CN102926930A - 一种风力发电***的独立变桨控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：该控制方法所采用的控制***包括两个控制闭环，即平衡负荷控制闭环和不平衡负荷控制闭环，分别用来处理风力机负荷平衡和不平衡的情况，在平衡情况下，使用平衡负荷控制闭环来消除桨叶上的负荷和风力机固定部分的负荷；当检测到负荷的不平衡时，启动不平衡负荷控制闭环以消除其对风力机轮毂及固定部分的疲劳载荷。在风力机负荷平衡或不平衡的情况下，不仅能够减小桨叶上的负荷，风力机固定部分的负荷也得到了极大的减小。

Description

一种风力发电***的独立变桨控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别涉及风力发电***的独立变桨控制方法。

背景技术

随着全社会对能源危机和环境污染问题的持续关注，可再生能源特别是风力发电的开发利用正呈现出加速发展的趋势。随着风电机组容量的增大，风力机的风轮直径、机舱的重量、塔架的高度都急速增加，以至于风剪切、塔影效应、风湍流等因素在风力机上产生越来越大的负荷，最终会减少风力机的使用年限。

目前，流行的风力发电***在额定风速之上主要采用统一变桨控制，即通过控制三套独立的变桨机构控制三个桨叶的桨距角相同，从而减小风能的捕获，使得风电机组输出额定功率。但这种统一变桨控制并没有考虑风力机的负荷，特别是疲劳负荷，随着风力机容量的增大，负荷的问题越来越明显及亟待解决。

之前国内外提出的独立变桨控制的目标主要是减小桨叶上的1p负荷，从而减小风轮轮毂及固定部分的0p负荷。但风力机固定部分的疲劳负荷主要是由于3p负荷引起的，因此其固定部分的疲劳负荷并没有减小。

之前国内外提出的独立变桨控制的主要策略是检测三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃(blade root bending moment）和转子的方位角(azimuth angle），之后通过Coleman变换将M₁，M₂，M₃变换为俯仰力矩M_tilt和偏航力矩M_yaw。为了减小其他高次谐波的影响，通常在M_tilt和M_yaw信号之后加上两个低通滤波器（LPF），之后通过控制器（PI，LQG等）输出对应于俯仰力矩和偏航力矩的桨距角θ_tilt和θ_yaw，经Coleman逆变换输出期望的三个桨叶角的增量θ_b1，θ_b2，θ_b3。θ_b1，θ_b2，θ_b3再分别与统一变桨输出的桨距角相加输出总的桨距角分别送给三个桨叶的伺服***，从而减小桨叶上的1p负荷和轮毂上的0p负荷。如果希望消除风力机轮毂和固定部分的疲劳负荷，则需要通过类似的控制策略分别消除桨叶上的2p和4p负荷。由此可见，为了消除风力机的负荷，现有独立变桨***需要经过多次复杂的Coleman变换和逆变换，需多个低通滤波器和多个控制器，控制***相当复杂。

另外，国内外提出的独立变桨控制技术绝大多数没有考虑风力机负荷不平衡的情况，然而在风力机运行的过程中，桨叶的质量可能发生变化，或者桨叶有所损坏，或者在温度低的情况下桨叶上会结冰等等，都会造成风力机负荷的不平衡，增大疲劳载荷，因此会减小风力机的使用年限。

发明内容

技术问题：鉴于现有风力发电***独立变桨控制的不足和复杂性，本发明的目的在于提供一种风力发电***的独立变桨控制方法，在风力机负荷平衡或不平衡的情况下，不仅能够减小桨叶上的负荷，风力机固定部分的负荷也得到了减小。此方法简化了控制***的复杂性，降低成本，提高了运算速度，可靠性高，能够更有效地减小风力机的疲劳载荷。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电***的独立变桨控制方法，该控制方法所采用的控制***包括两个控制闭环，即平衡负荷控制闭环和不平衡负荷控制闭环，分别用来处理风力机负荷平衡和不平衡的情况，在平衡情况下，使用平衡负荷控制闭环来消除桨叶上的负荷和风力机固定部分的负荷；当检测到负荷的不平衡时，启动不平衡负荷控制闭环以消除其对风力机轮毂及固定部分的疲劳载荷，该方法包括：

