CN111608857B - 风力发电机组及其控制方法和***、计算机可读存储介质 - Google Patents

风力发电机组及其控制方法和***、计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种风力发电机组及其控制方法和***、计算机可读存储介质。所述方法包括：获取所述塔架的塔顶载荷；根据所述塔顶载荷，确定所述风力发电机组的主轴不平衡载荷；根据所述主轴不平衡载荷，确定所述叶片的桨距角补偿值；根据所述桨距角补偿值，确定桨距角控制值；根据所述桨距角控制值，控制所述叶片变桨。

Description

风力发电机组及其控制方法和***、计算机可读存储介质
技术领域
本申请涉及风力发电机领域，尤其涉及一种风力发电机组及其控制方法和***、计算机可读存储介质。
背景技术
业内***衡载荷和偏航的不平衡载荷会显著增大。为实现叶轮和塔架的轻量化设计，机组需要采用独立变桨控制策略，以降低疲劳载荷。
传统的独立变桨控制主要是借助在风机叶片根部贴装载荷传感器，通过测量叶片根部挥舞方向和摆振方向的载荷，经过派克变换得到风轮旋转平面上的不平衡载荷。
但是叶根载荷传感器安装成本较高并且难以维护，因此需要寻找更为可靠的确定机组不平衡的方法。
发明内容
本申请提供一种风力发电机组及其控制方法和***、计算机可读存储介质。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种应用于风力发电机组的变桨控制方法，所述风力发电机组包括塔架和叶片，所述方法包括：
获取所述塔架的塔顶载荷；
根据所述塔顶载荷，确定所述风力发电机组的主轴不平衡载荷；
根据所述主轴不平衡载荷，确定所述叶片的桨距角补偿值；
根据所述桨距角补偿值，确定桨距角控制值；及
根据所述桨距角控制值，控制所述叶片变桨。
可选地，所述方法包括：根据所述塔顶载荷、所述风力发电机组的重量与尺寸、所述风力发电机组的传动链扭矩、所述风力发电机组的传动链仰角、所述风力发电机组的风轮推力以及所述风力发电机组的机舱的偏航角度，确定所述主轴不平衡载荷。
可选地，所述方法包括：从安装在所述塔架顶部的载荷传感器获得所述塔顶载荷。
可选地，所述主轴不平衡载荷包括在dq坐标系的一个坐标轴上的第一不平衡载荷分量和另一个坐标轴上的第二不平衡载荷分量；确定所述风力发电机组的主轴不平衡载荷，包括：
根据所述塔顶载荷在塔顶坐标系的Z轴方向上的Z轴载荷分量、所述传动链扭矩以及所述传动链仰角，确定所述第一不平衡载荷分量；和/或
根据所述塔顶载荷在塔顶坐标系的X轴方向上的X轴载荷分量、所述塔顶载荷在塔顶坐标系的Y轴方向上的Y轴载荷分量、所述风力发电机组的重量与尺寸、所述传动链仰角、所述风轮推力以及所述机舱的偏航角度，确定所述第二不平衡载荷分量。
可选地，所述方法包括：根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述风轮推力。
可选地，根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述风轮推力，包括：
根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度与风轮推力的第一关系对应表，确定所述风轮推力。
可选地，所述方法包括：
确定所述机舱的轴线在初始位置时相对于所述载荷传感器的安装轴线的相对角度；
计算所述机舱在运行中的实测偏航角度和所述相对角度的差值，为所述偏航角度。
可选地，确定所述机舱在初始位置时相对于所述载荷传感器的相对角度，包括：
控制所述机舱转动至少一圈；
获取所述载荷传感器在所述机舱转动过程中所测得的多个载荷值；
根据所述多个载荷值，确定所述相对角度。
可选地，根据所述主轴不平衡载荷，确定所述叶片的桨距角补偿值，还包括：确定主轴不平衡载荷补偿量，根据所述主轴不平衡载荷和所述主轴不平衡载荷补偿量，确定所述桨距角补偿值。
可选地，确定所述主轴不平衡载荷补偿量，包括：
根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述主轴不平衡载荷补偿量。
可选地，根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述主轴不平衡载荷补偿量，包括：
根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度与主轴不平衡载荷补偿量的第二关系对应表，确定所述主轴不平衡载荷补偿量。
可选地，根据所述主轴不平衡载荷及所述主轴不平衡载荷补偿量，确定所述桨距角补偿值，包括：
