CN112302870B - 一种漂浮式风力发电机组稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漂浮式风力发电机组稳定控制方法，在额定风速以下，检测发电机转速信号，经转矩控制环路输出转矩设定值，确保风轮转速可以随风速成比例调节，在风速变化时维持最佳叶尖速比不变，实现最大风能捕获；当风速达到额定风速，就通过变桨控制环路改变机组的桨距角，保持发电机转速维持在额定转速。本发明是在上述两个控制环路的基础上增加关于浮式基础平台摇荡信号的控制环路，称为浮式平台控制环路，具体是通过传感器获得浮式基础平台摇荡运行的加速度信号或速度信号，经过浮式平台控制环路进行控制参数整定，输出一个动态的转矩附加值，叠加到转矩控制环路的输出端，减少因浮式基础平台相关摇荡运动引起的机组载荷，提升机组稳定性。

Description

一种漂浮式风力发电机组稳定控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种漂浮式风力发电机组稳定控制方法。

背景技术

随着近年来国内海上风电技术的不断发展以及风能资源进一步需求，使得我国风电发电机组逐步由近海风电开始向深海区域扩展。深海风电技术需要采用浮式基础平台作为支撑，但由于受到波浪、海流等海洋环境的综合作用，浮式基础平台会产生相应的摇荡运动，再与风力发电机组自身相关结构特性耦合，就会更容易出现类似负阻尼等系统不稳定情况出现。

同样的，与固定式海上风力发电机组相比，漂浮式机组各部件所受到的载荷更大，机组运行响应更为剧烈，为了使机组可以在生命周期内安全可靠运行，就需要对整体重新进行设计分析。目前，解决机组载荷问题的方法大体分为两类，其一是通过改变机组刚度结构，使机组可以承受更大载荷，保证风机稳定运行；其二是通过改变风机运行时的响应机制，通过在不同风速和海浪情况下机组的运行状态，动态调整部件运行状态，降低机组系统的运行响应幅度，提升稳定性。增加风力发电机组的刚度重量，在增加机组稳定性的同时也伴随着经济成本上的大幅提升，如果增加浮式基础平台的相关阻尼器，在现有的固定式海上机组中可以参考的经验较少，对此本专利提出根据浮式平台实时运行状态的控制方法，在现在已有固定式海上风力发电机组的控制系统中，新增基于平台摇荡运行状态的控制策略，有效减少由于浮式平台相关摇荡运动引起的机组载荷，提升系统稳定性。

由于受到风资源随机性等特点影响，风力发电机组的载荷会随环境变化不断波动，在额定风速以下，机组沿最优增益曲线变化，尽最大可能捕获风能，在额定风速以上，机组通过变桨机构实时调整，保证输出恒定功率，为保证系统稳定，控制器能量需要在塔架频率以下得到足够衰减，这就要求变桨控制器带宽进行合理设置以避免变桨控制器和机组模态频率进行耦合，消除系统可能出现的不稳定情况，这种方法在陆上和海上固定式风力发电机组得到广泛应用。但在漂浮式风力发电机组中，根据现阶段研究表明，浮式基础平台表现出的特征频率更低，这使变桨环路控制器带宽受到极大限制，如果仅降低系统带宽，不能给予变桨机构足够的动态调速性能，就会容易超速等不稳定情况，从控制工程角度考虑，这是由于桨距角到发电机转速的传递函数在频域右半平面形成了非最小相位系统，导致机组相位有较大滞后，影响了机组系统的稳定性和快速性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种漂浮式风力发电机组稳定控制方法，在现在已有固定式海上风力发电机组的控制系统中，新增基于平台摇荡运行状态的控制策略，可有效减少由于浮式基础平台相关摇荡运动引起的机组载荷，特别是抑制由于浮式基础平台相关运行对机组产生的不稳定影响，提升机组稳定性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种漂浮式风力发电机组稳定控制方法，包括转矩控制环路和变桨控制环路，在额定风速以下，机组的主控系统检测发电机转速信号，经转矩控制环路输出转矩设定值，确保风轮转速能够随风速成比例调节，在风速变化时维持最佳叶尖速比不变，实现最大风能捕获，而当风速达到额定风速，就会通过变桨控制环路改变机组的桨距角，保持发电机转速维持在额定转速；还包括关于浮式基础平台摇荡信号的控制环路，称为浮式平台控制环路，具体是指，通过传感器获得风力发电机组的浮式基础平台摇荡运行的加速度信号或速度信号，经过浮式平台控制环路进行控制参数整定，输出一个动态的转矩附加值，叠加到转矩控制环路的输出端，减少由于浮式基础平台相关摇荡运动引起的机组载荷，提升机组稳定性。