风力机负荷平衡时：

步骤11：分别检测出三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃送给主控制器，主控制器将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃经过Clarke变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β；

步骤12：风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β信号送给第一比例谐振控制器，输出对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β，

步骤13：对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β经过Clarke逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3，

步骤14：在风力机负荷平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3分别与风力机负荷平衡时统一桨距角的给定值θ_c相加，输出总的风力机负荷平衡时桨距角θ_c+θ_b1，θ_c+θ_b2，θ_c+θ_b3分别送给三个桨叶的伺服***；

风力机负荷不平衡时：

步骤21：将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃和方位角信号送给主控制器，经过Coleman变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量M_d和M_q；

步骤22：风力机负荷不平衡时垂直的分量M_d，M_q信号送给第二比例谐振控制器，输出对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q，

步骤23：对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q经过Coleman逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3，

步骤24：风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3分别与风力机平衡时的桨距角参考值相加，输出风力机负荷不平衡时总的桨距角θ_c+θ_b1+θ_i1，θ_c+θ_b2+θ_i2，θ_c+θ_b3+θ_i3分别送给三个桨叶的伺服***。

优选的，步骤11中，三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃经过Clarke变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β，具体通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{\α}}\\ M_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\end{array}\right].$

优选的，风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=P+\underset{h=\mathrm{1,2,4}}{\mathrm{\Σ}}\frac{K_h{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(h{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}$

其中P为第一比例谐振控制器的比例系数，K_h为第一比例谐振控制器的谐振系数，ω₀为谐振频率，ω_c是为了防止G_PR(s)增益太大引入的参数；ω_c<<ω₀，h=1,2,4；s为拉普拉斯算子,G_PR(s)为第一比例谐振控制器的传递函数。

优选的，步骤13，对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β经过Clarke逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3，

通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{b1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b3}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right].$

优选的，步骤21，将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃和方位角信号送给主控制器，经过Coleman变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量M_d和M_q；通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{M}_d\\ M_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\end{array}\right].$

优选的，步骤22中，第二比例谐振控制器的传递函数为：

$G_{\mathrm{PR}1p}\left(s\right)=P_{1p}+\frac{K_{1p}{\mathrm{\&omega;}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{{\mathrm{\&omega;}}_0}^2}$

其中P_1p和K_1p分别为第二比例谐振控制器的比例和谐振系数；ω₀为谐振频率，ω_c是为了防止G_PR1p(s)增益太大引入的参数，s为拉普拉斯算子,G_PR1p(s)为第二比例谐振控制器的传递函数。

优选的，步骤23，对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q经过Coleman逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3，通过如下方法体现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{i1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{i2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{i3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_d\\ {\mathrm{\&theta;}}_q\end{array}\right].$

有益效果：相对之前的独立变桨控制，此独立变桨控制在风力机平衡时，省去了风力机方位角的检测，省去了多次复杂的旋转和静止坐标系之间的坐标变换，同时省去了若干低通滤波器的使用。该控制策略可以减小桨叶上1p，2p及以上高次频率的负荷，同时可以减小风力机轮毂和固定部分的3p负荷。在风力机不平衡时，此独立变桨控制策略在平衡负荷控制之外添加了不平衡负荷的控制，能够有效减小风力机固定部分的1p负荷。

该独立变桨控制技术能够更加有效地减小***的疲劳载荷，具有结构简单，处理速度快，可靠性高等特点，能够有效延长风力机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明技术的独立变桨控制的原理图；

