CN115788773A

CN115788773A - 一种漂浮式风电机组多目标变桨控制、系统及设备

Info

Publication number: CN115788773A
Application number: CN202211214074.6A
Authority: CN
Inventors: 郭靖; 王海明; 许瑾; 薛文超; 汪臻; 周军军; 邓巍; 陈高楼; 刘腾飞
Original assignee: Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd; Clean Energy Branch of Huaneng Zhejiang Energy Development Co Ltd
Current assignee: Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd; Clean Energy Branch of Huaneng Zhejiang Energy Development Co Ltd
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2023-03-14

Abstract

本发明提供的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制、系统及设备，包括：步骤1，分别对获取得到的漂浮式风电机组对应的风轮转速信号和基础纵摇角速度信号进行滤波处理，得到滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度；步骤2，根据得到的滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度，计算风轮转速误差和基础纵摇角误差的误差变量；步骤3，对得到的误差变量进行处理，分别得到PID控制器的三个增益和积分分离逻辑量；步骤4，根据得到的误差变量、PID控制器的三个增益和积分分离逻辑量计算桨距角控制量；步骤5，根据得到的桨距角控制量实现对叶片的变桨进行控制；本发明能够综合提升额定风速以上漂浮式风电机组的风轮转速与基础纵摇稳定性。

Description

一种漂浮式风电机组多目标变桨控制、系统及设备

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种漂浮式风电机组多目标变桨控制、系统及设备。

背景技术

随着风电产业的快速发展，陆地风能资源逐步开发殆尽，海上风电已成为风电新增装机的重点。近海区风电装机主要以固定式海上风电机组为主，而从经济性角度考虑，漂浮式海上风电机组是深远海区风电装机的首选。与固定式海上风电机组以及陆地风电机组不同，漂浮式风电机组在浮式基础中引入了额外的自由度，大大增加了系统的不确定性和不稳定性。

在额定风速以上，风电机组控制系统的目标为最大功率和最大风轮转速限制，这时发电机电磁转矩常保持在额定转矩或为额定功率与当前转速的比值，变桨控制系统通过调节桨距角改变风轮气动力，使发电机转速和功率保持在额定值。经典的变桨控制器检测风轮转速，将风轮转速与额定转速相比较，经过PID控制器计算桨距角控制量，并将桨距角控制量发送给变桨距执行器。由于转速或功率关于桨距角的敏感度在不同风速下是有显著差异的，即风轮转速或功率控制系统是非线性的，经典PID无法满足广泛风速范围内的动态性能需求。为了实现非线性控制，部分现有变桨控制技术按实时桨距角信号或风速信号对经典PID的增益参数进行非线性调度，但调度规律基于稳态工作点和小扰动假设。由于大惯性和风速快速变化的问题，风电机组往往偏移稳态工作点，其工况不满足小扰动假设。此外，对于受风浪流耦合作用的漂浮式风电机组，其工况更不满足稳态工作点和小扰动假设。更重要地是，漂浮式风电机组的变桨控制将诱导负的推力梯度，该梯度将在漂浮式基础纵摇模态中引入负气动阻尼，若一味追求功率恒定，将导致纵摇幅度显著加大。因此，开发一种兼顾基础纵摇运动与风轮转速的漂浮式风电机组非线性变桨控制方法具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种漂浮式风电机组多目标变桨控制、系统及设备，解决了在额定风速以上的漂浮式风电机组的风轮转速与基础纵摇的稳定性差的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，包括以下步骤：

步骤1，分别对获取得到的漂浮式风电机组对应的风轮转速信号和基础纵摇角速度信号进行滤波处理，得到滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度；

步骤2，根据得到的滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度，计算风轮转速误差和基础纵摇角误差的误差变量；

步骤3，对得到的误差变量进行处理，分别得到PID控制器的三个增益和积分分离逻辑量；

步骤4，根据得到的误差变量、PID控制器的三个增益和积分分离逻辑量计算桨距角控制量；

步骤5，根据得到的桨距角控制量实现对叶片的变桨进行控制。

优选地，步骤1中，对风轮转速信号进行滤波时，其截止频率为漂浮式基础纵摇模态的一阶固有频率；对基础纵摇角速度信号进行滤波时，其截止频率为2倍的漂浮式基础纵摇模态一阶固有频率。

优选地，步骤2中，根据得到的滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度，计算风轮转速误差和基础纵摇角误差的误差变量，具体方法是：

