CN108087194B - 一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法及装置 - Google Patents

一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法及装置，包含：S1，获取塔架固有频率；S2，根据塔架固有频率，进一步得到共振转速，并根据避振原则设计静态转速禁区设计动态转速禁区；S3，测量风机运行的实际转速，将测量的实际转速与动态转速禁区边界进行比较，控制风机转速。本发明既可减小塔架振动，降低载荷，又可尽量减少发电量损失，实现风机控制两个目标的折中。

Description

一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法及装置。
背景技术
对兆瓦级风力发电而言，变速风机在提高发电量与降低载荷方面性能更好，是目前应用最广泛的风机形式，在未来大容量化、海上化的发展趋势中占据重要地位。
风机塔架设计中，需着重考虑风轮转频(1P)与叶片通过频率(3P)，若这些频率与塔架固有频率发生共振，则会对塔架振动、弯矩以及疲劳载荷造成不利影响。而变速风机转速范围的扩大使得1P、3P的变化范围大大扩展，增加了塔架设计难度。
该问题的理想解决方案是将塔架固有频率设计在远离1P、3P的范围内，如可将塔架固有频率设计为1P以下、1P～3P之间、3P以上，且与敏感频率保持±10％的间隔。但固有频率1P以下的塔架过柔，可能无法满足结构强度要求，对于海上风机尤其如此；固有频率3P以上的塔架需要增加大量材料，以增加结构强度，提高了风机成本；固有频率1P～3P之间的塔架虽然性能适中，但在某些特定场合仍不适用，如对底桩直径、塔壁厚度等要求较高的大容量海上风机。另外，当不利信号的频率分布较多时，塔架设计需避开多个频率点，增大了设计难度。
针对塔架设计遇到的困难，研究者提出了转速禁区的概念，根据塔架固有频率计算得到共振转速，以此为中心设计固定转速边界，构成转速禁区。再制定控制策略将转速维持在共振转速区域之外，即在转速禁区内不存在稳态工作点，避免1P或3P信号与塔架固有频率发生重叠，引发共振。该方法采用控制方法实现了塔架减振，降低了塔架结构设计的难度。但设计难点在于禁区边界的确定，禁区过窄对振动的抑制效果有限，禁区过宽又增加了发电量的损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于动态抑制风力发电机组塔架共振的控制方法及装置，根据机舱振动加速度计算塔架固有频率，进一步得到共振转速，并根据避振原则，设计静态转速禁区，再根据湍流强度或振动加速度信号，设计动态转速禁区，既可减小塔架振动，降低载荷，又可尽量减少发电量损失，实现风机控制两个目标的折中。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法，其特点是，该控制方法包含：
S1，获取塔架固有频率；
S2，根据塔架固有频率，进一步得到共振转速，并根据避振原则设计静态转速禁区与动态转速禁区；
S3，测量风机运行的实际转速，将测量的实际转速与动态转速禁区边界进行比较，控制风机转速。
所述的步骤S1中通过瞬时值获取塔架固有频率，具体包含：
S1.1，以机舱主轴为中心线，在机舱对称安装两个振动加速度传感器，利用两个振动加速度传感器测量出机舱振动加速度瞬时值aA、aB；
S1.2，将aA、aB进行加权计算，获得加权加速度瞬时值ains：
ains＝fac1aA+fac2aB
式中：fac1、fac2分别为aA、aB的权重系数；
S1.3，将所述的加权加速度瞬时值ains进行快速傅里叶变换处理，获取相应的频域信号；
S1.4，将频域信号通过峰值检测器，获得峰值幅度对应的频率；
S1.5，对峰值检测器输出频率进行滤波得到塔架固有频率ftw。
所述的步骤S2具体包含：
S2.1，根据塔架固有频率ftw与引发共振的风轮转速频率，计算引发共振的风轮转速ωr,rot或发电机转速ωr,gen：
ωr,rot＝2πftw/n
ωr,gen＝2πftwG/n
式中：G为升速比，n为引发共振的风轮转速频率倍数；
S2.2，以ωr,rot为中心转速，根据避振原则，设计±10％的间隔，作为静态转速禁区的转速边界；并设计转速下限与转速上限分别对应的转矩设定点，作为静态转速禁区转矩边界：
ωlow,s,rot＝ωr,rot*0.9
ωup,s,rot＝ωr,rot*1.1；
式中：ωlow,s,rot为静态禁区的转速下限，ωup,s,rot为静态禁区的转速上限。