将所述主轴不平衡载荷减去所述主轴不平衡载荷补偿量后至少经过PI计算，确定所述桨距角补偿值。
可选地，根据所述桨距角补偿值，确定所述桨距角控制值，包括：
获得所述风力发电机组基于转速控制的统一桨距角；
将所述桨距角补偿值经过D-Q反变换得到所述叶片的桨距角变换值；
根据所述桨距角变换值与所述统一桨距角，确定所述桨距角控制值。
可选地，获得所述风力发电机组基于转速控制的统一桨距角，包括：
根据所述风力发电机组的发电机转速和发电机转速的设定点，确定所述统一桨距角。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种应用于风力发电机组的变桨控制***，包括一个或多个处理器，用于实现如上任一项实施例所述的变桨控制方法。
根据本申请实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现如上任一项实施例所述的变桨控制方法。
根据本申请实施例的第四方面，提供一种风力发电机组，包括：
塔架；
机舱，安装于塔架顶部；
载荷传感器，设置于所述塔架顶部，用于获取塔顶载荷；
风轮，安装于机舱，且包括轮毂和安装于轮毂的叶片；
变桨驱动装置，与所述叶片连接；
如上实施例所述的变桨控制***，用于控制所述变桨驱动装置驱动叶片变桨。
根据本申请实施例提供的技术方案，获取塔顶载荷，根据塔顶载荷确定主轴不平衡载荷，进而进行变桨控制，塔顶位置固定不变，塔顶安装的机舱相对塔顶的运动较少，因此可以获得较准确的塔顶载荷和主轴不平衡载荷，从而独立变桨控制的可靠性更高。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一示例性实施例示出的一种风力发电机组的立体结构示意图。
图2是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的变桨控制方法的流程示意图。
图3是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的塔顶坐标系示意图。
图4是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的机舱与塔架的位置关系示意图。
图5是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的机舱轴线与载荷传感器的位置关系示意图。
图6是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的风轮推力的仿真建模示意图。
图7是本申请一示例性实施例示出的一种风轮推力计算模块的建模过程示意图。
图8是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的机舱的偏航角度的确定流程示意图。
图9是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的主轴不平衡载荷补偿量的仿真建模示意图。
图10是本申请一示例性实施例示出的一种主轴不平衡载荷补偿量的计算模块的建模过程示意图。
图11是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的变桨控制方法的控制逻辑图。
图12是本申请一示例性实施例示出的一种应用于风力发电机组的桨距角控制值的确定流程示意图。
图13是本申请一示例性实施例示出的一种风力发电机组的变桨控制***的结构框图。
图14是本申请另一示例性实施例示出的一种风力发电机组的变桨控制***的结构框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
风力发电是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能。风力发电的装置，称作风力发电机组。本申请提供一种风力发电机组及其控制方法和***、计算机可读存储介质。下面结合附图，对本申请的风力发电机组及其控制方法和***、计算机可读存储介质进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