首先，根据得到的滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度分别计算得到风轮转速误差和基础纵摇角速度误差；

其次，利用线性二次型矩阵计算得到风轮转速误差和基础纵摇角误差的误差变量。

优选地，步骤3中，对得到的误差变量进行处理得到PID控制器的三个增益，具体方法是：

首先，计算误差变量的导数；

其次，将误差变量和误差变量的导数进行模糊化处理，得到PID控制器的三个增益增量；

最后，将得到PID控制器三个增益增量分别与对应的固定值相加得到PID控制器的三个增益。

优选地，步骤3中，对得到的误差变量进行处理得到积分分离逻辑量，具体方法是：

若|h|>ε，则积分分离逻辑量为0；

若|h|<ε，则积分分离逻辑量为1；

其中，ε为正常数。

优选地，步骤4中，根据得到的误差变量、PID控制器的三个增益和积分分离逻辑量计算桨距角控制量，具体如下：

其中，m为桨距角控制量；k_p、k_i和k_d分别为PID控制器的三个增益；h为误差变量；j为积分分离逻辑量。

一种漂浮式风电机组多目标变桨控制系统，包括：

数据处理单元，用于分别对获取得到的漂浮式风电机组对应的风轮转速信号和基础纵摇角速度信号进行滤波处理，得到滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度；

桨距角控制量计算单元，用于根据得到的滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度，计算风轮转速误差和基础纵摇角误差的误差变量；

对得到的误差变量进行处理，分别得到PID控制器的三个增益和积分分离逻辑量；

根据得到的误差变量、PID控制器的三个增益和积分分离逻辑量计算桨距角控制量；

控制单元，用于根据得到的桨距角控制量实现对叶片的变桨进行控制。

一种漂浮式风电机组多目标变桨控制设备，包括处理器、以及能够在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，所述方法依据基础纵摇角速度和风轮转速来计算所需桨距角，兼顾了基础纵摇角速度与风轮转速因变桨引起的耦合作用,避免变桨控制过分追求风轮转速稳定而造成基础纵摇运动剧烈，也有利于减缓基础纵摇角速度过大在对风轮转速中引起的干扰；所述方法对风轮转速进行低通滤波，其截止频率为漂浮式基础纵摇模态的一阶固有频率，一方面避免高频扰动对转速控制系统的干扰，另一方面减少变桨控制在基础纵摇模态中引入过大的负阻尼，防止纵摇振动幅度过大；该方法对基础纵摇角速度进行低通滤波，可减少高频波浪扰动对变桨控制的干扰；所述方法利用正定二次型矩阵对风轮转速误差和基础纵摇角速度误差进行权重分配，构建兼顾二者误差的误差单变量，方法简单、灵活性强，基于单变量设计控制器，依然可实现多目标控制，大大简化控制器设计流程。便于基于单变量；所述方法将PID固定增益值与模糊控制计算出的增益相加计算总增益，可保证手工调节的PID控制器的基本性能，避免因模糊控制模糊化或去模糊化或推理规则设置不当引起的控制误差，又能由模糊控制实现参数非线性调度，使得变桨控制在较广的风速范围和扰动下都具有较好的动态性能及稳态精度；所述方法按偏差h的大小进行PID控制的积分分离，兼顾平变桨控制的快速性和稳态精度。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的控制框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的描述。

如图1，2所示，一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，具体包括以下步骤：

S1:检测风轮转速信号a和基础纵摇角速度信号b；

S2:对S1获得的风轮转速信号a和基础纵摇角速度信号b分别进行低通滤波，得到滤波后风轮转速信号记作c，滤波后的基础纵摇角速度记作d。

其中，取基础后仰时，基础纵摇角为正，前倾时为负。

风轮转速信号a的低通滤波截止频率为漂浮式基础纵摇模态的一阶固有频率。

基础纵摇角速度信号b的低通滤波截止频率为2倍的漂浮式基础纵摇模态一阶固有频率。

优势：①风轮转速低通滤波的截止频率为漂浮式基础的纵摇模态的一阶固有频率，一方面避免高频扰动对转速控制系统的干扰，另一方面减少变桨控制在基础纵摇模态中引入过大的负阻尼，防止纵摇振动幅度过大；②基础纵摇角速度低通滤波可减少高频波浪扰动对变桨控制的干扰。