S2.3，在静态转速禁区基础上加权计算，设计动态转速禁区转速边界及动态转速禁区转矩边界。
所述的步骤S2.3中动态禁区边界设计，可根据实时湍流强度水平，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝fac3*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝fac3*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝fac4*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝fac4*Mlow,s,rot
式中：ωlow,d,rot为动态禁区的转速下限，ωup,d,rot为动态禁区的转速上限，Mlow,s,rot为静态禁区转速下限对应的转矩设定点，Mup,s,rot为静态禁区转速上限对应的转矩设定点，Mlow,d,rot为动态禁区转速下限对应的转矩设定点，Mup,d,rot为动态禁区转速上限对应的转矩设定点，fac3、fac4为权重系数。
所述的步骤S2.3中动态禁区边界设计，可根据振动加速度时域信号瞬时值ains，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝f1(ains)*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝f1(ains)*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝f2(ains)*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝f2(ains)*Mlow,s,rot
式中：f1(ains)、f2(ains)为以ains为自变量的函数。
所述的步骤S2.3中动态禁区边界设计，可根据振动加速度频域信号中目标频率对应幅值Ains，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝f1(Ains)*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝f1(Ains)*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝f2(Ains)*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝f2(Ains)*Mlow,s,rot
式中：f1(Ains)、f2(Ains)为以Ains为自变量的函数。
所述的步骤S3中将测量的实际转速与动态转速禁区边界进行比较包含：
实际转速在动态禁区转速区间外时，按最优Cp曲线进行控制；
当实际转速沿最优Cp曲线增大至动态禁区转速下限时，将转速设定值设置为动态禁区转速下限；当实际转速沿最优Cp曲线降低至动态禁区转速上限时，将转速设定值设置为动态禁区转速上限。
当实际转速沿动态禁区转速下限运行，且转矩达到转矩设定值，维持时间达到时间阈值tth，则转速设定值变为转速上限，转矩设定值亦随之变化；反之，当实际转速沿动态禁区转速上限运行，且转矩达到转矩设定值，维持时间达到时间阈值tth，则转速设定值变为转速下限，转矩设定值亦随之变化。
一种减小风力发电机组塔架振动的控制装置，用于实现上述减小风力发电机组塔架振动的控制方法。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明根据机舱振动加速度计算塔架固有频率，进一步得到共振转速，并根据避振原则，设计静态转速禁区，再根据湍流强度或振动加速度信号，设计动态转速禁区，既可减小塔架振动，降低载荷，又可尽量减少发电量损失，实现风机控制两个目标的折中。
附图说明
图1为本发明一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法的流程图；
图2为本发明一种减小风力发电机组塔架振动的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法，该控制方法包含：
S1，获取塔架固有频率；塔架固有频率可依据长周期(如两周、一个月)内的统计平均值，可依据短周期(如半小时、10分钟)内的滑动平均值，也可依据瞬时值。
S2，根据塔架固有频率，进一步得到共振转速，并根据避振原则设计静态转速禁区与动态转速禁区；