图2为桨叶根部弯曲力矩的频谱图；

图3为俯仰力矩M_tilt的频谱图；

图4为偏航力矩M_yaw的频谱图；

图5为独立变桨控制的桨距角示意图；

图6为风力机负荷不平衡时的俯仰力矩M_tilt示意图；

图7为风力机负荷不平衡时的偏航力矩M_yaw示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明提供的风力发电***的独立变桨控制方法，该控制方法在风力机负荷平衡和不平衡时，可以通过相应的控制策略减小风力机的负荷。在风力机负荷平衡时，与传统的独立变桨控制策略相比，此独立变桨控制策略可以省去风力机方位角的检测和多次复杂的旋转和静止坐标系之间的坐标变换，同时省去了若干低通滤波器。该控制策略可以减小桨叶上1p，2p及以上高次频率的负荷，同时减小风力机轮毂上的3p负荷。在风力机负荷不平衡时，此独立变桨控制策略在平衡负荷控制之外添加了不平衡负荷的控制，能够有效的减小风力机轮毂等固定部分上的1p负荷。该独立变桨控制能够有效地减小风力机的疲劳载荷，延长其使用年限。

本发明提供的风力发电***的独立变桨控制方法，所采用的控制***包括两个控制闭环，即平衡负荷控制闭环和不平衡负荷控制闭环，分别用来处理风力机负荷平衡和不平衡的情况，在平衡情况下，使用平衡负荷控制闭环来消除桨叶上的负荷和风力机固定部分的负荷；当检测到负荷的不平衡时，启动不平衡负荷控制闭环以消除其对风力机轮毂及固定部分的疲劳载荷，该方法包括：

风力机负荷平衡时：

步骤11：分别检测出三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃送给主控制器，主控制器将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃经过Clarke变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β；

步骤12：风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β信号送给第一比例谐振控制器，输出对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β，

步骤13：对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β经过Clarke逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3，步骤14：在风力机负荷平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3分别与风力机负荷平衡时统一桨距角的给定值θ_c相加，输出总的风力机负荷平衡时桨距角θ_c+θ_b1，θ_c+θ_b2，θ_c+θ_b3分别送给三个桨叶的伺服***；

风力机负荷不平衡时：

步骤21：将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃和方位角信号送给主控制器，经过Coleman变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量M_d和M_q；

步骤22：风力机负荷不平衡时垂直的分量M_d，M_q信号送给第二比例谐振控制器，输出对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q，

步骤23：对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q经过Coleman逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3，

步骤24：风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3分别与风力机平衡时的桨距角参考值相加，输出风力机负荷不平衡时总的桨距角θ_c+θ_b1+θ_i1，θ_c+θ_b2+θ_i2，θ_c+θ_b3+θ_i3分别送给三个桨叶的伺服***。

优选的，步骤11中，三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃经过Clarke变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β，具体通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ M_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\end{array}\right].$

优选的，风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=P+\underset{h=\mathrm{1,2,4}}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{K_h{\mathrm{\&omega;}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{\left(h{\mathrm{\&omega;}}_0\right)}^2}$

其中P为第一比例谐振控制器的比例系数，K_h为第一比例谐振控制器的谐振系数，ω₀为谐振频率，ω_c是为了防止G_PR(s)增益太大引入的参数；ω_c<<ω₀，h=1,2,4；s为拉普拉斯算子,G_PR(s)为第一比例谐振控制器的传递函数。步骤13，对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β经过Clarke逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3，

通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{b1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b3}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right].$

步骤21，将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃和方位角信号送给主控制器，经过Coleman变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量M_d和M_q；通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{M}_d\\ M_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\end{array}\right].$

优选的，步骤22中，第二比例谐振控制器的传递函数为：

$G_{\mathrm{PR}1p}\left(s\right)=P_{1p}+\frac{K_{1p}{\mathrm{\&omega;}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{{\mathrm{\&omega;}}_0}^2}$

其中P_1p和K_1p分别为第二比例谐振控制器的比例和谐振系数；ω₀为谐振频率，ω_c是为了防止G_PR1p(s)增益太大引入的参数，s为拉普拉斯算子,G_PR1p(s)为第二比例谐振控制器的传递函数。

步骤23，对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q经过Coleman逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3，通过如下方法体现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{i1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{i2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{i3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_d\\ {\mathrm{\&theta;}}_q\end{array}\right].$

