CN203420825U - 风机塔架振动抑制系统和提高风机切出风速的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种风机塔架振动抑制系统以及提高风机切出风速的控制系统。在本实用新型中，在发电机转速-电磁扭矩闭环控制回路中引入与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度，来抑制与叶轮迎风方向垂直的方向的振动；在发电机转速-变桨速率闭环控制回路中引入叶轮迎风方向的振动加速度信号，来抑制叶轮迎风方向的振动；根据风速测量信号调整发电机转速给定值，保持发电机额定扭矩不变，从而调整大风条件下风机输出功率，由此实现风机切出风速提高的目的。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电领域，涉及一种风机塔架振动抑制系统以及一种提高风机切出风速的控制系统。
背景技术
风力发电机（Wind Turbine，MT，简称风机）在运行时，可能会导致风机塔架（也称为塔筒）在与叶轮迎风方向垂直的方向（Side-side方向，也是就与风向垂直的方向）产生幅度比较大的一阶固有频率振动，并且可能会导致风机塔架在叶轮迎风方向（Fore-aft方向，也是风向）产生幅度比较大的一阶固有频率振动。
具体地，对于塔架Side-side方向，风机在以下阶段运行时，会导致在机组塔架Side-side方向产生幅度比较大的一阶固有频率振动：
（1.1）在切入风速附近，机组处于并网发电模式且发电机转速接近最小并网转速条件下，由于塔架Side-side方向的一阶固有频率与发电机转速的3倍频相耦合，导致在塔架Side-side方向一阶振动故障发生；
（1.2）在接近切出风速阶段机组启动过程到并网发电模式下，由于受风况限制，机组在较长的时间维持在最小并网转速附近，同样是由于塔架Side-side方向的一阶固有频率与发电机转速的3倍频相耦合，导致在塔架Side-side方向一阶振动故障发生；
（1.3）在额定风速附近且风速平稳、湍流强度小的情况下，对于风机，由于塔架Side-side方向的一阶固有频率的气动阻尼本身比较小，如果不采取任何抑制塔架Side-side方向的一阶固有频率振动的措施，首先在发电机转速信号中会激励出与塔架Side-side方向的一阶固有频率同频率的信号，该频率信号会相应出现在发电机电磁扭矩控制中，其结果是，塔架Side-side方向的一阶固有频率的气动阻尼进一步减小，最终导致塔架Side-side方向的一阶振动故障发生；
（1.4）对于提高机组切出风速的暴风控制策略方案，当风机运行风速高于常规的切出风速数值时，容易导致塔架Side-side方向的一阶固有频率振动故障发生。
为了避免和抑制风机在并网发电运行阶段，塔架Side-side方向的一阶固有频率振动故障发生，目前在发电机转速-电磁扭矩控制回路中串联一个带阻滤波器，该带阻滤波器主要用于衰减发电机转速信号中与塔架Side-side方向的一阶固有频率同频率的信号强度，因此在发电机电磁扭矩控制命令中就不会再包含减小塔架Side-side方向的一阶固有频率气动阻尼的波动扭矩动作。电磁扭矩控制不会再主动激励塔架Side-side方向的一阶固有频率振动。
在发电机转速-电磁扭矩控制回路中增加带阻滤波器的技术方案，其缺点主要表现在以下四个方面：
（1.5）该方案只能对于风机运行在并网发电阶段，同时发电机转速信号中包含塔架Side-side方向的一阶固有频率同频率信号所引起的振动起抑制作用，而对于风机运行在接近切出风速条件下启动过程中，或者风机运行在风速高于常规切出风速的暴风控制阶段时，但发电机转速信号中并不包含塔架Side-side方向的一阶固有频率同频率信号所引起的振动（即，前面所提及的情形（1.2）和（1.4））是无能为力。
（1.6）对于发电机转速-电磁扭矩闭环控制回路来讲，系统响应速度慢、超调大、动态特性差。
（1.7）由于需兼顾风机在发电机转速-电磁扭矩控制回路动态响应方面的性能，因此带阻滤波器在陷波幅度的选择上不能太大，这导致在风机并网运行阶段塔架Side-side方向的振动加速度仍然比较大。
（1.8）塔架Side-side方向的弯矩Mx的疲劳载荷比较大。
另外，对于塔架Fore-aft方向，风机在以下阶段运行时，会导致在机组塔架Fore-aft方向产生幅度比较大的一阶固有频率振动：
（2.1）在切入风速附近，机组处于并网发电模式且发电机转速接近最小并网转速条件下，由于塔架Fore-aft方向的一阶固有频率与发电机转速的3倍频相耦合，导致塔架Fore-aft方向的一阶振动故障发生；
（2.2）在接近切出风速阶段机组启动过程到并网发电模式下，由于受风况限制，机组在较长的时间维持在最小并网转速附近，同样是由于塔架Fore-aft方向的一阶固有频率与发电机转速的3倍频相耦合，导致塔架Fore-aft方向的一阶振动故障发生；
（2.3）在额定风速以上，对于风机，由于塔架Fore-aft方向的一阶固有频率的气动阻尼本身比较小，如果不采取任何抑制塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动的措施，在机组满功率运行过程中，首先在发电机转速信号中会激励出与塔架Fore-aft方向的一阶固有频率同频率的信号，该频率信号会被变桨执行机构在执行变桨动作过程中进一步放大，相应地，塔架Fore-aft方向的一阶固有频率的气动阻尼变得更小，导致塔架Fore-aft方向的一阶振动故障发生；
（2.4）机组运行在额定风速以上，由于受到较强阵风以及快速变桨动作的影响，导致塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动故障发生；
（2.5）机组运行在额定风速附近或者额定风速以上，由于电网、全功率变流器或者发电机故障，导致发电机侧空气开关跳闸，此时在塔架Fore-aft方向同样会产生比较大的一阶固有频率振动；
（2.6）对于提高机组切出风速的暴风控制策略方案，当风机运行风速高于常规的切出风速数值时，容易导致塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动故障发生。
为了避免和抑制风机在额定风速以上运行阶段，塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动故障发生，目前在发电机转速-变桨控制回路中串联一个带阻滤波器，该带阻滤波器主要用于衰减发电机转速信号中与塔架Fore-aft方向的一阶固有频率同频率的信号强度，因此在变桨控制命令中就不会再包含减小塔架Fore-aft方向的一阶固有频率气动阻尼的变桨动作。变桨控制不会再主动激励塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动。
在发电机转速-变桨控制回路中增加带阻滤波器的技术方案，其缺点主要表现在以下三个方面：
（2.7）该方案只能对于风机运行在额定风速以上，同时发电机转速信号中包含塔架Fore-aft方向的一阶固有频率同频率信号所引起的振动起抑制作用，而对于风机运行在额定风速以下，或者风机运行在额定风速以上，但发电机转速信号中并不包含塔架Fore-aft方向的一阶固有频率同频率信号所引起的振动（即，前面所提及的情形（2.1）、（2.2）、（2.4）、（2.5）和（2.6））是无能为力。
（2.8）对于发电机转速-变桨闭环控制回路来讲，系统响应速度慢、超调大、动态特性差。
（2.9）前面的情形（2.5）提及的发电机侧空气开关跳闸工况，对于确定风机轮毂、偏航轴承、塔架、基础等机械部件极限载荷起决定性作用，由于在发电机转速-变桨控制回路中增加带阻滤波器的技术方案对引起这类振动的无能为力，因此风机轮毂、偏航轴承、塔架、基础等机械部件极限载荷较大，整个风机的成本较高。
此外，不同机型的风机，针对某一特定风电场的平均风速、极限风速、风频分布和湍流强度等基本信息，都会设计和规定相应的切出风速，以确保机组在大约20年的设计寿命内安全运行。当实际风速超过切出风速时，机组就会执行停机动作，直到实际风速低于切出风速，机组才会重新启动并且并网发电。对于某些风电场，风速高于切出风速的时间比较长，因此风电场开发者提出了在保证机组安全性的前提下，通过提高风机的切出风速来提升机组发电量、提高风电场投资收益的需求。
