CN110439747B - 一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的ipc控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，无偏置机舱左右方向加速度信号，经过陷波滤波器、带通滤波器滤波后，与机舱左右方向加速度信号目标值比较，两者的偏差经过PI控制器，得到dq直角坐标系中d轴变桨速率给定值，q轴变桨速率给定值已事先设定好，将d轴、q轴变桨速率给定值经积分运算，得到d轴、q轴变桨位置给定值；再通过PI控制器获取风力发电机组发电模式下统一变桨位置给定值，及绝对值编码器获取风力发电机组发电模式下叶轮方位角；通过dq直角坐标系到旋转坐标系的Park逆变换，得到三只叶片各自的变桨位置给定值，最终由变桨执行机构实施。本发明可有效降低塔筒左右方向一阶固有频率振动及载荷。

Description

一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组控制系统的技术领域，尤其是指一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法。
背景技术
业内习知，海上大容量单桩基础风力发电机组，同时承受风载荷以及海浪激励载荷。在利用Bladed软件进行机械部件载荷计算时，通常风向以及海浪方向之间会设置0至90度不同夹角，即风向以及海浪方向之间大部分时间并不同向。另外海浪高度也会设置不同的数值。
随着风向与海浪方向夹角增大，海浪会对塔筒左右方向振动(Side-Side)产生激励作用。而风力发电机塔筒左右方向(Side-Side)气动阻尼非常小，只有阻尼系数比较小的结构阻尼。因此塔筒左右方向(Side-Side)一阶固有频率振动比较容易被激励起来。特别是风向与海浪方向夹角达到60度以上，且海浪高度较大时，塔筒左右方向(Side-Side)一阶固有频率振动幅度大，对应塔筒左右方向(Side-Side)弯矩载荷明显增加。
以往在额定风速以上，对于幅度较大的左右方向(Side-Side)塔筒一阶固有频率振动以及弯矩载荷，通常在发电机电磁扭矩给定值中，添加抑制一阶固有频率振动的附加电磁扭矩给定值。虽然左右方向(Side-Side)塔筒一阶固有频率的振动以及弯矩载荷得到了一定程度的衰减。但此时会导致额定风速以上发电机电磁扭矩以及风机输出功率运行数据中，呈现出较大幅度塔筒一阶固有频率波动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，可有效降低塔筒左右方向(Side-Side)一阶固有频率振动及载荷，避免由于发电机电磁扭矩给定值中添加了抑制塔筒左右方向(Side-Side)一阶固有频率振动以及载荷的附加电磁扭矩给定值，所导致的电磁扭矩给定值、输出功率中呈现出幅度较大的塔筒一阶固有频率波动问题。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，主要针对运行在额定风速以上的海上单桩基础风力发电机组，由于风力发电机组的机舱左右方向加速度信号平均值不为零，即存在偏置量，因此，需要通过低通滤波器获取机舱左右方向加速度信号中的偏置量，并与机舱左右方向加速度原始信号进行相减，以消除机舱左右方向加速度信号中的偏置量，从而得到无偏置的机舱左右方向加速度信号；然后，将无偏置的机舱左右方向加速度信号，依次经过陷波滤波器和带通滤波器滤波后，与机舱左右方向加速度信号目标值进行比较，两者的偏差再经过PI控制器，得到dq直角坐标系中d轴变桨速率给定值，而dq直角坐标系中q轴变桨速率给定值已事先设定好；接着，将dq直角坐标系中d轴变桨速率给定值、q轴变桨速率给定值经过积分运算，分别得到dq直角坐标系中的d轴变桨位置给定值和q轴变桨位置给定值；而后由风力发电机组的发电机转速通过PI控制器运算，获取风力发电机组在发电模式下统一变桨位置给定值，以及通过绝对值编码器获取风力发电机组发电模式下叶轮方位角，其中，所述绝对值编码器是安装在风力发电机组的轮毂内与滑环同步旋转；在统一变桨位置给定值、d轴变桨位置给定值、q轴变桨位置给定值以及叶轮方位角确定后，通过由dq直角坐标系到旋转坐标系的Park逆变换，得到风力发电机组三只叶片各自的变桨位置给定值，分别为叶片1变桨位置给定值、叶片2变桨位置给定值、叶片3变桨位置给定值，最后通过变桨执行机构实施，实现降低塔筒左右方向一阶固有频率振动以及载荷的目的。