参见图1所示，本申请实施例提供一种风力发电机组，包括：塔架20、机舱21、载荷传感器24、风轮25、变桨驱动装置(未图示)以及变桨控制***(未图示)。其中，机舱21安装于塔架20的顶部。载荷传感器24设置于所述塔架20的顶部，用于获取塔顶载荷。载荷传感器安装在塔架顶部，相对于传感器安装在叶片的叶根位置，可以减少传感器的数量和安装难度。特别是，对于钢制塔筒，由于各向同性，可以获得更加准确的塔顶载荷。在本实施例中，载荷传感器24的数量为四个，正交设置在塔架20的顶部，在其他例子中，载荷传感器24的数量可以根据实际情况设置。风轮25安装于机舱21，风轮25包括轮毂22和安装于轮毂22的叶片23。在本实施例中，风轮25安装在机舱21的前部，在其他例子中，风轮25也可以安装在机舱21的后部。叶片23的数量为三个，在其他例子中，叶片23的数量可以根据实际情况设置。变桨驱动装置与所述叶片23连接，用于驱动叶片23变桨。变桨驱动装置可以包括变桨驱动电机和连接变桨驱动电机和叶片23的齿轮箱。变桨控制***用于控制所述变桨驱动装置驱动叶片23变桨，变桨控制***可以控制变桨驱动电机运转，带动齿轮箱运动，从而驱动叶片23转动，实现变桨，容下详述。
可以理解的，风轮25是把风的动能转变为机械能的重要部件，当风吹向叶片23时，叶片23上产生气动力驱动风轮转动。叶片23的材料要求强度高、重量轻，多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。机舱21内可以设置与风轮连接的发电机，发电机组的主轴方向A即是风轮转动的轴向。塔架20支撑风轮25和机舱21，一般修建得比较高，为的是获得较大和较均匀的风力，又要有足够的强度。
参见图2所示，本申请实施例提供一种应用于风力发电机组的变桨控制方法，所述变桨控制方法包括步骤S101～S105。
其中，在步骤S101中，获取所述塔架的塔顶载荷，
在一些可选的实施例中，通过从安装在塔架顶部的载荷传感器获得所述塔顶载荷。相比于将传感器安装在叶根位置成本较低并且易于安装维护，降低了实现独立变桨控制需要增加硬件的成本。变桨控制***可以从载荷传感器获取塔顶载荷。
在步骤S102中，根据所述塔顶载荷，确定所述风力发电机组的主轴不平衡载荷。
在一些可选的实施例中，根据所述塔顶载荷、所述风力发电机组的重量与尺寸、所述风力发电机组的传动链扭矩、所述风力发电机组的传动链仰角、所述风力发电机组的风轮推力以及所述风力发电机组的机舱的偏航角度，确定所述主轴不平衡载荷。将上述参量参与到确定主轴不平衡载荷的计算过程中，是考虑到机舱偏航导致的旋转变换，以及风力发电机组的重量与尺寸、风力发电机组的传动链扭矩、风力发电机组的传动链仰角、风力发电机组的风轮推力导致的附加弯矩，也会影响主轴不平衡载荷的大小，因此通过上述方式可以使最终得到的主轴不平衡载荷更准确可靠。
可选地，所述主轴不平衡载荷可以包括在dq坐标系的一个坐标轴上的第一不平衡载荷分量和另一个坐标轴上的第二不平衡载荷分量。确定所述风力发电机组的主轴不平衡载荷，包括：
根据所述塔顶载荷在塔顶坐标系的Z轴方向上的Z轴载荷分量、所述传动链扭矩以及所述传动链仰角，确定所述第一不平衡载荷分量。根据所述塔顶载荷在塔顶坐标系的X轴方向上的X轴载荷分量、所述塔顶载荷在塔顶坐标系的Y轴方向上的Y轴载荷分量、所述风力发电机组的重量与尺寸、所述传动链仰角、所述风轮推力以及所述机舱的偏航角度，确定所述第二不平衡载荷分量。
在一些可选的实施例中，在塔架顶端安装载荷传感器，可以通过载荷传感器直接采集塔顶载荷在塔顶坐标系的X轴方向上的X轴载荷分量、塔顶载荷在塔顶坐标系的Y轴方向上的Y轴载荷分量、以及塔顶载荷在塔顶坐标系的Z轴方向上的Z轴载荷分量，然后再推算出dq坐标系中的D轴上的D轴载荷和Q轴上的Q轴载荷。在一些实施例中，第一不平衡载荷分量为Q轴载荷，第二不平衡载荷分量为D轴载荷。
其中，D轴载荷是反映风轮旋转平面在俯仰方向上受载的不平衡性，Q轴载荷是反映风轮旋转平面在偏航方向上受载的不平衡性。参见图1和图3所示，塔顶坐标系是固定坐标系，X坐标轴指向南，Y坐标轴指向东，Z轴垂直向上，坐标原点在塔架20的中轴线上，塔顶坐标系是与地面相对静止的。可以理解的，dq坐标系中的D轴可理解为是与图3中的Y轴相同的方向，dq坐标系中的Q轴可理解为是与图3中的Z轴相同的方向。
独立变桨控制目的是为消除风轮受到的不平衡载荷，因而需要将载荷传感器测得的主轴不平衡载荷转换成D轴载荷和Q轴载荷，再由D轴载荷和Q轴载荷推算出风轮的叶片的桨距角控制值，最终控制叶片实现变桨，抵消风轮受到的不平衡载荷。
在本实施例中，以载荷传感器采集的塔顶载荷作为独立变桨控制的输入信号。D轴载荷与塔顶载荷在塔顶坐标系的X轴方向上的X轴载荷分量以及塔顶载荷在塔顶坐标系的Y轴方向上的Y轴载荷分量有直接相关，因此可以通过塔顶载荷在塔顶坐标系的X轴方向上的X轴载荷分量、塔顶载荷在塔顶坐标系的Y轴方向上的Y轴载荷分量、所述风力发电机组的重量与尺寸、所述传动链仰角、所述风轮推力以及所述机舱的偏航角度，经坐标变换计算得到D轴载荷，即所述第二不平衡载荷分量。