风机目前的控制策略中并不包含提高机组切出风速的功能。目前在发电机转速-变桨速率控制回路中串联一个带阻滤波器，该带阻滤波器主要用于衰减发电机转速信号中，与塔架Fore-aft方向一阶固有频率同频率的信号强度，同时在发电机转速-电磁扭矩控制回路中串联一个带阻滤波器，该带阻滤波器主要用于衰减发电机转速信号中，与塔架Side-side方向一阶固有频率同频率的信号强度，以此来分别抑制风机在额定风速以上塔架Fore-aft方向以及并网发电运行阶段Side-side方向一阶固有频率振动故障发生。
由于现有的风机并不包含提高机组切出风速的功能，因此无法通过提高切出风速来提升机组发电量以及提高风电场投资收益。
对于串联带阻滤波器的发电机转速-变桨速率控制回路以及发电机转速-电磁扭矩控制回路而言，提高机组运行的切出风速之后，在风机启动过程以及并网发电模式下，机组塔架Fore-aft方向和Side-side方向的一阶固有频率的振动幅度都会大幅度增加，一方面会导致机组产生Fore-aft方向或者Side-side方向振动故障，另一方面塔架My弯矩和Mx弯矩同样由于振动幅度增大而使相应疲劳载荷大幅度增加。
实用新型内容
本实用新型的目的在于减小风机在并网发电模式下运行时，塔架Side-side方向一阶固有频率振动的幅值，减少机组运行过程中相应振动故障的发生，同时降低塔架Side-side方向弯矩Mx的疲劳载荷；提升发电机转速-电磁扭矩闭环控制的动态特性，包括降低超调量、缩短响应时间等。
本实用新型的目的还在于使风机在更宽风速、更宽转速、更宽运行范围内，减小风机塔架Fore-aft方向一阶固有频率振动的幅值，减少机组运行过程中相应振动故障的发生；提升发电机转速-变桨速率闭环控制的动态特性，包括降低超调量、缩短响应时间等；在发电机侧空气开关跳闸工况下，通过减小风机塔架Fore-aft方向一阶固有频率振动的幅值，降低风机轮毂、偏航轴承、塔架、基础等机械部件极限载荷，从而降低整个风机的成本。
本实用新型的目的还在于在保证风机安全性的前提下，提高机组切出风速的数值，以此来提升机组发电量以及提高风电场投资收益；大幅度降低机组提高切出风速以后，在启动过程以及并网发电模式下Fore-aft方向和Side-side方向一阶固有频率振动幅度，保证机组平稳运行以及降低塔架My弯矩、Mx弯矩疲劳载荷。
根据本实用新型的一方面，提供一种风机塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动抑制系统，所述振动抑制系统包括：发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；比较器，连接到发电机转速测量模块，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例积分控制器，连接到比较器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度；积分模块，连接到加速度测量模块，接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算；带通滤波器，连接到积分模块，对积分模块的积分运算结果进行带通滤波，从塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；比例增益模块，连接到带通滤波器，对带通滤波器的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；加法器，连接到比例积分控制器和比例增益模块，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的一阶固有频率振动幅度。
所述振动抑制系统还包括：第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
所述振动抑制系统还包括：第二低通滤波器，连接在比例积分控制器和加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
根据本实用新型的另一方面，提供一种风机塔架的叶轮迎风方向的振动抑制系统，所述振动抑制系统包括：发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；比较器，连接到发电机转速测量模块，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例微分控制器，连接到比较器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值；加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的叶轮迎风方向的振动加速度；带通滤波器，连接到加速度测量模块，接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架的叶轮迎风方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；二阶滤波器，连接到带通滤波器，对带通滤波器的带通滤波结果进行二阶滤波；比例增益模块，连接到二阶滤波器，对二阶滤波器的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值；加法器，连接到比例微分控制器和比例增益模块，将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值，所述风机叶片变桨速率给定值用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架的叶轮迎风方向的一阶固有频率振动幅度。
所述振动抑制系统还包括：第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
所述振动抑制系统还包括：第二低通滤波器，连接在比例微分控制器和加法器之间，对比例微分控制器的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
根据本实用新型的另一方面，提供一种提高风机切出风速并抑制振动的控制系统，所述控制系统包括：风速测量模块，安装在风机机舱上，用于测量风电场风速；第一低通滤波器，连接到风速测量模块，对风速测量模块测量的风速进行低通滤波；风速-发电机额定转速换算模块，连接到第一低通滤波器，从第一低通滤波器接收低通滤波的结果，换算出发电机额定转速；第二低通滤波器，连接到风速-发电机额定转速换算模块，对风速-发电机额定转速换算模块换算出的发电机额定转速进行低通滤波，得到所述发电机转速设定值；发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；第一比较器，连接到第二低通滤波器和发电机转速测量模块，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例积分控制器，连接到第一比较器，接收第一比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度以及塔架的叶轮迎风方向的振动加速度；积分模块，连接到加速度测量模块，接收加速度测量模块测量的塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算；第一带通滤波器，连接到积分模块，对积分模块的积分运算结果进行带通滤波，从塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；第一比例增益模块，连接到第一带通滤波器，对第一带通滤波器的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；第一加法器，连接到比例积分控制器和第一比例增益模块，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的一阶固有频率振动幅度；第二比较器，连接到第二低通滤波器和发电机转速测量模块，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例微分控制器，连接到第二比较器，接收第二比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值；第二带通滤波器，连接到加速度测量模块，接收加速度测量模块测量的塔架的叶轮迎风方向的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架的叶轮迎风方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；二阶滤波器，连接到第二带通滤波器，对第二带通滤波器的带通滤波结果进行二阶滤波；第二比例增益模块，连接到二阶滤波器，对二阶滤波器的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值；第二加法器，连接到比例微分控制器和第二比例增益模块，将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值，所述风机叶片变桨速率给定值用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架的叶轮迎风方向的一阶固有频率振动幅度。
