CN113007013B - 扭转载荷控制方法、装置和系统及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种扭转载荷控制方法、装置和系统及风力发电机组，风力发电机组包括设置在塔架两侧的第一叶轮和第二叶轮，扭转载荷控制方法包括：获取塔架的扭转载荷；将扭转载荷与正常载荷范围的极限值进行比较并获得第一比较结果；基于第一比较结果控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围。根据本发明的实施例的扭转载荷控制方法能够降低塔架的扭转载荷，提高风力发电机组的安全性。

Description

扭转载荷控制方法、装置和系统及风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地，涉及一种扭转载荷控制方法、装置和系统及风力发电机组。

背景技术

近年来，随着风力发电机组越来越大型化的发展，单叶轮风力发电机组面临的挑战也越来越大，尤其是在载荷控制方面，如何降低大型风力发电机组由于受到风的推力产生的载荷，从而保证安全运行是必须要考虑的问题。

在这个背景下，为了减小单个叶轮的扫风面积从而减少风的推力，同时不影响发电量，多叶轮风力发电机组逐渐受到关注。区别于传统的单叶轮风力发电机组，多叶轮风力发电机组是指具有两个或以上叶轮的风力发电机组，其结构以及相应的控制策略都更加复杂。与单叶轮风力发电机组一样，运行多叶轮风力发电机组时同样需要面对如何降低载荷的技术问题。

发明内容

对于同一塔架支撑两个或多个叶轮的多叶轮机组，其塔架扭转载荷因各叶轮所受推力不完全一致而导致塔架扭转载荷增大，甚至可能超过其极限或疲劳载荷边界限制值，严重影响机组安全。本发明据此通过检测的塔架扭转载荷对第一叶轮和第二叶轮进行针对性控制。

本发明的目的之一在于提供一种能够减小塔架扭转载荷的扭转载荷控制方法及装置。

根据本发明的一方面，提供一种风力发电机组的扭转载荷控制方法，风力发电机组包括设置在塔架两侧的第一叶轮和第二叶轮，扭转载荷控制方法包括：获取塔架的扭转载荷；将扭转载荷与正常载荷范围的极限值进行比较并获得第一比较结果；基于第一比较结果控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围。

可选地，可响应于扭转载荷大于正常载荷范围的正向上限值而增大第二叶轮的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围内；响应于扭转载荷小于正常载荷范围的反向下限值而增大第一叶轮的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围内，其中，扭转载荷包括方向信息。

可选地，基于第一比较结果控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围的步骤可包括：通过比例积分控制算法基于第一比较结果获得桨距角调整值，并基于桨距角调整值改变第一叶轮或第二叶轮的桨距角，其中，第一比较结果为扭转载荷为正向载荷时扭转载荷与正常载荷范围的正向上限值之间的差或者扭转载荷为反向载荷时扭转载荷与正常载荷范围的反向下限值之间的差。

可选地，扭转载荷控制方法还可包括：获取扭转载荷的变化速率；将变化速率与正常载荷变化速率范围的极限值进行比较并获得第二比较结果；响应于扭转载荷在正常载荷范围内，基于第二比较结果控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围。

可选地，可响应于变化速率大于正常载荷变化速率范围的正向上限值而控制第二叶轮的桨距角变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围内；可响应于变化速率小于正常载荷变化速率范围的反向下限值而控制第一叶轮的桨距角变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围内。

可选地，基于第二比较结果控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围的步骤可包括：通过比例控制算法基于第二比较结果获得桨距角变化速率调整值，并且基于桨距角变化速率调整值改变第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率，其中，第二比较结果为扭转载荷正向变化时变化速率与正常载荷变化速率的正向上限值之间的差或者扭转载荷反向变化时变化速率与正常载荷变化速率的反向下限值之间的差。

可选地，可获取与第一叶轮连接的第一机舱的第一加速度和与第二叶轮连接的第二机舱的第二加速度，并获得第一加速度与第二加速度之间的差值；响应于扭转载荷在正常载荷范围内，可基于差值控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷。

可选地，可响应于差值大于零而控制第二叶轮的桨距角变化速率以减小塔架的扭转等效疲劳载荷；可响应于差值小于零而控制第一叶轮的桨距角变化速率以减小塔架的扭转等效疲劳载荷。

可选地，基于差值控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷的步骤可包括：通过比例控制算法基于差值获得桨距角变化速率调整值，并基于桨距角变化速率调整值改变第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组的扭转载荷控制系统，风力发电机组包括设置在塔架两侧的第一叶轮和第二叶轮，扭转载荷控制系统包括：第一传感器，感测塔架的扭转载荷；控制器，被配置为将扭转载荷与正常载荷范围的极限值进行比较并获得第一比较结果，基于第一比较结果输出控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围的指令。

可选地，扭转载荷控制系统还可包括变桨系统，控制器可包括第一比例积分控制器，第一比例积分控制器可被配置为基于第一比较结果获得桨距角调整值，并输出与桨距角调整值对应的控制指令，变桨系统响应于控制指令执行变桨，以改变第一叶轮或第二叶轮的桨距角，其中，第一比较结果可为扭转载荷为正向载荷时扭转载荷与正常载荷范围的正向上限值之间的差或者扭转载荷为反向载荷时扭转载荷与正常载荷范围的反向下限值之间的差。

可选地，第一比例积分控制器可被配置为：响应于扭转载荷大于正常载荷范围的正向上限值而输出控制第二叶轮的桨距角的第一指令，变桨系统响应于第一指令执行变桨，以使扭转载荷处于正常载荷范围内；第一比例积分控制器被配置为：响应于扭转载荷小于正常载荷范围的反向下限值而输出控制第一叶轮的桨距角的第二指令，变桨系统响应于第二指令执行变桨，以使扭转载荷处于正常载荷范围内，其中，扭转载荷包括方向信息。

