CN104314757A - 一种风力发电机组偏航控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组偏航控制方法及***，所述方法包括以下步骤：A.建立参考模型，所述参考模型给定不同风速下的最优偏航对风偏差角度；B.采用模型参考自适应控制，获得用于输出给所述风力发电机组的偏航控制执行***的自适应控制输入，使得实际偏航对风偏差角度与所述最优偏航对风偏差角度两者之间的差值最小。本发明的风力发电机组偏航控制方法及***能够在不同的风速段自适应追踪偏航对风偏差最优点，改善在风向测量偏差等因素的影响下偏航***的运行性能，从而实现最大效率的吸收风能，提高风机发电功率以及整个风电场的经济效益。

Description

一种风力发电机组偏航控制方法及***

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组偏航控制方法及***。

背景技术

我国风能资源丰富发展潜力巨大，通过在山区、沿海等风场地区大规模建立风力发电机基地，可以充分利用风能能源，创造巨大的经济价值。

风力发电机的风轮吸收风能旋转，进而带动相连接的发电机旋转发电。风力发电机组的偏航***可以跟踪风向的变化，驱动风机机舱围绕塔顶旋转，使风轮的扫掠面与风向保持垂直。现有风力发电机组的偏航***设定对风偏差为零度的目标，从而在理论上达到风能最大能量的吸收。然而由于风电场的复杂地形，多个风电机组的排列方式以及风尾流造成的风机风向标测量误差等原因影响，在不同的风速段风机的偏航对风偏差为零时并未达到风能最大能量吸收，进而造成风机发电功率的损失，从而影响整个机组的运行性能。

因此，创设一种能够在不同的风速段自适应追踪偏航对风偏差最优点，改善在风向测量偏差等因素的影响下偏航***的运行性能，能够最大效率的吸收风能，提高风机发电功率以及整个风电场的经济效益的风力发电机组偏航控制方法及***具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机组偏航控制方法，使其能够在不同的风速段自适应追踪偏航对风偏差最优点，改善在风向测量偏差等因素的影响下偏航***的运行性能，能够最大效率的吸收风能，提高风机发电功率，从而克服现有的偏航***在风向测量偏差等因素的影响下在不同的风速段设定对风偏差为零度并未达到风能最大能量吸收，进而造成风机发电功率的损失的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风力发电机组偏航控制方法，包括以下步骤：A.建立参考模型，所述参考模型给定不同风速下的最优偏航对风偏差角度；B.采用模型参考自适应控制，获得用于输出给所述风力发电机组的偏航控制执行***的自适应控制输入，使得实际偏航对风偏差角度与所述最优偏航对风偏差角度两者之间的差值最小。

进一步地，所述步骤A中参考模型给定的不同风速下的最优偏航对风偏差角度通过以下步骤获得：

A1：获取风向信号d₁、风速信号、偏航角度信号d₂以及发电功率信号；

A2：根据所述风向信号d₁、偏航角度信号d₂，计算偏航对风偏差角度d:d＝d₁-d₂；

A3：统计分析所述风速信号、发电功率信号以及偏航对风偏差角度，得到不同风速下能够获得最大发电功率信号的最优偏航对风偏差角度。

进一步地，所述步骤B中的自适应控制输入通过以下步骤获得：

B1：设所述风力发电机组的偏航***状态方程为：

${\stackrel{.}{x}}_p=-a_P{x}_p+b_{p}u---\left(1\right)$

其中，x_p为实际偏航对风偏差角度，为对x_p的微分，a_P,b_p为***矩阵，u为该状态方程的控制输入；

所述参考模型的状态方程为：

${\stackrel{.}{x}}_m=-a_m{x}_m+b_{m}r---\left(2\right)$

其中，x_m为最优偏航对风偏差角度，为对x_m的微分，a_m,b_m为***矩阵，r为该状态方程的控制输入；

B2：定义参数误差为：

e＝x_m-x_p        (3)

根据模型参考自适应控制，通过使实际偏航对风偏差角度x_p与最优偏航对风偏差角度x_m两者之间的差值e最小化，得到自适应控制输入为：

u＝Fx_p+Kr            (4)

这里F为反馈增益，K为前馈增益，

$F={\∫}_0^t{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{ex}}_p---\left(5\right)$

$K={\∫}_0^t{\mathrm{\μ}}_2\mathrm{er}---\left(6\right)$

其中：μ₁,μ₂为根据***误差追踪响应速度设定的矩阵系数。

本发明的另一个目的是提供一种应用上述方法的风力发电机组偏航控制***，采用如下技术方案：

一种应用所述的风力发电机组偏航控制方法的风力发电机组偏航控***，包括：参考模型建立模块，用于建立参考模型，所述参考模型给定不同风速下的最优偏航对风偏差角度；偏航自适应控制模块，用于采用模型参考自适应控制，获得用于输出给所述风力发电机组的偏航控制执行***的自适应控制输入，使得实际偏航对风偏差角度与所述最优偏航对风偏差角度两者之间的差值最小。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