本发明的技术构思为：在传统的统一变桨控制的基础上，分别在每个桨叶的桨距角上叠加几个很小的分量用来消除风力机上不同频率的负荷。

由于风剪切、塔影效应、风湍流等因素的影响，风力机桨叶上的负荷包含了0p,1p,2p,3p,4p…等分量。经分析，风力机的俯仰力矩M_tilt和偏航力矩M_yaw是由桨叶上的负荷引起的。桨叶上频率为3·i·ω,i=0,1,2,3…的负荷转移到风力机转子轮毂上时被相互抵消，其他频率的负荷转移到转子上时频率变为离得最近的3p的倍数。所以转子和其他静止的部分将承受3p,6p等频率的负荷。比如，转子上的3p负荷是由桨叶上的2p和4p负荷引起的，转子上的6p负荷是由桨叶上的5p和7p负荷引起的。当风力机不平衡时，风力机转子除了承受0p,3p,6p等负荷外，其还将承受1p的负荷，而且风力机的不平衡性越高，1p分量将越大。

因此，减小桨叶上的1p负荷可以有效减小桨叶上的疲劳负荷，同时减小了风力机转子上的0p负荷。但是转子上的疲劳负荷主要是由其上的3p负荷引起的，因为转子上的3p是由桨叶上的2p和4p引起的，所以可以通过减小桨叶的2p和4p负荷来减小转子上的疲劳负荷。另外转子上的6p也会产生一定的疲劳负荷，但因其对桨距角的伺服***要求很高，故一般不考虑减小6p负荷。

因此，此发明提出的独立变桨控制方法的具体技术构思为：

风力机负荷平衡时：检测出三个桨叶根部的弯曲力矩（M₁，M₂，M₃）送给主控制器，主控制器将M₁，M₂，M₃经过Clarke变换转换为两个垂直的分量M_α，M_β。M_α，M_β信号送给比例谐振控制器1，输出对应于α，β轴的期望桨距角θ_α，θ_β。θ_α，θ_β经过Clarke逆变换得到三个桨叶的桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3。θ_b1，θ_b2，θ_b3分别与统一桨距角的给定值θ_c相加，输出总的桨距角（θ_c+θ_b1，θ_c+θ_b2，θ_c+θ_b3）分别送给三个桨叶的伺服***。

风力机负荷不平衡时：将M₁，M₂，M₃和方位角信号送给主控制器,经过Coleman变换得到两个垂直的分量M_d和M_q。M_d，M_q信号送给比例谐振控制器2，输出对应于d，q轴的期望桨距角θ_d，θ_q。θ_d，θ_q经过Coleman逆变换得到三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3。θ_i1，θ_i2，θ_i3分别与风力机平衡时的桨距角参考值相加，输出总的桨距角（θ_c+θ_b1+θ_i1，θ_c+θ_b2+θ_i2，θ_c+θ_b3+θ_i3）分别送给三个桨叶的伺服***。

图1为此发明提出的独立变桨控制原理图。此控制***有两个控制闭环，分别用来处理风力机负荷平衡和不平衡的情况。在正常的平衡情况下，只需使用平衡负荷控制闭环来消除桨叶上的1p，2p及4p的负荷和风力机固定部分的0p和3p负荷；当检测到桨叶的不平衡时，启动不平衡负荷控制环以消除其对风力机转子的1p疲劳载荷。此独立变桨控制过程包括：

风力机负荷平衡时：

1）检测出三个桨叶根部的弯曲力矩（M₁，M₂，M₃）送给主控制器，主控制器将M₁，M₂，M₃经过Clarke变换转换为两个垂直的分量M_α，M_β。具体可以通过如下公式体现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{b1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b3}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]$

2）M_α，M_β信号送给比例谐振控制器1，输出对应于α，β轴的期望桨距角θ_α，θ_β。此比例谐振控制器1传递函数具体可以通过如下公式体现：

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=P+\underset{h=\mathrm{1,2,4}}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{K_h{\mathrm{\&omega;}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{\left(h{\mathrm{\&omega;}}_0\right)}^2}$