所述控制系统还包括：第三低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和第一比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
所述控制系统还包括：第四低通滤波器，连接在比例积分控制器和第一加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
所述控制系统还包括：第五低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和第二比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
所述控制系统还包括：第六低通滤波器，连接在比例微分控制器和第二加法器之间，对比例微分控制器的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二加法器作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
在风电场风速低于暴风控制起始风速时，风机输出功率为风机的额定功率；当风电场风速在暴风控制起始风速与风机切出风速之间时，发电机额定电磁扭矩保持不变，风机的输出功率随着发电机转速设定值减小而减小；当风电场风速高于风机切出风速时，风机停止运行，输出功率为零。
当风速超过风机的设计切出风速时，降低发电机的额定转速，由此来提高风机切出风速。
根据本实用新型，在保证机组安全的前提下，由于风机可以在更高的风速范围内处于并网发电模式下，因此在风机20年使用寿命内，机组的发电量可以大幅度增加，风电场投资收益大幅度提升；通过将塔架Fore-aft方向振动加速度信号引入发电机转速-变桨速率闭环控制回路，以及将塔架Side-side方向振动加速度信号引入发电机转速-电磁扭矩控制闭环控制回路，可以大幅度降低在大风启动过程中以及提高切出风速之后的并网发电模式下，风机在Fore-aft方向和Side-side方向塔架一阶固有频率加速度信号振动的幅值、以及塔架Side-side方向Mx弯矩、Fore-aft方向My弯矩振动的幅度以及疲劳载荷，从而保证提高切出风速控制方案得以实现。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本实用新型的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是示出根据本实用新型第一实施例的风机塔架Side-side方向振动抑制系统的框图；
图2显示了风速-机舱Side-side方向速度的开环阶跃响应；
图3显示了发电机电磁扭矩-机舱Side-side方向速度的开环阶跃响应；
图4显示了发电机电磁扭矩-机舱Side-side方向速度的开环bode（伯德）图；
图5和图6分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案的闭环阶跃响应，显然Side-side方向振动抑制技术方案的超调量更低，调节时间更短。
图7和图8分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案的闭环bode图；
图9、图10和图11分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案，在大风情况下仿真风机启动过程中Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷、叶片角度变化趋势；
图12、图13和图14分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案，在提高大风切出风速情况下仿真风机运行过程中Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷、风机输出功率变化趋势；
图15是示出根据本实用新型第二实施例的风机塔架Fore-aft方向振动抑制系统的框图；
图16表示变桨速率-机舱速度开环控制bode图；
图17和图18分别表示只引入带通滤波器和同时引入带通滤波器和二阶滤波器的Fore-aft方向振动抑制系统发电机转速-变桨速率闭环bode图；
图19示出了比例增益模块的增益值K随风机叶片角度变化的变化；
图20显示了风速-机舱速度的开环阶跃响应；
图21显示了发电机电磁扭矩-机舱速度的开环阶跃响应；
图22和图23分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案的闭环阶跃响应；
图24和图25分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案的闭环bode图；
图26、图27和图28分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在大风情况下仿真风机启动过程中叶片角度、Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势；
图29和图30分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在小风情况下仿真风机运行过程中叶片角度、Fore-aft方向振动加速度变化趋势；
图31和图32分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在提高大风切出风速情况下仿真风机运行过程中Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势；
图33显示了发电机侧空气开关跳闸的情况下，发电机电磁扭矩的变化趋势；
图34和图35分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在发电机侧空气开关跳闸的情况下仿真风机运行过程中Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势；
图36是示出根据本实用新型第三实施例的提高风机切出风速的控制系统的框图；
图37显示了提高切出风速的暴风控制方案的风速-风机输出功率的关系图；
图38显示了提高切出风速方案仿真使用的湍流风；
图39和图40中实线与虚线分别表示当仿真用湍流风平均风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间以及风速小于暴风控制起始风速时，采用提高切出风速方案，发电机转速-电磁扭矩控制回路和发电机转速-变桨速率控制回路中发电机转速设定值、风机输出功率随时间变化的情况。
图41和图42分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入Fore-aft方向振动加速度信号的技术方案，在风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间的发电模式下，对风机Fore-aft方向振动加速度、塔架My弯矩一阶固有频率信号衰减情况；