Q轴载荷与塔顶载荷在塔顶坐标系的Z轴方向上的Z轴载荷分量有直接相关，因此可以通过塔顶载荷在塔顶坐标系的Z轴方向上的Z轴载荷分量以及所述传动链扭矩以及所述传动链仰角，经坐标变换计算得到Q轴载荷，即所述第一不平衡载荷分量。
在计算D轴载荷和Q轴载荷过程中，将机舱偏航导致的旋转变换，以及风力发电机组的重量与尺寸、风力发电机组的传动链扭矩、风力发电机组的传动链仰角、风力发电机组的风轮推力导致的附加弯矩这些参量参与到确定主轴不平衡载荷的计算过程中，是考虑到机舱偏航导致的旋转变换，以及风力发电机组的重量与尺寸、风力发电机组的传动链扭矩、风力发电机组的传动链仰角、风力发电机组的风轮推力导致的附加弯矩，也会影响主轴不平衡载荷的大小，因此通过上述方式可以使最终得到的主轴不平衡载荷更准确可靠。从塔顶载荷经坐标变换得到D轴载荷Md的公式如公式(1)，从塔顶载荷经坐标变换得到Q轴载荷Mq的公式如公式(2)：
Md＝-MxTT*sinβ+MyTT*cosβ-FGL+Fx*(l*sinα+h)， 式(1)；
Mq＝MzTT-MxDT*sinα， 式(2)。
参见图3至图5所示，式中，MxTT、MyTT、MzTT分别代表塔顶三个方向的载荷，即MxTT代表塔顶载荷在塔顶坐标系的X轴方向上的X轴载荷分量，MyTT代表塔顶载荷在塔顶坐标系的Y轴方向上的Y轴载荷分量，MzTT代表塔顶载荷在塔顶坐标系的Z轴方向上的Z轴载荷分量。MxDT代表传动链扭矩。Fx代表风轮推力。FG代表机舱的重量。L代表机舱21的重心G到塔架20的塔筒中轴线(如图4中虚线所示)的距离。h代表传动链轴线与塔架20的塔筒中轴线的交点到塔架20的塔顶的距离，传动链轴线可以理解为是与主轴A的轴线方向一致的方向。l代表机舱21的头部到塔架20的塔筒中轴线的距离。风力发电机组的尺寸可以包含上述参数L、l和h。α代表传动链仰角，图4中所示为主轴A的轴线方向与水平面之间的夹角，也可以理解为是机舱轴线B与主轴A之间的夹角。图5是机舱与载荷传感器投影到水平面上的位置关系示意图，式中β代表机舱的偏航角度，机舱的偏航角度可以理解为是机舱轴线B与载荷传感器24的安装轴线之间的连线的夹角，机舱轴线B可以理解为是主轴A在水平面上的投影。载荷传感器24的安装轴线可以是任意两个对角位置的载荷传感器24之间的连线在水平面上的投影。在本实施例中，以位于X轴上的两个载荷传感器24之间的连线在水平面上的投影作为安装轴线进行图示，偏航角度和风轮推力的确定方法容下详述。需要说明的是，传动链扭矩MxDT可以实际测得，也可通过机组功率以及转速推算得到，上述参数FG、L、l、h、α均可以根据机舱的尺寸测量得到。
在上述表达式中，将机舱偏航导致的旋转变换，以及风力发电机组的重量与尺寸、风力发电机组的传动链扭矩、风力发电机组的传动链仰角、风力发电机组的风轮推力导致的附加弯矩这些参量参与到确定主轴不平衡载荷的计算过程中，是考虑到机舱偏航导致的旋转变换，以及风力发电机组的重量与尺寸、风力发电机组的传动链扭矩、风力发电机组的传动链仰角、风力发电机组的风轮推力导致的附加弯矩，也会影响主轴不平衡载荷的大小，因此通过上述方式可以使最终得到的主轴不平衡载荷更准确可靠。
在一些可选的实施例中，根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述风轮推力。考虑到风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度对风轮推力的影响，将上述参量参与到确定风轮推力的计算过程中，可以使最终得到的风轮推力更准确可靠。
其中，根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述风轮推力，可以进一步包括：根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度与风轮推力的第一关系对应表，确定所述风轮推力。可以理解的，风力发电机组在实际应用中的风轮推力可以通过第一关系对应表查表获得。第一关系对应表可以通过机组模型在不同环境风速和环境空气密度下仿真获得。
参见图6和图7所示，在实际应用中，第一关系对应表可存储于风轮推力计算模块30中，风轮推力计算模块30用于根据功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度从第一关系对应表中查找对应的风轮推力。其中风轮推力计算模块30的仿真实验建模过程如图7所示。在计算机的仿真软件中建立风力发电机组的机组模型，再向机组模型输入不同的环境风速和环境空气密度，获得对应的风力发电机组的功率、桨距角以及风轮推力的数据。将每一组环境风速和环境空气密度与对应的风力发电机组的功率、桨距角以及风轮推力，建立得到第一关系对应表。