可选地，控制器可被进一步配置为：计算扭转载荷的变化速率；将变化速率与正常载荷变化速率范围的极限值进行比较并获得第二比较结果；响应于扭转载荷在正常载荷范围内，基于第二比较结果输出控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围的指令。

可选地，扭转载荷控制系统还可包括变桨系统，控制器还包括第二比例积分控制器，第二比例积分控制器被配置为基于第二比较结果获得桨距角变化速率调整值，并输出与桨距角变化速率调整值对应的控制指令，变桨系统响应于控制指令进行变桨，以改变第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率，其中，第二比较结果为扭转载荷正向变化时变化速率与正常载荷变化速率的正向上限值之间的差或者扭转载荷反向变化时变化速率与正常载荷变化速率的反向下限值之间的差。

可选地，第二比例积分控制器可被进一步配置为：响应于变化速率大于正常载荷变化速率范围的正向上限值而输出控制第二叶轮的桨距角变化速率的第三指令，变桨系统响应于第三指令执行变桨，以改变第二叶轮的桨距角变化速率；第二比例积分控制器被进一步配置为：响应于扭转载荷小于正常载荷变化速率范围的反向下限值而输出控制第一叶轮的桨距角变化速率的第四指令，变桨系统响应于第四指令执行变桨，以改变第一叶轮的桨距角变化速率。

可选地，扭转载荷控制系统还可包括：第二传感器和第三传感器，分别感测与第一叶轮连接的第一机舱的第一加速度和与第二叶轮连接的第二机舱的第二加速度；控制器被进一步配置为将第一加速度与第二加速度进行比较，并获得它们之间的差值，并且响应于扭转载荷在正常载荷范围内，基于差值输出控制第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷的指令。

可选地，扭转载荷控制系统还可包括变桨系统，控制器包括第二比例积分控制器，第二比例积分控制器被配置为基于差值获得桨距角变化速率调整值，并输出与桨距角变化速率调整值对应的控制指令，变桨系统响应于控制指令执行变桨，以减小塔架的扭转等效疲劳载荷。

可选地，第二比例积分控制器可被进一步配置为：响应于差值大于零而输出控制第二叶轮的桨距角变化速率的第五指令，变桨系统响应于第五指令执行变桨，以改变第二叶轮的桨距角变化速率；第二比例积分控制器被进一步配置为：响应于差值小于零而控制第一叶轮的桨距角的变化速率的第六指令，变桨系统响应于第六指令执行变桨，以改变第一叶轮的桨距角变化速率。

根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有程序或指令，当程序或指令由处理器执行时执行上述扭转载荷控制方法。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，包括上述扭转载荷控制系统。

根据本发明的另一方面，提供一种计算装置，包括计算机可读存储介质和处理器，计算机可读存储介质存储有程序或指令，当程序或指令由处理器执行时执行上述扭转载荷控制方法。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组的扭转载荷控制装置，包括处理器，处理器被配置为执行上述扭转载荷控制方法。

根据本发明的实施例的扭转载荷控制方法可以降低扭转载荷。

根据本发明的实施例的扭转载荷控制方法可以降低扭转载荷的变化速率。

根据本发明的实施例的扭转载荷控制方法不需要复杂的算法估算叶轮所受的推力，需要获知叶轮的各种参数。

根据本发明的实施例的扭转载荷控制方法可以缓解风力发电机组的振动，减小载荷。

附图说明

现将详细参照本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明实施例，以便解释本发明。

图1示出根据本发明的实施例的多叶轮风力发电机组。

图2是示出根据本发明的第一实施例的扭转载荷控制方法的流程图。

图3是示出根据本发明的实施例的扭转时序载荷。

图4是示出根据本发明的第二实施例的扭转载荷控制方法的流程图。

图5是示出根据本发明的第三实施例的扭转载荷控制方法的流程图。

图6是示出根据本发明的第一实施例的扭转载荷控制系统的框图。

图7是示出根据本发明的第二实施例的扭转载荷控制系统的框图。

具体实施方式

本发明通过对多个叶轮中的相应叶轮的桨距角进行控制来减小塔架扭转载荷，本发明的扭转载荷控制方法及装置可以提高风力发电机组的安全性。此外，本发明的扭转载荷控制方法及装置可以缓解风力发电机组的振动。

以下，将参照附图更加详细地描述发明构思的示例性实施例。

图1示出根据本发明的实施例的多叶轮风力发电机组。

如图1所示，多叶轮风力发电机组可包括：多个叶轮(例如，第一叶轮10和第二叶轮20)以及塔架30，第一叶轮10和第二叶轮20可以分别连接到第一机舱和第二机舱(未示出)，第一机舱和第二机舱可通过连接部件(例如，沿水平方向上延伸的部件)彼此连接或者单独连接到塔架30，该连接部件可以由塔架30支撑并且可以在偏航电机的作用下在水平面内转动从而实现偏航。

另外，第一叶轮10和第二叶轮20设置在塔架30的两侧，第一叶轮10和第二叶轮20的叶轮面可以基本平行并且处于同一平面。例如，第一叶轮10和第二叶轮20可以对称地设置在塔架30的两侧。当然，第一叶轮10和第二叶轮20也可以不对称地设置在塔架30的两侧，并且可以设置在塔架30的不同高度。