S3，测量风机运行的实际转速，将测量的实际转速与动态转速禁区边界进行比较，控制风机转速，使转速运行在禁区边界。
在具体实施例中，所述的步骤S1中通过瞬时值获取塔架固有频率，具体包含：
S1.1，以机舱主轴为中心线，在机舱对称安装两个振动加速度传感器，利用两个振动加速度传感器测量出机舱前后振动加速度瞬时值aA、aB；
S1.2，将aA、aB进行加权计算，获得加权加速度瞬时值ains：
ains＝fac1aA+fac2aB
式中：fac1、fac2分别为aA、aB的权重系数；
S1.3，将所述的加权加速度瞬时值ains进行FFT(快速傅里叶变换)处理，获取相应的频域信号；
S1.4，将频域信号通过峰值检测器，获得峰值幅度对应的频率，峰值检测器频率范围一般在塔架固有频率附近，如0.2Hz～0.5Hz；
S1.5，对峰值检测器输出频率进行滤波得到塔架固有频率ftw，滤除塔筒固有频率附近的已知噪声信号，滤波输出结果即为塔筒固有频率瞬时值ftw。噪声信号可能是1P、3P信号，也可是其他影响塔筒固有频率的信号。1P、3P信号频率可通过发电机转速信号进行计算。
上述的塔架固有频率ftw为塔筒固有频率瞬时值，与基于平均值的方法相比，基于瞬时值的塔架固有频率计算对实际应用，特别是未积累统计数据的新立风机以及出现早期结构隐患的风机尤其有效。
所述的步骤S2具体包含：
S2.1，根据塔架固有频率ftw与引发共振的风轮转速频率，计算引发共振的风轮转速ωr,rot或发电机转速ωr,gen：
ωr,rot＝2πftw/n
ωr,gen＝2πftwG/n
式中：G为升速比，n为引发共振的风轮转速频率倍数；
S2.2，以ωr,rot为中心转速，根据避振原则，设计±10％的间隔，作为静态转速禁区的转速边界；并设计转速下限与转速上限分别对应的转矩设定点，作为静态转速禁区转矩边界：
ωlow,s,rot＝ωr,rot*0.9
ωup,s,rot＝ωr,rot*1.1；
式中：ωlow,s,rot为静态禁区的转速下限，ωup,s,rot为静态禁区的转速上限。
S2.3，在静态转速禁区基础上加权计算，设计动态转速禁区转速边界及动态转速禁区转矩边界。
在其中一个实施例中，所述的步骤S2.3中动态转速禁区边界设计，可以根据实时湍流强度水平，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝fac3*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝fac3*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝fac4*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝fac4*Mlow,s,rot
式中：ωlow,d,rot为动态禁区的转速下限，ωup,d,rot为动态禁区的转速上
限，Mlow,s,rot为静态禁区转速下限对应的转矩设定点，Mup,s,rot为静态禁区
转速上限对应的转矩设定点，Mlow,d,rot为动态禁区转速下限对应的转矩设
定点，Mup,d,rot为动态禁区转速上限对应的转矩设定点，fac3、fac4为权重
系数。
在另外一个优选的实施例中，所述的步骤S2.3中动态转速禁区边界设计，可以根据振动加速度时域信号瞬时值ains，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝f1(ains)*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝f1(ains)*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝f2(ains)*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝f2(ains)*Mlow,s,rot
式中：f1(ains)、f2(ains)为以ains为自变量的函数。
进一步，在另外一个优选的实施例中，所述的步骤S2.3中动态转速禁区边界设计，可以根据振动加速度频域信号中目标频率对应幅值Ains，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝f1(Ains)*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝f1(Ains)*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝f2(Ains)*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝f2(Ains)*Mlow,s,rot
