CN103629047B - 一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，属于风力发电技术领域。该方法将传动轴看成一个以气动转矩为控制输入的伪线性***，采用比例积分和前馈算法计算气动转矩的指令值，然后采用逆方法获得用于转速调节的桨距角指令值；将塔架看成一个以气动推力为控制输入的伪线性***，气动推力指令值为稳态指令值和小信号指令值之和，然后采用逆方法得到考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值；所得到的桨距角指令值经过串联超前校正环节后，得到最终的桨距角控制指令值，用于风电机组的桨距角控制。本发明在控制风电机组转速恒定的同时，有效降低风电机组的载荷，有助于降低风电机组运维成本和延长风电机组的使用寿命，且适于工程应用。

Description

一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法。

背景技术

近年来，随着风电机组单机容量的不断增加，风电机组机械零部件的尺寸和重量也随之增加。一方面，随着风电机组机械零部件尺寸的不断增加，机组承受的载荷变得更大更复杂。另一方面，机械部件重量的增加会导致整机成本的上升，风电机组生产厂商一般通过降低零部件重量的方式来控制整机成本，从而导致机械零部件柔度增大。长期运行过程中，在较大的复杂载荷的作用下，风电机组柔性零部件会产生持续振动，从而导致零部件的极限载荷和疲劳载荷增加，增加了风电机组的维护成本，并且降低了风电机组的使用寿命。因此，为了降低风力发电的成本，需要对风电机组进行减载控制，以降低风电机组所承受的载荷。特别是当风电机组工作在高风速工作区时，由于风速高，风电机组的载荷问题突出，所以减载控制显得尤为重要。

风电机组的载荷主要是由空气动力产生的，而通过调节桨距角可以有效改变空气动力，因此桨距角控制是降低风电机组载荷的一种有效控制手段。目前商业化风电机组中，桨距角控制基本上都是采用传统的增益调度比例积分（GSPI，Gain-ScheduledProportionalIntegral）方法对风轮转速进行控制，即测量风轮转速并计算与额定转速的偏差，采用GSPI控制方法计算桨距角的控制指令，对风电机组的桨距角进行控制。这种控制方式可以有效控制风电机组的转速及输出功率，但是并没有考虑降低风电机组的载荷。对于现代大型风电机组，载荷问题变得日益突出，为了降低风力发电的成本，设计降低风电机组载荷的变桨距控制方法是风电发展的必然趋势。

风电机组的模型具有很强的非线性，因此给控制方法设计带来了困难。目前已有的降低风电机组载荷的控制方法主要包括线性和非线性两种控制方法。文献“A.D.Wright.Moderncontroldesignforflexiblewindturbines[R],TechnicalReportNREL/TP-500-35816,NREL,2004.”和“W.E.LeitheadandS.Dominguez.CoordinatedControlDesignforWindTurbineControlSystems[C],EuropeanWindEnergyConference,2006.”都是采用线性控制方法，该方法首先针对某一个工作点对风电机组进行线性化，然后基于得到的线性化模型采用线性控制理论的知识设计线性控制方法。然而，这种线性控制方法只有当风电机组工作在选取的工作点附近时，其控制是有效的。为了实现对整个高风速工作区的控制，需要在整个工作区内选取多个不同的工作点分别设计线性控制单元，然后采用适当的增益调度方法对这些线性控制单元进行调度，以保证整个***的稳定运行。可见，线性控制方法的设计比较繁琐、复杂。与此相比，更为高效的一种方法是直接基于风电机组的非线性模型设计非线性控制方法，所设计的非线性控制方法可以实现对整个高风速工作区的控制。目前非线性控制方法方面的研究成果较少。文献“D.Schlipf,D.J.SchlipfandM.Kühn.NonlinearmodelpredictivecontrolofwindturbinesusingLIDAR[J],WindEnergy,2012.”采用非线性模型预测控制方法对风电机组进行载荷优化控制，但是所提出的控制方法复杂，难以实际应用。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，当风电机组运行在高风速工作区时，通过调节风电机组桨叶的桨距角，在控制风电机组风轮转速恒定的同时，抑制塔架的前后振动以降低塔架载荷，从而提高风力发电的经济效益。