多叶轮风力发电机组也可以包括三个叶轮或更多个叶轮。经研究，各个叶轮所受推力大小的不同是导致塔架扭转载荷增大甚至超过阈值范围的主要原因，扭转载荷过大会影响风力发电机组的安全运行。

具体如图1所示，由于环境因素的不同(例如，不同位置的叶轮所接收的风的风向、风速等不同)，第一叶轮10所受的推力F1与第二叶轮20所受的推力F2彼此不同，F1和F2分别垂直于第一叶轮10和第二叶轮20的叶轮旋转平面，由此对塔架30产生使其扭转的作用力。当扭转载荷超过其安全范围时，会影响机组的安全。

例如，当F1大于F2时，塔架30被施加顺时针方向(俯视)的扭转载荷，当F1小于F2时，塔架30被施加逆时针方向(俯视)的扭转载荷。在本发明中，将顺时针方向的扭转载荷定义为反向载荷，并且将逆时针方向的扭转载荷定义为正向载荷。当F1等于F2时，扭转载荷为零。这里的F1和F2可以分别为垂直于叶轮面的等效作用力。

如图1所示，可以在塔架的顶部安装载荷传感器(例如，应变片)，从而实时监测塔架30的扭转载荷，如上所述，该扭转载荷可以包括方向信息，例如，当扭转载荷为正向载荷(F1小于F2)时，所感测的扭转载荷具有正值，当扭转载荷为反向载荷时，所感测的扭转载荷具有负值。

根据本发明的实施例的扭转载荷控制方法，不用通过理论估计或计算各个叶轮面的推力大小以计算各叶轮推力的差异并基于该差异值对各个叶轮的桨距角进行控制和调整，而直接使用传感器监测扭转载荷的大小，从而避免叶轮面推力难以被准确计算(由于机组叶轮面推力计算所需叶片参数较多且计算方法较为复杂，机组实际运行状态复杂且多变(例如叶片参数可能因环境、运行时间长短等而发生变化，实际风速随机性大且风速测量仪准确度较低)等缺陷。

根据本发明的实施例，可以实时调整第一叶轮10和/或第二叶轮20的桨距角来降低扭转载荷。

图2是示出根据本发明的第一实施例的扭转载荷控制方法的流程图。

如图2所示，根据本发明的第一实施例的扭转载荷控制方法可包括：获取塔架的扭转载荷M1(S210)；将扭转载荷M1与极限值进行比较并获得第一比较结果(S220)；基于第一比较结果控制相应叶轮的桨距角(S230)。

这里的极限值可以是正常载荷范围的极限值。正常载荷范围可以根据塔架的材料等预先确定，例如，塔架的正常载荷范围M可以为ALdown≤M≤ALup，这里的ALdown和ALup分别为反向下限值和正向上限值，并且可以分别具有负值和正值。ALdown和ALup的大小可以相等。

例如，可以基于第一比较结果控制第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围。可选地，第一比较结果可以为扭转载荷为正向载荷时扭转载荷与正常载荷范围的正向上限值之间的差或者扭转载荷为反向载荷时扭转载荷与正常载荷范围的反向下限值之间的差。

此外，也可以先确定扭转载荷M1的方向，再基于扭转载荷M1与正常载荷范围的相应极限值之间的差值控制相应叶轮的桨距角。例如，如果扭转载荷M1为正向载荷，则可以将扭转载荷M1与正向上限值进行比较(例如，作差)并输出比较结果，如果该比较结果(差值)大于零，则说明第二叶轮20所受推力过大，因此可以相应地调节第二叶轮20的桨距角，从而减小第二叶轮20所受推力，从而减小扭转载荷，使其处于正常载荷范围(朝着正常载荷范围变化)。

具体地，可以响应于扭转载荷大于正常载荷范围的正向上限值ALup而增大第二叶轮20的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围内。例如，当第二叶轮20的桨距角增大时，第二叶轮20接收的风能减小，第二叶轮20所受的推力减小，因此第二叶轮20所受的推力F2与第一叶轮10所受的推力F1之间的差减小，由此可以减小正向扭转载荷的大小。

可选地，可以响应于扭转载荷小于正常载荷范围的反向下限值ALdown而增大第一叶轮10的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围内，例如，当第一叶轮10的桨距角增大时，第一叶轮10接收的风能减小，第一叶轮10所受的推力F1减小，因此第一叶轮10所受的推力F1与第二叶轮20所受的推力F2之间的差减小，由此可以减小反向扭转载荷的大小。

作为非限制性示例，可以通过各种算法基于第一比较结果获得桨距角调整值。例如，PID(比例-积分-微分)控制算法，Bang-Bang算法等。下面以PID控制算法为例进行详细说明。

例如，可以通过比例积分(PI，积分项为零)控制算法基于第一比较结果获得桨距角调整值，并基于桨距角调整值改变第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角，例如，可以通过PI控制算法基于实时获得的第一比较结果实时获得每一次调整的桨距角调整值。每一次调整的桨距角调整值可以基于扭转载荷与极限值(例如，参考值)之间的差以及PI控制算法的比例系数和积分系数确定，PI控制算法的比例系数和积分系数均可以为常数，并且可以为经验值，可以在实际调整过程中选取尽可能优的系数值。本发明的扭转载荷控制方法可以为非线性控制方法，可以快速接近稳态，并且可以消除稳态误差。

图3是示出根据本发明的实施例的扭转时序载荷。

图3示出了在极端风速的情况下扭转载荷时序对比示例。图3中的曲线G1是在没有调整的情况下实时监测的塔架扭转载荷，曲线G2为实时调整的过程中实时监测的扭转载荷，可以非常直观地看出，经过本发明的实施例的扭转载荷控制方法调整的扭转载荷大幅减小。