其中P为第一比例谐振控制器的比例系数，K_h为第一比例谐振控制器的谐振系数，ω₀为谐振频率，ω_c是为了防止G_PR(s)增益太大引入的参数；ω_c<<ω₀，h=1,2,4；s为拉普拉斯算子,G_PR(s)为第一比例谐振控制器的传递函数。

3）θ_α，θ_β经过Clarke逆变换得到三个桨叶的桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3。具体可以通过如下公式体现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{b1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b3}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]$

4）θ_b1，θ_b2，θ_b3分别与统一桨距角的给定值θ_c相加，输出总的桨距角（θ_c+θ_b1，θ_c+θ_b2，θ_c+θ_b3）分别送给三个桨叶的伺服***。

风力机负荷不平衡时，启动不平衡负荷控制：

1）将M₁，M₂，M₃和方位角信号送给主控制器，经过Coleman变换得到两个垂直的分量M_d和M_q。具体可以通过如下公式体现：

$\left[\begin{array}{c}{M}_d\\ M_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\end{array}\right].$

2）M_d，M_q信号送给比例谐振控制器2，输出对应于d，q轴的期望桨距角θ_d，θ_q。此比例谐振控制器2传递函数具体可以通过如下公式体现：

$G_{\mathrm{PR}1p}\left(s\right)=P_{1p}+\frac{K_{1p}{\mathrm{\&omega;}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{{\mathrm{\&omega;}}_0}^2}$

其中P_1p和K_1p分别为第二比例谐振控制器的比例和谐振系数；ω₀为谐振频率，ω_c是为了防止G_PR1p(s)增益太大引入的参数，s为拉普拉斯算子,G_PR1p(s)为第二比例谐振控制器的传递函数。

3）θ_d，θ_q经过Coleman逆变换得到三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3。具体可以通过如下公式体现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{i1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{i2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{i3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_d\\ {\mathrm{\&theta;}}_q\end{array}\right]$

4）θ_i1，θ_i2，θ_i3分别与风力机平衡时的桨距角参考值相加，输出总的桨距角（θ_c+θ_b1+θ_i1，θ_c+θ_b2+θ_i2，θ_c+θ_b3+θ_i3）分别送给三个桨叶的伺服***。图2到图5为风力机负荷平衡时的***分析图。

图2为桨叶根部弯曲力矩的频谱图。在额定风速之上，风力机的转速为2.147rad/s，对应1p的频率为0.342Hz。由图可见在统一变桨控制下，桨叶的负荷中含有大量的1p，2p,3p,4p等，为了减小桨叶上的主要疲劳载荷1p负荷，和减小风力机轮毂上的主要疲劳载荷3p负荷，通过提出的独立变桨控制，由图2可见桨叶上的1p，2p,4p的负荷都得到了极大的减少。

图3为俯仰力矩M_tilt的频谱图，图4为偏航力矩M_yaw的频谱图。可以很明显地看出，相比统一变桨控制，在独立变桨控制下，M_tilt和M_yaw的0p分量很小，意味着M_tilt和M_yaw的平均值都变到了0附近，因为桨叶上的1p是导致转子轮毂上0p的直接原因。由于桨叶上的2p和4p得到了很大减小，M_tilt和M_yaw中的主要疲劳载荷3p得到了极大减少。

图5为三个桨叶的桨距角。在统一变桨控制中，三个桨叶的桨距角相同，不能有效的减少风力机的负荷。在独立变桨控制中，三个桨叶的桨距角能根据风力机的负荷实时独立地调整，有效地减小风力机负荷。应该指出桨距角伺服***的响应速度很关键，对伺服***来说，消除越高频率的负荷则需要越快的响应速度，在此发明中，桨距角的变化速度在10°/s之内。

