CN103742357B - 一种风力发电机组风轮非对称载荷控制方法 - Google Patents
一种风力发电机组风轮非对称载荷控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种风电机组风轮非对称载荷控制方法，可以应用于大功率风电机组的变桨控制，通过变桨距控制在机组的发电运行过程中尤其是阵风和高风速工况下，减小风轮的非对称动态载荷。从而可以提高机组可靠性，延长机组寿命，并可以以此为基础对机组结构、重量和尺寸进行优化，达到降低成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电机组风轮非对称载荷控制方法，应用于大功率风电机组的变桨控制，可以通过变桨距控制在机组的发电运行过程中尤其是阵风和高风速工况下，减小风轮的非对称载荷。
背景技术
随着人类社会能源需求的急速增长和日益严重的气候、环境问题，风力发电作为可大规模开发利用的可再生能源之一，在技术研究、装备制造及零部件配套等方面都得到了迅速的发展。迫于市场和竞争的压力，风电场运营商必须尽可能地降低发电成本。提高风电机组单机容量是降低发电成本最有效的途径之一，单机容量的不断增大，载荷的增加使得对各部件的强度要求增加，同时部件的刚度增加、固有频率下降。叶片的挥舞、风轮的旋转、塔影效应、风轮的非对称载荷以及外界风的变化和各零部件的振动耦合几率都增加，这就要求控制***能够抑制风轮、塔筒和传动***振动，减小振动带来的动态载荷。单机容量增大，风轮直径和扫掠面积增加使机组承受的载荷更大，更复杂；风轮直径的增加使得在风轮扫掠范围内的风切变更显著，湍流更复杂，叶片的重量及质量分布差异也更加明显。风轮三只叶片受到气动力的差异，再加上由于制造、安装工艺引起的风轮的机械不平衡，会形成很大的风轮非对称载荷，最有代表性的是轮毂所受的弯矩。该弯矩会导致轮毂的碟形力矩和传动轴的弯曲力矩，进而影响轮毂、主轴乃至传动***的寿命。如果通过一定的控制手段减小风轮的非对称载荷，将会减轻机组对结构件的强度要求，降低机组零部件故障率，延长机组使用寿命。
发明内容
发明目的：通过变桨距控制减小风轮的非对称动态载荷,从而提高机组可靠性，延长机组寿命，并可以以此为基础对机组结构、重量和尺寸进行优化。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的
一种风轮非对称载荷控制方法，其特征在于：所述控制方法主要通过变桨控制减小由于风切换和湍流引起的大型风电机组风轮非对称载荷，控制器以风轮转速和风轮中心实时载荷为输入，以桨距角为输出，控制不依赖于风电机组的精准数学模型；载荷控制由实时载荷测量与计算，不依赖于精准熟悉模型的闭环控制器、风轮非对称载荷桨距控制环、转速桨距控制环等环节和元素；控制变量为桨距角，控制器输出为桨距角增量，控制器的输出由转速桨距控制环和风轮非对称载荷控制环共同决定；将风轮的非对称载荷分解为两个相互垂直的方向的弯矩，基于两个相互垂直方向弯矩互相影响可以忽略的特点，通过两个控制器进行相互独立的控制，每个控制器以实时测量的载荷为输入，桨距角增量为输出。
风轮非对称载荷的计算方法由如下两种：
（1）、风轮的非对称载荷具体表现为两个方向的弯矩，这两个方向弯矩可以由风轮三个叶片叶根弯矩变换通过坐标变换测算而来，测算方法如公式所示:
其中θ为风轮的方位角，通过安装在齿轮箱尾部的绝对值编码器测得,MYB1、MYB2、MYB3为三个叶片叶根弯矩MYN和MZN为代表风轮非对称载荷的两个方向弯矩；
（2）、由于轮毂通过法兰和低速轴刚性连接，轮毂中心的弯矩会直接传递到低速轴，表现为低速轴的径向弯矩，两个方向互相垂直的弯矩由风力发电机组低速轴的径向弯矩通过坐标变换计算而来；计算方法如公式所示：
其中，MZ和MY为低速轴旋转坐标系下径向两个方向弯矩，MYN和MZN为代表风轮非对称载荷的两个方向弯矩。
风轮非对称载荷控制环中，三个叶片的桨距角增量由两个相互垂直方向的弯矩载荷控制器的输出经坐标反变换得到，两个控制器输出和三个叶片桨距角需求增量的变换如公式所示：
其中θ为风轮的方位角，P1，P2，P3分别为三个叶片的桨距角需求，PZ，PY分别为两个控制器的输出。