进一步，所述浮式平台控制环路的控制如下：

首先，通过安装在浮式基础平台中的加速度传感器提供平台摇荡加速度的直接测量信号，然后将加速度信号通过积分环节进行积分，得到平台摇荡速度信号，或者也能够通过姿态传感器直接测量获得平台摇荡速度信号；之后，将平台摇荡速度信号经过带通滤波器，用于提取有效频段内信号，带通滤波器表达式如下：

式中，K为带通滤波环节增益值，ζ为滤波环节的阻尼，s为频域，ω_n为浮式基础平台自身固有频率，且为影响机组的主要频率点；

平台摇荡速度信号经过带通滤波器滤波后，再通过带阻滤波器修正特定频段内或频率点的响应特性，输出一个动态的转矩附加值；其中，带阻滤波器表达式如下：

式中，ζ₁和ζ₂为带阻滤波器阻尼比，ω₁和ω₂为带阻滤波器频率；当ω₁＝ω₂时，作为陷波器针对机组相关特征频率进行限幅；

最后，将浮式平台控制环路输出的转矩附加值与转矩控制环节输出的转矩设定值进行叠加，即在原有发电机转矩设定值的基础上增加一部分动态波动，起到抵消因浮式基础平台摇荡引起的谐振作用，进而增加机组稳定性。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明为解决漂浮式基础平台低频运行特性对机组造成影响，消除非最小相位系统因素，针对漂浮式风力发电机组特性，增加变桨动态调节性能，提升机组稳定性。

2、本发明在现有陆上及固定式海上风电机组控制方法基础上增加浮式平台控制环路，实时检测浮式基础平台摇荡运行状态，减少浮式基础平台在海浪影响下的运动幅度，降低风力发电机组故障时间，提升度电成本，可靠性更高，实现方法简单，便于实际工程推广验证。

附图说明

图1为漂浮式风力发电机组控制架构图。

图2为漂浮式风力发电机组的浮式平台控制环路和转矩控制环路的叠加示意图。

图3为浮式基础平台自由度图。

图4为采用本发明方法和采用传统方法的漂浮式风力发电机组对比图。

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。

陆上和海上固定式变速变桨风力发电机组的大部分基本控制方法如图1中的转矩控制环路和变桨控制环路所示，在额定风速以下，检测发电机转速信号，经转矩控制环路输出转矩设定值，确保风轮转速可以随风速成比例调节，在风速变化时维持最佳叶尖速比不变，实现最大风能捕获；当风速达到额定风速，就通过变桨控制环路改变机组的桨距角，保持发电机转速维持在额定转速。

本实施例所提出的漂浮式风力发电机组稳定控制方法是在上述两个控制环路的基础上增加关于浮式基础平台摇荡信号的控制环路，称为浮式平台控制环路，具体是指，通过传感器获得风力发电机组的浮式基础平台摇荡运行的加速度信号或速度信号，经过浮式平台控制环路进行控制参数整定，输出一个动态的转矩附加值，叠加到转矩控制环路的输出端。

浮式平台控制环路和转矩控制环路的叠加如图2中所示。首先，通过安装在浮式基础平台中的加速度传感器提供平台摇荡加速度的直接测量信号，然后，将加速度信号通过积分环节进行积分，得到平台摇荡速度信号，或者也可通过姿态传感器直接测量获得平台摇荡速度信号；之后，将平台摇荡速度信号经过带通滤波器，用于提取有效频段内信号，带通滤波器表达式如下：

式中，K为带通滤波环节增益值，ζ为滤波环节的阻尼，s为频域，ω_n为浮式基础平台自身固有频率，且为影响机组的主要频率点。在设置上式增益和阻尼参数时，需要确保可以有效消除非最小相位系统产生的影响，但也不需要太高。

平台摇荡速度信号经过带通滤波器后，为避免受到机组其它固有特性或桨距穿越频率倍数等频率干扰，需要再通过带阻滤波器修正特定频段内或频率点的响应特性，输出一个动态的转矩附加值；其中，带阻滤波器表达式如下：

式中，ζ₁和ζ₂为带阻滤波器阻尼比，ω₁和ω₂为带阻滤波器频率；当ω₁＝ω₂时，作为陷波器针对机组相关特征频率进行限幅。

最后，将浮式平台控制环路输出的转矩附加值与转矩控制环节输出的转矩设定值进行叠加，即在原有发电机转矩设定值的基础上增加一部分动态波动，起到抵消因浮式基础平台摇荡引起的谐振作用，进而增加机组稳定性。

