积分，以分别得到塔 顶轴向和径向方向的振动速度；
矢量计算模块，用于计算上述两个方向的振动速度的矢量合，以 得到塔顶振动合速度；
频率提取模块，用于利用带通滤波器对该振动合速度进行带通滤 波，以提取出在塔顶的所述振动合速度方向的一阶固有频率信号，然 后利用二阶滤波器对上述带通滤波器的滤波结果进行二阶滤波，以得 到基于风机塔顶振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输 入值；
转速测量模块，用于测量发电机转速以得到发电机转速的测量 值；
比较模块，用于将该测量值与发电机转速的设定值进行比较；
比例积分模块，用于对该比较结果进行比例积分运算，得到基于 风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
矢量相加模块，用于将上述基于风机塔顶振动加速度的控制叶片 变桨速率的变桨控制振动输入值和上述基于风机发电机转速的控制 叶片变桨速率的变桨控制振动输入值进行矢量相加，利用该矢量相加 值用于控制风机的变桨速率，以降低风机塔架在其所受合力方向的一 阶和/或二阶固有频率振动幅度。
优选地，所述振动合加速度的方向位于塔顶的水平面上；或者所 述振动合加速度的方向为以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心 的球面半径方向，此时以该球心为中心，设定距离为半径的球面上均 匀安装多个加速度传感器，以测得预定位置的加速度值，并对各个所 述加速度值进行矢量相加以得到合加速度。
具体的，由于当叶片桨距角为0度时，其风能利用率最大，但由 于环境条件的改变、尤其是风速、风向的变化会导致发电机超出其额 定转速进而超出其额定功率，因而需要对叶片进行变桨操作，当变桨 时的桨距角达到90度时，此时叶片静止，风机顺桨停机。可见，通过 改变叶片的桨距角，当风速低于额定风速时追踪最大风速以最大限度 吸收风能，而当风速高于额定风速时，则通过调整叶片桨距角来改变 气流对桨叶的作用，从而保持发电机功率恒定。本发明将塔顶机舱处 的振动因子作为叶片变桨控制的输入值，基于实时振动加速度信号来 控制变桨速率以及变桨角度，从而在保证发电机功率恒定的同时也反 馈于其振动参数，最终降低了振动幅值，也提高了振动测量精度。
(3)有益效果
与现有技术相比，本发明主要具有如下技术效果：
A:通过传感器测量二维平面内的多方向或者三维方向上的塔顶 机舱加速度或速度值，并对其进行矢量相加，将该相加值输入至滤波 器中，从而避免了仅测量塔顶机舱单一方向(例如轴向或径向方向) 的振动加速度/速度而导致的测量精度不准的问题。
B:采用基于风机塔顶振动加速度的变桨控制振动输入值和基于 风机发电机转速的变桨控制振动输入值进行矢量相加，利用该相加值 来控制风机的变桨速率，充分降低风机塔架在其所受合力方向的一阶 和/或二阶固有频率的振动幅度。
附图说明
图1为本发明实施例一的塔架机舱位置的加速度传感器分布示 意图。
图2为本发明实施例二的塔架机舱位置的加速度传感器分布示 意图。
图3为风速随时间的变化示意图。
图4为径向方向振动加速度随时间变化图。
图5为轴向方向振动加速度随时间变化图。
图6为振动合加速度随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种风电机组塔架振动控制方法，其中，振动加速度的单位为 m/s2，速度的单位为m/s，可以用于衡量塔顶机舱位置的振动幅值等 信息，当风电机组处于静止状态时，其振动加速度与振动速度值近似 为0。
本发明的振动控制方法具体包括如下的步骤：
1)利用安装于塔顶与机舱连接位置处的数个加速度传感器来同 时测量风机塔顶机舱轴向方向和径向方向的振动加速度，上述加速度 传感器的数量大于等于2，并位于塔顶沿塔架外周面的圆周方向上； 再清除上述两个方向的振动加速度的数据干扰信号；并对上述清差后 的振动加速度进行积分，以分别得到塔顶上述两个方向的振动速度； 如下所示为振动加速度和振动速度之间的数学关系：
v＝∫a (3)
其中，v代表塔顶机舱轴向或径向方向的速度，其单位为m/s，a 代表塔顶机舱轴向或径向方向的加速度，其单位为m/s2。
2)计算上述两个方向的振动速度的矢量合，以得到塔顶振动合 速度；如下所示为轴向、径向方向与合方向的振动速度之间的数学关 系：
Figure GDA0002027357420000081
其中，
Figure GDA0002027357420000082
代表振动速度矢量合，
Figure GDA0002027357420000083
与
Figure GDA0002027357420000084
分别代表塔顶机舱轴向、 径向方向的振动速度值。
3)利用带通滤波器对该振动合速度进行带通滤波，以提取出在 塔顶的所述振动合速度方向的一阶固有频率信号，然后利用二阶滤波 器对上述带通滤波器的滤波结果进行二阶滤波，以得到基于风机塔顶 振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；所述二阶滤 波后的振动输入值为：
Figure GDA0002027357420000091
式中，ω0为滤波器的特征角频率，Aup为通带增益为，Q为品质 因数，s为复变量；
4)测量发电机转速以得到发电机转速的测量值，并将该测量值 与发电机转速的设定值进行比较，再对该比较结果进行比例积分运 算，得到基于风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输 入值；所述变桨控制振动输入值为：
Ar＝∫|Vreal-Vprep|·C·f (6)
式中，Vreal为发电机转速测量值，Vprep为发电机转速设定值，C为 比例因子，f为比例调整系数，为常数；