图43和图44分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入Side-side方向振动加速度信号的技术方案，在风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间的发电模式下，对风机Side-side方向振动加速度、塔架Mx弯矩一阶固有频率信号衰减情况；
图45、图46和图47中实线和虚线分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入Fore-aft方向振动加速度信号的技术方案以及未引入Fore-aft方向振动加速度的技术方案，在风机大风启动过程中仿真叶片角度、Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化情况；
图48和图49中实线和虚线分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入Side-side方向振动加速度信号的技术方案以及未引入Side-side方向振动加速度的技术方案，在风机大风启动过程中仿真Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷变化情况。
具体实施方式
现在对本实用新型实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本实用新型。
图1是示出根据本实用新型第一实施例的风机塔架Side-side方向振动抑制系统的框图。本实用新型的第一实施例主要针对风机塔架Side-side方向振动抑制。
参照图1，风机塔架Side-side方向振动抑制系统包括发电机转速测量模块（未示出）、比较器101、比例积分（PI）控制器102、加速度测量模块（未示出）、积分模块103、带通滤波器104、比例增益模块105、加法器106。
发电机转速测量模块安装在风机机舱内，测量发电机转速（即，获得发电机转速测量值）。比较器101将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较。PI控制器102接收比较器101的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
加速度测量模块安装在风机机舱内，测量塔架Side-side方向的振动加速度。积分模块103接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算。
带通滤波器104对积分模块103的积分运算结果进行带通滤波，从塔架Side-side方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号。带通滤波器104的传递函数可以是
其中，s表示复变量，ξ表示阻尼系数，ω表示角频率。带通滤波器104的功能就是从塔架Side-side方向的振动加速度信号中提取出一阶固有频率信号。
比例增益模块105对带通滤波器104的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值。
加法器106将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值。发电机电磁扭矩给定值被输入到风机中，用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架Side-side方向的一阶固有频率振动幅度。
优选地，可在发电机转速测量模块和比较器101之间连接有第一低通滤波器107，第一低通滤波器107对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器101，以与发电机转速设定值进行比较。
另外，可在PI控制器102和加法器106连接有第二低通滤波器108，第二低通滤波器108对PI控制器102的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器106作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
图2显示了风速-机舱Side-side方向速度的开环阶跃响应，其中虚线表示在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线表示Side-side方向振动抑制技术方案，很明显Side-side方向振动抑制方案可以大幅度降低由风速阶跃变化引起的塔架Side-side方向一阶固有频率振动幅度。
图3显示了发电机电磁扭矩-机舱Side-side方向速度的开环阶跃响应，其中虚线表示在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线表示Side-side方向振动抑制技术方案，很明显Side-side方向振动抑制方案可以大幅度降低由发电机电磁扭矩阶跃变化引起的塔架Side-side方向一阶固有频率振动幅度。
图4显示了发电机电磁扭矩-机舱Side-side方向速度的开环bode图，其中虚线表示在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线表示Side-side方向振动抑制技术方案，很明显Side-side方向振动抑制方案对塔架Side-side方向一阶固有频率振动有更大的衰减。
图5和图6分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案的闭环阶跃响应，显然Side-side方向振动抑制技术方案的超调量更低，调节时间更短。
图7和图8分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案的闭环bode图，显然Side-side方向振动抑制技术方案的带宽更大，响应速度更快。
图9、图10和图11分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案，在大风情况下仿真风机启动过程中Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷、叶片角度变化趋势，各图中虚线对应发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线对应Side-side方向振动抑制技术方案。显然Side-side方向振动抑制技术方案在Side-side方向一阶固有频率的振动加速度和弯矩Mx振动幅值更小。
图12、图13和图14分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案，在提高大风切出风速情况下仿真风机运行过程中Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷、风机输出功率变化趋势，各图中虚线对应发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线对应Side-side方向振动抑制技术方案。显然Side-side方向振动抑制技术方案在Side-side方向一阶固有频率的振动加速度和弯矩Mx振动幅值大幅度降低。
在根据本实用新型第一实施例的风机Side-side方向振动抑制系统中，通过积分模块、带通滤波器、比例增益模块将风机机舱振动加速度信号引入到发电机电磁扭矩控制中，大幅提升了风速-机舱Side-side方向速度开环控制、发电机扭矩-机舱Side-side方向速度开环控制、发电机转速-发电机电磁扭矩闭环控制的性能；风机机舱振动加速度信号经过积分模块、带通滤波器、比例增益模块之后所引入的附加发电机电磁扭矩放置在第二低通滤波器之后，而不是PI控制器的输出端，避免了第二低通滤波器对风机机舱振动加速度信号经过积分模块、带通滤波器、比例增益模块之后所引入的附加发电机电磁扭矩信号相位的影响。
采用根据本实用新型第一实施例的风机Side-side方向振动抑制系统，可以在机组处于并网发电模式时的各种工况下，限制Side-side方向的一阶固有频率振动幅值，因此对于提高机组可利用率、提升机组发电量和机组适应性方面发挥重要作用；由于发电机转速-电磁扭矩控制闭环控制系统超调量减小、带宽增加、响应时间缩短，因此在降低发电机转速波动范围，特别是在抑制发电机转速超速方面有非常大的帮助，同样可以实现提高机组可利用率以及发电量的作用；风机Side-side方向振动抑制系统可以大幅度降低塔架底部Side-side方向的一阶固有频率弯矩Mx的疲劳载荷。