由图2到图5可以充分说明，此发明提出的独立变桨控制在风力机负荷平衡的情况下能够有效地减小风力机的负荷，增加风力机的使用年限。此控制方法简单，易于执行。

图6到图7为风力机负荷不平衡时的***分析图。

图6和图7为俯仰力矩M_tilt和偏航力矩M_yaw的频谱图。可见当风力机负荷不平衡时，风力机的俯仰力矩和偏航力矩中含有1p的负荷，通过此发明提出的独立变桨控制方法可显著地减小此疲劳负荷。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：该控制方法所采用的控制***包括两个控制闭环，即平衡负荷控制闭环和不平衡负荷控制闭环，分别用来处理风力机负荷平衡和不平衡的情况，在平衡情况下，使用平衡负荷控制闭环来消除桨叶上的负荷和风力机固定部分的负荷；当检测到负荷的不平衡时，启动不平衡负荷控制闭环以消除其对风力机轮毂及固定部分的疲劳载荷，该方法包括：

风力机负荷平衡时：

步骤11：分别检测出三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃送给主控制器，主控制器将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃经过克拉克变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β；

步骤12：风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β信号送给第一比例谐振控制器，输出对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β，

步骤13：对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β经过克拉克逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3，

步骤14：在风力机负荷平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3分别与风力机负荷平衡时统一桨距角的给定值θ_c相加，输出总的风力机负荷平衡时桨距角θ_c+θ_b1，θ_c+θ_b2，θ_c+θ_b3分别送给三个桨叶的伺服***；

风力机负荷不平衡时：

步骤21：将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃和方位角信号送给主控制器，经过卡尔曼变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量M_d和M_q；

步骤22：风力机负荷不平衡时垂直的分量M_d，M_q信号送给第二比例谐振控制器，输出对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q，

步骤23：对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q经过卡尔曼逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3，

步骤24：风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3分别与风力机平衡时的桨距角参考值相加，输出风力机负荷不平衡时总的桨距角θ_c+θ_b1+θ_i1，θ_c+θ_b2+θ_i2，θ_c+θ_b3+θ_i3分别送给三个桨叶的伺服***。

2.根据权利要求1所述的风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：步骤11中，三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃经过克拉克变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量M_α，M_β，具体通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ M_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\end{array}\right].$

3.根据权利要求1所述的风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=P+\underset{h=\mathrm{1,2,4}}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{K_h{\mathrm{\&omega;}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{\left(h{\mathrm{\&omega;}}_0\right)}^2}$

其中P为第一比例谐振控制器的比例系数，K_h为第一比例谐振控制器的谐振系数，ω₀为谐振频率，ω_c是为了防止G_PR(s)增益大引入的参数；ω_c<<ω₀，h=1,2,4；s为拉普拉斯算子,G_PR(s)为第一比例谐振控制器的传递函数。

4.根据权利要求1所述的风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：步骤13，对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ_α，θ_β经过克拉克逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值θ_b1，θ_b2，θ_b3，通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{b1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{b3}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right].$

5.根据权利要求1所述的风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：步骤21，将三个桨叶根部的弯曲力矩M₁，M₂，M₃和方位角信号送给主控制器，经过卡尔曼变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量M_d和M_q；通过如下方法实现：

$\left[\begin{array}{c}{M}_d\\ M_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\end{array}\right].$

6.根据权利要求1所述的风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：步骤22中，第二比例谐振控制器的传递函数为：

$G_{\mathrm{PR}1p}\left(s\right)=P_{1p}+\frac{K_{1p}{\mathrm{\&omega;}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{{\mathrm{\&omega;}}_0}^2}$

其中P_1p和K_1p分别为第二比例谐振控制器的比例和谐振系数；ω₀为谐振频率，ω_c是为了防止G_PR1p(s)增益大引入的参数，s为拉普拉斯算子,G_PR1p(s)为第二比例谐振控制器的传递函数。

7.根据权利要求1所述的风力发电***的独立变桨控制方法，其特征在于：步骤23，对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角θ_d，θ_q经过卡尔曼逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θ_i1，θ_i2，θ_i3，通过如下方法体现：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{i1}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{i2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{i3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& \sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_d\\ {\mathrm{\&theta;}}_q\end{array}\right].$

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