式中：f1(Ains)、f2(Ains)为以Ains为自变量的函数。
所述的步骤S3中将测量的实际转速与动态转速禁区边界进行比较具体为：
实际转速在动态禁区转速区间外时，按最优Cp曲线进行控制。
当实际转速沿最优Cp(风轮功率系数)曲线增大至动态禁区转速下限时，将转速设定值设置为动态禁区转速下限；当实际转速沿最优Cp曲线降低至动态禁区转速上限时，将转速设定值设置为动态禁区转速上限。
当实际转速沿动态禁区转速下限运行，且转矩达到转矩设定值，维持时间达到时间阈值tth，则转速设定值变为转速上限，转矩设定值亦随之变化；反之，当实际转速沿动态禁区转速上限运行，且转矩达到转矩设定值，维持时间达到时间阈值tth，则转速设定值变为转速下限，转矩设定值亦随之变化。
如图2所示，一种减小风力发电机组塔架振动的控制装置，包含：塔架频率计算模块100，用于获取塔架固有频率；转速禁区设定模块200，用于根据塔架固有频率进一步得到共振转速，并根据避振原则设计静态转速禁区设计动态转速禁区；以及，转速比较执行模块300，用于测量风机运行的实际转速，将测量的实际转速与动态转速禁区边界进行比较，控制风机转速；
其中，所述的塔架频率计算模块包含：
两个传感器A、B，其对称设置在机舱上且位于机舱主轴两侧，用于机舱前后振动加速度瞬时值aA、aB；
加权计算单元，用于将aA、aB进行加权计算，获得加权加速度瞬时值ains：
FFT处理单元，用于将所述的加权加速度瞬时值ains进行FFT(快速傅里叶变换)处理，获取相应的频域信号；
峰值检测器，将频域信号通过峰值检测器，获得峰值幅度对应的频率；
滤波处理单元，对峰值检测器输出频率进行滤波得到塔架固有频率ftw；
所述的转速禁区设定模块包含：
共振转速测量单元，用于根据塔架固有频率ftw，计算引发共振的风轮转速ωr,rot或发电机转速ωr,gen；
静态转速禁区设定单元，用于以ωr,rot为中心转速，根据避振原则，设计±10％的间隔，作为静态转速禁区的转速边界；并设计转速下限与转速上限分别对应的转矩设定点，作为静态转速禁区转矩边界；
动态转速禁区设定单元，根据实时湍流强度水平或振动加速度信号，在静态转速禁区基础上加权计算，设计动态转速禁区转速边界及动态转速禁区转矩边界。
转速比较执行模块包含：
风机运行转速测量单元，用于测量风机运行的实际转速；
比较单元，用于比较实际转速与动态禁区转速边界。
执行单元，实际转速在动态禁区转速区间外时，按最优Cp曲线进行控制。当实际转速沿最优Cp曲线增大至动态禁区转速下限时，将转速设定值设置为动态禁区转速下限；当实际转速沿最优Cp曲线降低至动态禁区转速上限时，将转速设定值设置为动态禁区转速上限。当实际转速沿动态禁区转速下限运行，且转矩达到转矩设定值，维持时间达到时间阈值tth，则转速设定值变为转速上限，转矩设定值亦随之变化；反之，当实际转速沿动态禁区转速上限运行，且转矩达到转矩设定值，维持时间达到时间阈值tth，则转速设定值变为转速下限，转矩设定值亦随之变化。
本发明的控制装置实施例能实现图1的方法实施例中各步骤，为避免重复，在此不再赘述。
综上所述，本发明一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法及装置，既可减小塔架振动，降低载荷，又可尽量减少发电量损失，实现风机控制两个目标的折中。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种减小风力发电机组塔架振动的控制方法，其特征在于，该控制方法包含：
S1，获取塔架固有频率；
S2，根据塔架固有频率，进一步得到共振转速，并根据避振原则设计静态转速禁区与动态转速禁区；
S3，测量风机运行的实际转速，将测量的实际转速与动态转速禁区边界进行比较，控制风机转速；
所述的步骤S2具体包含：
S2.1，根据塔架固有频率ftw与引发共振的风轮转速频率，计算引发共振的风轮转速ωr,rot或发电机转速ωr,gen：
ωr,rot＝2πftw/n
ωr,gen＝2πftwG/n
式中：G为升速比，n为引发共振的风轮转速频率倍数；
S2.2，以ωr,rot为中心转速，根据避振原则，设计±10％的间隔，作为静态转速禁区的转速边界；并设计转速下限与转速上限分别对应的转矩设定点，作为静态转速禁区转矩边界：
ωlow,s,rot＝ωr,rot*0.9
ωup,s,rot＝ωr,rot*1.1；