下面描述本实用新型的第二实施例，该实施例主要针对风机塔架Fore-aft方向振动抑制。图15是示出根据本实用新型第二实施例的风机塔架Fore-aft方向振动抑制系统的框图。
参照图15，风机塔架Fore-aft方向振动抑制系统包括发电机转速测量模块（未示出）、比较器201、比例微分（PD）控制器202、加速度测量模块（未示出）、带通滤波器203、二阶滤波器204、比例增益模块205、加法器206。
发电机转速测量模块安装在风机机舱内，测量发电机转速（即，获得发电机转速测量值）。比较器201将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较。PD控制器202接收比较器201的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
下面简要描述关于变桨的概念。风力发电机的每个叶片（桨叶）与风轮旋转平面（风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面）形成一个角度，称为安装角，也称为桨距角。当桨距角为0°左右时，风能利用系数相对最大，这个角度范围称为发电状态桨叶频繁动作角度范围。如果桨距角增大，则风能利用系数将明显减小。当桨距角为90°左右时，叶片静止，这个角度范围称为停机角度范围。通过改变桨距角（变桨），当风速低于额定风速时追踪最大风速以尽可能吸收风能，当风速高于额定风速时，通过调整桨叶的桨距角，改变气流对桨叶的作用，可以保持发电机功率恒定。
加速度测量模块安装在风机机舱内，测量塔架Fore-aft方向的振动加速度。
带通滤波器203接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架Fore-aft方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号。带通滤波器203的传递函数可以是
带通滤波器203的功能就是从塔架Fore-aft方向的振动加速度信号中提取出一阶固有频率信号。
二阶滤波器204对带通滤波器203的带通滤波结果进行二阶滤波。比例增益模块205对二阶滤波器204的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值。
加法器206将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值。风机叶片变桨速率给定值被输入到风机中，用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动幅度。
优选地，可在发电机转速测量模块和比较器201之间连接有第一低通滤波器207，第一低通滤波器207对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器201，以与发电机转速设定值进行比较。
另外，可在PD控制器202和加法器206连接有第二低通滤波器208，第二低通滤波器208对PD控制器202的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器206作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
风机Fore-aft方向振动抑制系统工作原理为：
其中，M表示质量，D表示阻尼，K表示刚度，x表示机舱顶部位移，
表示机舱顶部速度，
表示机舱顶部加速度，F表示轴向推力，δF表示轴向推力变化量，
表示轴向推力对叶片角度的偏微分，δβ表示叶片角度变化量，Dp表示增加的阻尼。
风机的Fore-aft方向塔架运动可以简化为一个二阶系统，风机Fore-aft方向振动抑制系统从软件的方面入手，人为增加一个与Fore-aft方向机舱加速度一阶固有频率信号相反的变桨控制动作，作为一个附加的外力，相当于等效增加了塔架Fore-aft方向一阶固有频率运动的阻尼项，从而起到抑制风机Fore-aft方向一阶固有频率振动的目的。
二阶滤波器204的引入是为了增加变桨速率-Fore-aft方向速度开环控制以及发电机转速-变桨速率闭环控制中，在塔架Fore-aft方向一阶固有频率附近Fore-aft方向振动和发电机转速信号的衰减幅度，改善各自控制的性能。
图16表示变桨速率-机舱速度开环控制bode图。在图16中，带x的虚点线、黑色实线、点线分别表示未引入Fore-aft方向振动抑制功能、引入Fore-aft方向振动抑制功能但只增加带通滤波器以及引入Fore-aft方向振动抑制功能同时增加带通滤波器、二阶滤波器的系统，其变桨速率-机舱速度开环控制bode图。从图16可以看出，同时引入带通滤波器和二阶滤波器的方案，既可以实现Fore-aft方向一阶固有频率振动的大幅衰减，而且在一阶固有频率附近频率引起的负作用也较小。
图17和图18分别表示只引入带通滤波器和同时引入带通滤波器和二阶滤波器的Fore-aft方向振动抑制系统发电机转速-变桨速率闭环bode图，在Fore-aft方向一阶固有频率附近，图18比图17中发电机转速信号有更大的衰减。
图19示出了比例增益模块的增益值K随风机叶片角度（桨距角）变化的变化。比例增益模块的增益值K是一个随着风机叶片角度变化而变化的数值，而非一个定值，在叶片角度小于角度1或者大于角度2时，增益值K分别保持在某个恒定的数值，当叶片角度介于角度1和角度2之间时，随着风机叶片角度增大，增益值线性减小。
图20显示了风速-机舱速度的开环阶跃响应，其中虚线表示在发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线表示Fore-aft方向振动抑制技术方案，很明显Fore-aft方向振动抑制方案可以大幅度降低由风速阶跃变化引起的塔架Fore-aft方向一阶固有频率振动。
图21显示了发电机电磁扭矩-机舱速度的开环阶跃响应，其中虚线表示在发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线表示Fore-aft方向振动抑制技术方案，很明显Fore-aft方向振动抑制方案可以大幅度降低由发电机电磁扭矩阶跃变化引起的塔架Fore-aft方向一阶固有频率振动。
图22和图23分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案的闭环阶跃响应，显然Fore-aft方向振动抑制技术方案的超调量更低，调节时间更短。
图24和图25分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案的闭环bode图，显然Fore-aft方向振动抑制技术方案的带宽更大，响应速度更快。
图26、图27和图28分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在大风情况下仿真风机启动过程中叶片角度、Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势，各图中虚线对应发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线对应Fore-aft方向振动抑制技术方案。显然Fore-aft方向振动抑制技术方案在Fore-aft方向一阶固有频率的加速度和弯矩My振动幅值更小。
图29和图30分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在小风情况下仿真风机运行过程中叶片角度、Fore-aft方向振动加速度变化趋势，各图中虚线对应发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线对应Fore-aft方向振动抑制技术方案。显然Fore-aft方向振动抑制技术方案在Fore-aft方向一阶固有频率的加速度振动幅值大幅度降低。
图31和图32分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在提高大风切出风速情况下仿真风机运行过程中Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势，各图中虚线对应发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线对应Fore-aft方向振动抑制技术方案。显然Fore-aft方向振动抑制技术方案在Fore-aft方向一阶固有频率的加速度和弯矩My振动幅值大幅度降低。