进一步，所述低通滤波器的传递函数为
Figure BDA0002153501520000031
式中，s为复变量，T为一阶低通滤波器时间常数。
进一步，所述陷波滤波器用于衰减无偏置的机舱左右方向加速度信号中1P、3P频率以及传动系频率；其中，该陷波滤波器的传递函数为
Figure BDA0002153501520000032
式中，s为复变量，ξ1、ξ2为陷波滤波器阻尼比，ω1、ω2为陷波滤波器频率。
进一步，所述带通滤波器用于获取无偏置的机舱左右方向加速度信号中塔筒一阶固有频率信号；其中，该带通滤波器的传递函数为
Figure BDA0002153501520000033
式中，s为复变量，G为带通滤波器增益，ξ3为带通滤波器阻尼比，ω3为带通滤波器频率，τ为带通滤波器时间常数。
进一步，所述Park逆变换的形式如下：
Figure BDA0002153501520000034
其中，β1、β2、β3分别为叶片1、叶片2、叶片3的变桨位置给定值；
Figure BDA0002153501520000035
为风力发电机组发电模式下叶轮方位角；βd、βq分别为dq直角坐标系下d轴和q轴变桨位置给定值；βc为由发电机转速通过PI控制器计算得到的统一变桨位置给定值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、塔筒左右方向(Side-Side)一阶固有频率振动以及弯矩载荷得到明显衰减。
2、额定风速以上风力发电机输出功率比较平稳，不再出现大幅度的塔筒一阶固有频率波动。
附图说明
图1为IPC控制降低塔筒左右方向振动以及载荷功能原理图。
图2为IPC控制开启(闭环控制)与关闭(开环控制)时d轴变桨位置和机舱左右方向速度伯德图比较示意图。
图3为IPC控制开启(闭环控制)与关闭(开环控制)时机舱左右方向速度在单位阶跃风作用下阶跃响应比较示意图。
图4为IPC控制开启(闭环控制)与关闭(开环控制)时叶片1变桨速率在单位阶跃风作用下阶跃响应比较示意图。
图5为IPC控制开启(闭环控制)与关闭(开环控制)时，在14m/s湍流风作用下机舱左右方向速度比较示意图。
图6为IPC控制开启(闭环控制)与关闭(开环控制)时，在14m/s湍流风作用下塔筒底部My弯矩信号比较示意图。
图7为IPC控制开启(闭环控制)与关闭(开环控制)时，在14m/s湍流风作用下叶片1变桨角度比较示意图。
图8为IPC控制开启(闭环控制)与关闭(开环控制)时，在14m/s湍流风作用下风机输出功率比较示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所提供的降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，主要针对运行在额定风速以上的海上单桩基础风力发电机组，由于风力发电机组的机舱左右方向(Side-Side)加速度信号平均值不为零，即存在偏置量，因此，如图1所示，该方法首先要通过低通滤波器获取风力发电机组的机舱左右方向(Side-Side)加速度信号中的偏置量，并与机舱左右方向(Side-Side)加速度原始信号进行相减，以消除机舱左右方向(Side-Side)加速度信号中的偏置量，从而得到无偏置的机舱左右方向(Side-Side)加速度信号，其中，低通滤波器的传递函数为
Figure BDA0002153501520000051
式中，s为复变量，T为一阶低通滤波器时间常数；然后，将无偏置的机舱左右方向(Side-Side)加速度信号，依次经过陷波滤波器和带通滤波器滤波后，与机舱左右方向(Side-Side)加速度信号目标值进行比较，两者的偏差再经过PI控制器，得到dq直角坐标系中d轴变桨速率给定值(d-axis pitch rate)，而dq直角坐标系中q轴变桨速率给定值(q-axis pitch rate)是事先设定好，其中，陷波滤波器用于衰减无偏置的机舱左右方向(Side-Side)加速度信号中1P、3P频率以及传动系频率，该陷波滤波器的传递函数为