本发明提出的一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，其特征在于，包括以下各步骤：

1）获取风电机组的气动转矩特性函数M_a(Ω,β,v₀)、气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)、齿轮箱的变比i、发电机额定电磁转矩风轮额定转速Ω^*和塔架前后振动模态的自然频率f_T，其中：Ω为风轮转速测量值，β为桨距角测量值，v₀为风轮有效风速测量值；

2）采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为3Ω^*/2π的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω，其中Ω^*为步骤1）中的风轮额定转速；

3）采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率f_T为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值v_T，其中f_T为步骤1）中的塔架前后振动模态的自然频率；

4）采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值v₀；

5）将传动轴看作一个以气动转矩M_a为控制输入的伪线性***，采用线性比例积分和前馈算法，根据步骤1）中的齿轮箱的变比i、发电机额定电磁转矩和风轮额定转速Ω^*，以及步骤2）中的风轮转速测量值Ω，计算气动转矩M_a的控制指令

$M_a^{*}=K_{\mathrm{\Ω},p}({\mathrm{\Ω}}^{*}-\mathrm{\Ω})+K_{\mathrm{\Ω},i}\∫({\mathrm{\Ω}}^{*}-\mathrm{\Ω})\mathrm{dt}+M_g^{*}\·i---\left(1\right)$

其中：K_Ω,p表示比例系数，K_Ω,i表示积分系数；

6）根据步骤2）中的风轮转速测量值Ω，步骤4）中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤5）中的气动转矩的控制指令计算用于转速调节的桨距角控制指令

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Ω}}^{*}=M_a^{-1}(\mathrm{\Ω}{,M}_a^{*},v_0)---\left(2\right)$

其中为步骤1）中的气动转矩函数M_a(Ω,β,v₀)的逆，选择满足稳定解条件dM_a/dΩ＜0的稳定解作为控制指令

7）将塔架看作一个以气动推力F_a为控制输入的伪线性模型，根据步骤1）中的气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)，步骤2）中的风轮转速测量值Ω，步骤4）中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤6）中的桨距角控制指令计算气动推力指令值的稳态分量

$F_{a,0}^{*}=F_a(\mathrm{\Ω},{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Ω}}^{*},v_0)---\left(3\right)$

8）根据步骤3）中塔顶速度测量值v_T，计算气动推力指令值的小信号分量

$F_{a,\mathrm{\Δ}}^{*}=-C_{\mathrm{\ΔT}}{v}_T---\left(4\right)$

其中C_ΔT表示期望的塔架阻尼增量；

9）根据步骤7）中的气动推力指令值的稳态分量和步骤8）中的气动推力指令值的小信号分量计算气动推力指令值

$F_a^{*}=F_{a,0}^{*}+F_{a,\mathrm{\Δ}}^{*}---\left(5\right)$

10）根据步骤2）中的风轮转速测量值Ω，步骤4）中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤9）中的气动推力指令值计算考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值

${\mathrm{\β}}_T^{*}=F_a^{-1}(\mathrm{\Ω}{,F}_a^{*},v_0)---\left(6\right)$

其中为步骤1）中的气动推力函数F_a(Ω,β,v₀)的逆；

11）根据上述考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值经过传递函数为：

$G_{\mathrm{lead}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\αTs}+1}{\mathrm{Ts}+1},\mathrm{\α}>1---\left(7\right)$