此外，还可以对扭转载荷的变化速率进行调整。

图4是示出根据本发明的第二实施例的扭转载荷控制方法的流程图。

如图4所示，根据本发明的第二实施例的扭转载荷控制方法还可包括：获取扭转载荷的变化速率N1(S410)；将变化速率N1与正常载荷变化速率范围的极限值进行比较并获得第二比较结果(例如，第二差值)(S420)；以及基于第二比较结果控制相应叶轮(第一叶轮10或第二叶轮20)的桨距角变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围(S430)。扭转载荷变化速率N1可以基于实时测量的扭转载荷计算获得，或者通过传感器直接获得。

正常载荷变化速率范围的极限值可以包括扭转载荷变化速率的正向上限值RLup(扭转载荷为正向载荷且扭转载荷正向增加的上限)以及扭转载荷变化速率的反向下限值RLdown(扭转载荷为反向载荷且扭转载荷反向增加的下限)。

例如，可以响应于扭转载荷的变化速率N1大于正常载荷变化速率范围的正向上限值RLup而控制第二叶轮20的桨距角变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围内。例如，当扭转载荷的变化速率大于正向上限值RLup时，说明扭转载荷为正向载荷且正向载荷的变化速率很大，此时，第二叶轮20的所受推力的变化速率过快(例如速率增加太快)，因此，可以快速调整第二叶轮20的桨距角变化速率，从而减缓第二叶轮20推力的增加速度以减小塔架扭转载荷正向增加的速率。

类似地，可以响应于扭转载荷的变化速率小于正常载荷变化速率范围的反向下限值RLdown而控制第一叶轮10的桨距角变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围内。例如，当扭转载荷的变化速率小于反向下限值RLdown时，说明扭转载荷为反向载荷且反向载荷的变化速率很大，此时，第一叶轮10的所受推力的变化速率过快(例如速率增加太快)，因此，可以快速调整第一叶轮10的桨距角变化速率，从而减缓第一叶轮10推力的增加速度以减小塔架扭转载荷反向增加的速率。

当扭转载荷为正向载荷时，扭转载荷变化速率具有正值，当扭转载荷为反向载荷时，扭转载荷变化速率具有负值。第二比较结果可以为扭转载荷正向变化时变化速率与正常载荷变化速率的正向上限值之间的差或者扭转载荷反向变化时变化速率与正常载荷变化速率的反向下限值之间的差。

也可以通过与上述控制扭转载荷的算法类似的算法控制扭转载荷变化速率。例如，可以通过PID控制算法控制扭转载荷的变化速率。

可以通过比例控制算法(PID控制算法的积分项和微分项为零)基于实时获得的第二比较结果(扭转载荷变化速率与相应极限值之间的差值)实时获得每一次调整的桨距角变化速率调整值。每一次调整的桨距角变化速率调整值可以基于扭转载荷的变化速率与相应极限值(例如，比例控制算法的参考值)之间的差以及比例控制算法的比例系数确定，比例控制算法的比例系数均可以为常数，并且可以为经验值，可以在实际调整过程中，选取尽可能优的系数值。本发明的扭转载荷变化速率的控制方法可以为非线性控制方法。通过比例控制算法调整扭转载荷的变化速率，可以对第一叶轮10或第二叶轮20的所受推力的快速变化进行快速响应。此外，还可以基于与第一叶轮10连接的第一机舱的加速度以及与第二叶轮20连接的第二机舱的加速度之间的差值调整扭转载荷变化速率。

图5是示出根据本发明的第三实施例的扭转载荷控制方法的流程图。

如图5所示，根据本发明的第三实施例的扭转载荷控制方法还可包括：获取与第一叶轮10连接的第一机舱的第一加速度和与第二叶轮20连接的第二机舱的第二加速度，并获得第一加速度与第二加速度之间的差值D1(S510)；响应于扭转载荷在正常载荷范围内，在S520和S540分别判断差值D1与预定值(例如，零)之间的大小关系，基于差值D1控制第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷(S530和S540)，或者也可以响应于扭转载荷在正常载荷范围内并且扭转载荷变化速率在正常载荷变化速率范围而基于差值D1控制第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷。此外，可以对实时检测的信号进行滤波，并且可以仅在实时检测的信号频率处于特定频带时控制扭转载荷变化速率，由此可以抑制塔架扭转载荷在该特定频带的振动幅度。

可选地，第一加速度和第二加速度可以分别通过设置在第一机舱和第二机舱内部的第一加速度传感器和第二加速度传感器获得。基于第一加速度和第二加速度之间的差值D1调整桨距角变化速率(例如，变桨速率)，可以减小机舱甚至整个机组的晃动。

具体地，可以响应于差值D1大于零而控制第二叶轮20的桨距角的变化速率以减小塔架的扭转等效疲劳载荷(S530)。即，当差值D1大于零时，可以控制第二叶轮20的桨距角的变化速率以减小塔架的扭转等效疲劳载荷。

可以响应于差值D1小于零而控制第一叶轮10的桨距角的变化速率以减小塔架的扭转等效疲劳载荷(S550)。即，当差值D1小于零时，可以控制第一叶轮10的桨距角的变化速率以减小塔架的扭转等效疲劳载荷。

虽然本发明的实施例中基于加速度之差控制逆转载荷变化速率是以预定值为判断基准，然而本发明不限于此，可以针对第一加速度大于第二加速度时设置接近但非零的判断基准并且针对第二加速度大于第一加速度时设置接近但非零的判断基准。也可以针对差值D1的大小设置非零的判断基准。例如，只有当差值D1的绝对值大于预定范围的上限值时才调整扭转载荷变化速率。