风力发电机组中由于受到风速变化以及风尾流效应的影响会引起偏航对风出现偏差，造成发电功率的损失。本发明的风力发电机组偏航控制方法可以测量分析获得偏航对风偏差最优点，并且偏航控制***采用模型参考自适应控制的方式，不需要进行性能指标的变换，实现容易，自适应速度快。采用模型参考自适应控制方式对风机偏航***进行控制，使得偏航对风动作能够在外界风况环境变化的情况下追踪最优偏航对风偏差，满足了控制***的性能需求，提高了风力发电机组的发电功率。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的风力发电机组偏航控制***结构示意图。

图2是基于模型参考自适应控制的偏航自适应控制***示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明的一种风力发电机组偏航控制***，包括偏航对风偏差数据分析***、偏航自适应控制***和偏航控制执行***。

其中，偏航对风偏差数据分析***包括对风偏差最优点运算器，偏航自适应控制***包括模型参考自适应控制器，偏航控制执行***包括偏航轴承和偏航驱动。对风偏差最优点运算器的输出端与模型参考自适应控制器相连接，模型参考自适应控制器获得控制信号后传递给偏航驱动，偏航驱动控制偏航轴承执行动作。

对风偏差最优点运算器用于根据风向信号、风速信号、偏航角度信号、发电功率信号获得不同风速下的最优偏航偏差角度，这些信号分别通过风向标、风速仪、偏航编码器、变流器测量得到。具体而言，首先通过安装在风力发电机组机舱上的风向标测量风向。风向标由尾翼、平衡锤、指向杆、转动轴四个部分组成。风向标是一个不对称形状的物体，重心点固定在垂直轴上。当风吹过，对空气流动产生较大阻力的一端便会顺风转动，从而测量获得风向信号d₁。此外风速仪测量风速信号，风速仪由三个抛物锥空杯组成，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转从而测得风速。偏航角度信号d₂由偏航编码器测量，偏航编码器由带有控制开关的蜗杆计数器构成。发电功率由变流器测得。变流器主要由交直流变换电路组成，可以测量风力发电机组的发电功率。

获得的风向、风速、功率信号传递给对风偏差最优点运算器。该运算器首先计算偏航对风偏差角度d:

d＝d₁-d₂             (1)

然后对风速信号、偏航对风偏差角度和功率信号进行统计分析，得到在各个风速段下能够获得最大功率信号的最优偏航对风偏差角度x_m。在不同的风速段，功率信号会受到风经过叶片产生尾流效应的影响，导致相应的最优偏航对风偏差信号数值产生变化。经过上述计算，获得了不同风速下的最优偏航对风偏差角度，并据此建立参考模型，将该最优偏航对风偏差角度用于偏航自适应控制***作为模型参考信号进行自适应控制。

偏航自适应控制***采用模型参考自适应控制的方式，它的特点是不需要进行性能指标的变换，实现容易，自适应速度快。由于风力发电机组的偏航***的数学模型事先难以确定，并且随着风速的变化，偏航控制***参数也在不断变化，常规的控制方式难以达到较好的控制效果，而这里采取模型参考自适应控制可以处理，它不需要对被控对象进行在线辨识，模型参考自适应***的控制器的参数是随着对象特性的变化和环境的改变而不断调整的，从而使偏航控制***具有很强的适应能力，使得偏航控制***参数变化的时候，偏航控制***能够跟随这种变化，驱动偏航***达到对风偏差信号的目标值。

偏航模型参考自适应控制***如图2所示，图中s为拉普拉斯变换算子，风力发电机组的偏航***状态方程为：

${\stackrel{.}{x}}_p=-a_P{x}_p+b_{p}u---\left(1\right)$

上述公式中，x_p为偏航***实际对风偏差角度，为对x_p的微分，a_P,b_p为***矩阵，u为该状态方程的控制输入。设计参考模型状态方程为：

${\stackrel{.}{x}}_m=-a_m{x}_m+b_{m}r---\left(2\right)$

上述公式中，x_m为最优偏航对风偏差角度，作为偏航模型参考自适应控制的目标信号。为对x_m的微分，a_m,b_m为***矩阵，r为该状态方程的控制输入。定义参数误差为：

e＝x_m-x_p        (4)

根据模型参考自适应控制理论可知，通过使e最小化，可以得到该控制***的自适应控制输入为：

u＝Fx_p+Kr        (5)

这里F为反馈增益，K为前馈增益，

$F={\∫}_0^t{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{ex}}_p---\left(6\right)$

$K={\∫}_0^t{\mathrm{\μ}}_2\mathrm{er}---\left(7\right)$

其中：μ₁,μ₂为根据***误差追踪响应速度设定的矩阵系数。

通过比较实际偏航对风偏差角度与最优偏航对风偏差角度两者之间的差值信息e，然后按照(6)和(7)中的自适应律来修正控制器的参数，使受控制对象的输出x_p尽可能地跟随参考模型的x_m输出。