的超前补偿环节后，得到最终的桨距角控制指令值β^*，并输入到风电机组的变桨距执行器，实现对风电机组桨距角的控制。

本发明的优点是：

1、本发明控制方法可以在控制风电机组转速的同时，有效抑制塔架的振动，从而降低风电机组的载荷，有助于降低风电机组运维成本和延长风电机组的使用寿命；

2、本发明控制方法的实现不需要对风电机组自身的机械结构做任何改变，仅需改变原有的控制方法即可，因此具有很好的经济性；

3、本发明控制方法仅需设计一个非线性控制器，便可以实现对整个高风速工作区的有效控制，使得控制器设计更为简洁、高效；

4、本发明控制方法的动态性能好，转速调节和塔架振动抑制方面的控制效果明显优于传统的GSPI控制方法；

5、本发明控制方法实现简单，有利于实际应用。

附图说明

图1是本发明方法的控制框图。

图2是湍流风速下本发明控制方法与传统的GSPI控制方法的仿真结果对比。

具体实施方式

本发明提出的降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，其控制原理图如图1所示，具体实施方式详述如下：

1）获取风电机组的气动转矩特性函数M_a(Ω,β,v₀)、气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)、齿轮箱的变比i、发电机额定电磁转矩风轮额定转速Ω^*和塔架前后振动模态的自然频率f_T，其中：Ω为风轮转速测量值，β为桨距角测量值，v₀为风轮有效风速测量值（以上这些数据由风机制造商提供）；

2）采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为3Ω^*/2π的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω，其中Ω^*为步骤1）中的风轮额定转速；

3）采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率f_T为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值v_T，其中f_T为步骤1）中的塔架前后振动模态的自然频率；

4）采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值v₀；

5）将传动轴看作一个以气动转矩M_a为控制输入的伪线性***，采用线性比例积分和前馈算法，根据步骤1）中的齿轮箱的变比i、发电机额定电磁转矩和风轮额定转速Ω^*，以及步骤2）中的风轮转速测量值Ω，计算气动转矩M_a的控制指令

$M_a^{*}=K_{\mathrm{\Ω},p}({\mathrm{\Ω}}^{*}-\mathrm{\Ω})+K_{\mathrm{\Ω},i}\∫({\mathrm{\Ω}}^{*}-\mathrm{\Ω})\mathrm{dt}+M_g^{*}\·i---\left(1\right)$

其中：K_Ω,p表示比例系数，K_Ω,i表示积分系数；

6）根据步骤2）中的风轮转速测量值Ω，步骤4）中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤5）中的气动转矩的控制指令计算用于转速调节的桨距角控制指令

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Ω}}^{*}=M_a^{-1}(\mathrm{\Ω}{,M}_a^{*},v_0)---\left(2\right)$

其中为步骤1）中的气动转矩函数M_a(Ω,β,v₀)的逆，的求解可以根据厂家提供的M_a(Ω,β,v₀)数据通过查表而得到，存在1～2解，但稳定解唯一存在），选择满足稳定解条件dM_a/dΩ＜0的稳定解作为控制指令

7）将塔架看作一个以气动推力F_a为控制输入的伪线性模型，根据步骤1）中的气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)，步骤2）中的风轮转速测量值Ω，步骤4）中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤6）中的桨距角控制指令计算气动推力指令值的稳态分量

$F_{a,0}^{*}=F_a(\mathrm{\Ω},{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Ω}}^{*},v_0)---\left(3\right)$

8）根据步骤3）中塔顶速度测量值v_T，计算气动推力指令值的小信号分量

$F_{a,\mathrm{\Δ}}^{*}=-C_{\mathrm{\ΔT}}{v}_T---\left(4\right)$

其中C_ΔT表示期望的塔架阻尼增量；

9）根据步骤7）中的气动推力指令值的稳态分量和步骤8）中的气动推力指令值的小信号分量计算气动推力指令值

$F_a^{*}=F_{a,0}^{*}+F_{a,\mathrm{\Δ}}^{*}---\left(5\right)$

10）根据步骤2）中的风轮转速测量值Ω，步骤4）中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤9）中的气动推力指令值计算考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值

