CN117869202A - 一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法，该控制策略允许使用者依据风机监测系统所具备的传感器类型，自行选择风机塔架的加速度响应或者倾角响应作为被控制量。基于传感器所监测到的响应计算并增加额外桨距角变桨角度及额外扭矩来实现塔架的双向主动加阻，该方法无需额外增加风机制造、施工及设备采购成本，可以有效降低塔架前后向及横向振动，进而降低塔架的疲劳载荷，提高塔架使用寿命。此外，根据大量计算试验结果验证，基于倾角响应的主动加阻控制效果优于基于加速度响应的主动加阻控制，因此，本发明建议使用者在具备相应条件的情况下优先选取倾角响应进行主动加阻控制。

Description

一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法

技术领域

本发明涉及海上风电领域，尤其涉及一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。

背景技术

风电机组是一种利用风能转换为电能的设备，由多个组件组成。主要包括风轮(叶片)、发电机、变流器、塔架和控制系统等部分。风轮通过受风驱动旋转，激活发电机产生电能，并通过输电系统将电能输送到电网或其他用电设备。

随着对风能的需求日益增加，风电机组的额定功率和关键支持结构的尺寸均进行了大型化设计，导致了风电机组结构的柔性特征明显。

并且，大型的风电机组复杂气动载荷的影响，容易发生弹性变形，从而导致塔架的载荷增加，进而影响风电机组运行的稳定性和使用寿命。

对于大型海上风机在高风速下切出时易导致风机支撑结构前后方向振动过大的问题，进一步引入了塔架前后主动阻尼控制策略。风机叶片受到的气动推力与桨距角直接相关，所以可以通过改变桨距角改变风机受到的气动推力对塔架的振动进行控制。根据机舱/塔顶前后运动的速度反馈控制。

现代电子设备的发展使得发电机扭矩能够在一定范围内几乎瞬时变化(时间小于10^-2s)，所以发电机扭矩能够用于风机结构主动阻尼控制的致动器。扭矩控制器可以通过塔架横向振动的反馈来对其增加附加阻尼。

然而，目前尚未有方法综合考虑前后向及侧向控制，同时降低两个方向的塔架疲劳载荷。此外，也没有基于风机塔架倾角响应的主动加阻控制策略。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出了一种适用于海上风机的塔架前后向及横向主动加阻控制方法；可在风电机组运行过程中主动进行塔架前后向及侧向加阻尼，从而减小塔架前后向及侧向的振动，整体降低塔架的疲劳载荷。

本发明是通过以下技术方案来解决上述技术问题：

本发明实施例第一方面提供了一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法，包括如下步骤：

S1.从风电机组塔架的加速度或倾角传感器获取相应监测数据，得到加速度信号或倾角信号；

S2.对加速度信号或倾角信号进行数据预处理；所述数据预处理包括填补缺失值、修正异常数据和低通滤波处理；

S3.对加速度信号进行积分处理或是对倾角信号进行微分处理，再基于预设附加阻尼比计算得到额外桨距角及额外转矩；

S4.将额外桨距角和额外转矩分别作为风机控制器的变桨控制信号和转矩控制信号，实现变桨控制和转矩控制，降低风机塔架疲劳载荷。

进一步地，所述步骤S1中，所述监测数据包括：通过加速度传感器监测得到的塔架顶部的前后向及横向加速度信号或倾角传感器监测得到的倾角信号。

进一步地，所述步骤S2包括以下子步骤：

S21.对加速度信号或倾角信号采用上采样或下采样的方式使信号频率满足使用要求；

S22.对加速度信号或倾角信号使用深度学习或插值法进行缺失值填补；

S23.对加速度信号或倾角信号进行异常数据裁剪或删除；

S24.对加速度信号或倾角信号采用巴特沃斯滤波器进行低通滤波处理。

进一步地，所述步骤S3中，基于预设附加阻尼比计算得到额外桨距角及额外转矩包括：

S31.塔架前后主动阻尼变桨控制：

通过改变桨距角来改变风机受到的气动推力，从而对塔架的振动进行控制，根据机舱/塔顶前后运动的速度反馈控制；考虑塔架前后方向运动近似视为单自由度有阻尼简谐运动系统，其运动方程表示为：