也可以通过与上述控制扭转载荷变化速率的算法类似的算法进一步控制扭转载荷变化速率。例如，可以通过PID控制算法进一步控制扭转载荷的变化速率。具体地，可以通过比例控制算法基于差值获得桨距角变化速率调整值，并基于桨距角变化速率调整值改变第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角变化速率。

例如，可以通过比例控制算法(PID控制算法的积分项和微分项为零)基于实时获得的差值D1确定获得每一次调整的桨距角变化速率调整值。每一次调整的桨距角变化速率调整值可以基于差值D1以及比例控制算法的比例系数确定，比例控制算法的比例系数均可以为常数，并且可以为经验值，可以在实际调整过程中，选取尽可能优的系数值。

需要说明的是，基于扭转载荷确定的桨距角调整值以及基于加速度之差确定的桨距角变化速率调整值以及扭转载荷变化速率确定的桨距角变化速率调整值均可以为附加的调整值，在原有变桨系统的桨距角变化速率调整值(例如，变桨速率)的基础上附加该调整值之后，优选使附后调整值之后的变桨速率以及变桨角度均满足发电要求。下面将以变桨系统作为执行机构描述本发明的扭转载荷控制系统。

图6是示出根据本发明的第一实施例的扭转载荷控制系统的框图，图7是示出根据本发明的第二实施例的扭转载荷控制系统的框图。

根据本发明的实施例的扭转载荷控制系统可包括第一传感器610和控制器620，第一传感器610可以感测塔架的扭转载荷，第一传感器610可以安装在多叶轮风力发电机组的塔架顶部。例如，第一传感器610可以安装在图1所示的P1位置。

控制器620可以将感测的扭转载荷与正常载荷范围的极限值进行比较并获得第一比较结果，并且可以基于第一比较结果输出控制第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角以使扭转载荷处于正常载荷范围的指令。

正常载荷范围可以根据塔架的材料等预先测定，塔架的正常载荷范围的极限值可分别如上文所述，这里不再赘述。

控制器620输出的指令可以输出到变桨系统630，变桨系统630可以是扭转载荷控制系统的一部分。

如图7所示，控制器620可以包括比例积分(PI)控制器621，第一比例积分控制器621可以基于第一比较结果获得桨距角调整值，并输出与桨距角调整值对应的控制指令Con1。此外，控制器620也可以是实现Bang-Bang算法的控制器，本发明不限于此。

第一比例积分控制器621输出的控制指令Con1可输入到变桨系统630。

变桨系统630可以响应于控制指令Con1执行变桨，以改变第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角，第一比较结果为扭转载荷为正向载荷时扭转载荷与正常载荷范围的正向上限值之间的差或者扭转载荷为反向载荷时扭转载荷与正常载荷范围的反向下限值之间的差。

第一比例积分控制器621也可以先确定扭转载荷M1的方向，再基于扭转载荷M1与正常载荷范围的相应极限值之间的差值控制相应叶轮的桨距角。例如，如果扭转载荷M1为正向载荷，则PI控制器可以将扭转载荷M1与正向上限值进行比较(例如，作差)并获得比较结果，如果该比较结果(差值)大于零，则可以相应地调节第二叶轮20的桨距角。

因此，第一比例积分控制器621可以响应于扭转载荷大于正常载荷范围的正向上限值而输出控制第二叶轮20的桨距角的第一指令(包括在控制指令Con1中)，变桨系统630可以响应于第一指令执行变桨，以使扭转载荷处于正常载荷范围内，这里的使扭转载荷处于正常载荷范围可以指使扭转载荷朝着正常载荷范围变化。

例如，当通过变桨系统630控制第二叶轮20的桨距角增大时，第二叶轮20接收的风能减小，第二叶轮20所受的推力减小，因此第二叶轮20所受的推力F2与第一叶轮10所受的推力F1之间的差减小，由此可以减小正向扭转载荷的大小。

再者，第一比例积分控制器621可以响应于扭转载荷小于正常载荷范围的反向下限值而输出控制第一叶轮10的桨距角的第二指令(包括在控制指令Con1中)，变桨系统630可以响应于第二指令执行变桨，以使扭转载荷处于正常载荷范围内。

例如，当第一比例积分控制器621输出的控制指令Con1控制第一叶轮10的桨距角增大时，第一叶轮10接收的风能减小，第一叶轮10所受的推力F1减小，因此第一叶轮10所受的推力F1与第二叶轮20所受的推力F2之间的差减小，由此可以减小反向扭转载荷的大小。

比例积分控制器执行的PI控制算法如上所述，比例项和积分项均可以为常数并且可以是经验值。PI控制器可以基于实时获得的第一比较结果实时获得每一次调整的桨距角调整值。每一次调整的桨距角调整值可以基于扭转载荷与极限值(例如，参考值)之间的差以及PI控制算法的比例系数和积分系数确定。相邻的两次调整之间的时间间隔可以基于传感器的采样率确定。

如图7所示，控制器620还可以包括第二比例积分控制器622，第二比例积分控制器622可以基于实时感测的扭转载荷计算扭转载荷的变化速率。例如，第二比例积分控制器622可以预先确定扭转载荷的方向，并且计算扭转载荷的变化速率。