${\mathrm{\β}}_T^{*}=F_a^{-1}(\mathrm{\Ω}{,F}_a^{*},v_0)---\left(6\right)$

其中为步骤1）中的气动推力函数F_a(Ω,β,v₀)的逆的求解可以根据厂家提供的F_a(Ω,β,v₀)数据通过查表而得到存在的唯一解）；

11）根据上述考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值经过传递函数为：

$G_{\mathrm{lead}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\αTs}+1}{\mathrm{Ts}+1},\mathrm{\α}>1---\left(7\right)$

的超前补偿环节后，得到最终的桨距角控制指令值β^*，并输入到风电机组的变桨距执行器，实现对风电机组桨距角的控制。

以下是本发明方法的一个实施例：

下面以具体实例说明本发明控制方法的控制效果。该实例数据来自于美国国家能源实验室开发的WindPACT1.5MW风电机组。按照前述涉及流程

1）获取风电机组的气动转矩特性函数M_a(Ω,β,v₀)、气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)、齿轮箱的变比i＝87.965、发电机额定电磁转矩风轮额定转速Ω^*＝(2π/3)rad/s和塔架前后振动模态的自然频率f_T＝0.406Hz，这些数据由风机制造厂商提供；

2）采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为1Hz的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω；

3）采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率0.406Hz为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值v_T；

4）采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值v₀；

5）将传动轴看作一个以气动转矩M_a为控制输入的伪线性***，采用线性比例积分和前馈算法，计算气动转矩M_a的控制指令

$M_a^{*}=5.74\×{10}^5({\mathrm{\Ω}}^{*}-\mathrm{\Ω})+4.1\×{10}^5\∫({\mathrm{\Ω}}^{*}-\mathrm{\Ω})\mathrm{dt}+7.04\×{10}^5$

6）计算用于转速调节的桨距角控制指令

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Ω}}^{*}=M_a^{-1}(\mathrm{\Ω},M_a^{*},v_0)$

选取对应于dM_a/dΩ＜0的稳定解作为

7）将塔架看作一个以气动推力F_a为控制输入的伪线性模型，计算气动推力指令值的稳态分量

$F_{a,0}^{*}=F_a(\mathrm{\Ω},{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Ω}}^{*},v_0)$

8）计算气动推力指令值的小信号分量

$F_{a,\mathrm{\Δ}}^{*}=-5\×{10}^4{v}_T$

9）计算气动推力指令值

$F_a^{*}=F_{a,0}^{*}+F_{a,\mathrm{\Δ}}^{*}$

10）计算考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值

${\mathrm{\β}}_T^{*}=F_a^{-1}(\mathrm{\Ω}{,F}_a^{*},v_0)$

11）根据上述考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值经过传递函数为

$G_{\mathrm{lead}}\left(s\right)=\frac{0.2s+1}{0.1s+1}$

的超前补偿环节后得到最终的桨距角控制指令值β^*，并输入到风电机组的变桨距执行器，实现对风电机组桨距角的控制。

采用美国国家能源实验室开发的动力学仿真软件FAST对本发明控制方法进行仿真验证。风电机组高风速区的工作范围是12m/s-24m/s，为了考量本发明控制方法在整个高风速工作区的控制性能，分别对以下三种风况进行仿真测试：