风轮非对称载荷闭环控制器不依赖于风电机组精准数学模型的，控制器可以在***的运行过程中不断地提取有关风电机组的信息，对***特征量进行估计，同时达成控制目标，为了不影响机组的功率输出，各叶片的桨距角差异被限制在一个相对小的范围内，控制器的控制律如公式（1）所示:
其中，p(k)为桨距角增量，为***特征量，通过在线估计不断更新，MYN为通过坐标变换计算所得的弯矩。
***特征量采用以下所示的参数估计准则函数：
根据上述参数估计准则函数，通过以下方法进行在线估计：
或|Δp(k-1)|≤ε
其中，ηk为学习步长，为了考虑算法通用性而加的；μ是权重因子，是参数变化量的惩罚因子，选取μ的值可以限制非线性***折线化线性替代的范围，μ的加入使得算法对个别奇异数据具有鲁棒性；ε是一个充分小的正数。
优点及效果：
本发明提供一种风电机组风轮非对称载荷控制方法，可以应用于大功率风电机组的变桨控制，通过变桨距控制在机组的发电运行过程中尤其是阵风和高风速工况下，减小风轮的非对称动态载荷。从而可以提高机组可靠性，延长机组寿命，并可以以此为基础对机组结构、重量和尺寸进行优化，达到降低成本的目的。
附图说明：
图1为固定坐标系下代表风轮非对称载荷的轮毂中心弯矩
图2为旋转坐标系下叶片根部弯矩
图3为本发明中叶片根部弯矩测量传感器安装示意图
图4为本发明中低速轴径向弯矩测量传感器安装示意图
图5为本发明的风轮非对称载荷控制器框图
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
为了减小风切变、湍流引起的风轮非对称载荷，通过变桨距***对叶片的桨距角进行调整，从而改变来流夹角，通过影响叶片的升力和阻力系数而改变叶片所受的法向和切向力，最终调节叶根所受的弯矩。风力发电机组的风轮非对称载荷控制的具体方法如下：
（1）风轮非对称载荷的实时测量与计算
风轮在自然风况中的受力很复杂，所有的气动载荷、重力载荷、惯性载荷等都通过叶根作用到轮毂上。如附图1所示，在轮毂固定坐标系中，风轮所受到的非对称载荷主要包括水平和垂直方向的力（FYN和FZN）和弯矩（MYN和MZN），对机组产生影响的主要是风轮平面内绕水平轴（Y轴）MYN和垂直轴（Z轴）的弯矩MZN。风轮非对称载荷通过叶片传递到轮毂上，表现为轮毂中心弯矩。轮毂承受的弯矩能导致轮毂的碟形力矩和传动轴的弯曲力矩，进而影响轮毂、主轴乃至传动***的强度要求。风轮非对称载荷控制的目标就是减小轮毂中心的弯矩（MYN和MZN）。
由于无法直接测量轮毂中心弯矩，只能通过叶根弯矩或低速轴径向弯矩测量，根据风电机组载荷的传递方式和换算关系计算得出。风轮非对称载荷的计算方法由如下两种：
1）由风轮三个叶片叶根弯矩变换通过坐标变换计算风轮非对称载荷。风轮在不停地绕X轴旋转，轮毂所承受的弯矩是在轮毂固定坐标系下定义，三个叶片叶根挥舞方向弯矩(MYB1，MYB2，MYB3)是在旋转叶片坐标系下定义，如附图2所示。从旋转坐标系到固定坐标系的矢量换算可以利用如下坐标变换公式计算。
其中θ为风轮的方位角，通过安装在齿轮箱尾部的绝对值编码器测得。MYB1、MYB2、MYB3为旋转坐标系下三个叶片叶根弯矩，MYN和MZN为代表风轮非对称载荷的固定坐标系下两个方向弯矩。叶根弯矩的测量需要在每个叶片的根部安装应变传感器，通过测量叶片根部所受载荷引起的形变得到叶片的根部弯矩。三个叶片叶根安装传感器如附图3所示。
2）由于轮毂通过法兰和低速轴刚性连接，轮毂中心的弯矩会直接传递到低速轴，表现为低速轴的径向弯矩。两个方向互相垂直的弯矩也可以由风力发电机组低速轴的径向弯矩通过坐标变换计算而来。计算方法如公式所示。
其中，MZ和MY为低速轴旋转坐标系下径向两个方向弯矩。MYN和MZN为代表风轮非对称载荷的两个方向弯矩，在低速轴上安装弯矩测量传感器如附图4所示。
（2）含风轮非对称载荷控制的风电机组变桨距控制
风力发电机组风轮非对称动载荷控制是通过在变桨距转速控制的基础上中叠加一定的微动调节来消除不平衡和抑制振动，形成一种双环结构控制环，从而达到减小机组载荷的目的。控制器的结构如附图5所示。
非对称载荷的控制过程必须以不影响风电机组的能量捕获和转化效率为前提的，控制的目标不是载荷最小，而是将非对称载荷减小到合理的范围内，因此风轮非对称载荷控制器输出的桨距角变化必须限定在一定的范围内，一般限定在5°以内。