由于环境风速、环境空气密度、风力发电机组的功率以及桨距角都可以实际测量获得，因此，只要将实际测得的环境风速、环境空气密度、风力发电机组的功率以及桨距角输入给风轮推力计算模块30，风轮推力计算模块30通过查表后就可以直接输出对应的风力发电机组的风轮推力的值。
参见图8所示，在一些可选的实施例中，可以通过以下方法步骤S201～S202确定式(1)中所述机舱的偏航角度。
其中，在步骤S201中，确定所述机舱轴线B在初始位置时相对于所述载荷传感器24的安装轴线的相对角度。结合图5所示，可选地，安装在塔架顶部的载荷传感器24一般可以设置四个，四个载荷传感器24呈十字正交地安装在塔架顶部，四个载荷传感器24可以沿塔顶坐标系的X轴和Y轴设置，也可以不沿塔顶坐标系的X轴和Y轴设置。由于风机偏航***的存在，机舱安装后机舱轴线B不能实时与载荷传感器24的安装轴线平行，则需要在载荷传感器24安装完成后在小风情况下对机组进行相对角度的确定，也即确定所述机舱在初始位置时相对于所述载荷传感器24的相对角度。机舱的初始位置可以理解为是机舱完成安装后，未偏航时在塔架顶部所处的位置。
可以通过以下方法，确定所述机舱在初始位置时相对于所述载荷传感器的相对角度。首先，控制机舱顺时针和逆时针各转动至少一圈。机舱转动的过程中，对应机舱所处的多个位置，载荷传感器分别测得对应的载荷信号。当机舱的轴线与任意两个对角位置的载荷传感器之间的连线平行时，靠近机舱的机头位置的载荷传感器24的载荷信号是处于波峰位置的，靠近机舱的机尾位置的载荷传感器24的载荷信号是处于波谷位置的。实际应用中，机舱转动一圈后，获取每个载荷传感器24在机舱转动过程中所测得的载荷信号的多个载荷值，每个载荷传感器24的载荷信号都会出现一次波峰值和一次波谷值，因此，可以通过上述原则，根据每个载荷传感器24测得的多个载荷值，确定四个载荷传感器24各自相对机舱的位置。可以理解的，机舱转动的圈数越多，各个载荷传感器24的位置可以确定的更加准确。在本实施例中，控制机舱顺时针和逆时针各转动至少两圈。四个载荷传感器24相对机舱的位置都确定之后，以其中一组载荷传感器24的连线在水平面上的投影作为安装轴线，就可以确定机舱在初始位置时机舱轴线B相对于载荷传感器的安装轴线的夹角，也即确定了机舱在初始位置时相对于载荷传感器24的相对角度。
在步骤S202中，计算机舱在运行中的实测偏航角度和上述确定的相对角度的差值。机舱由于实时对风会产生相对于初始位置的偏航角度，计算机舱在运行中的实测偏航角度和上述确定的相对角度的差值，作为式(1)的所述偏航角度。可以理解的，机舱在运行中的实测偏航角度是指机舱在风力作用下产生偏航转动后，相对于初始位置的偏航角度，可通过设置传感器测得。
继续参考图2，在步骤S103中，根据所述主轴不平衡载荷，确定所述叶片的桨距角补偿值。
在一些可选的实施例中，根据所述主轴不平衡载荷，确定所述叶片的桨距角补偿值，还包括：确定主轴不平衡载荷补偿量，根据所述主轴不平衡载荷和所述主轴不平衡载荷补偿量，确定所述桨距角补偿值，变桨控制方法中引入主轴不平衡载荷补偿量，可以灵活调节独立变桨控制的目标，扩大了独立变桨控制方法的应用范围。
可选地，确定所述主轴不平衡载荷补偿量，可以包括：根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述主轴不平衡载荷补偿量。考虑到风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度对主轴不平衡载荷补偿量的影响，将上述参量参与到确定主轴不平衡载荷补偿量的计算过程中，可以使最终得到的主轴不平衡载荷补偿量更准确可靠。
其中，根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述主轴不平衡载荷补偿量，可以进一步包括：根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度与主轴不平衡载荷补偿量的第二关系对应表，确定所述主轴不平衡载荷补偿量。可以理解的，主轴不平衡载荷补偿量可以通过第二关系对应表查表获得。第二关系对应表可以通过机组模型在不同环境风速和环境空气密度下仿真获得。仿真时可以剔除需要补偿的不平衡载荷，最终得到主轴不平衡载荷补偿量。如上述式(1)和式(2)所示，由于D轴载荷和Q轴载荷的计算公式中涉及较多的参量，而不平衡载荷的种类也较多，通过上述方法，引入主轴不平衡载荷补偿量，将风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度通过查表的方式参与到不平衡载荷的确定过程中，就可不需要参与到D轴载荷和Q轴载荷的计算过程，简化确定不平衡载荷的难度。需要说明的是，在本实施例中，是将风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度作为确定主轴不平衡载荷补偿量的相关参量，在其他例子中，也可以根据实际需要更换不同的参量或是增加额外的参量，例如虽然环境湿度对于确定主轴不平衡载荷补偿量的影响较小，也可以将环境湿度加入参与到确定主轴不平衡载荷补偿量的计算过程中，获得更准确的主轴不平衡载荷补偿量。因此可以灵活调节独立变桨控制的目标，扩大了独立变桨控制方法的应用范围。
