CN113137332B - 一种优化风力发电机组塔架侧向振动的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，该方法的加阻功能是以加速度作为输入，通过相位调制的方式将其转化为功能意义上的等效速度，而不是通过加速度积分所得的误差较大的速度作为输入，提高了加阻功能的准确性；同时由于加速度信号采集传输延时、发电机转矩执行延时等导致的相位补偿不需要通过参数整定的方式去确定，而是通过固定的计算公式去确定，避免了人为经验的差异性。另外，由于真实机组各物理部件模型的复杂性，建立的机组数学模型不一定能够很好地表征现场机组真实情况，其所得的系数K1应用到现场机组不一定能够得到最佳的效果，而该方法则采用一种现场调试的方法来确定该参数，可靠性高。

Description

一种优化风力发电机组塔架侧向振动的控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电控制的技术领域，尤其是指一种优化风力发电机组塔架侧向振动的控制方法。
背景技术
随着风力发电技术的发展以及市场的需求，单机容量的大型化是当前风电技术发展的必然趋势。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少塔架材料的用量、增加机组寿命保证机组安全运行的关键因素，同时由于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、传动链、叶片等大部件出现异常，另外当机组出现塔架振动超限的时候必须立即停机，前往机组进行大部件检查才可复位故障安全启机，由于风场机位大多路况相对比较恶劣且较远，导致故障排查复位时间较长，损失相当一部分发电量，因此塔架振动的控制对风力发电机组的稳定、高效运行具有十分重要的意义。
目前针对减小机组塔架振动，主要有两种方案：一种是在机舱顶部安装容器管道，在管道里面灌水，从物理层面增加塔架系统的阻尼，进而减小塔架振动，该方案会增加整机的制造成本及维护成本；另外一种是从软件控制层面改变塔架系统的动态特性微分方程，增加塔架系统阻尼，进而减小塔架振动，目前大多风力发电机组采用该方案减小机组塔架振动载荷，其基本原理如下文所述。
风力发电机组的塔架系统左右(侧向)振动的动态特性微分方程为
Figure BDA0002962759290000011
其中M为塔架的等效模态质量，D为塔架侧向阻尼系数，K为塔架刚度系数，x为塔架左右方向振动的位移，
Figure BDA0002962759290000012
为塔架速度，
Figure BDA0002962759290000013
为塔架加速度，当ΔF附加力＝0的时候，整个塔架系统的阻尼为D，当在发电机转矩中增加一个
Figure BDA0002962759290000021
的扰动力矩时，整个塔架系统的动态特性微分方程为
Figure BDA0002962759290000022
由公式可以看出增加扰动力矩之后整个塔架系统的阻尼由D增加为D+K1，进而能够很好的抑制机组塔架左右振动。通过
Figure BDA0002962759290000023
可以看出，以下2点会决定最终塔架加阻的效果：
1、如何获取准确的塔架侧向振动速度
Figure BDA0002962759290000026
准确的侧向振动速度包含两个方面，一是速度的大小要与真实的塔架速度基本一致，二是由于测量信号的传输、发电机转矩执行的响应都存在延时，所以需要进行准确的相位补偿让测量的速度相位要与真实的塔架速度相位是一致，不能存在过大的相位延时，否则不但没有增加塔架的阻尼，反而减少了塔架的阻尼。由于目前95％以上的风力发电机组并没有专门的传感器来测量塔筒运动速度
Figure BDA0002962759290000024
而是采用加速度传感器来测量塔筒的振动情况，当监测到振动加速度大的时候触发故障停机，所以能够获取的只有塔筒振动加速度信号
Figure BDA0002962759290000025
目前绝大部分塔架加阻方案都是利用塔筒的加速度信号积分得到塔筒速度信号，之后通过闭环回路参数整定确定需要补偿多少相位。由于传感器所测得的塔筒正弦加速度信号本身就不是完全准确，对其不断地积分，随着时间的推移会导致最终的结果越来越不准，虽然有些方案采用了一些复杂的数学手段让加速度积分得到速度的过程更加合理，但依旧存在较大的积分误差，以及实现起来相对复杂，中间的处理过程需要选取合适的参数；另外加速度积分得到速度后，相位的补偿采取模型参数整定的方法，由于每个工程师整定参数的经验存在差异性，需要依靠整定参数的工程师具备一定的经验。