漂浮式风力发电机组根据基础平台结构可以分为浮漂式、半潜式和张力腿式几种，无论哪种结构的基础平台，都可以把平台自身的摇荡运动分解为如图3中所示的六个自由度进行分析。图中X、Y、Z代表直交惯性坐标系，XY为水平面内两相互垂直的坐标轴，Z轴方向为竖直向上，从图中可以看出六个自由度分别是平动的纵荡、横荡和垂荡，以及旋转的横摇、纵摇及艏摇。

由于不同基础平台在风浪作用下的特征频率不同，主要影响的机组稳定性的摇荡信号也不同，下面我们以半潜式风力发电机组举例说明本发明上述控制方法的具体实施方式：

首先，需要确定造成非最小相位系统不稳定的特征频率点，在半潜式风力发电机组中，主要影响机组的是浮式基础平台的纵摇信号，因此，需要通过传感器获得半潜式风力发电机组的基础平台纵荡方向运行的加速度信号。

之后，将加速度信号通过积分环节进行积分，得到平台纵摇速度信号；之后再经过带通滤波器提取有效频段内信号，带通滤波器表达式如下：

式中，K为带通滤波环节增益值，ζ为滤波环节的阻尼，ω_n为浮式基础平台纵摇的对应频率点。在设置表达式增益和阻尼参数时，需要包络浮式基础平台纵摇对应的频率范围，同时不对机组其它特征频率产生较大影响。

信号经过带通滤波器(有效带通滤波环节)后，会再通过带阻滤波器环节修正特定频段内或频率点的响应特性，滤波器表达式如下：

式中，ζ₁和ζ₂为带阻滤波器阻尼比，ω₁和ω₂为带阻滤波器频率，将ω₁和ω₂设置为相同参数，作为陷波器针对机组相关特征频率进行限幅。

经过以上整定后与转矩控制环节的输出端叠加，在原有发电机转矩设定值的基础上增加一部分动态波动，抵消因浮式基础平台纵摇引起的谐振作用，增加机组稳定性。

图4中给出了采用本发明方法和采用传统方法的漂浮式风力发电机组的系统频率响应曲线图和系统阶跃响应曲线图。图中，虚线表示传统控制下的曲线，实线表示本发明方法控制下的曲线。如图4所示，在系统频率响应曲线图中，采用本发明方法的曲线在纵摇频率附近的幅值更低，能量更少；从系统阶跃响应曲线图可以很明显地看出，采用本发明方法的曲线在阶跃条件下波动范围更小，趋于稳定的时间更短，机组稳定性更高。

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 (1)

1.一种漂浮式风力发电机组稳定控制方法，包括转矩控制环路和变桨控制环路，在额定风速以下，机组的主控系统检测发电机转速信号，经转矩控制环路输出转矩设定值，确保风轮转速能够随风速成比例调节，在风速变化时维持最佳叶尖速比不变，实现最大风能捕获，而当风速达到额定风速，就会通过变桨控制环路改变机组的桨距角，保持发电机转速维持在额定转速；其特征在于，还包括关于浮式基础平台摇荡信号的控制环路，称为浮式平台控制环路，具体是指，通过传感器获得风力发电机组的浮式基础平台摇荡运行的加速度信号或速度信号，经过浮式平台控制环路进行控制参数整定，输出一个动态的转矩附加值，叠加到转矩控制环路的输出端，减少由于浮式基础平台相关摇荡运动引起的机组载荷，提升机组稳定性；

所述浮式平台控制环路的控制如下：

首先，通过安装在浮式基础平台中的加速度传感器提供平台摇荡加速度的直接测量信号，然后将加速度信号通过积分环节进行积分，得到平台摇荡速度信号，或者也能够通过姿态传感器直接测量获得平台摇荡速度信号；之后，将平台摇荡速度信号经过带通滤波器，用于提取有效频段内信号，带通滤波器表达式如下：

式中，K为带通滤波环节增益值，ζ为滤波环节的阻尼，s为频域，ω_n为浮式基础平台自身固有频率，且为影响机组的主要频率点；

平台摇荡速度信号经过带通滤波器滤波后，再通过带阻滤波器修正特定频段内或频率点的响应特性，输出一个动态的转矩附加值；其中，带阻滤波器表达式如下：

式中，ζ₁和ζ₂为带阻滤波器阻尼比，ω₁和ω₂为带阻滤波器频率；当ω₁＝ω₂时，作为陷波器针对机组相关特征频率进行限幅；

最后，将浮式平台控制环路输出的转矩附加值与转矩控制环节输出的转矩设定值进行叠加，即在原有发电机转矩设定值的基础上增加一部分动态波动，起到抵消因浮式基础平台摇荡引起的谐振作用，进而增加机组稳定性。

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