Figure BDA0002153501520000052
式中，s为复变量，ξ1、ξ2为陷波滤波器阻尼比，ω1、ω2为陷波滤波器频率，带通滤波器用于获取无偏置的机舱左右方向(Side-Side)加速度信号中塔筒一阶固有频率信号，该带通滤波器的传递函数为
Figure BDA0002153501520000053
式中，s为复变量，G为带通滤波器增益，ξ3为带通滤波器阻尼比，ω3为带通滤波器频率，τ为带通滤波器时间常数；接着，将dq直角坐标系中d轴变桨速率给定值(d-axis pitch rate)、q轴变桨速率给定值(q-axis pitch rate)经过积分运算，分别得到dq直角坐标系中的d轴变桨位置给定值(d-axis pitch demand)和q轴变桨位置给定值(q-axis pitch demand)；而后由风力发电机组的发电机转速通过PI控制器运算，获取风力发电机组在发电模式下统一变桨位置给定值(Collective pitch angle demand)，以及通过绝对值编码器获取风力发电机组发电模式下叶轮方位角(Rotor Azimuth Angle)，其中，所述绝对值编码器是安装在风力发电机组的轮毂内与滑环同步旋转；在统一变桨位置给定值(Collective pitch angle demand)、d轴变桨位置给定值(d-axis pitch demand)、q轴变桨位置给定值(q-axis pitch demand)以及叶轮方位角(Rotor Azimuth Angle)确定后，通过由dq直角坐标系到旋转坐标系的Park逆变换，得到风力发电机组三只叶片各自的变桨位置给定值，分别为叶片1变桨位置给定值(Blade 1pitch angle demand)、叶片2变桨位置给定值(Blade 2pitch angle demand)、叶片3变桨位置给定值(Blade 3pitch angle demand)，最后通过变桨执行机构实施，实现降低塔筒左右方向(Side-Side)一阶固有频率振动以及载荷的目的。其中，Park逆变换的形式如下：
Figure BDA0002153501520000061
式中，β1、β2、β3分别为叶片1、叶片2、叶片3的变桨位置给定值；
Figure BDA0002153501520000062
为风力发电机组发电模式下叶轮方位角；βd、βq分别为dq直角坐标系下d轴和q轴变桨位置给定值；βc为由发电机转速经PI控制器计算得到的统一变桨位置给定值。
如图2所示，显示了IPC控制功能开启(实线，闭环控制)与关闭(虚线、开环控制)时，d轴变桨位置给定值VS机舱左右方向(Side-Side)速度的伯德图比较。在机舱左右方向(Side-Side)速度一阶固有频率处，开启IPC控制功能，机舱左右方向(Side-Side)速度幅值有较大幅度衰减。
如图3所示，显示了IPC控制功能开启(实线、闭环控制)与关闭(虚线、开环控制)时，在单位阶跃风作用下机舱左右方向(Side-Side)速度的阶跃响应。当单位阶跃风将机舱左右方向(Side-Side)速度一阶固有频率信号激励起来时，开启IPC控制功能，机舱左右方向(Side-Side)速度中一阶固有频率信号有明显衰减。
如图4所示，显示了IPC控制功能开启(实线、闭环控制)与关闭(虚线、开环控制)时，在单位阶跃风作用下叶片1变桨速率的阶跃响应。在单位阶跃风作用下，机舱左右方向(Side-Side)速度信号之所以在一阶固有频率处快速衰减，正是由于叶片的变桨速率，以机舱左右方向(Side-Side)一阶固有频率运行结果。
如图5所示，显示了IPC控制功能开启(实线、闭环控制)与关闭(虚线、开环控制)时，在14m/s湍流风作用下，机舱左右方向(Side-Side)速度信号Bladed软件仿真结果比较。开启IPC控制功能，机舱左右方向(Side-Side)速度时域信号衰减非常明显，这与图2频域中理论分析高度一致。
如图6所示，显示了IPC控制功能开启(实线、闭环控制)与关闭(虚线、开环控制)时，在14m/s湍流风作用下，海上单桩基础机组塔筒底部My弯矩信号Bladed软件仿真结果比较。开启IPC控制功能，塔筒底部My弯矩时域信号衰减同样非常明显。这对于降低塔筒重量以及基础载荷非常有利。