2、如何选取比较合适的系数K1达到预期的加阻效果，目前大多数方案是通过结合数学模型进行参数整定来确定，由于真实风机各物理部件模型的复杂性，建立的风机数学模型不一定能够很好的表征现场机组真实情况，其所得的系数K1应用到现场机组不一定能够得到最佳的效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种可行的优化风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，可在整机设计之初用以降低塔架载荷，减少后期批量化机组的塔架成本，同时一款机型已经设计出来在现场运行的时候，能够优化机组振动故障，一来保证机组安全稳定运行，二来避免停机去机位检查大部件带来的发电量损失。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种优化风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，包括以下步骤：
1)测量塔架左右振动加速度：在风力发电机组的机舱上安装加速度传感器，用于将塔架振动加速转化为电信号，然后再对电信号进行测量和转换，使其成为加速度信号输入给风力发电机组的塔架侧向加阻控制器；
2)加速度信号转化为速度信号：当塔架左右振动被激励起来的时候其速度
Figure BDA0002962759290000031
其中A为幅值，f塔架为塔架固有频率，t为时间，则对速度求导得到加速度
Figure BDA0002962759290000032
速度的幅值为加速度幅值的
Figure BDA0002962759290000033
倍，速度的相位比加速度滞后90°，即加阻功能的输入速度
Figure BDA0002962759290000034
其中
Figure BDA0002962759290000035
表示相位滞后
Figure BDA0002962759290000038
为90°的加速度；
3)获取加速度传感器传输数据到风力发电机组的PLC延时时间为T1、转矩响应的纯延时为T2，则由于硬件延时需要补偿的相位角为
Figure BDA0002962759290000036
其中T塔架为塔架共振周期；
4)最终侧向加阻功能的输入速度为
Figure BDA0002962759290000037
即
Figure BDA0002962759290000041
其中ΔF附加力为发电机附加力矩，K1为增益系数，由于最终系数
Figure BDA0002962759290000042
需要在现场机组调试确定，令
Figure BDA0002962759290000043
即
Figure BDA0002962759290000044
其中K2为增益系数；
5)构造一个二阶低通滤波器进行相位补偿，使得其在塔架频率f塔架处的Bode图相位为-90°+(T1+T2)f塔架·360°；
6)将塔架左右加阻功能代码添加到PLC主控程序之中，前往现场进行增益系数K2的调试：首先用一个小的负增益去激励塔架振动，然后不断增大负增益的幅值，直到机组塔架的左右振动被激励起来，记录此时采用的增益系数K3，再通过不断调试设定增益系数K2在(-0.6K3，-K3)区变动，使得开启塔架左右加阻功能之后，机组塔架左右振动幅值在塔架固有频率处的振动幅值得到消减；
7)塔架侧向加阻控制器输出的加阻补偿转矩输入给风力发电机组的转矩控制器，转矩控制器将其转矩指令传送给风力发电机组的变频器，从而实现机组塔架侧向振动的减小。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、通过对加速度传感器所得的塔架左右侧向加速度振动信号进行相位补偿，得到在控制上等效的速度比直接进行积分所得的速度更加准确，不存在随着时间的增加积分误差越来越大的情况。
2、加速度信号采集传输延时、发电机转矩执行延时等导致的相位补偿通过固定的计算公式去确定，不需要通过复杂的闭环系统参数整定的方式去确定，避免了人为经验的差异性。
3、如何选取比较合适的增益系数K1达到预期的加阻效果，目前大多数方案是通过结合数学模型进行参数整定来确定，由于真实风力发电机组各物理部件模型的复杂性，建立的机组数学模型不一定能够很好地表征现场机组真实情况，其所得的系数K1应用到现场机组不一定能够得到最佳的效果，而本发明则是采用一种现场调试的方法来确定该参数，可靠性高。
附图说明
图1为风力发电机组塔架左右侧向振动加阻控制原理图。
图2为风力发电机组塔架侧向振动控制流程图。
图3为开关塔架加阻功能Z轴(左右方向)振动加速度曲线时域、频域对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例所提供的优化风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其加阻控制原理框架如图1所示，实施的流程如图2所示，具体方案如下：
1)风力发电机组的PLC上电之后初始化控制器参数。
2)测量塔架左右振动加速度：在风力发电机组的机舱上安装加速度传感器，用于将塔架振动加速转化为电信号，然后再对电信号进行测量和转换，使其成为加速度信号输入给风力发电机组的塔架侧向加阻控制器。
3)加速度信号转化为速度信号：当塔架左右振动被激励起来的时候其速度
Figure BDA0002962759290000051