图33显示了发电机侧空气开关跳闸的情况下，发电机电磁扭矩的变化趋势。
图34和图35分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在发电机侧空气开关跳闸的情况下仿真风机运行过程中Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势，各图中虚线对应发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案，实线对应Fore-aft方向振动抑制技术方案。显然Fore-aft方向振动抑制技术方案在Fore-aft方向一阶固有频率的加速度和弯矩My振动幅值大幅度降低。
在根据本实用新型第二实施例的风机Fore-aft方向振动抑制系统中，通过带通滤波器、二阶滤波器、比例增益模块将风机机舱振动加速度信号引入到变桨速率控制中，大幅提升了变桨速率-机舱Fore-aft方向速度开环控制、风速-机舱Fore-aft方向速度开环控制、发电机扭矩-机舱Fore-aft方向速度开环控制、发电机转速-变桨速率闭环控制的性能；二阶滤波器的引入降低了带通滤波器在Fore-aft方向一阶固有频率附近对变桨速率-机舱Fore-aft速度开环控制以及发电机转速-变桨速率闭环控制的负面影响；比例增益模块设计成非固定值，确保从额定风速到切出风速的各个风速点，在Fore-aft方向对应一阶固有频率振动衰减设计为相同的幅度；风机机舱振动加速度信号经过带通滤波器、二阶滤波器、比例增益模块之后所引入的变桨速率，放置在第二低通滤波器之后，而不是PD控制器的输出端，从而避免了第二低通滤波器对风机机舱振动加速度信号经过带通滤波器、二阶滤波器、比例增益模块之后所引入的变桨速率信号相位的影响。
采用根据本实用新型第二实施例的风机Fore-aft方向振动抑制系统，除了在额定风速以上且机组处于满发状态下限制Fore-aft方向一阶固有频率振动之外，还可以在小风、大风启动、额定风速以上风速较大幅度阶跃变化、提高切出风速等阶段抑制Fore-aft方向一阶固有频率振动，因此对于提高机组可利用率、提升机组发电量和机组适应性方面发挥重要作用；由于发电机转速-变桨速率闭环控制系统超调量减小、带宽增加、响应时间缩短，因此在降低发电机转速波动范围，特别是在抑制发电机转速超速方面有非常大的帮助，同样可以实现提高风机可利用率以及发电量；由于可以在发电机侧空气开关跳闸的情况下，大幅度降低Fore-aft方向一阶频率振动幅度和塔架底部My弯矩载荷峰值，因此对于提高机组的安全性，特别是降低机组基础的成本将发挥非常大的作用，整机成本得以降低。
下面描述本实用新型的第三实施例，该实施例主要在于提高风机切出风速，并且可以针对提高的切出风速抑制风机塔架Side-side方向以及Fore-aft方向振动。第三实施例包含了第一实施例和第二实施例的适当组合。
图36是示出根据本实用新型第三实施例的提高风机切出风速的控制系统的框图。
参照图36，提高风机塔架振动抑制系统包括风速测量模块（未示出）、第一低通滤波器301、风速-发电机额定转速换算模块302、第二低通滤波器303、发电机转速测量模块（未示出）、第一比较器304、比例积分（PI）控制器305、加速度测量模块（未示出）、积分模块306、第一带通滤波器307、第一比例增益模块308、第一加法器309、第二比较器312、比例微分（PD）控制器313、第二带通滤波器314、二阶滤波器315、第二比例增益模块316、第二加法器317。
风速测量模块安装在风机机舱上，用于测量风电场风速。第一低通滤波器301对风速测量模块测量的风速进行低通滤波。风速-发电机额定转速换算模块302从第一低通滤波器301接收低通滤波的结果，换算出发电机额定转速。图36示出了发电机额定转速与风速之间的关系。第二低通滤波器303对风速-发电机额定转速换算模块302换算出的发电机额定转速进行低通滤波，得到发电机转速设定值。
风速-发电机额定转速换算模块302换算出发电机额定转速，当风速超过现有设计的切出风速时，可降低发电机的额定转速，由此来提高切出风速。最终提高切出风速的幅度与风机的载荷计算结果(载荷能力)相关。采用降低额定转速给定值的方式，需要保证载荷计算结果能够在设计载荷范围之内。
当提高了风机的切出风速时，风机的塔架Side-side方向的振动以及塔架Fore-aft方向的振动增大，因此需要抑制振动，下面将进行详细描述。
发电机转速测量模块安装在风机机舱内，测量发电机转速（即，获得发电机转速测量值）。第一比较器304将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较。PI控制器305接收第一比较器304的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
加速度测量模块安装在风机机舱内，测量塔架Side-side方向的振动加速度以及塔架Fore-aft方向的振动加速度。积分模块306接收加速度测量模块测量的塔架Side-side方向的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算。
第一带通滤波器307对积分模块306的积分运算结果进行带通滤波，从塔架Side-side方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号。带通滤波器307的传递函数可以是第一带通滤波器307的功能就是从塔架Side-side方向的振动加速度信号中提取出一阶固有频率信号。
第一比例增益模块308对第一带通滤波器307的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值。
第一加法器309将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值。发电机电磁扭矩给定值被输入到风机中，用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架Side-side方向的一阶固有频率振动幅度。
优选地，可在发电机转速测量模块和第一比较器304之间连接有第三低通滤波器310，第三低通滤波器310对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一比较器304，以与发电机转速设定值进行比较。
另外，可在PI控制器305和第一加法器309连接有第四低通滤波器311，第四低通滤波器311对PI控制器305的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一加法器309作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
第二比较器312将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较。PD控制器313接收第二比较器312的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
第二带通滤波器314接收加速度测量模块测量的塔架Fore-aft方向的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架Fore-aft方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号。第二带通滤波器314的传递函数可以是
第二带通滤波器314的功能就是从塔架Fore-aft方向的振动加速度信号中提取出一阶固有频率信号。
二阶滤波器315对第二带通滤波器314的带通滤波结果进行二阶滤波。第二比例增益模块316对二阶滤波器315的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
第二加法器317将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值。风机叶片变桨速率给定值被输入到风机中，用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动幅度。