式中：ωlow,s,rot为静态禁区的转速下限，ωup,s,rot为静态禁区的转速上限；
S2.3，在静态转速禁区基础上加权计算，设计动态转速禁区转速边界及动态转速禁区转矩边界。
2.如权利要求1所述的减小风力发电机组塔架振动的控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中通过瞬时值获取塔架固有频率，具体包含：
S1.1，以机舱主轴为中心线，在机舱对称安装两个振动加速度传感器，利用两个振动加速度传感器测量出机舱振动加速度瞬时值aA、aB；
S1.2，将aA、aB进行加权计算，获得加权加速度瞬时值ains：
ains＝fac1aA+fac2aB
式中：fac1、fac2分别为aA、aB的权重系数；
S1.3，将所述的加权加速度瞬时值ains进行快速傅里叶变换处理，获取相应的频域信号；
S1.4，将频域信号通过峰值检测器，获得峰值幅度对应的频率；
S1.5，对峰值检测器输出频率进行滤波得到塔架固有频率ftw。
3.如权利要求1所述的减小风力发电机组塔架振动的控制方法，其特征在于，所述的步骤S2.3中动态禁区边界设计，可根据实时湍流强度水平，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝fac3*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝fac3*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝fac4*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝fac4*Mlow,s,rot
式中：ωlow,d,rot为动态禁区的转速下限，ωup,d,rot为动态禁区的转速上限，Mlow,s,rot为静态禁区转速下限对应的转矩设定点，Mup,s,rot为静态禁区转速上限对应的转矩设定点，Mlow,d,rot为动态禁区转速下限对应的转矩设定点，Mup,d,rot为动态禁区转速上限对应的转矩设定点，fac3、fac4为权重系数。
4.如权利要求1所述的减小风力发电机组塔架振动的控制方法，其特征在于，所述的步骤S2.3中动态禁区边界设计，可根据振动加速度时域信号瞬时值ains，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝f1(ains)*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝f1(ains)*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝f2(ains)*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝f2(ains)*Mlow,s,rot
式中：f1(ains)、f2(ains)为以ains为自变量的函数。
5.如权利要求1所述的减小风力发电机组塔架振动的控制方法，其特征在于，所述的步骤S2.3中动态禁区边界设计，可根据振动加速度频域信号中目标频率对应幅值Ains，按以下公式计算：
ωlow,d,rot＝f1(Ains)*ωlow,s,rot
ωup,d,rot＝f1(Ains)*ωup,s,rot
Mlow,d,rot＝f2(Ains)*Mlow,s,rot
Mup,d,rot＝f2(Ains)*Mlow,s,rot
式中：f1(Ains)、f2(Ains)为以Ains为自变量的函数。
6.如权利要求1所述的减小风力发电机塔架振动的控制方法，其特征在于，所述的步骤S3中将测量的实际转速与动态转速禁区边界进行比较包含：实际转速在动态禁区转速区间外时，按最优Cp曲线进行控制；
当实际转速沿最优Cp曲线增大至动态禁区转速下限时，将转速设定值设置为动态禁区转速下限；当实际转速沿最优Cp曲线降低至动态禁区转速上限时，将转速设定值设置为动态禁区转速上限。
当实际转速沿动态禁区转速下限运行，且转矩达到转矩设定值，维持时间达到时间阈值tth，则转速设定值变为转速上限，转矩设定值亦随之变化；反之，当实际转速沿动态禁区转速上限运行，且转矩达到转矩设定值，维持时间达到时间阈值tth，则转速设定值变为转速下限，转矩设定值亦随之变化。
7.一种减小风力发电机组塔架振动的控制装置，其特征在于，用于实现如权利要求1-6任一项所述减小风力发电机组塔架振动的控制方法。
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