此外，第二比例积分控制器622可以将变化速率与正常载荷变化速率范围的极限值进行比较并获得第二比较结果。响应于扭转载荷在正常载荷范围内，第二比例积分控制器622可以基于第二比较结果输出控制第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角的变化速率以使扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围的指令。类似地，这里的扭转载荷的变化速率处于正常载荷变化速率范围可以指使扭转载荷变化速率朝着正常载荷变化速率范围变化。

第二比例积分控制器622可以直接判断扭转载荷是否在正常载荷范围内，或者从比例积分控制器接收指示扭转载荷是否在正常载荷范围内的信号，并且做出响应或相应的控制。

从第二比例积分控制器622输出的控制指令Con2可以输入到变桨系统630。变桨系统630可以响应于控制指令Con2进行变桨，以改变第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角变化速率。

例如，当扭转载荷正向变化时，第二比较结果为变化速率与正常载荷变化速率的正向上限值之间的差，当扭转载荷反向变化时，第二比较结果为变化速率与正常载荷变化速率的反向下限值之间的差。扭转载荷正向变化是指扭转载荷为正向载荷时扭转载荷的变化，此时扭转载荷变化速率可以具有正值。扭转载荷反向变化是指扭转载荷为反向载荷时扭转载荷的变化，此时扭转载荷变化速率可以具有负值。

第二比例积分控制器622输出的控制指令Con2可以输入到变桨系统的用于变桨的原有PID控制器，可优选在保证风力发电机组正常发电的情况下，作为附加控制值控制变桨系统执行变桨。类似地，第二比例积分控制器622实施的比例控制算法的比例项可以是经验值。

第二比例积分控制器622可以响应于变化速率大于正常载荷变化速率范围的正向上限值而输出控制第二叶轮20的桨距角变化速率(变桨速率)的第三指令(包括在控制指令Con2中)，变桨系统630响应于第三指令执行变桨，以改变第二叶轮20的桨距角变化速率。

再者，第二比例积分控制器622可以响应于扭转载荷小于正常载荷变化速率范围的反向下限值而输出控制第一叶轮10的桨距角变化速率的第四指令(包括在控制指令Con2中)，变桨系统630可以响应于第四指令执行变桨，以改变第一叶轮10的桨距角变化速率。

例如，当扭转载荷的变化速率大于正向上限值RLup时，说明扭转载荷为正向载荷且正向载荷的变化速率很大，此时，第二叶轮20的所受推力的变化速率过快(例如速率增加太快)，因此，第二比例积分控制器622可以快速调整第二叶轮20的桨距角变化速率，从而减缓第二叶轮20推力的增加速度以减小塔架扭转载荷正向增加的速率。这里，仅考虑扭转载荷变化过程中的快速增大的情形。

再例如，当扭转载荷的变化速率小于反向下限值RLdown时，说明扭转载荷为反向载荷且反向载荷的变化速率很大，此时，第一叶轮10所受推力的变化速率过快(例如速率增加太快)，因此，第二比例积分控制器622可以快速调整第一叶轮10的桨距角变化速率，从而减缓第一叶轮10推力的增加速度以减小塔架扭转载荷反向增加的速率。

如图7所示，扭转载荷控制系统还可包括第二传感器710和第三传感器720，第二传感器710和第三传感器720可以分别安装在如图1所示的P2位置和P3位置。

第二传感器710和第三传感器720可以分别感测与第一叶轮10连接的第一机舱的第一加速度和与第二叶轮20连接的第二机舱的第二加速度。

控制器(例如，第二比例积分控制器622或第一比例积分控制器621)可以将第一加速度与第二加速度进行比较，并获得它们之间的差值，并且响应于扭转载荷在正常载荷范围内(或者响应于扭转载荷在正常载荷范围且扭转载荷变化速率在正常载荷变化速率范围)，基于差值D1输出控制第一叶轮10或第二叶轮20的桨距角的变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷的控制指令Con3。

换言之，第二比例积分控制器622可以基于差值D1获得桨距角变化速率调整值，并输出与桨距角变化速率调整值对应的控制指令Con3。

例如，第二比例积分控制器622可以进一步响应于差值D1大于零而输出控制第二叶轮20的桨距角的变化速率的第五指令(包括在控制指令Con3中)，变桨系统630可以响应于第五指令执行变桨，以改变第二叶轮20的桨距角变化速率。再者，第二比例积分控制器622可以进一步响应于差值D1小于零而控制第一叶轮10的桨距角的变化速率的第六指令(包括在控制指令Con3中)，变桨系统630可以响应于第六指令执行变桨，以改变第一叶轮10的桨距角变化速率。

变桨系统630可以基于第二比例积分控制器622输出的控制指令Con2以及控制指令Con3两者执行每一次变桨的变桨速率，而不分开执行与这两个控制指令对应的变桨，例如，变桨系统630可以仅响应其中与较小的变桨速率对应的控制指令Con2执行变桨。

此外，虽然图7中示出基于加速度之差执行控制的比例控制器以及基于扭转载荷的变化速率执行控制的比例控制器为同一比例控制器，但可以提供两个比例控制器分别执行控制。再者，第一比例积分控制器621和第二比例积分控制器622可以为同一PID控制器。

此外，扭转载荷控制系统还可以包括滤波器，该滤波器可以对实时监测的扭转载荷信号进行滤波，并且扭转载荷控制系统可以仅在实时监测信号的频率处于特定频带时控制扭转载荷变化速率，由此可以抑制塔架扭转载荷在该特定频带的振动幅度。

本发明的扭转载荷控制方法可以被编程为计算机程序并且相应的程序代码或指令可以被存储在计算机可读存储介质中，当程序代码或指令被处理器(例如，控制器)执行时使得处理器执行该扭转载荷控制方法，上述处理器和存储器可被包括在计算机设备中。