其中，T为气动推力，x为塔顶的位移；M、C和K分别为塔架模态质量、模态阻尼与模态刚度，用固有频率f_n和阻尼比ζ表示为C＝4πf_nζM, 则上式表示为：

推力与桨距角直接相关，取推力对桨距角的一阶泰勒展开：

其中，为气动推力对桨距角的变化率，θ为桨距角，Δθ为桨距角变化，将桨距角的变化与塔顶速度相关联：

其中，G_FA为增益系数，将上式代入运动方程中，整理后可得：

即运动方程中出现附加阻尼项，则此时增益系数的取值为：

根据上式，指定附加阻尼比Δζ，求得增益系数，继而得到变桨指令；

S32.塔架横向主动阻尼转矩控制：

扭矩控制器通过塔架横向振动的反馈来对其增加附加阻尼，有以下表达式：

其中，T_g为发电机扭矩，ΔT_g,0为工作点处的发电机扭矩变化值，T_g,0为工作点处的发电机扭矩，y为塔顶横向位移；G_SS为增益系数；此时的发电机功率P为：

P＝(T_g,0+ΔT_g,0)(N_gbΩ+N_gbΔΩ)＝P₀+ΔP

其中，N_gb为齿轮箱转速比，Ω为转速，ΔΩ为转速误差值，P₀为工作点功率，通过上式得到当前功率与工作点功率的偏差为ΔP＝ΔT_g,0(N_gbΩ+N_gbΔΩ)+N_gbT_g,0ΔΩ；当没有主动阻尼控制时，只存在N_gbT_g,0ΔΩ项，即主动阻尼控制产生的ΔT_g,0导致了发电机功率的偏差；通过下式引入权重W来得到增益系数G_SS的值：

其中，σ_y为塔顶横向位移标准差，σ_P为发电机功率标准差，σ_y,0为无主动阻尼控制时的塔顶横向位移标准差，σ_P,0为无主动阻尼控制时的发电机功率标准差。

进一步地，所述步骤S4中，将额外桨距角及额外转矩同时采取变桨控制及转矩控制，同时增加前后向及侧向的塔架阻尼，降低塔架前后向及侧向疲劳载荷。

本发明实施例第二方面提供了一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。

本发明实施例第三方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器与所述处理器耦接；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现上述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。

本发明实施例第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明无需额外增加风机制造、施工及设备采购成本，可以有效降低塔架前后向及横向振动，进而降低塔架的疲劳载荷，提高塔架使用寿命。此外，根据大量计算试验结果验证，基于倾角响应的主动加阻控制效果优于基于加速度响应的主动加阻控制，因此，本发明建议使用者在具备相应条件的情况下优先选取倾角响应进行主动加阻控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明主动加阻控制前后效果对比图；

图3是本发明装置的结构示意图；

图4是本发明提供的一种电子设备的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法，包括如下步骤：

S1.从风电机组塔架的加速度或倾角传感器获取相应监测数据，监测数据包括通过加速度传感器监测得到的塔架顶部的前后向及横向加速度信号或倾角传感器监测得到的倾角信号。

S2.数据预处理，填补缺失值并修正异常数据，再进行低通滤波处理；对加速度信号或倾角信号采用上采样或下采样的方式使信号频率满足使用要求；对加速度信号或倾角信号使用深度学习或插值法进行缺失值填补；对加速度信号或倾角信号进行异常数据裁剪或删除；对加速度信号或倾角信号采用巴特沃斯滤波器进行低通滤波处理；