S3:依据S2获得的滤波后风轮转速信号c和滤波后基础纵摇角速度d计算风轮转速误差e和基础纵摇角速度误差f。

假定风轮额定转速为g，基础纵摇角速度的期望值为0；则：

e＝c-g

f＝d

S4：利用线性二次型矩阵构建一个综合考虑由S3计算得到的风轮转速误差e和基础纵摇角误差f的误差变量h：

其中，e为2*2的正定二次型矩阵，用于对风轮转速误差e和基础纵摇角误差进行权重分配。P为正定二次型矩阵，用于对e和f进行权值规划。

优势：①利用正定二次型矩阵对风轮转速误差e和基础纵摇角速度误差进行权重分配，权值分配的灵活性强；②所构建的误差变量h已经包含了对风轮转速误差和基础纵摇角速度误差，后续基于误差变量h的控制即可兼顾风轮转速和基础纵摇角速度性能指标，便于后续基于单变量h设计控制器，依然可实现多目标控制，大大简化控制器设计流程。。

S5:以S4获得的误差变量h及其导数

为模糊控制器的输入，将其进行模糊化，Mandani推理规则计算出模糊控制量，并将模糊控制量经过比例换算去模糊化，解析为PID控制器的三个增益增量，分别为Δk_p、Δk_i、Δk_d。Mandani推理规则已被广泛应用，此处不详细展开。

S6:将S5获得的PID控制器增益增量与其固定值相加得到总的PID控制器增益k_p、k_i、k_d：

k_p＝k_p0+Δk_p

k_i＝k_i0+Δk_i

k_d＝k_d0+Δk_d

其中，k_p0、k_i0、k_d0为正常数，表示为比例、积分、微分增益的固定部分。

优势：固定增益值可由在线手工调参方式设定，保证了在某些工况下变桨控制器具有最基本的性能，而模糊控制计算的增益是按误差变量h及其导数

自适应调整的，具有良好的非线性性能，将固定增益值与模糊控制计算出的增益相加计算总增益，可保证基本的控制性能，避免因模糊控制模糊化或去模糊化或推理规则设置不当引起的控制误差，又能由模糊控制实现参数非线性调度，使得变桨控制在较广的风速范围和扰动下都具有较好的动态性能及稳态精度。

S7:计算积分分离逻辑量j，具体如下：

①若|h|>ε，则j＝0；

②若|h|<ε，则j＝1；

其中，ε为正常数。

积分分离优势：在风机启动或风速变化较大时，积分环节容易累计控制量，易引起系统较大的超调甚至振荡，按偏差h的大小进行积分分离来兼顾平变桨控制的快速性和稳态精度，具体而言，①当误差较大时，积分分离生效，取消积分作用，变桨控制响应速度快，同时避免过大超调；②当误差较小，稳态误差为重要指标，引入积分作用，保证跟踪精度。

S8:基于S4获得的误差变量h、S6获得的总的PID控制器增益k_p、k_i、k_d以及S7的积分分离逻辑量计算桨距角控制量m：

S9：桨距角执行器收到S8所计算的桨距角控制量m后，变桨电机驱动叶片变桨至指定角度。

本发明还提供的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制系统，包括：

本发明还提供一种漂浮式风电机组多目标变桨控制设备，所述一种漂浮式风电机组多目标变桨控制设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述一种漂浮式风电机组多目标变桨控制设备设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。……。

所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。……。

Claims

1.一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，其特征在于，步骤1中，对风轮转速信号进行滤波时，其截止频率为漂浮式基础纵摇模态的一阶固有频率；对基础纵摇角速度信号进行滤波时，其截止频率为2倍的漂浮式基础纵摇模态一阶固有频率。

3.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，其特征在于，步骤2中，根据得到的滤波后风轮转速信号和滤波后基础纵摇角速度，计算风轮转速误差和基础纵摇角误差的误差变量，具体方法是：

4.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，其特征在于，步骤3中，对得到的误差变量进行处理得到PID控制器的三个增益，具体方法是：

首先，计算误差变量的导数；

5.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，其特征在于，步骤3中，对得到的误差变量进行处理得到积分分离逻辑量，具体方法是：

若|h|>ε，则积分分离逻辑量为0；

若|h|<ε，则积分分离逻辑量为1；

其中，ε为正常数。

6.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组多目标变桨控制方法，其特征在于，步骤4中，根据得到的误差变量、PID控制器的三个增益和积分分离逻辑量计算桨距角控制量，具体如下：

7.一种漂浮式风电机组多目标变桨控制系统，其特征在于，包括：

8.一种漂浮式风电机组多目标变桨控制设备，其特征在于，包括处理器、以及能够在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。