本发明的扭转载荷控制装置可以执行上述扭转载荷控制方法，例如，扭转载荷控制装置可以包括处理器，处理器被配置为执行扭转载荷控制方法。

本发明还提供一种风力发电机组，该风力发电机组可以包括上述扭转载荷控制装置、扭转载荷控制系统、计算机可读存储介质和计算机设备中的至少一个。

根据本发明的实施例，通过载荷传感器获取的塔架扭转载荷，确定塔架扭转载荷是否超出载荷极限值，若超出载荷极限值，则通过所设计的控制器增大桨距角，以减小叶轮之间推力的差异，从而减小塔架扭转载荷。

根据本发明的实施例，通过计算塔架扭转载荷变化速度并判断其是否超出相应的极限值，若超出相应的极限值，则通过所设计的控制器调整相应叶轮的变桨速率，以缓解该叶轮推力增大的速度，从而缓解叶轮之间推力的不平衡程度以减小塔架扭转载荷。

根据本发明的实施例，通过加速度传感器获取的机舱加速度信号，计算各叶轮之间机舱前后加速度差异，并对相应叶轮的变桨速率进行控制以抑制塔架扭转载荷在特定频率下的振动幅值和频次，从而降低塔架扭转疲劳载荷。

为了示意和描述的目的，给出了对本发明的描述，该描述的意图不在于以所公开的形式来穷尽或限制本发明。对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的情况下，可对实施例进行各种修改和改变。

Claims (20)

1.一种风力发电机组的扭转载荷控制方法，其特征在于，所述风力发电机组包括设置在塔架两侧的第一叶轮和第二叶轮，所述扭转载荷控制方法包括：

获取塔架的扭转载荷；

将所述扭转载荷与正常载荷范围的极限值进行比较并获得第一比较结果；

基于所述第一比较结果控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角以使所述扭转载荷处于所述正常载荷范围，

其中，响应于所述扭转载荷大于所述正常载荷范围的正向上限值而增大所述第二叶轮的桨距角以使所述扭转载荷处于所述正常载荷范围内；

响应于所述扭转载荷小于所述正常载荷范围的反向下限值而增大所述第一叶轮的桨距角以使所述扭转载荷处于所述正常载荷范围内，

其中，所述扭转载荷包括方向信息。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的扭转载荷控制方法，其特征在于，基于所述第一比较结果控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角以使所述扭转载荷处于所述正常载荷范围的步骤包括：

通过比例积分控制算法基于所述第一比较结果获得桨距角调整值，并基于所述桨距角调整值改变所述第一叶轮或所述第二叶轮的桨距角，

其中，所述第一比较结果为所述扭转载荷为正向载荷时所述扭转载荷与所述正常载荷范围的正向上限值之间的差或者所述扭转载荷为反向载荷时所述扭转载荷与所述正常载荷范围的反向下限值之间的差。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组的扭转载荷控制方法，其特征在于，还包括：

获取所述扭转载荷的变化速率；

将所述变化速率与正常载荷变化速率范围的极限值进行比较并获得第二比较结果；

响应于所述扭转载荷在所述正常载荷范围内，基于所述第二比较结果控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率以使所述扭转载荷的变化速率处于所述正常载荷变化速率范围。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组的扭转载荷控制方法，其特征在于，

响应于所述变化速率大于所述正常载荷变化速率范围的正向上限值而控制所述第二叶轮的桨距角变化速率以使所述扭转载荷的变化速率处于所述正常载荷变化速率范围内；

响应于所述变化速率小于所述正常载荷变化速率范围的反向下限值而控制所述第一叶轮的桨距角变化速率以使所述扭转载荷的变化速率处于所述正常载荷变化速率范围内。

5.根据权利要求3所述的风力发电机组的扭转载荷控制方法，其特征在于，基于所述第二比较结果控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率以使所述扭转载荷的变化速率处于所述正常载荷变化速率范围的步骤包括：

通过比例控制算法基于所述第二比较结果获得桨距角变化速率调整值，并且基于桨距角变化速率调整值改变所述第一叶轮或所述第二叶轮的桨距角变化速率，

其中，所述第二比较结果为所述扭转载荷正向变化时所述变化速率与所述正常载荷变化速率的正向上限值之间的差或者所述扭转载荷反向变化时所述变化速率与所述正常载荷变化速率的反向下限值之间的差。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组的扭转载荷控制方法，其特征在于，还包括：

获取与所述第一叶轮连接的第一机舱的第一加速度和与所述第二叶轮连接的第二机舱的第二加速度，并获得所述第一加速度与所述第二加速度之间的差值；

响应于所述扭转载荷在所述正常载荷范围内，基于所述差值控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组的扭转载荷控制方法，其特征在于，

响应于所述差值大于零而控制所述第二叶轮的桨距角变化速率以减小塔架的扭转等效疲劳载荷；

响应于所述差值小于零而控制所述第一叶轮的桨距角变化速率以减小塔架的扭转等效疲劳载荷。

8.根据权利要求6所述的风力发电机组的扭转载荷控制方法，其特征在于，基于所述差值控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷的步骤包括：

通过比例控制算法基于所述差值获得桨距角变化速率调整值，并基于所述桨距角变化速率调整值改变所述第一叶轮或所述第二叶轮的桨距角变化速率。

9.一种风力发电机组的扭转载荷控制系统，其特征在于，所述风力发电机组包括设置在塔架两侧的第一叶轮和第二叶轮，所述扭转载荷控制系统包括：

第一传感器，感测塔架的扭转载荷；

控制器，被配置为将所述扭转载荷与正常载荷范围的极限值进行比较并获得第一比较结果，基于所述第一比较结果输出控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角以使所述扭转载荷处于所述正常载荷范围的指令，