S3.对加速度信号积分处理或是对倾角信号进行微分处理，再基于预设附加阻尼比得到额外桨距角及额外转矩；

通过以下的控制计算方法计算额外桨距角及额外转矩：

S31.塔架前后主动阻尼变桨控制：

同样对于大型海上风机在高风速下切出时易导致风机支撑结构前后方向振动过大的问题，进一步引入了塔架前后主动阻尼控制策略。风机叶片受到的气动推力与桨距角直接相关，所以可以通过改变桨距角来改变风机受到的气动推力，从而对塔架的振动进行控制；根据机舱/塔顶前后运动的速度反馈控制。考虑塔架前后方向运动可近似视为单自由度有阻尼简谐运动系统，其运动方程可表示为：

其中，T为气动推力，x为塔顶的位移；M、C和K分别为塔架模态质量、模态阻尼与模态刚度，用固有频率f_n和阻尼比ζ表示为C＝4πf_nζM, 则上式可写为：

如前面所述，推力与桨距角直接相关，取推力对桨距角的一阶泰勒展开：

其中，为气动推力对桨距角的变化率，θ为桨距角，Δθ为桨距角变化，将桨距角的变化与塔顶速度相关联：

其中，G_FA为增益系数。将上式代入运动方程，整理后可得：

即运动方程中出现附加阻尼项，则此时增益系数G_FA的取值为：

其中，为气动推力对桨距角的变化率，与/>相似，也可通过对风机系统在不同风速与桨距角下的工作点线性化得到。根据上式，指定附加阻尼比Δζ，即可求得增益系数，继而得到变桨指令，通常Δζ可取15％。

S32.塔架横向主动阻尼转矩控制：

多向载荷工况模拟发现载荷转向会导致风机横向振动的放大，针对这一问题引入了塔架横向主动阻尼转矩控制。现代电子设备的发展使得发电机扭矩能够在一定范围内几乎瞬时变化(时间小于10^-2s)，所以发电机扭矩能够用于风机结构主动阻尼控制的致动器。扭矩控制器可以通过塔架横向振动的反馈来对其增加附加阻尼：

其中，T_g为发电机扭矩，ΔT_g,0为工作点处的发电机扭矩变化值，T_g,0为工作点处的发电机扭矩，T_g,0＝P₀/N_gbΩ；y为塔顶横向位移；G_SS为增益系数。此时的发电机功率P为：

P＝(T_g,0+ΔT_g,0)(N_gbΩ+N_gbΔΩ)＝P₀+ΔP

其中，N_gb为齿轮箱转速比，Ω为转速，ΔΩ为转速误差值，P₀为工作点功率，通过上式得到当前功率与工作点功率的偏差为ΔP＝ΔT_g,0(N_gbΩ+N_gbΔΩ)+N_gbT_g,0ΔΩ。当没有主动阻尼控制时，只存在N_gbT_g,0ΔΩ项，即主动阻尼控制产生的ΔT_g,0导致了发电机功率的偏差。在发电质量的角度，希望偏差能够尽量减小，而在振动控制的角度，希望附加阻尼能够较大。因此，需要在两者之间进行权衡，通过下式引入权重W(0<W<1)来得到增益系数G_SS的值：

其中，σ_y为塔顶横向位移标准差，σ_P为发电机功率标准差，σ_y,0为无主动阻尼控制时的塔顶横向位移标准差，σ_P,0为无主动阻尼控制时的发电机功率标准差。

S4.额外桨距角和额外转矩分别作为风机控制器的变桨控制信号以及转矩控制信号，实现变桨控制和转矩控制，降低风机塔架疲劳载荷。

使用本发明的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法后，主动加阻控制前后效果对比图如图2所示，主动加阻控制后的效果有明显提升。

与前述海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法的实施例相对应，本发明还提供了海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制装置的实施例。

参见图3，本发明实施例提供的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述实施例中的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。

本发明海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图3所示，为本发明海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图3所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。

上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

与前述海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法的实施例相对应，本申请实施例还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。如图4所示，为本申请实施例提供的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器、内存、DMA控制器、磁盘、以及非易失内存之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。

与前述海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法的实施例相对应，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。