在该被控***中，当被控对象偏航***由于外界原因如风速影响以及风尾流效应影响导致***的参数发生变化时，将导致受控对象输出与参考模型输出之间误差的增大。此时***的自适应控制输入u再次发生作用调整控制器的参数，使得受控对象的输出再一次趋近于参考模型的输出。模型参考自适应控制器获得控制信号u后传递给偏航驱动，偏航驱动控制偏航轴承执行动作。

偏航控制执行***由偏航轴承和偏航驱动构成。偏航轴承的内外圈分别与风力发电机组的塔体和机舱用螺栓连接。偏航轴承与齿轮齿圈连成一体，轮齿位于偏航轴承的内圈上，啮合受力均匀结构紧凑。偏航驱动安装在机舱中，由偏航电机及制动器，偏航小齿轮箱，偏航小齿轮，油位计组成，并通过螺栓和内部的花键连接成一体，再共同和风机主机架用螺栓件连接在一起。偏航驱动装置一般设有四组，每一个偏航驱动装置与主机架连接处通过旋转整个驱动装置调整小齿轮与齿圈啮合侧隙。油位计通过油路管路和机油螺塞连接，可以在油位低于正常油位的时候添加润滑油。偏航齿轮箱设计为行星式减速机，制动器位于发电机尾部，当偏航电机发生故障的时候，控制***会发出电气制动指令，防止电机横向旋转。

得到模型参考自适应控制器计算获得的控制信号u后，偏航驱动装置中的偏航电机按照控制信号u的数值进行运转，通过减速齿轮箱带动小齿轮旋转。由于小齿轮箱与偏航大齿轮圈相啮合，大齿轮圈通过螺栓紧固在风机塔筒上，则该小齿轮会围绕着大齿轮圈旋转进而带动风机主机架旋转，直到机舱位置与控制信号给定的位置一致。

采用该偏航驱动方式作为风机偏航自适应控制执行机构，其结构简单可靠，占用轮毂空间小，驱动力矩大，负载响应速度快，具有较好的***鲁棒性。通过偏航对风动作的执行，发电机组机舱实现了对风功能，追踪了最优偏航对风偏差，达到了发电功率优化的目的。

由于采用了以上技术方案，本发明的偏航对风偏差自适应控制***，以分析运算得出的对风偏差最优点为控制目标，采用模型参考自适应控制方式对风机偏航***进行控制，在外界风况环境变化的情况下，通过对实际风机运行中的对风偏差最优点的偏航跟踪，实现了风能利用率和发电功率的提高，对提高风力发电机组的运行性能有重要意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风力发电机组偏航控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.建立参考模型，所述参考模型给定不同风速下的最优偏航对风偏差角度；

B.采用模型参考自适应控制，获得用于输出给所述风力发电机组的偏航控制执行***的自适应控制输入，使得实际偏航对风偏差角度与所述最优偏航对风偏差角度两者之间的差值最小。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航控制方法，其特征在于，所述步骤A中参考模型给定的不同风速下的最优偏航对风偏差角度通过以下步骤获得：

A1：获取风向信号d₁、风速信号、偏航角度信号d₂以及发电功率信号；

A2：根据所述风向信号d₁、偏航角度信号d₂，计算偏航对风偏差角度d:d＝d₁-d₂；

A3：统计分析所述风速信号、发电功率信号以及偏航对风偏差角度，得到不同风速下能够获得最大发电功率信号的最优偏航对风偏差角度。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航控制方法，其特征在于，所述步骤B中的自适应控制输入通过以下步骤获得：

B1：设所述风力发电机组的偏航***状态方程为：

${\stackrel{.}{x}}_p=-a_P{x}_p+b_{p}u---\left(1\right)$

其中，x_p为实际偏航对风偏差角度，为对x_p的微分，a_P,b_p为***矩阵，u为该状态方程的控制输入；

所述参考模型的状态方程为：

${\stackrel{.}{x}}_m=-a_m{x}_m+b_{m}r---\left(2\right)$

其中，x_m为最优偏航对风偏差角度，为对x_m的微分，a_m,b_m为***矩阵，r为该状态方程的控制输入；

B2：定义参数误差为：

e＝x_m-x_p     (3)

根据模型参考自适应控制，通过使实际偏航对风偏差角度x_p与最优偏航对风偏差角度x_m两者之间的差值e最小化，得到自适应控制输入为：

u＝Fx_p+Kr       (4)

这里F为反馈增益，K为前馈增益，

$F={\∫}_0^t{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{ex}}_p---\left(5\right)$

$K={\∫}_0^t{\mathrm{\μ}}_2\mathrm{er}---\left(6\right)$

其中：μ₁,μ₂为根据***误差追踪响应速度设定的矩阵系数。

4.一种应用权利要求1-3任一项所述的风力发电机组偏航控制方法的风力发电机组偏航控***，其特征在于，包括：

参考模型建立模块，用于建立参考模型，所述参考模型给定不同风速下的最优偏航对风偏差角度；

偏航自适应控制模块，用于采用模型参考自适应控制，获得用于输出给所述风力发电机组的偏航控制执行***的自适应控制输入，使得实际偏航对风偏差角度与所述最优偏航对风偏差角度两者之间的差值最小。