所述扭转载荷控制系统还包括变桨系统，所述控制器包括第一比例积分控制器，

其中，所述第一比例积分控制器被配置为：响应于所述扭转载荷大于所述正常载荷范围的正向上限值而输出控制所述第二叶轮的桨距角的第一指令，所述变桨系统响应于所述第一指令执行变桨，以使所述扭转载荷处于所述正常载荷范围内；

所述第一比例积分控制器被配置为：响应于所述扭转载荷小于所述正常载荷范围的反向下限值而输出控制所述第一叶轮的桨距角的第二指令，所述变桨系统响应于所述第二指令执行变桨，以使所述扭转载荷处于所述正常载荷范围内，

其中，所述扭转载荷包括方向信息。

10.根据权利要求9所述的风力发电机组的扭转载荷控制系统，其特征在于，所述第一比例积分控制器被进一步配置为基于所述第一比较结果获得桨距角调整值，并输出与所述桨距角调整值对应的控制指令，

所述变桨系统响应于所述控制指令执行变桨，以改变所述第一叶轮或所述第二叶轮的桨距角，

其中，所述第一比较结果为所述扭转载荷为正向载荷时所述扭转载荷与所述正常载荷范围的正向上限值之间的差或者所述扭转载荷为反向载荷时所述扭转载荷与所述正常载荷范围的反向下限值之间的差。

11.根据权利要求9所述的风力发电机组的扭转载荷控制系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置为：

计算所述扭转载荷的变化速率；

将所述变化速率与正常载荷变化速率范围的极限值进行比较并获得第二比较结果；

响应于所述扭转载荷在所述正常载荷范围内，基于所述第二比较结果输出控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率以使所述扭转载荷的变化速率处于所述正常载荷变化速率范围的指令。

12.根据权利要求11所述的风力发电机组的扭转载荷控制系统，其特征在于，所述控制器还包括第二比例积分控制器，所述第二比例积分控制器被配置为基于所述第二比较结果获得桨距角变化速率调整值，并输出与桨距角变化速率调整值对应的控制指令，

所述变桨系统响应于所述控制指令进行变桨，以改变所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率，

其中，所述第二比较结果为所述扭转载荷正向变化时所述变化速率与所述正常载荷变化速率的正向上限值之间的差或者所述扭转载荷反向变化时所述变化速率与所述正常载荷变化速率的反向下限值之间的差。

13.根据权利要求12所述的风力发电机组的扭转载荷控制系统，其特征在于，

所述第二比例积分控制器被进一步配置为：响应于所述变化速率大于所述正常载荷变化速率范围的正向上限值而输出控制所述第二叶轮的桨距角变化速率的第三指令，所述变桨系统响应于所述第三指令执行变桨，以改变所述第二叶轮的桨距角变化速率；

所述第二比例积分控制器被进一步配置为：响应于所述扭转载荷小于所述正常载荷变化速率范围的反向下限值而输出控制所述第一叶轮的桨距角变化速率的第四指令，所述变桨系统响应于所述第四指令执行变桨，以改变所述第一叶轮的桨距角变化速率。

14.根据权利要求9所述的风力发电机组的扭转载荷控制系统，其特征在于，所述扭转载荷控制系统还包括：第二传感器和第三传感器，分别感测与所述第一叶轮连接的第一机舱的第一加速度和与所述第二叶轮连接的第二机舱的第二加速度；

所述控制器被进一步配置为将所述第一加速度与所述第二加速度进行比较，并获得它们之间的差值，并且响应于所述扭转载荷在所述正常载荷范围内，基于所述差值输出控制所述第一叶轮或第二叶轮的桨距角变化速率来减小塔架的扭转等效疲劳载荷的指令。

15.根据权利要求14所述的风力发电机组的扭转载荷控制系统，其特征在于，所述控制器还包括第二比例积分控制器，所述第二比例积分控制器被配置为基于所述差值获得桨距角变化速率调整值，并输出与所述桨距角变化速率调整值对应的控制指令，

所述变桨系统响应于所述控制指令执行变桨，以减小塔架的扭转等效疲劳载荷。

16.根据权利要求15所述的风力发电机组的扭转载荷控制系统，其特征在于，

所述第二比例积分控制器被进一步配置为：响应于所述差值大于零而输出控制所述第二叶轮的桨距角变化速率的第五指令，所述变桨系统响应于所述第五指令执行变桨，以改变所述第二叶轮的桨距角变化速率；

所述第二比例积分控制器被进一步配置为：响应于所述差值小于零而控制所述第一叶轮的桨距角的变化速率的第六指令，所述变桨系统响应于所述第六指令执行变桨，以改变所述第一叶轮的桨距角变化速率。

17.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序或指令，当所述程序或指令由处理器执行时执行根据权利要求1-8中的任一项所述的扭转载荷控制方法。

18.一种风力发电机组，其特征在于，包括根据权利要求9-16中的任一项所述的扭转载荷控制系统。

19.一种计算装置，其特征在于，包括计算机可读存储介质和处理器，所述计算机可读存储介质存储有程序或指令，当所述程序或指令由所述处理器执行时执行根据权利要求1-8中的任一项所述的扭转载荷控制方法。

20.一种风力发电机组的扭转载荷控制装置，其特征在于，所述扭转载荷控制装置包括处理器，所述处理器被配置为执行根据权利要求1至8中任一项所述的扭转载荷控制方法。

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