（1）平均风速14m/s，湍流强度5%

（2）平均风速18m/s，湍流强度15%

（3）平均风速22ms/，湍流强度15%

为了衡量本发明控制方法的控制性能，以传统的GSPI控制方法作为基准，对控制性能进行对比分析。考量的控制性能指标包括风轮转速的均方差、塔架前后振动的损伤当量载荷（DEL，DamageEquivalentLoad）、桨叶挥舞振动的DEL以及桨距角变化率的有效值（RMS，RootMeanSquare）。三种风况条件下，本发明控制方法与传统GSPI控制方法的控制性能比较结果如图2所示。图中，纵坐标的值代表本发明控制方法的控制性能，以传统GSPI控制方法的控制性能为基值，进行归一化处理后的结果。横坐标1表示风轮转速的均方差，2表示塔架前后振动的DEL，3表示桨叶挥舞振动的DEL，4表示桨距角变化率的RMS。由仿真结果可见，在整个高风速工作区，本发明控制方法可以在有效提高风轮转速控制效果的同时，降低塔架载荷，并且桨距角动作频率基本维持原有水平。此外，桨叶挥舞振动DEL基本维持不变，因此本发明控制方法并不增加桨叶载荷。

Claims (1)

1.一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，其特征在于，包括以下各步骤：

1)获取风电机组的气动转矩特性函数M_a(Ω,β,v₀)、气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)、齿轮箱的变比i、发电机额定电磁转矩风轮额定转速Ω^*和塔架前后振动模态的自然频率f_T，其中：Ω为风轮转速测量值，β为桨距角测量值，v₀为风轮有效风速测量值；

2)采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为3Ω^*/2π的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω，其中Ω^*为步骤1)中的风轮额定转速；

3)采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率f_T为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值v_T，其中f_T为步骤1)中的塔架前后振动模态的自然频率；

4)采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值v₀；

5)将传动轴看作一个以气动转矩M_a为控制输入的伪线性***，采用线性比例积分和前馈算法，根据步骤1)中的齿轮箱的变比i、发电机额定电磁转矩和风轮额定转速Ω^*，以及步骤2)中的风轮转速测量值Ω，计算气动转矩M_a的控制指令

$M_a^{*}=K_{\mathrm{\Ω},p}({\mathrm{\Ω}}^{*}-\mathrm{\Ω})+K_{\mathrm{\Ω},i}\∫({\mathrm{\Ω}}^{*}-\mathrm{\Ω})dt+M_g^{*}\·i---\left(1\right)$

其中：K_Ω,p表示比例系数，K_Ω,i表示积分系数；

6)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤5)中的气动转矩的控制指令计算用于转速调节的桨距角控制指令

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Ω}}^{*}=M_a^{-1}(\mathrm{\Ω},M_a^{*},v_0)---\left(2\right)$

其中为步骤1)中的气动转矩特性函数M_a(Ω,β,v₀)的逆，选择满足稳定解条件dM_a/dΩ＜0的稳定解作为控制指令

7)将塔架看作一个以气动推力F_a为控制输入的伪线性模型，根据步骤1)中的气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)，步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤6)中的桨距角控制指令计算气动推力指令值的稳态分量

$F_{a,0}^{*}=F_a(\mathrm{\Ω},{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Ω}}^{*},v_0)---\left(3\right)$

8)根据步骤3)中塔顶速度测量值v_T，计算气动推力指令值的小信号分量

$F_{a,\mathrm{\Δ}}^{*}=-C_{\mathrm{\Δ}T}{v}_T---\left(4\right)$

其中C_ΔT表示期望的塔架阻尼增量；

9)根据步骤7)中的气动推力指令值的稳态分量和步骤8)中的气动推力指令值的小信号分量计算气动推力指令值

$F_a^{*}=F_{a,0}^{*}+F_{a,\mathrm{\Δ}}^{*}---\left(5\right)$

10)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤9)中的气动推力指令值计算考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值

${\mathrm{\β}}_T^{*}=F_a^{-1}(\mathrm{\Ω},F_a^{*},v_0)---\left(6\right)$

其中为步骤1)中的气动推力函数F_a(Ω,β,v₀)的逆；

11)根据上述考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值经过传递函数为：

$G_{lead}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\α}Ts+1}{Ts+1},\mathrm{\α}>1---\left(7\right)$

的超前补偿环节后，得到最终的桨距角控制指令值β^*，并输入到风电机组的变桨距执行器，实现对风电机组桨距角的控制。