优选地，可在发电机转速测量模块和第二比较器312之间连接有第五低通滤波器318，第五低通滤波器318对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二比较器312，以与发电机转速设定值进行比较。
另外，可在PD控制器313和第二加法器317连接有第六低通滤波器319，第六低通滤波器319对PD控制器313的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二加法器317作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
风机Fore-aft方向振动抑制系统工作原理为：
风机的Fore-aft方向塔架运动可以简化为一个二阶系统，风机Fore-aft方向振动抑制系统从软件的方面入手，人为增加一个与Fore-aft方向机舱加速度一阶固有频率信号相反的变桨控制动作，作为一个附加的外力，相当于等效增加了塔架Fore-aft方向一阶固有频率运动的阻尼项，从而起到抑制风机Fore-aft方向一阶固有频率振动的目的。
二阶滤波器315的引入是为了增加变桨速率-Fore-aft方向速度开环控制以及发电机转速-变桨速率闭环控制中，在塔架Fore-aft方向一阶固有频率附近Fore-aft方向振动和发电机转速信号的衰减幅度，改善各自控制的性能。
图37显示了提高切出风速的暴风控制方案的风速-风机输出功率的关系图，其中暴风控制起始风速对应目前正在使用的切出风速。在风电场风速低于暴风控制起始风速时，风机输出功率仍为机组的额定功率，当风电场风速介于暴风控制起始风速至提高后的切出风速之间时，保持发电机额定电磁扭矩不变，此时风机的输出功率随着发电机转速设定值线性减小而减小。当风电场风速高于提高后的切出风速时，风机停止运行，风机输出功率为零。
应该理解，在本实用新型的风机Side-side方向振动抑制系统(即，第一实施例)以及本实用新型的风机Fore-aft方向振动抑制系统(即，第二实施例)中，发电机转速设定值是固定不变的；而在本实用新型的提高风机切出风速的控制系统(即，第三实施例)中，发电机转速设定值随着风电场风速变化是可以调整的。
图38显示了提高切出风速方案仿真使用的湍流风，该湍流风对应平均风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间。
图39和图40中实线与虚线分别表示当仿真用湍流风平均风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间、以及风速小于暴风控制起始风速时，采用提高切出风速方案，发电机转速-电磁扭矩控制回路和发电机转速-变桨速率控制回路中发电机转速设定值、风机输出功率随时间变化的情况。
图41和图42分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入Fore-aft方向振动加速度信号的技术方案，在风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间的发电模式下，对风机Fore-aft方向振动加速度、塔架My弯矩一阶固有频率信号衰减情况，实线表示引入Fore-aft方向振动加速度信号的技术方案，虚线表示未引入Fore-aft方向振动加速度信号的技术方案。
图43和图44分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入Side-side方向振动加速度信号的技术方案，在风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间的发电模式下，对风机Side-side方向振动加速度、塔架Mx弯矩一阶固有频率信号衰减情况，实线表示引入Side-side方向振动加速度信号的技术方案，虚线表示未引入Side-side方向振动加速度信号的技术方案。
图45、图46和图47中实线和虚线分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入Fore-aft方向振动加速度信号的技术方案以及未引入Fore-aft方向振动加速度的技术方案，在风机大风启动过程中仿真叶片角度、Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化情况，显然将Fore-aft方向振动加速度信号引入到发电机转速-变桨速率控制回路，可以大幅度降低Fore-aft方向一阶固有频率的加速度和弯矩My振动幅值。
图48和图49中实线和虚线分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入Side-side方向振动加速度信号的技术方案以及未引入Side-side方向振动加速度的技术方案，在风机大风启动过程中仿真Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷变化情况，显然将Side-side方向振动加速度信号引入到发电机转速-电磁扭矩控制回路，可以大幅度降低Side-side方向一阶固有频率的加速度和弯矩Mx振动幅值。
由于风机塔架Side-side方向以及Fore-aft方向振动得到抑制，因此可以提高风机的切出风速。
风机提高切出风速的控制系统在保证机组安全的前提下，由于风机可以在更高的风速范围内处于并网发电模式下，因此在风机20年使用寿命内，机组的发电量可以大幅度增加，风电场投资收益大幅度提升；通过将塔架Fore-aft方向振动加速度信号引入发电机转速-变桨速率闭环控制回路，以及将塔架Side-side方向振动加速度信号引入发电机转速-电磁扭矩控制闭环控制回路，可以大幅度降低在大风启动过程中以及提高切出风速之后的并网发电模式下，风机在Fore-aft方向和Side-side方向塔架一阶固有频率加速度信号振动的幅值、以及塔架Side-side方向Mx弯矩、Fore-aft方向My弯矩振动的幅度以及疲劳载荷，从而保证提高切出风速控制方案得以实现。
根据本实用新型的风机塔架振动抑制系统和提高风机切出风速的控制系统可应用于直驱兆瓦风机。
虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (13)
1.一种风机塔架振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统包括：
发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；
比较器，连接到发电机转速测量模块，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；
比例积分控制器，连接到比较器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；
加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度；
积分模块，连接到加速度测量模块，接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算；
带通滤波器，连接到积分模块，对积分模块的积分运算结果进行带通滤波，从塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；
比例增益模块，连接到带通滤波器，对带通滤波器的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；
加法器，连接到比例积分控制器和比例增益模块，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的一阶固有频率振动幅度。
2.根据权利要求1所述的风机塔架振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统还包括：第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