（3）风轮非对称动载荷控制
风轮非对称载荷MYN和MZN两个弯矩分量相互垂直，互相影响可以忽略不计，可以通过两个控制器进行相互独立的控制。
由于风速变化、桨距角以及风轮弯矩之间是复杂的非线性关系，且无法建立准确的数学模型，为此风轮非对称载荷的控制采用不依赖精准数学模型的对称相似结构自适应控制器进行控制。风轮非对称载荷控制器以风轮的非对称弯矩为输入，以桨距角需求p为输出。
风轮非对称载荷的控制的目的是尽可能的减小风轮的非对称弯矩，控制器的弯矩控制目标设为零。MYN的控制律如下公式所示：
其中***特征变量采用如下公式进行在线估计：
或|Δp(k-1)|≤ε
其中，ηk为学习步长，为了考虑算法通用性而加的；μ是权重因子，是参数变化量的惩罚因子。选取μ的值可以限制非线性***折线化线性替代的范围。μ的加入使得算法对个别奇异数据具有鲁棒性；ε是一个充分小的正数。
弯矩MZN的控制律形式和MYN相同。
由于风速的变化、风轮的旋转等非对称载荷控制相关量都是低频变化，为了避免变桨距动作和塔架之间形成共振，需要在风轮非对称载荷控制器输入通道中添加滤波器以减少变桨距***动作。对风轮非对称载荷控制器输入通道即载荷测量信号进行前处理的滤波器由一个低通滤波器和陷波滤波器串联而成，低通滤波器是限制控制器对高频噪声信号的响应，避免不必要的变桨距动作；通过陷波滤波器限制风轮非对称载荷控制器对塔影效应引起的载荷变化响应。
两个方向载荷控制器的输出经坐标反变换得到三个独立的叶片桨距角需求，反变换如下公式所示。
其中θ为风轮的方位角，P1，P2，P3分别为三个叶片的桨距角需求，PZ，PY分别为两个控制器的输出。
在恒功率区（风速大于额定风速）机组受到的载荷较大，且机组的发电控制以变桨距控制为主，风轮非对称载荷控制主要考虑在风速大于额定风速的工况下进行，由于风轮非对称载荷主要是风剪切、湍流及耦合振动引起的，所以风轮非对称载荷控制器在风剪切和湍流工况的效果会更加明显。
Claims (1)
1.一种风轮非对称载荷控制方法，其特征在于：所述控制方法主要通过变桨控制减小由于风切换和湍流引起的大型风电机组风轮非对称载荷，控制器以风轮转速和风轮中心实时载荷为输入，以桨距角为输出，控制不依赖于风电机组的精准数学模型；载荷控制由实时载荷测量与计算，不依赖于精准熟悉模型的闭环控制器、风轮非对称载荷桨距控制环、转速桨距控制环；控制变量为桨距角，风轮非对称载荷控制环的输出为桨距角增量，控制器的输出由转速桨距控制环和风轮非对称载荷控制环共同决定；将风轮的非对称载荷分解为两个相互垂直的方向的弯矩，基于两个相互垂直方向弯矩互相影响可以忽略的特点，通过两个控制器进行相互独立的控制，每个控制器以实时测量的载荷为输入，桨距角为输出；
风轮非对称载荷的计算方法由如下两种：
(1)、风轮的非对称载荷具体表现为两个方向的弯矩，这两个方向弯矩由风轮三个叶片叶根弯矩变换通过坐标变换测算而来，测算方法如公式所示:
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其中θ为风轮的方位角，通过安装在齿轮箱尾部的绝对值编码器测得,MYB1、MYB2、MYB3为三个叶片叶根弯矩MYN和MZN为代表风轮非对称载荷的两个方向弯矩；
(2)、由于轮毂通过法兰和低速轴刚性连接，轮毂中心的弯矩会直接传递到低速轴，表现为低速轴的径向弯矩，两个方向互相垂直的弯矩由风力发电机组低速轴的径向弯矩通过坐标变换计算而来；计算方法如公式所示：
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其中，MZ和MY为低速轴旋转坐标系下径向两个方向弯矩，MYN和MZN为代表风轮非对称载荷的两个方向弯矩；
风轮非对称载荷控制环中，三个叶片的桨距角增量由两个相互垂直方向的弯矩载荷控制器的输出经坐标反变换得到，两个控制器输出和三个叶片桨距角需求增量的变换如公式所示：
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其中θ为风轮的方位角，p1，p2，p3分别为三个叶片的桨距角需求，pZ，pY分别为两个控制器的输出。
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