参见图9和图10所示，在实际应用中，第二关系对应表可存储于主轴不平衡载荷补偿量的计算模块40中，主轴不平衡载荷补偿量的计算模块40用于根据功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度从第二关系对应表中查找对应的主轴不平衡载荷补偿量。其中主轴不平衡载荷补偿量的计算模块40的仿真实验建模过程如图10所示。在计算机的仿真软件中建立风力发电机组的机组模型，再向机组模型输入不同的环境风速和环境空气密度，获得对应的风力发电机组的功率、桨距角以及主轴不平衡载荷补偿量的数据。将每一组环境风速和环境空气密度与对应的风力发电机组的功率、桨距角以及主轴不平衡载荷补偿量，建立得到第二关系对应表。特别地，主轴不平衡载荷补偿量可以与主轴不平衡载荷相对应地，包括第一主轴不平衡载荷补偿量Mdoff和第二主轴不平衡载荷补偿量Mqoff，第一主轴不平衡载荷补偿量和第二主轴不平衡载荷补偿量均可以通过查表获得。
由于环境风速、环境空气密度、风力发电机组的功率以及桨距角都可以实际测量获得，因此，只要将实际测得的环境风速、环境空气密度、风力发电机组的功率以及桨距角输入给主轴不平衡载荷补偿量计算模块，主轴不平衡载荷补偿量计算模块通过查表后就可以直接输出对应的第一主轴不平衡载荷补偿量和第二主轴不平衡载荷补偿量。
参见图11所示，可通过主轴不平衡载荷计算模块29计算主轴不平衡载荷的D轴载荷Md和Q轴载荷Mq，再根据所述主轴不平衡载荷及所述主轴不平衡载荷补偿量，确定所述桨距角补偿值。
在一些可选的实施例中，根据所述主轴不平衡载荷及所述主轴不平衡载荷补偿量，确定所述桨距角补偿值，可以进一步包括：将所述主轴不平衡载荷减去所述主轴不平衡载荷补偿量后至少经过PI计算，确定所述桨距角补偿值。具体地，D轴载荷Md减去对应的第一主轴不平衡载荷补偿量Mdoff，然后进入滤波器51进行滤波处理，再进入PI控制器52进行PI计算，并经过速度限值模块53进行速度限值处理以及位置限值模块54进行位置限值处理，得到相应的桨距角补偿值Ad。Q轴载荷Mq减去对应的第一主轴不平衡载荷补偿量Mqoff，然后进入滤波器61进行滤波处理，再进入PI控制器62进行PI计算，并经过速度限值模块63进行速度限值处理以及位置限值模块64进行位置限值处理，得到相应的桨距角补偿值Aq。
其中，桨距角补偿值Ad的表达式如表达式(3)，桨距角补偿值Aq的表达式如表达式(4)；式中Kp是PI控制中的系数，Ti是PI控制中的积分时间常数。
Figure BDA0002483925890000151
Figure BDA0002483925890000152
在步骤S104中，根据所述桨距角补偿值，确定桨距角控制值。参见图12所示，根据所述桨距角补偿值，确定所述桨距角控制值，可以进一步包括步骤：
步骤S301，获得所述风力发电机组基于转速控制的统一桨距角。其中，可以根据所述风力发电机组的发电机转速和发电机转速的设定点，确定所述统一桨距角。可以理解的，统一桨距角是指为了使风轮克服驱动***的空载阻力矩，每个叶片进行变桨均所适用的桨距角。统一桨距角θ0可以根据风力发电机组的发电机转速和发电机转速的设定点通过PI计算得到的，其计算公式如下式：
Figure BDA0002483925890000153
其中，ωg为发电机转速，ωref为发电机转速的设定点。
步骤S302，结合图11所示，将所述桨距角补偿值通过派克反变换器70经过Park(派克)反变换得到所述叶片的桨距角变换值。具体地，桨距角补偿值Ad和Aq分别通过派克反变换器70经过Park反变换得到每个叶片的桨距角变换值，Park反变换的计算公式如下式(6)：
Figure BDA0002483925890000154
式中，
Figure BDA0002483925890000155