5)将上述基于风机塔顶振动加速度的变桨控制振动输入值和上 述基于风机发电机转速的变桨控制振动输入值进行矢量相加，如下式 所示：
Figure GDA0002027357420000092
利用将该矢量相加值
Figure GDA0002027357420000093
输入至风机控制系统中用于控制风机的 变桨速率，如下式所示为变桨速率随矢量相加值
Figure GDA0002027357420000094
的函数关系：
Figure GDA0002027357420000095
其中，M为单叶片质量；Cv_pitch为变桨速率校验参数，其取决于变 桨角度，即
Figure GDA0002027357420000096
其中，P为变桨角度，t为时间。
特别地，所述振动合速度的方向位于塔顶的水平面上；或者所述 振动合加速度的方向为以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心的 球面半径方向，此时以该球心为中心，设定距离为半径的球面上均匀 安装多个加速度传感器，以测得预定位置的加速度值，并对各个所述 加速度值进行矢量相加以得到合加速度。
本发明的一种风电机组塔架振动控制系统，其包括：
加速度测量模块，用于同时测量风机塔顶机舱轴向和径向方向的 振动加速度；
误差校正模块，用于清除上述两个方向的振动加速度的数据干扰 信号；
加速度积分模块，用于对该振动加速度进行积分，以分别得到塔 顶轴向和径向方向的振动速度；
矢量计算模块，用于计算上述两个方向的振动速度的矢量合，以 得到塔顶振动合速度；
频率提取模块，用于利用带通滤波器对该振动合速度进行带通滤 波，以提取出在塔顶的所述振动合速度方向的一阶固有频率信号，然 后利用二阶滤波器对上述带通滤波器的滤波结果进行二阶滤波，以得 到基于风机塔顶振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输 入值；
转速测量模块，用于测量发电机转速以得到发电机转速的测量 值；
比较模块，用于将该测量值与发电机转速的设定值进行比较；
比例积分模块，用于对该比较结果进行比例积分运算，得到基于 风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
矢量相加模块，用于将上述基于风机塔顶振动加速度的控制叶片 变桨速率的变桨控制振动输入值和上述基于风机发电机转速的控制 叶片变桨速率的变桨控制振动输入值进行矢量相加，利用该矢量相加 值用于控制风机的变桨速率，以降低风机塔架在其所受合力方向的一 阶和/或二阶固有频率振动幅度。
关于二阶滤波，其采用两个电容、两个或三个运算跨导放大器以 构成二阶滤波器，引入二阶滤波器的主要作用在于增加变桨速率在机 舱轴向和径向方向的速度开环控制，以及改善在发电机转速-变桨速 率闭环控制中的控制性能。经二阶滤波后的振动输入值为风机叶片变 桨控制振动输入值，具体的，令滤波器的特征角频率为ω0，通带增 益为Aup，品质因数为Q，复变量为s，其二阶带通滤波器传递函数的表 达式为：
Figure GDA0002027357420000111
如图1、2分别为两种情况的加速度传感器安装位置示意图。图1限定了在塔架与机舱连接位置处的水平面内，所示加速度传感器的安装位置，如图中，左右两个加速度传感器分别测量轴向方向加速度，另外两个加速度传感器则分别测量径向方向的加速度值；图2则限定了以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心的球面半径方向上安装所述加速度传感器，其水平方向的构造线为轴线方向，其竖直方向的构造线为塔架的竖直轴线方向，另外的与水平方向的轴线约呈45度倾角的构造线为径向方向。
图3所示为风速风向仪测得的风速随时间的变化示意图，其纵坐 标为风速(单位为m/s)，横坐标为时间(单位为10s)，可见，在300s 范围内的风速大致在15-25m/s区间内波动，其波动周期及幅度无规律 可循。
如图4、5所示分别为径向、轴向方向振动加速度随时间变化图， 也就是在机舱塔顶水平面内，在机头出厂设置的静止状态时，分别沿 机头径向方向和机头轴线方向的振动加速度随时间的变化情况。图 中，纵坐标为振动加速度值(单位为m/s2)，横坐标为时间(单位为s)。 由图可见，在300s的时间范围内，上述两个方向的振动幅度基于平衡 位置始终在一个大致的区间内波动，对其进行矢量相加后的合加速度 振动情况则见附图6，由图可见，经矢量相加后的波动振幅基本与附 图4或附图5的波动振幅相似，其最大振幅略小于单一方向的最大振 幅，可见，将两个单一方向的振动幅值矢量相加有助于更真实、客观 反映测量点的实际振动情况，对塔架机舱连接位置的振动分析更精 确，其矢量相加后的最大振幅基本小于矢量相加前的单一方向的所测 得的振幅。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和 详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的 是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。 因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种风电机组塔架振动控制方法，其特征在于：包括如下的步骤：
1)同时测量风机塔顶机舱轴向和径向方向的振动加速度，并清除上述两个方向的振动加速度的数据干扰信号；再对该振动加速度进行积分，以分别得到塔顶轴向和径向方向的振动速度；
2)计算上述两个方向的振动速度的矢量合，以得到塔顶振动合速度；