所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.从风电机组塔架的加速度或倾角传感器获取相应监测数据，得到加速度信号或倾角信号；

S2.对加速度信号或倾角信号进行数据预处理；所述数据预处理包括填补缺失值、修正异常数据和低通滤波处理；

S3.对加速度信号进行积分处理或是对倾角信号进行微分处理，再基于预设附加阻尼比计算得到额外桨距角及额外转矩；

S4.将额外桨距角和额外转矩分别作为风机控制器的变桨控制信号和转矩控制信号，实现变桨控制和转矩控制，降低风机塔架疲劳载荷。

2.根据权利要求1所述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述监测数据包括：通过加速度传感器监测得到的塔架顶部的前后向及横向加速度信号或倾角传感器监测得到的倾角信号。

3.根据权利要求1所述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

S21.对加速度信号或倾角信号采用上采样或下采样的方式使信号频率满足使用要求；

S22.对加速度信号或倾角信号使用深度学习或插值法进行缺失值填补；

S23.对加速度信号或倾角信号进行异常数据裁剪或删除；

S24.对加速度信号或倾角信号采用巴特沃斯滤波器进行低通滤波处理。

4.根据权利要求1所述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，基于预设附加阻尼比计算得到额外桨距角及额外转矩包括：

S31.塔架前后主动阻尼变桨控制：

通过改变桨距角来改变风机受到的气动推力，从而对塔架的振动进行控制，根据机舱/塔顶前后运动的速度反馈控制；考虑塔架前后方向运动近似视为单自由度有阻尼简谐运动系统，其运动方程表示为：

其中，T为气动推力，x为塔顶的位移；M、C和K分别为塔架模态质量、模态阻尼与模态刚度，用固有频率f_n和阻尼比ζ表示为C＝4πf_nζM, 则上式表示为：

推力与桨距角直接相关，取推力对桨距角的一阶泰勒展开：

其中，为气动推力对桨距角的变化率，θ为桨距角，Δθ为桨距角变化，将桨距角的变化与塔顶速度相关联：

其中，G_FA为增益系数，将上式代入运动方程中，整理后可得：

即运动方程中出现附加阻尼项，则此时增益系数的取值为：

根据上式，指定附加阻尼比Δζ，求得增益系数，继而得到变桨指令；

S32.塔架横向主动阻尼转矩控制：

扭矩控制器通过塔架横向振动的反馈来对其增加附加阻尼，有以下表达式：

其中，T_g为发电机扭矩，ΔT_g,0为工作点处的发电机扭矩变化值，T_g,0为工作点处的发电机扭矩，y为塔顶横向位移；G_SS为增益系数；此时的发电机功率P为：

P＝(T_g,0+ΔT_g,0)(N_gbΩ+N_gbΔΩ)＝P₀+ΔP

其中，N_gb为齿轮箱转速比，Ω为转速，ΔΩ为转速误差值，P₀为工作点功率，通过上式得到当前功率与工作点功率的偏差为ΔP＝ΔT_g,0(N_gbΩ+N_gbΔΩ)+N_gbT_g,0ΔΩ；当没有主动阻尼控制时，只存在N_gbT_g,0ΔΩ项，即主动阻尼控制产生的ΔT_g,0导致了发电机功率的偏差；通过下式引入权重W来得到增益系数G_SS的值：

其中，σ_y为塔顶横向位移标准差，σ_P为发电机功率标准差，σ_y,0为无主动阻尼控制时的塔顶横向位移标准差，σ_P,0为无主动阻尼控制时的发电机功率标准差。

5.根据权利要求1所述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，将额外桨距角及额外转矩同时采取变桨控制及转矩控制，同时增加前后向及侧向的塔架阻尼，降低塔架前后向及侧向疲劳载荷。

6.一种海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制装置，其特征在于，包括一个或多个处理器，用于实现权利要求1-5中任一项所述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。

7.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器与所述处理器耦接；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现上述权利要求1-5任一项所述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的海上风机塔架前后向及横向主动加阻控制方法。