如图7所示，显示了IPC控制功能开启(实线、闭环控制)与关闭(虚线、开环控制)时，在14m/s湍流风作用下，叶片1变桨角度信号Bladed软件仿真结果比较。开启与关闭IPC控制功能，叶片1变桨角度信号差别比较小，即开启IPC控制功能，对变桨执行机构带来的影响较小。
如图8所示，显示了IPC控制功能开启(实线、闭环控制)与关闭(虚线、开环控制)时，在14m/s湍流风作用下，风机输出功率信号Bladed软件仿真结果比较。开启与关闭IPC控制功能，风机输出功率信号差别同样比较小，即开启IPC控制功能，对风机输出功率几乎无影响。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，其特征在于：主要针对运行在额定风速以上的海上单桩基础风力发电机组，由于风力发电机组的机舱左右方向加速度信号平均值不为零，即存在偏置量，因此，需要通过低通滤波器获取机舱左右方向加速度信号中的偏置量，并与机舱左右方向加速度原始信号进行相减，以消除机舱左右方向加速度信号中的偏置量，从而得到无偏置的机舱左右方向加速度信号；然后，将无偏置的机舱左右方向加速度信号，依次经过陷波滤波器和带通滤波器滤波后，与机舱左右方向加速度信号目标值进行比较，两者的偏差再经过PI控制器，得到dq直角坐标系中d轴变桨速率给定值，而dq直角坐标系中q轴变桨速率给定值已事先设定好；接着，将dq直角坐标系中d轴变桨速率给定值、q轴变桨速率给定值经过积分运算，分别得到dq直角坐标系中的d轴变桨位置给定值和q轴变桨位置给定值；而后由风力发电机组的发电机转速通过PI控制器运算，获取风力发电机组在发电模式下统一变桨位置给定值，以及通过绝对值编码器获取风力发电机组发电模式下叶轮方位角，其中，所述绝对值编码器是安装在风力发电机组的轮毂内与滑环同步旋转；在统一变桨位置给定值、d轴变桨位置给定值、q轴变桨位置给定值以及叶轮方位角确定后，通过由dq直角坐标系到旋转坐标系的Park逆变换，得到风力发电机组三只叶片各自的变桨位置给定值，分别为叶片1变桨位置给定值、叶片2变桨位置给定值、叶片3变桨位置给定值，最后通过变桨执行机构实施，实现降低塔筒左右方向一阶固有频率振动以及载荷的目的。
2.根据权利要求1所述的一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，其特征在于：所述低通滤波器的传递函数为
Figure FDA0002153501510000011
式中，s为复变量，T为一阶低通滤波器时间常数。
3.根据权利要求1所述的一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，其特征在于：所述陷波滤波器用于衰减无偏置的机舱左右方向加速度信号中1P、3P频率以及传动系频率；其中，该陷波滤波器的传递函数为
Figure FDA0002153501510000021
式中，s为复变量，ξ1、ξ2为陷波滤波器阻尼比，ω1、ω2为陷波滤波器频率。
4.根据权利要求1所述的一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，其特征在于：所述带通滤波器用于获取无偏置的机舱左右方向加速度信号中塔筒一阶固有频率信号；其中，该带通滤波器的传递函数为
Figure FDA0002153501510000022
式中，s为复变量，G为带通滤波器增益，ξ3为带通滤波器阻尼比，ω3为带通滤波器频率，τ为带通滤波器时间常数。
5.根据权利要求1所述的一种降低风电塔筒左右方向振动及载荷的IPC控制方法，其特征在于：所述Park逆变换的形式如下：
Figure FDA0002153501510000023
其中，β1、β2、β3分别为叶片1、叶片2、叶片3的变桨位置给定值；
Figure FDA0002153501510000024
为风力发电机组发电模式下叶轮方位角；βd、βq分别为dq直角坐标系下d轴和q轴变桨位置给定值；βc为由发电机转速通过PI控制器计算得到的统一变桨位置给定值。
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