为风轮方位角，可通过风轮方位角传感器90测得。θ1、θ2、θ3为通过Park反变换得到的每个叶片的桨距角变换值。考虑到信号测量传输延迟以及变桨动作延时，需要在Park反变换公式的风轮方位角中引入一个方位角补偿量δ与叶片的桨距角变换值相加，通过方位角补偿量δ来补偿信号测量到变桨动作之间的时间延迟，因此逆Park反变换的公式可以表示为公式(7)：
Figure BDA0002483925890000156
步骤S303，根据所述桨距角变换值与所述统一桨距角，确定所述桨距角控制值。可选地，可以通过变桨控制***的变桨执行器80控制叶片变桨，将得到的桨距角变换值与统一桨距角相加，得到每个叶片最终的桨距角控制值并输入到变桨执行器中。
在步骤S105中，根据桨距角控制值，控制叶片变桨。可选地，根据桨距角控制值，将桨距角控制值输入到变桨执行器80中，由变桨执行器80控制变桨驱动装置驱动控制每个叶片变桨。
本申请实施例的变桨控制方法，将载荷传感器设置在塔架顶部，通过载荷传感器获取塔顶载荷作为独立变桨控制的输入信号，根据塔顶载荷确定主轴不平衡载荷，进而进行变桨控制。相比于相关技术在叶片的叶根位置贴装传感器，由于塔顶位置固定不变，塔顶安装的机舱及载荷传感器相对塔顶的运动较少，因此可以获得较准确的塔顶载荷和主轴不平衡载荷，从而独立变桨控制的可靠性更高。在变桨控制方法中引入主轴不平衡载荷补偿量，可以灵活调节独立变桨控制的目标，扩大了独立变桨控制方法的应用范围。
与前述风力发电机组的变桨控制方法的实施例相对应，本申请还提供了一种风力发电机组的变桨控制***的实施例。
参见图13所示，风力发电机组的变桨控制***可以包括数据采集模块110、计算模块120和变桨控制模块130。其中，数据采集模块110，用于获取风力发电机组的运行数据，包括塔顶载荷、风力发电机组的传动链扭矩、风力发电机组的传动链仰角、风力发电机组的机舱的偏航角度、风力发电机组的功率、桨距角、环境风速、环境空气密度、风轮方位角、发电机转速、发电机转速的设定点等参数。
计算模块120，用于根据数据采集模块110获取的数据，确定风力发电机组的主轴不平衡载荷、主轴不平衡载荷补偿量、风轮推力、偏航角度、桨距角补偿值、桨距角变换值、统一桨距角、桨距角控制值等。变桨控制模块130，用于根据计算模块120确定的桨距角控制值控制叶片变桨。
变桨控制***可以执行上文所述的变桨控制方法。上述各个模块的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
参见图14所示，本申请实施例还提供一种应用于风力发电机组的变桨控制***10，变桨控制***10可以执行上文所述的变桨控制方法。变桨控制***10包括一个或多个处理器11，用于实现如上任一项实施例所述的变桨控制方法。变桨控制***10的实施例可以应用在风力发电机组上。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在风力发电机组的处理器11将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图12所示，为本申请变桨控制***10所在风力发电机组的一种硬件结构图，除了图13所示的处理器11、内部总线12、内存14、网络接口13、以及非易失性存储器15之外，实施例中装置所在的风力发电机组通常根据该风力发电机的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
所述处理器11可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器11也可以是任何常规的处理器等。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器11执行时，实现如上任一项实施例所述的变桨控制方法。
所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的风力发电机组的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是风力发电机的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括风力发电机组的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述风力发电机组所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种应用于风力发电机组的变桨控制方法，所述风力发电机组包括塔架和叶片，其特征在于，所述方法包括：
获取所述塔架的塔顶载荷；
根据所述塔顶载荷、所述风力发电机组的重量与尺寸、所述风力发电机组的传动链扭矩、所述风力发电机组的传动链仰角、所述风力发电机组的风轮推力以及所述风力发电机组的机舱的偏航角度，确定所述风力发电机组的主轴不平衡载荷；
