CN112128052A - 一种基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法，该方法是对现有塔架加阻策略进行优化，以测得的塔架前后加速度为输入，通过风力发电机组的塔架加阻控制器得到塔架加阻补偿量，然后根据机组运行状态确定输出塔架加阻补偿速率或角度到风力发电机组的变桨控制器，风力发电机组的变桨系统根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架上的推力，实现塔架有效阻尼的增加，进而达到塔架减振降疲劳的目的，克服了现有塔架加阻策略仅在额定及以上工况起作用的局限和不足，进一步减小塔架振动，降低塔架疲劳载荷，提高机组安全性，降低整机成本。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法。
背景技术
随着风力发电技术的发展以及市场的需求，单机容量大型化是全球风能技术的发展趋势。大型机组塔架占风力发电机组整机成本的很大比重，塔架制造的主要成本是材料成本，怎样更好地控制塔架以减小塔架的振动是进一步减小塔架材料的制造用量、增加机组寿命的关键。风力发电机组是一个刚柔耦合的多体系统，主要的弹性振动体是叶片和塔架。风力发电机组的塔架如产生振动，其最大危害是使塔架构件产生疲劳，这就意味着在交变载荷作用下，塔架使用寿命会缩短。
另外，塔架是支撑机舱的结构件，塔架的振动传导到机舱上会导致机舱和叶片的振动增加，所以塔架振动的控制对减缓机组整机振动具有十分重要的意义。
塔架前后振动的运动方程可以近似为二阶阻尼谐振运动：
其中：x为塔架位移，
是x的一阶导数，
是x的二阶导数，Fthrust为施加力，这里主要是风轮推力，ΔF为外部激励变化引起的附加推力，对控制器来说能够通过改变桨距角来改变风轮推力，从而改变塔架上的推力。塔架模态质量为M，模态刚度为K，则塔架频率为
一般来说，D阻尼项很小，但如果ΔF正比于
有效阻尼可大大增加。
基于以上理论，目前已有的塔架加阻策略，均是以测得的塔架前后加速度为输入，在现有风力发电机组变桨控制环中新增一个塔架主动阻尼控制环，通过塔架主动阻尼控制环，得到塔架加阻补偿速率叠加到变桨速率上，以实现增加塔架前后一阶模态的阻尼，进而能显著减轻机舱、塔架前后方向振动和塔架载荷。
但是，现有的塔架加阻控制策略都是在额定及以上工况，变桨有动作的时候才能发挥作用，在额定以下工况塔架加阻策略并不起作用，但是对于风资源不是特别丰富的地区，大多数风区的风速在一年中的大部分时间都处于较低的风速，这样的话，现有的塔架加阻策略能够起作用的时间就比较有限，因此对降低塔架疲劳载荷的效果就很微小了。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法，用于解决现有塔架加阻策略仅在额定及以上工况起作用的局限和不足，进一步减小塔架振动，降低塔架疲劳载荷，提高机组安全性，降低整机成本。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法，该方法是对现有塔架加阻策略进行优化，以测得的塔架前后加速度为输入，通过风力发电机组的塔架加阻控制器得到塔架加阻补偿量，然后根据机组运行状态确定输出塔架加阻补偿速率或角度到风力发电机组的变桨控制器，风力发电机组的变桨系统根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架上的推力，实现塔架有效阻尼的增加，进而达到塔架减振降疲劳的目的。
上述的基于控制策略优化的风机塔架降载方法，包括以下步骤：
1)测量塔架前后加速度
在风力发电机组的机舱机座上安装加速度传感器，所述加速度传感器用于将机械振动量转化为电量，然后再对电量进行测量和转换，使其成为加速度信号输出给塔架加阻控制器；
2)计算塔架加阻补偿量
将步骤1)中测量所得的加速度信号依次通过二阶低通滤波器、陷波滤波器、超前滞后滤波器进行滤波处理，经过滤波处理后的信号作为塔架加阻控制器的输入，所述塔架加阻控制器通过对滤波处理后的信号进行比例控制计算得到塔架加阻补偿速率，再对塔架加阻补偿速率进行进一步的积分控制计算得到塔架加阻补偿角度；其中，所述塔架加阻补偿速率和塔架加阻补偿角度统称为塔架加阻补偿量；
3)塔架加阻补偿量输出判断
对额定以上标志位进行判断，若额定以上标志位为0，则输出塔架加阻补偿角度；若额定以上标志位为1，则输出塔架加阻补偿速率；
4)变桨控制器桨距角给定值计算
将步骤3)输出的塔架加阻补偿量作为变桨控制器的输入，若输入的是塔架加阻补偿速率，则将塔架加阻补偿速率叠加到原始变桨PID控制计算得到的变桨速率上，然后再经过积分计算得到桨距角给定值；若输入的是塔架加阻补偿角度，则直接叠加到原始变桨控制器计算得到的桨距角给定值上，得到新的桨距角给定值；
5)变桨系统调节叶片桨距角
风力发电机组的变桨系统根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架上的推力，实现塔架有效阻尼的增加。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明方法是考虑到现有塔架前后加阻策略的局限和不足之后，进行的控制策略优化，能够克服现有塔架加阻策略仅在额定及以上工况起作用的局限和不足，进一步减小塔架振动，降低塔架疲劳载荷，提高机组安全性，降低整机成本。
2、本发明方法无需增加机组设备，只需在控制算法中增加相应的功能模块，就能实现塔架减振、疲劳降载控制，从而节省成本，提高机组竞争力。
附图说明
图1为基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法控制原理图。
图2为基于控制策略优化的风机塔架降载方法的控制策略流程图。
图3为塔架前后加速度频谱图。