3.根据权利要求1所述的风机塔架振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统还包括：第二低通滤波器，连接在比例积分控制器和加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
4.一种风机塔架振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统包括：
发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；
比较器，连接到发电机转速测量模块，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；
比例微分控制器，连接到比较器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值；
加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的叶轮迎风方向的振动加速度；
带通滤波器，连接到加速度测量模块，接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架的叶轮迎风方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；
二阶滤波器，连接到带通滤波器，对带通滤波器的带通滤波结果进行二阶滤波；
比例增益模块，连接到二阶滤波器，对二阶滤波器的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值；
加法器，连接到比例微分控制器和比例增益模块，将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值，所述风机叶片变桨速率给定值用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架的叶轮迎风方向的一阶固有频率振动幅度。
5.根据权利要求4所述的风机塔架振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统还包括：第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
6.根据权利要求4所述的风机塔架振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统还包括：第二低通滤波器，连接在比例微分控制器和加法器之间，对比例微分控制器的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
7.一种提高风机切出风速并抑制振动的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
风速测量模块，安装在风机机舱上，用于测量风电场风速；
第一低通滤波器，连接到风速测量模块，对风速测量模块测量的风速进 行低通滤波；
风速-发电机额定转速换算模块，连接到第一低通滤波器，从第一低通滤波器接收低通滤波的结果，换算出发电机额定转速；
第二低通滤波器，连接到风速-发电机额定转速换算模块，对风速-发电机额定转速换算模块换算出的发电机额定转速进行低通滤波，得到所述发电机转速设定值；
发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；
第一比较器，连接到第二低通滤波器和发电机转速测量模块，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；
比例积分控制器，连接到第一比较器，接收第一比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；
加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度以及塔架的叶轮迎风方向的振动加速度；
积分模块，连接到加速度测量模块，接收加速度测量模块测量的塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算；
第一带通滤波器，连接到积分模块，对积分模块的积分运算结果进行带通滤波，从塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；
第一比例增益模块，连接到第一带通滤波器，对第一带通滤波器的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；
第一加法器，连接到比例积分控制器和第一比例增益模块，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的一阶固有频率振动幅度；
第二比较器，连接到第二低通滤波器和发电机转速测量模块，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；
比例微分控制器，连接到第二比较器，接收第二比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值；
第二带通滤波器，连接到加速度测量模块，接收加速度测量模块测量的塔架的叶轮迎风方向的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔 架的叶轮迎风方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；
二阶滤波器，连接到第二带通滤波器，对第二带通滤波器的带通滤波结果进行二阶滤波；
第二比例增益模块，连接到二阶滤波器，对二阶滤波器的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值；
第二加法器，连接到比例微分控制器和第二比例增益模块，将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值，所述风机叶片变桨速率给定值用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架的叶轮迎风方向的一阶固有频率振动幅度。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：第三低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和第一比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：第四低通滤波器，连接在比例积分控制器和第一加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
10.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：第五低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和第二比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
11.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：第六低通滤波器，连接在比例微分控制器和第二加法器之间，对比例微分控制器的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二加法器作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
12.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，在风电场风速低于暴风控制起始风速时，风机输出功率为风机的额定功率；当风电场风速在暴风控制起始风速与风机切出风速之间时，发电机额定电磁扭矩保持不变，风机的输出功率随着发电机转速设定值减小而减小；当风电场风速高于风机切出风速时，风机停止运行，输出功率为零。
13.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，当风速超过风机的 设计切出风速时，降低发电机的额定转速，由此来提高风机切出风速。
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