根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定主轴不平衡载荷补偿量，并根据所述主轴不平衡载荷和所述主轴不平衡载荷补偿量，确定所述叶片的桨距角补偿值；
根据所述桨距角补偿值，确定桨距角控制值；及
根据所述桨距角控制值，控制所述叶片变桨。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：从安装在所述塔架顶部的载荷传感器获得所述塔顶载荷。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述主轴不平衡载荷包括在dq坐标系的一个坐标轴上的第一不平衡载荷分量和另一个坐标轴上的第二不平衡载荷分量；确定所述风力发电机组的主轴不平衡载荷，包括：
根据所述塔顶载荷在塔顶坐标系的Z轴方向上的Z轴载荷分量、所述传动链扭矩以及所述传动链仰角，确定所述第一不平衡载荷分量；和/或
根据所述塔顶载荷在塔顶坐标系的X轴方向上的X轴载荷分量、所述塔顶载荷在塔顶坐标系的Y轴方向上的Y轴载荷分量、所述风力发电机组的重量与尺寸、所述传动链仰角、所述风轮推力以及所述机舱的偏航角度，确定所述第二不平衡载荷分量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括：根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述风轮推力。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述风轮推力，包括：
根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度与风轮推力的第一关系对应表，确定所述风轮推力。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定所述机舱的轴线在初始位置时相对于所述载荷传感器的安装轴线的相对角度；
计算所述机舱在运行中的实测偏航角度和所述相对角度的差值，为所述偏航角度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，确定所述机舱在初始位置时相对于所述载荷传感器的相对角度，包括：
控制所述机舱转动至少一圈；
获取所述载荷传感器在所述机舱转动过程中所测得的多个载荷值；
根据所述多个载荷值，确定所述相对角度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度，确定所述主轴不平衡载荷补偿量，包括：
根据所述风力发电机组的功率、桨距角、环境风速以及环境空气密度与主轴不平衡载荷补偿量的第二关系对应表，确定所述主轴不平衡载荷补偿量。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述主轴不平衡载荷及所述主轴不平衡载荷补偿量，确定所述桨距角补偿值，包括：
将所述主轴不平衡载荷减去所述主轴不平衡载荷补偿量后至少经过PI计算，确定所述桨距角补偿值。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述桨距角补偿值，确定所述桨距角控制值，包括：
获得所述风力发电机组基于转速控制的统一桨距角；
将所述桨距角补偿值经过D-Q反变换得到所述叶片的桨距角变换值；
根据所述桨距角变换值与所述统一桨距角，确定所述桨距角控制值。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，获得所述风力发电机组基于转速控制的统一桨距角，包括：
根据所述风力发电机组的发电机转速和发电机转速的设定点，确定所述统一桨距角。
12.一种应用于风力发电机组的变桨控制***，其特征在于，包括一个或多个处理器，用于实现如权利要求1-11中任一项所述的变桨控制方法。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-11中任一项所述的变桨控制方法。
14.一种风力发电机组，其特征在于，包括：
塔架；
机舱，安装于塔架顶部；
载荷传感器，设置于所述塔架顶部，用于获取塔顶载荷；
风轮，安装于机舱，且包括轮毂和安装于轮毂的叶片；
变桨驱动装置，与所述叶片连接；
如权利要求12所述的变桨控制***，用于控制所述变桨驱动装置驱动叶片变桨。
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