其中A为幅值，f塔架为塔架固有频率，t为时间，则对速度求导得到加速度
Figure BDA0002962759290000052
速度的幅值为加速度幅值的
Figure BDA0002962759290000053
倍，速度的相位比加速度滞后90°，即加阻功能的输入速度
Figure BDA0002962759290000061
其中
Figure BDA0002962759290000062
表示相位滞后
Figure BDA0002962759290000063
为90°的加速度。
4)获取加速度传感器传输数据到风力发电机组的PLC延时时间为T1、转矩响应的纯延时为T2，则由于硬件延时需要补偿的相位角为
Figure BDA0002962759290000064
其中T塔架为塔架共振周期。
5)最终侧向加阻功能的输入速度为
Figure BDA0002962759290000065
即
Figure BDA0002962759290000066
其中ΔF附加力为发电机附加力矩，K1为增益系数，由于最终系数
Figure BDA0002962759290000067
需要在现场机组调试确定，令
Figure BDA0002962759290000068
即
Figure BDA0002962759290000069
其中K2为增益系数。
6)构造一个二阶低通滤波器进行相位补偿，使得其在塔架频率f塔架处的Bode图相位为-90°+(T1+T2)f塔架·360°。
7)将塔架左右加阻功能代码添加到PLC主控程序之中，前往现场进行增益系数K2的调试：首先用一个较小的负增益去激励塔架振动，然后不断增大负增益的幅值，直到机组塔架的左右振动被激励起来，记录此时采用的增益系数K3，再通过不断调试设定增益系数K2在(-0.6K3，-K3)区变动，最终的评价指标如图3所示，使得开启塔架左右加阻功能之后，机组塔架左右振动幅值在塔架固有频率处的振动幅值得到明显的消减。
8)塔架侧向加阻控制器输出的加阻补偿转矩输入给风力发电机组的转矩控制器，转矩控制器将其转矩指令传送给风力发电机组的变频器，从而实现机组塔架侧向振动的减小。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种优化风力发电机组塔架侧向振动的控制方法，其特征在于，该方法是在风力发电机组的PLC中增加一段加阻控制程序，用于实现加阻功能；其包括以下步骤：
1)测量塔架左右振动加速度：在风力发电机组的机舱上安装加速度传感器，用于将塔架振动加速转化为电信号，然后再对电信号进行测量和转换，使其成为加速度信号输入给风力发电机组的塔架侧向加阻控制程序；
2)加速度信号转化为速度信号：当塔架左右振动被激励起来的时候其速度
Figure FDA0003403959450000011
其中A为幅值，f塔架为塔架固有频率，t为时间，则对速度求导得到加速度
Figure FDA0003403959450000012
速度的幅值为加速度幅值的
Figure FDA0003403959450000013
倍，速度的相位比加速度滞后90°，即加阻功能的输入速度
Figure FDA0003403959450000014
其中
Figure FDA0003403959450000015
表示相位滞后
Figure FDA0003403959450000016
为90°的加速度；
3)获取加速度传感器传输数据到风力发电机组的PLC延时时间为T1、转矩响应的纯延时为T2，则由于硬件延时需要补偿的相位角为
Figure FDA0003403959450000017
其中T塔架为塔架共振周期；
4)最终侧向加阻功能的输入速度为
Figure FDA0003403959450000018
即
Figure FDA0003403959450000019
其中ΔF附加力为发电机附加力矩，K1为增益系数，由于最终系数
Figure FDA00034039594500000110
需要在现场机组调试确定，令
Figure FDA00034039594500000111
即
Figure FDA00034039594500000112
其中K2为增益系数；
5)构造一个二阶低通滤波器进行相位补偿，使得其在塔架频率f塔架处的Bode图相位为-90°+(T1+T2)f塔架·360°；
6)将塔架左右加阻功能代码添加到PLC主控程序之中，前往现场进行增益系数K2的调试：首先用一个小的负增益去激励塔架振动，然后不断增大负增益的幅值，直到机组塔架的左右振动被激励起来，记录此时采用的增益系数K3，再通过不断调试设定增益系数K2在(-0.6K3，-K3)区变动，使得开启塔架左右加阻功能之后，机组塔架左右振动幅值在塔架固有频率处的振动幅值得到消减；
7)塔架侧向加阻控制程序输出的加阻补偿转矩输入给风力发电机组的转矩控制器，转矩控制器将其转矩指令传送给风力发电机组的变频器，从而实现机组塔架侧向振动的减小。
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