图4为塔底前后方向弯矩频谱图。
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。
本实施例所提供的基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法，主要是对现有塔架加阻策略进行优化，以测得的塔架前后加速度为输入，通过塔架加阻控制器得到塔架加阻补偿量，然后根据机组运行状态确定输出塔架加阻补偿速率或角度到风力发电机组的变桨控制器，风力发电机组的变桨系统根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架上的推力，实现塔架有效阻尼的增加，进而达到塔架减振降疲劳的目的。
如图1和图2所示，上述基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法，其执行步骤如下：
1)测量塔架前后加速度
在风力发电机组的机舱机座上安装加速度传感器，所述加速度传感器用于将机械振动量转化为电量，然后再对电量进行测量和转换，使其成为加速度信号输出给塔架加阻控制器。
2)计算塔架加阻补偿量
将步骤1)中测量所得的加速度信号依次通过二阶低通滤波器、陷波滤波器、超前滞后滤波器进行滤波处理，经过滤波处理后的信号作为塔架加阻控制器的输入，所述塔架加阻控制器通过对滤波处理后的信号进行比例控制计算得到塔架加阻补偿速率，再对塔架加阻补偿速率进行进一步的积分控制计算得到塔架加阻补偿角度；其中，所述塔架加阻补偿速率和塔架加阻补偿角度统称为塔架加阻补偿量，滤波器参数和塔架加阻控制器的参数通过控制器参数整定工具来确定。
3)塔架加阻补偿量输出判断
对额定以上标志位进行判断，若额定以上标志位为0，则输出塔架加阻补偿角度；若额定以上标志位为1，则输出塔架加阻补偿速率。
4)变桨控制器桨距角给定值计算
将步骤3)输出的塔架加阻补偿量作为变桨控制器的输入，若输入的是塔架加阻补偿速率，则将塔架加阻补偿速率叠加到原始变桨PID控制计算得到的变桨速率上，然后再经过积分计算得到桨距角给定值；若输入的是塔架加阻补偿角度，则直接叠加到原始变桨控制器计算得到的桨距角给定值上，得到新的桨距角给定值。
5)变桨系统调节叶片桨距角
风力发电机组的变桨系统根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架上的推力，实现塔架有效阻尼的增加，进而达到塔架减振降疲劳的目的。
图3是某一额定风速以下工况对应的塔架前后加速度频谱图，图4是塔底前后方向弯矩频谱图，图3、4中实线是现有塔架加阻策略对应频谱，虚线是本发明方法对应频谱。通过在机组上的仿真结果可知，本发明方法相比较未经优化的塔架前后加阻策略，有如下效果：
1、本发明方法在额定风速以下工况也会起作用，适用范围更大，降载和减振效果也更明显；
2、对塔架前后方向疲劳载荷，在额定风速以下及附近的工况有较大幅度的降载效果，降载幅度约为4％-7％；
3、对机组轮毂、叶片和偏航部件疲劳载荷影响微小；
4、本发明方法实现无需新增机组设备，只需在控制算法中增加相应的功能模块，就能实现塔架减振、降载控制，从而节省成本，提高机组竞争力。
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 (2)
1.一种基于控制策略优化的风力发电机组塔架降载方法，其特征在于：该方法是对现有塔架加阻策略进行优化，以测得的塔架前后加速度为输入，通过风力发电机组的塔架加阻控制器得到塔架加阻补偿量，然后根据机组运行状态确定输出塔架加阻补偿速率或角度到风力发电机组的变桨控制器，风力发电机组的变桨系统根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架上的推力，实现塔架有效阻尼的增加，进而达到塔架减振降疲劳的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于控制策略优化的风机塔架降载方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)测量塔架前后加速度
在风力发电机组的机舱机座上安装加速度传感器，所述加速度传感器用于将机械振动量转化为电量，然后再对电量进行测量和转换，使其成为加速度信号输出给塔架加阻控制器；
2)计算塔架加阻补偿量
将步骤1)中测量所得的加速度信号依次通过二阶低通滤波器、陷波滤波器、超前滞后滤波器进行滤波处理，经过滤波处理后的信号作为塔架加阻控制器的输入，所述塔架加阻控制器通过对滤波处理后的信号进行比例控制计算得到塔架加阻补偿速率，再对塔架加阻补偿速率进行进一步的积分控制计算得到塔架加阻补偿角度；其中，所述塔架加阻补偿速率和塔架加阻补偿角度统称为塔架加阻补偿量；
3)塔架加阻补偿量输出判断
对额定以上标志位进行判断，若额定以上标志位为0，则输出塔架加阻补偿角度；若额定以上标志位为1，则输出塔架加阻补偿速率；
4)变桨控制器桨距角给定值计算
将步骤3)输出的塔架加阻补偿量作为变桨控制器的输入，若输入的是塔架加阻补偿速率，则将塔架加阻补偿速率叠加到原始变桨PID控制计算得到的变桨速率上，然后再经过积分计算得到桨距角给定值；若输入的是塔架加阻补偿角度，则直接叠加到原始变桨控制器计算得到的桨距角给定值上，得到新的桨距角给定值；
5)变桨系统调节叶片桨距角
风力发电机组的变桨系统根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架上的推力，实现塔架有效阻尼的增加。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201225 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |