CN114962168A - 用于风力发电机组的变桨控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于风力发电机组的变桨控制方法和装置。所述方法包括：获取风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；根据相关运动参数确定用于抑制塔架振动的阻尼变桨参考分量；通过阻尼变桨参考分量对控制功能的变桨参考进行调整；使用调整后的变桨参考来控制变桨致动器的运行。所述装置包括：塔架监测单元，被配置为获取风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；阻尼减振单元，被配置为根据相关运动参数确定用于抑制塔架振动的阻尼变桨参考分量；变桨调整单元，被配置为通过阻尼变桨参考分量对控制功能的变桨参考进行调整；变桨控制单元，被配置为使用调整后的变桨参考来控制变桨致动器的运行。
Description
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种用于风力发电机组的变桨控制方法和装置。
背景技术
通常，风力发电机组在运行过程中会产生塔架振动，塔架振动会使得塔架在前后方向上运动，这不仅会影响机组的稳定运行和发电量，而且还会增大机组载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供用于风力发电机组的变桨控制方法和装置。
根据本发明的一方面，提供一种用于风力发电机组的变桨控制方法，所述变桨控制方法包括：获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；根据所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量；通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整；使用调整后的所述变桨参考来控制所述风力发电机组的变桨致动器的运行。
优选地，所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数包括以下项中的至少一个：所述风力发电机组的塔架在前后方向上运动的速度；所述风力发电机组的塔架在前后方向上运动的加速度；所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动频率；以及所述风力发电机组的塔架在前后方向上承受的推力。
优选地，所述获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数，包括：测量所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；使用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器对测量的相关运动参数进行处理，以获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数的相对真值；获取所述相对真值作为所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数。
优选地，所述根据所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量，包括：将所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数乘以塔架阻尼增益，以得到用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。
优选地，所述变桨控制方法还包括：基于所述风力发电机组的周围环境状况确定所述塔架阻尼增益。
优选地，所述根据所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量，包括：向所述风力发电机组的模型预测控制输入包括所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数在内的所述风力发电机组的多种状态参数；从所述模型预测控制中导出所述风力发电机组的待执行的控制序列，所述控制序列包括所述风力发电机组的多个控制功能、用于执行所述多个控制功能中的每个控制功能的变桨参考以及所述阻尼变桨参考分量。
优选地，所述通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整，包括：当执行所述多个控制功能中的每个控制功能时，通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行相应控制功能的变桨参考进行调整。
优选地，所述从所述模型预测控制中导出所述风力发电机组的待执行的控制序列，包括：构建与所述风力发电机组的待执行的控制序列相关的成本函数；使用所述成本函数寻找满足所述风力发电机组的性能指标的要求的所述风力发电机组的待执行的最优控制序列；将所述最优控制序列确定为所述风力发电机组的待执行的控制序列。
优选地，所述风力发电机组的性能指标的要求包括以下项中的至少一个：所述风力发电机组的转子速度达到与风速匹配的期望速度；所述风力发电机组的输出功率达到与风速匹配的期望功率；以及所述风力发电机组的机组载荷减小到期望值以下。
优选地，所述变桨参考包括以下项中的至少一个：所述变桨致动器的变桨速度；以及所述变桨致动器的桨距位置。
优选地，所述通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整，包括：在所述变桨参考被发送至所述变桨致动器之前，通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整。
根据本发明的另一方面，提供一种用于风力发电机组的变桨控制装置，所述变桨控制装置包括：塔架监测单元，被配置为：获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；阻尼减振单元，被配置为：根据所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量；变桨调整单元，被配置为：通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整；变桨控制单元，被配置为：使用调整后的所述变桨参考来控制所述风力发电机组的变桨致动器的运行。
优选地，所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数包括以下项中的至少一个：所述风力发电机组的塔架在前后方向上运动的速度；所述风力发电机组的塔架在前后方向上运动的加速度；所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动频率；以及所述风力发电机组的塔架在前后方向上承受的推力。
优选地，所述塔架监测单元包括：塔架状态测量单元，被配置为：测量所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；塔架状态估计单元，被配置为：使用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器对测量的相关运动参数进行处理，以获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数的相对真值；塔架状态获取单元，被配置为：获取所述相对真值作为所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数。
优选地，所述阻尼减振单元，被进一步配置为：将所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数乘以塔架阻尼增益，以得到用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。
优选地，所述变桨控制装置还包括：增益确定单元，被配置为：基于所述风力发电机组的周围环境状况确定所述塔架阻尼增益。
优选地，所述阻尼减振单元包括：模型预测控制单元，被配置为：向所述风力发电机组的模型预测控制输入包括所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数在内的所述风力发电机组的多种状态参数；控制序列导出单元，被配置为：从所述模型预测控制中导出所述风力发电机组的待执行的控制序列，所述控制序列包括所述风力发电机组的多个控制功能、用于执行所述多个控制功能中的每个控制功能的变桨参考以及所述阻尼变桨参考分量。
优选地，所述变桨调整单元，被进一步配置为：当执行所述多个控制功能中的每个控制功能时，通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行相应控制功能的变桨参考进行调整。
优选地，所述控制序列导出单元包括：成本函数构建单元，被配置为：构建与所述风力发电机组的待执行的控制序列相关的成本函数；最优控制寻找单元，被配置为：使用所述成本函数寻找满足所述风力发电机组的性能指标的要求的所述风力发电机组的待执行的最优控制序列；最优控制确定单元，被配置为：将所述最优控制序列确定为所述风力发电机组的待执行的控制序列。
优选地，所述风力发电机组的性能指标的要求包括以下项中的至少一个：所述风力发电机组的转子速度达到与风速匹配的期望速度；所述风力发电机组的输出功率达到与风速匹配的期望功率；以及所述风力发电机组的机组载荷减小到期望值以下。
优选地，所述变桨参考包括以下项中的至少一个：所述变桨致动器的变桨速度；以及所述变桨致动器的桨距位置。
优选地，所述变桨调整单元，被进一步配置为：在所述变桨参考被发送至所述变桨致动器之前，通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整。
根据本发明的另一方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时，实现如前面所述的用于风力发电机组的变桨控制方法。
据本发明的另一方面，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如前面所述的用于风力发电机组的变桨控制方法。
根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制方法和装置不仅可有效地减小因塔架振动而给机组的稳定运行和发电量带来的负面影响，降低机组载荷，而且可进一步提升风力发电机组的变桨控制的精度。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制方法的流程图；
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置的结构框图；
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制的系统架构图；
图4示出了根据本发明的示例性实施例的使用扩展卡尔曼滤波器的塔架状态参数估计器的接口示意图；
图5A示出了应用根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置来控制风力发电机组的变桨致动器的系统的示意图；以及
图5B示出了应用根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置来控制风力发电机组的变桨致动器的系统的另一示意图。
具体实施方式
本发明的构思在于：由于塔架在前后方向上的振动可通过塔架在前后方向上的相关运动参数(诸如，但不限于，塔架在前后方向上运动的速度、加速度、振动频率和承受的推力等)来表征，因此，可根据塔架在前后方向上的相关运动参数来产生用于抑制塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量，该阻尼变桨参考分量可产生阻尼作用，以使塔架朝另一方向(或与塔架运动方向相反的方向)运动，从而有效地减小因塔架振动而给机组的稳定运行和发电量带来的各种负面影响。
下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制方法的流程图100。
参照图1，图1所示的方法可包括如下步骤：
在步骤110，可获取风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数。
这里，获取的相关运动参数可包括，但不限于，以下项中的一个或它们的组合：风力发电机组的塔架在前后方向上运动的速度、风力发电机组的塔架在前后方向上运动的加速度、风力发电机组的塔架在前后方向上的振动频率以及风力发电机组的塔架在前后方向上承受的推力。一般来说，可通过设置在风力发电机组的塔架上的相应传感器来感测这些相关运动参数。
考虑到感测的数据中可能包括系统中的噪声和干扰，这会影响后续对变桨控制的调整的精准度，因此，在示例中，可测量风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数，使用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器对测量的相关运动参数进行处理以获取风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数的相对真值，并且获取该相对真值作为风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数。
在步骤120，可根据风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。
在一个示例中，可将风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数乘以塔架阻尼增益，以得到用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。这里，塔架阻尼增益可以是设定的放大倍数，并且塔架阻尼增益越大，塔架在前后方向上的运动所受到的阻尼也越大，但是，这会影响风力发电机组的发电机转子转速，造成发电功率损失，此外，还会导致机组运行系统不稳定，因为阻尼作用会使塔架朝另一方向运动。为了平衡塔架阻尼与发电功率损失，作为一个可行的实施方式，可基于所述风力发电机组的周围环境状况(诸如，风速、湍流等)来确定塔架阻尼增益。这样可使得塔架阻尼增益的变化比塔架在前后方向上的速度的变化慢。
在另一示例中，可向风力发电机组的模型预测控制(Model Predictive Control，简称MPC)输入包括风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数在内的风力发电机组的多种状态参数，然后从所述模型预测控制中导出风力发电机组的待执行的控制序列，该控制序列可包括风力发电机组的多个控制功能、用于执行多个控制功能中的每个控制功能的变桨参考以及用于抑制风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。这种通过模型预测控制获取到的阻尼变桨参考分量通常为最优结果，因此可确保后续变桨参考调整的精确性。
为平衡风力发电机组的性能指标之间的差异要求，在该示例中，可构建与风力发电机组的待执行的控制序列相关的成本函数，使用成本函数寻找满足风力发电机组的性能指标的要求的风力发电机组的待执行的最优控制序列，并且将最优控制序列确定为风力发电机组的待执行的控制序列。通过成本函数可最大化风力发电机组的发电量、最小化风力发电机组的发电机转速误差以及最小化风力发电机组的塔架在前后方向上的速度等。
这里，风力发电机组的性能指标的要求可包括，但不限于，以下项中的一个或它们的组合：风力发电机组的转子速度达到与风速匹配的期望速度、风力发电机组的输出功率达到与风速匹配的期望功率以及所述风力发电机组的机组载荷减小到期望值以下。
应当理解，尽管上面描述了根据塔架在前后方向上的相关运动参数来确定阻尼变桨参考分量的示例，但是这些示例仅仅是示例性的，本发明并不限于此，其他用于确定阻尼变桨参考分量的方法也均可应用于本发明。
在步骤130，可通过阻尼变桨参考分量对用于执行风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整。
这里，变桨参考可包括，但不限于，以下项中的一个或它们的组合：变桨致动器的变桨速度以及变桨致动器的桨距位置。在示例中，可将阻尼变桨参考分量加算到用于执行风力发电机组的控制功能的变桨参考中，以调整变桨参考中的变桨致动器的变桨速度和/或变桨致动器的桨距位置，从而产生具有阻尼作用的变桨参考。
另外，在使用模型预测控制的情况下，可在执行多个控制功能中的每个控制功能时通过阻尼变桨参考分量对用于执行相应控制功能的变桨参考进行调整。
为确保变桨参考得到及时调整，在上述示例中，可在变桨参考被发送至变桨致动器之前通过阻尼变桨参考分量对用于执行风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整。
在步骤140，可使用调整后的变桨参考来控制风力发电机组的变桨致动器的运行。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置的结构框图200。
参照图2，图2所示的变桨控制装置可包括塔架监测单元210、阻尼减振单元220、变桨调整单元230和变桨控制单元240，其中，塔架监测单元210 可被配置为获取风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；阻尼减振单元200可被配置为根据风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量；变桨调整单元230可被配置为通过阻尼变桨参考分量对用于执行风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整；变桨控制单元240可被配置为使用调整后的变桨参考来控制风力发电机组的变桨致动器的运行。
在图2所示的变桨控制装置中，塔架监测单元210可包括塔架状态测量单元、塔架状态估计单元和塔架状态获取单元(均未示出)，其中，塔架状态测量单元可被配置为测量风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；塔架状态估计单元可被配置为使用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器对测量的相关运动参数进行处理，以获取风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数的相对真值；塔架状态获取单元可被配置为获取相对真值作为风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数。这里，获取的相关运动参数可包括，但不限于，以下项中的一个或它们的组合：风力发电机组的塔架在前后方向上运动的速度、风力发电机组的塔架在前后方向上运动的加速度、风力发电机组的塔架在前后方向上的振动频率以及风力发电机组的塔架在前后方向上承受的推力。
在一个示例中，阻尼减振单元220可被进一步配置为将风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数乘以塔架阻尼增益，以得到用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。另外，图2 所示的变桨控制装置还可包括增益确定单元(未示出)，增益确定单元可被配置为基于风力发电机组的周围环境状况(诸如，风速、湍流等)确定塔架阻尼增益。
在另一示例中，阻尼减振单元220可包括和模型预测控制单元和控制序列导出单元(均未示出)，其中，模型预测控制单元可被配置为向风力发电机组的模型预测控制输入包括风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数在内的风力发电机组的多种状态参数；控制序列导出单元可被配置为从模型预测控制中导出风力发电机组的待执行的控制序列，该控制序列可包括风力发电机组的多个控制功能、用于执行多个控制功能中的每个控制功能的变桨参考以及用于抑制风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。在该示例中，控制序列导出单元可包括成本函数构建单元、最优控制寻找单元和最优控制确定单元(均未示出)，其中，成本函数构建单元可被配置为构建与风力发电机组的待执行的控制序列相关的成本函数；最优控制寻找单元可被配置为使用成本函数寻找满足风力发电机组的性能指标的要求的风力发电机组的待执行的最优控制序列；最优控制确定单元可被配置为将最优控制序列确定为风力发电机组的待执行的控制序列。这里，风力发电机组的性能指标的要求可包括，但不限于，以下项中的一个或它们的组合：风力发电机组的转子速度达到与风速匹配的期望速度、风力发电机组的输出功率达到与风速匹配的期望功率以及风力发电机组的机组载荷减小到期望值以下。
在图2所示的变桨控制装置中，变桨调整单元230可被进一步配置为在变桨参考被发送至变桨致动器之前通过阻尼变桨参考分量对用于执行风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整。在使用模型预测控制的情况下，变桨调整单元230可被进一步配置为在执行多个控制功能中的每个控制功能时通过阻尼变桨参考分量对用于执行相应控制功能的变桨参考进行调整。这里，变桨参考可包括，但不限于，以下项中的一个或它们的组合：变桨致动器的变桨速度以及变桨致动器的桨距位置。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制的系统架构图300。
参照图3，图3所示的系统架构可包括根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置310、风力发电机组320和风力发电机组控制器330(诸如，但不限于，风力发电机组中的主控PLC系统或变桨控制系统等)。根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制方法可作为算法运行在图3所示的变桨控制装置310的计算单元中，并且图3所示的变桨控制装置310可包括图2所示的塔架监测单元210、阻尼减振单元220、变桨调整单元230和变桨控制单元240。
在图3所示的系统架构中，用于执行风力发电机组的控制功能的变桨参考A和风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数B可被输入到变桨控制装置310。变桨控制装置310可基于输入的相关运动参数B确定用于抑制风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量，并通过该阻尼变桨参考分量对变桨参考A进行调整(例如，但不限于，将阻尼变桨参考分量加算到变桨参考A中)，然后经由风力发电机组控制器330将调整后的变桨参考A发送到风电发电机组320，以使用调整后的变桨参考A来控制风力发电机组320的变桨致动器的运行。
应当理解，尽管图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制的系统架构，但是本发明并不限于此，例如，变桨控制装置 310还可被设置在风力发电机组控制器330与风力发电机组320之间，只要在变桨参考A在被发送到风力发电机组320的变桨致动器之前对变桨参考A 进行调整即可。另外，图3所示的变桨控制装置310除了可被集成在单独的控制器中之外，还可被集成在风力发电机组控制器330中或风电场中的用于调度风力发电机组的后台控制器或其他可连接至风力发电机组控制器330或风力发电机组320的控制设备中。对此，本发明没有限制。
下面，将参照图4、图5A和图5B来详细地描述上述用于风力发电机组的变桨控制过程。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的使用扩展卡尔曼滤波器的塔架状态参数估计器的接口示意图400。
参照图4，图4所示的塔架状态参数估计器401可包括输入接口At_m和 Ft_e以及输出接口At_e和Vt_e，以供图2所示的塔架监测单元210调用，其中，At_m为在采样时间k测量的塔架在前后方向上运动的加速度(其对应于下文中计算的at,m[k])；Ft_e为在采样时间k估计的塔架在前后方向上承受的推力(其对应于下文中计算的Ft,e[k])；At_e为在采样时间k估计的塔架在前后方向上运动的加速度(其对应于下文中计算的at,e[k])；Vt_e为在采样时间 k估计的塔架在前后方向上运动的速度(其对应于下文中计算的vt,e[k])。
图4所示的塔架状态参数估计器401可使用扩展卡尔曼滤波器从已测量的塔架在前后方向上运动的加速度At_m中清除噪声，以得到估计的塔架在前后方向上运动的加速度At_e，也可使用扩展卡尔曼滤波器对未测量的塔架在前后方向上运动的速度Vt_e进行估计。
下面，将详细地描述扩展卡尔曼滤波器的数据处理过程。
塔架可以是由离散时域中的线性状态空间模型表示的模型，在模型参数已知的情况下，塔架模型可通过下式(1)表示：
在式(1)中，A、B、C和D为具有模型参数的矩阵；x[k]、u[k]和y[k] 分别为塔架模型的状态向量、输入向量和输出向量。
塔架模型的线性模型结构可基于模型参数为已知的假设，在这种情况下，矩阵A的参数是不确定的。
因此，状态向量可被扩展为包含用于矩阵A的估计参数和初始状态。
在当前实施例中，新的非线性状态空间模型可被公式化为新的增强状态向量，增强状态向量可通过下式(2)表示：
在式(2)中，x1[k]和x2[k]为两个初始状态，A1[k]、A2[k]、A3[k]和A4[k]为针对矩阵A中的系数而给定的四个参数。
输入向量u[k]可定义为下式(3)：
输出向量y[k]可定义为下式(4)：
因此，新的非线性状态空间模型可定义为下式(5)：
在式(5)中，σ1[k-1]、σ2[k-1]、σ3[k-1]、σ4[k-1]、σ5[k-1]和σ6[k-1]为应用于每个状态的驱动模型参数不确定性的系统噪声，并且可被包括在由下式 (6)表示的矢量中：
上述动态模型可针对给定估计的k-1状态而被更新为时间k的状态向量的预测。
在塔架状态参数估计器401的预测阶段中，可使用估计器反馈部分在塔架状态参数估计器401的更新阶段中来更新状态估计，在时间k更新的状态向量可被表示为xag[k|k]。
因此，可基于动态模型将预测模型定义为下式(7)：
根据上式(7)，预测模型还可定义为下式(8)：
xag[k|k-1]＝f(xag[k-1|k-1],u[k],σ[k]) (8)
在式(8)中，f为由上述状态空间模型描述的函数。
可通过扩展具有多个状态的状态模型而将上述模型扩展为更多的塔架模式，每个塔架模式在初始线性模型中需要两个状态，并且线性矩阵A中的元素数量为线性模型中的状态数量的平方。
这意味着，可基于塔架模式的数量来计算增强的状态向量中的状态数量。
在当前实施例中，扩展卡尔曼滤波器可包括两个阶段，分别为预测阶段和更新阶段。
(一)预测阶段
预测状态估计xag[k|k-1]可通过下式(9)计算：
xag[k|k-1]＝f(xag[k-1|k-1]，u[k]) (9)
在式(9)中，状态可基于测量的输入u[k]、上次的状态值和不包含噪声部分σ[k]的模型(或预测模型)而被更新，因为该状态不会被测量。
预测协方差估计P[k|k-1]可通过下式(10)计算：
P[k|k-1]＝F[k]P[k-1|k-1]FT[k]+Q[k] (10)
在式(10)中，P[k-1|k-1]为在更新阶段计算的更新协方差，Q[k]为过程噪声的协方差，F[k]为状态转换矩阵并且可被定义为下式(11)：
(二)更新阶段
测量残差
可通过下式(12)计算：
在式(12)中，at，e[k|k-1]可通过下式(13)计算：
在式(13)中，Cr1为线性模型中的矩阵C中的第一行。
残留协方差S[k]可通过下式(14)计算：
S[k]＝H[k]P[k|k-1]HT[k]+R[k] (14)
在式(14)中，R[k]为测量噪声的协方差，H[k]为观察矩阵并且可通过下式(15)计算：
在式(15)中，h为通过上式(13)给定的函数。
接近最优卡尔曼增益K[k]可通过下式(16)计算：
K[k]＝P[k|k-1]HT[k]S-1[k] (16)
更新的状态估计可通过下式(17)计算：
更新的协方差估计可通过下式(18)计算：
P[k|k]＝(I-K[k]H[k])P[k|k-1] (18)
Q[k]和R[k]可均为系统的模型参数或调整参数，并且在上述数据处理过程中不会发生变化。A1[k]、A2[k]、A3[k]和A4[k]的初始值可由线性模型参数给定。
图4所示的塔架状态参数估计器401可将上述扩展卡尔曼滤波器封装在其内部，然后按照上述顺序调用扩展卡尔曼滤波器的预测阶段和更新阶段，以获取塔架在前后方向上运动的加速度At_e和/或塔架在前后方向上运动的速度Vt_e的相对真值，从而为后续变桨参考的调整提供更为可靠、准确的数据依据。
应当理解，尽管上面描述了使用扩展卡尔曼滤波器来获取风力发电机组的塔架的相关运动参数的示例，但是该示例仅仅是示例性的，本发明并不限于此，还可使用其他非线性卡尔曼滤波器(诸如，卡尔曼滤波器)来代替上述扩展卡尔曼滤波器。这些滤波器均可封装在图4所示的塔架状态参数估计器401中，以获取风力发电机组的塔架运动的加速度或速度的相对真值。另外，本发明对图4所示的塔架状态参数估计器401的接口(如图4所示的输入接口At_m和Ft_e以及输出接口At_e和Vt_e)也没有限制。例如，根据需要，也可将测量的塔架在前后方向上运动的加速度和速度作为输入接口，而将估计的塔架在前后方向上的振动频率和承受的推力作为输出接口。
另外，由于卡尔曼滤波器对塔架模型内的模型不确定性比较敏感，所以相比于卡尔曼滤波器，使用扩展卡尔曼滤波器获取到的塔架的相关运动参数与真实值之间的误差更小。这意味着，使用扩展卡尔曼滤波器获取到的塔架的相关运动参数将更精确，这可为后续变桨参考的调整提供更为可靠的数据计算依据。
图5A示出了应用根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置来控制风力发电机组的变桨致动器的系统的示意图500-1。
参照图5A，图5A所示的系统可包括风力发电机组320以及图2所示的根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置中的塔架监测单元210、阻尼减振单元220、变桨调整单元230和变桨控制单元240。
在图5A所示的系统中，塔架监测单元210可从风力发电机组320获取测量的塔架在前后方向上运动的加速度B，然后调用图4所示的塔架状态参数估计器401的接口以使用扩展卡尔曼滤波器对加速度B进行处理，以获取塔架在前后方向上运动的加速度的相对真值E。阻尼减振单元220可将塔架在前后方向上运动的加速度的相对真值E乘以塔架阻尼增益，以得到用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量F。变桨调整单元230可将阻尼变桨参考分量F加算到变桨控制单元240根据风力发电机组的发电机转速C等状态参数而输出的用于风力发电机组的变桨参考 A中，使得变桨控制单元240可使用调整后的变桨参考A来控制风力发电机组320的变桨致动器的运行。
图5A所示的系统可避免因测量数据中存在的误差而导致阻尼变桨参考分量偏小，使得变桨操作能够产生足够的阻尼来抑制塔架在前后方向上的振动，从而实现最优变桨操作。
图5B示出了应用根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置来控制风力发电机组的变桨致动器的系统的另一示意图500-2。
参照图5B，图5B所示的系统可包括风力发电机组320、风力发电机组控制器330、用于测量或估计风力发电机组的其他状态参数的其他监测单元 510以及根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置中的塔架监测单元210，其中，根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制装置中的阻尼减振单元220、变桨调整单元230和变桨控制单元240可设置在风力发电机组控制器330中。
在图5B所示的系统中，塔架监测单元210可从风力发电机组320获取测量的塔架在前后方向上运动的加速度B，然后调用图4所示的塔架状态参数估计器401的接口以使用扩展卡尔曼滤波器对加速度B进行数据处理，以获取塔架在前后方向上运动的加速度的相对真值E。其他监测单元510可从风力发电机组320获取风力发电机组的其他状态参数C(诸如，发电机转速、变桨角度和风速测量值等)，然后对这些状态参数进行处理(诸如，去噪、或者类似卡尔曼过滤器等处理)，以获取风力发电机组的其他状态参数的处理数据D。设置在风力发电机组控制器330中的阻尼减振单元220可接收塔架在前后方向上运动的加速度的相对真值E以及风力发电机组的其他状态参数的处理数据D，然后调用风力发电机组的模型预测控制，以从模型预测控制中导出风力发电机组的待执行的控制序列，该控制序列可包括风力发电机组的多个控制功能、用于执行每个控制功能的变桨参考以及用于抑制塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。设置在风力发电机组控制器330中的变桨调整单元230可在执行控制序列中的每个控制功能时，将阻尼变桨参考分量加算到用于每个控制功能的变桨参考中，使得设置在风力发电机组控制器 330中的变桨控制单元240可使用调整后的变桨参考A来控制风力发电机组 320的变桨致动器的运行。
图5B所示的系统同样可避免因测量数据中存在的误差而导致阻尼变桨参考分量偏小，使得变桨操作能够产生足够的阻尼来抑制塔架在前后方向上的振动，从而实现最优变桨操作。
下面，将详细地描述风力发电机组的模型预测控制和成本函数的构建过程。
在图5B所示的系统中，可通过下式(19)来构建风力发电机组的模型预测控制，以预测并优化风力发电机组的未来操作和控制动作：
x[n+1]＝f(x[n],u[n]) (19)
在式(19)中，x[n]为风力发电机组在时间n的预测状态的向量，x[n+1] 为风力发电机组在下一时间n+1的预测状态的向量，u[n]为风力发电机组的待执行的控制序列的控制向量。这里，预测状态的向量不仅包括风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数，而且还包括风力发电机组的其他状态参数，诸如，风力发电机组的发电机转速、发电机功率等。待执行的控制序列不仅包括用于每个控制功能的变桨参考，而且还包括用于抑制塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。
针对给定的预测水平N，可通过下式(20)计算与成本函数(该成本函数可包括最大化发电量、降低塔架速度以及其他可能目标)相关的最优控制信号序列：
在式(20)中，h(x[n],u[n])为用于惩罚状态信号和控制信号的值的成本函数，以平衡风力发电机组的各个控制动作之间的性能差异要求。
预测状态的向量x[n]的初始值可基于输入而被设置的。
用于抑制塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量可作为控制矢量而被包括在u[n]和u[n+1]中，并且阻尼变桨参考分量可包括两个部分，分别为变桨致动器的变桨速度urat[n]和变桨致动器的桨距位置upos[n]。
变桨致动器的桨距位置upos[n]可在优化中被限制为下式(21)：
在式(21)中，Pitchmin和Pitchmax分别为最小变桨值和最大变桨值，Pitch0为在预测水平开始时测量的桨距位置，k为upos[n]中的元素数量。
变桨致动器的变桨速度urat[n]可在优化中被限制为下式(22)：
在式(22)中，Ratemax是最大变桨速度，l是urat[n]的元素数量。
使用上述约束和成本函数，可计算出风力发电机组所需的最优控制序列。从计算出的控制轨迹来看，当对每个控制器采样执行控制器优化时，仅第一组值用于下一采样。
从本发明的上述实施过程可以看出，根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨控制方法和装置不仅可有效地减小因塔架振动而给机组的稳定运行和发电量带来的负面影响，降低机组载荷，而且可进一步提升风力发电机组的变桨控制的精度。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的用于风力发电机组的变桨控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
根据本发明的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的用于风力发电机组的变桨控制方法的计算机程序。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。
Claims (24)
1.一种用于风力发电机组的变桨控制方法，其特征在于，所述变桨控制方法包括：
获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；
根据所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量；
通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整；
使用调整后的所述变桨参考来控制所述风力发电机组的变桨致动器的运行。
2.根据权利要求1所述的变桨控制方法，其特征在于，所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数包括以下项中的至少一个：
所述风力发电机组的塔架在前后方向上运动的速度；
所述风力发电机组的塔架在前后方向上运动的加速度；
所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动频率；以及
所述风力发电机组的塔架在前后方向上承受的推力。
3.根据权利要求1所述的变桨控制方法，其特征在于，所述获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数，包括：
测量所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；
使用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器对测量的相关运动参数进行处理，以获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数的相对真值；
获取所述相对真值作为所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数。
4.根据权利要求2所述的变桨控制方法，其特征在于，所述根据所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量，包括：
将所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数乘以塔架阻尼增益，以得到用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。
5.根据权利要求4所述的变桨控制方法，其特征在于，所述变桨控制方法还包括：
基于所述风力发电机组的周围环境状况确定所述塔架阻尼增益。
6.根据权利要求2所述的变桨控制方法，其特征在于，所述根据所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量，包括：
向所述风力发电机组的模型预测控制输入包括所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数在内的所述风力发电机组的多种状态参数；
从所述模型预测控制中导出所述风力发电机组的待执行的控制序列，所述控制序列包括所述风力发电机组的多个控制功能、用于执行所述多个控制功能中的每个控制功能的变桨参考以及所述阻尼变桨参考分量。
7.根据权利要求6所述的变桨控制方法，其特征在于，所述通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整，包括：
当执行所述多个控制功能中的每个控制功能时，通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行相应控制功能的变桨参考进行调整。
8.根据权利要求6所述的变桨控制方法，其特征在于，所述从所述模型预测控制中导出所述风力发电机组的待执行的控制序列，包括：
构建与所述风力发电机组的待执行的控制序列相关的成本函数；
使用所述成本函数寻找满足所述风力发电机组的性能指标的要求的所述风力发电机组的待执行的最优控制序列；
将所述最优控制序列确定为所述风力发电机组的待执行的控制序列。
9.根据权利要求8所述的变桨控制方法，其特征在于，所述风力发电机组的性能指标的要求包括以下项中的至少一个：
所述风力发电机组的转子速度达到与风速匹配的期望速度；
所述风力发电机组的输出功率达到与风速匹配的期望功率；以及
所述风力发电机组的机组载荷减小到期望值以下。
10.根据权利要求1所述的变桨控制方法，其特征在于，所述变桨参考包括以下项中的至少一个：
所述变桨致动器的变桨速度；以及
所述变桨致动器的桨距位置。
11.根据权利要求1所述的变桨控制方法，所述通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整，包括：
在所述变桨参考被发送至所述变桨致动器之前，通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整。
12.一种用于风力发电机组的变桨控制装置，其特征在于，所述变桨控制装置包括：
塔架监测单元，被配置为：获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；
阻尼减振单元，被配置为：根据所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数确定用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量；
变桨调整单元，被配置为：通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整；
变桨控制单元，被配置为：使用调整后的所述变桨参考来控制所述风力发电机组的变桨致动器的运行。
13.根据权利要求12所述的变桨控制装置，其特征在于，所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数包括以下项中的至少一个：
所述风力发电机组的塔架在前后方向上运动的速度；
所述风力发电机组的塔架在前后方向上运动的加速度；
所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动频率；以及
所述风力发电机组的塔架在前后方向上承受的推力。
14.根据权利要求12所述的变桨控制装置，其特征在于，所述塔架监测单元包括：
塔架状态测量单元，被配置为：测量所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数；
塔架状态估计单元，被配置为：使用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器对测量的相关运动参数进行处理，以获取所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数的相对真值；
塔架状态获取单元，被配置为：获取所述相对真值作为所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数。
15.根据权利要求13所述的变桨控制装置，其特征在于，所述阻尼减振单元，被进一步配置为：将所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数乘以塔架阻尼增益，以得到用于抑制所述风力发电机组的塔架在前后方向上的振动的阻尼变桨参考分量。
16.根据权利要求15所述的变桨控制方法，其特征在于，所述变桨控制装置还包括：
增益确定单元，被配置为：基于所述风力发电机组的周围环境状况确定所述塔架阻尼增益。
17.根据权利要求13所述的变桨控制装置，其特征在于，所述阻尼减振单元包括：
模型预测控制单元，被配置为：向所述风力发电机组的模型预测控制输入包括所述风力发电机组的塔架在前后方向上的相关运动参数在内的所述风力发电机组的多种状态参数；
控制序列导出单元，被配置为：从所述模型预测控制中导出所述风力发电机组的待执行的控制序列，所述控制序列包括所述风力发电机组的多个控制功能、用于执行所述多个控制功能中的每个控制功能的变桨参考以及所述阻尼变桨参考分量。
18.根据权利要求17所述的变桨控制装置，其特征在于，所述变桨调整单元，被进一步配置为：当执行所述多个控制功能中的每个控制功能时，通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行相应控制功能的变桨参考进行调整。
19.根据权利要求17所述的变桨控制装置，其特征在于，所述控制序列导出单元包括：
成本函数构建单元，被配置为：构建与所述风力发电机组的待执行的控制序列相关的成本函数；
最优控制寻找单元，被配置为：使用所述成本函数寻找满足所述风力发电机组的性能指标的要求的所述风力发电机组的待执行的最优控制序列；
最优控制确定单元，被配置为：将所述最优控制序列确定为所述风力发电机组的待执行的控制序列。
20.根据权利要求19所述的变桨控制装置，其特征在于，所述风力发电机组的性能指标的要求包括以下项中的至少一个：
所述风力发电机组的转子速度达到与风速匹配的期望速度；
所述风力发电机组的输出功率达到与风速匹配的期望功率；以及
所述风力发电机组的机组载荷减小到期望值以下。
21.根据权利要求12所述的变桨控制装置，其特征在于，所述变桨参考包括以下项中的至少一个：
所述变桨致动器的变桨速度；以及
所述变桨致动器的桨距位置。
22.根据权利要求12所述的变桨控制装置，所述变桨调整单元，被进一步配置为：在所述变桨参考被发送至所述变桨致动器之前，通过所述阻尼变桨参考分量对用于执行所述风力发电机组的控制功能的变桨参考进行调整。
23.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其中，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至11中任意一项所述的用于风力发电机组的变桨控制方法。
24.一种计算装置，包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至11中任意一项所述的用于风力发电机组的变桨控制方法。
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