3)利用带通滤波器对该振动合速度进行带通滤波，以提取出在塔顶的所述振动合速度方向的一阶固有频率信号，然后利用二阶滤波器对上述带通滤波器的滤波结果进行二阶滤波，以得到基于风机塔顶振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
4)测量发电机转速以得到发电机转速的测量值，并将该测量值与发电机转速的设定值进行比较，再对该比较结果进行比例积分运算，得到基于风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
5)将上述基于风机塔顶振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值和上述基于风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值进行矢量相加，利用该矢量相加值用于控制风机的变桨速率，以降低风机塔架在其所受合力方向的一阶和/或二阶固有频率振动幅度；
所述振动合加速度的方向为以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心的球面半径方向，此时所述振动加速度或振动速度方向不限于塔顶机舱水平面内的轴向或径向方向，通过传感器测量三维方向上的塔顶机舱加速度，可以避免仅测量塔顶机舱轴向或径向方向的振动加速度而导致的测量精度不准的问题。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组塔架振动控制方法，其特征在于，所述带通滤波器的传递函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示阻尼系数，s表示复变量。
3.一种风电机组塔架振动控制方法，其特征在于：包括如下的步骤：
1)同时测量风机塔顶机舱轴向和径向方向的振动加速度，并清除上述两个方向的振动加速度的数据干扰信号，再对上述两个方向的振动加速度计算矢量合，以得到塔顶振动合加速度；
2)对上述振动合加速度进行积分，以得到塔顶振动合速度；
3)利用带通滤波器对该振动合速度进行带通滤波，以提取出在塔顶的所述振动合速度方向的一阶固有频率信号，然后利用二阶滤波器对上述带通滤波器的滤波结果进行二阶滤波，以得到基于风机塔顶振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
4)测量发电机转速以得到发电机转速的测量值，并将该测量值与发电机转速的设定值进行比较，再对该比较结果进行比例积分运算，得到基于风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
5)将上述基于风机塔顶振动加速度的变桨控制振动输入值和上述基于风机发电机转速的变桨控制振动输入值进行矢量相加，利用该矢量相加值用于控制风机的变桨速率，以降低风机塔架在其所受合力方向的一阶和/或二阶固有频率振动幅度；
所述振动合加速度的方向为以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心的球面半径方向，此时所述振动加速度或振动速度方向不限于塔顶机舱水平面内的轴向或径向方向，通过传感器测量三维方向上的塔顶机舱加速度，可以避免仅测量塔顶机舱轴向或径向方向的振动加速度而导致的测量精度不准的问题。
4.根据权利要求3所述的一种风电机组塔架振动控制方法，其特征在于，所述带通滤波器的传递函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
表示角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示阻尼系数，s表示复变量。
5.一种风电机组塔架振动控制系统，其特征在于：包括：
加速度测量模块，用于同时测量风机塔顶机舱轴向和径向方向的振动加速度；误差校正模块，用于清除上述两个方向的振动加速度的数据干扰信号；
加速度积分模块，用于对该振动加速度进行积分，以分别得到塔顶轴向和径向方向的振动速度；
矢量计算模块，用于计算上述两个方向的振动速度的矢量合，以得到塔顶振动合速度；
频率提取模块，用于利用带通滤波器对该振动合速度进行带通滤波，以提取出在塔顶的所述振动合速度方向的一阶固有频率信号，然后利用二阶滤波器对上述带通滤波器的滤波结果进行二阶滤波，以得到基于风机塔顶振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
转速测量模块，用于测量发电机转速以得到发电机转速的测量值；
比较模块，用于将该测量值与发电机转速的设定值进行比较；
比例积分模块，用于对该比较结果进行比例积分运算，得到基于风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值；
矢量相加模块，用于将上述基于风机塔顶振动加速度的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值和上述基于风机发电机转速的控制叶片变桨速率的变桨控制振动输入值进行矢量相加，利用该矢量相加值用于控制风机的变桨速率，以降低风机塔架在其所受合力方向的一阶和/或二阶固有频率振动幅度；
所述振动合加速度的方向为以塔顶水平面与塔架中轴线的交点为球心的球面半径方向，此时以该球心为中心，设定距离为半径的球面上均匀安装多个加速度传感器，以测得预定位置的加速度值，并对各个所述加速度值进行矢量相加以得到合加速度，通过传感器测量三维方向上的塔顶机舱加速度，可以避免仅测量塔顶机舱轴向或径向方向的振动加速度而导致的测量精度不准的问题。
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