CN113323804B - 解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法与模块 - Google Patents

解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法与模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法与模块，基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角，分析二阶模态阵型，采用P控制器，在常规变桨控制器输出的变桨速率指令上，给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，经过限幅得到各个叶片最终的变桨速率值，然后根据计算得出各个叶片最终桨距角给定值，即通过微调桨距角，根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，减小叶片受力不平衡，最终达到减小塔架在二阶频率点上的前后振动的目的，保障风力发电机组安全稳定运行。

Description

解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法与模块
技术领域
本发明涉及风力发电机组的技术领域，尤其是指一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法与模块。
背景技术
随着风力发电技术的发展以及市场降低度电成本需求，风力发电机组容量越来越大，叶片越来越长，塔架越来越高，并且由于海上资源丰富，风速稳定，东南沿海一带经济发达，电量需求量大，可自行解决消纳问题，提高风电能利用率，因此海上风电将迎来快速发展。
但是无论是陆上机组还是海上机组，塔架振动问题都是一个棘手的问题。特别是海上风力发电机组的基础立于海床上，塔架上端受到风速、尾流等的影响，下端经受洋流海浪等的影响，以及塔架固有频率的降低，其塔架振动问题相较于陆上机组更严重，尤其是塔架二阶前后振动更是严重。
对于塔架前后振动问题，现采用塔架前后加阻策略，即在常规变桨控制器的基础上，增加一个基于塔架前后加速度的变桨给定值，通过微调桨距角增加塔架前后振动模态阻尼，从而减小塔架前后振动。此方案针对一阶塔架前后振动有较好效果，但针对以塔架前后二阶模态为主的振动，振动效果并不明显。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法，可减小塔架前后二阶模态为主的振动，从而解决塔架在二阶频率点上的前后振动，保障风力发电机组安全稳定运行。
本发明的第二目的在于提供一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制模块。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法，该方法是基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的独立变桨控制策略IPC(Individual Pitch Control)来解决塔架在二阶频率点的前后振动，通过减小叶轮旋转平面内三个叶片面内受力不均而造成的气动不平衡，从根本上减小塔架前后的振动，即根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，从而减小三个叶片受力不平衡，进而减小塔架前后二阶模态为主的振动，具体过程是：首先，通过传感器实时测量塔架中间段的前后加速度，并对其进行滤波；然后，再测量并计算三个叶片对应的方位角；根据塔架中间段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各个叶片额外的变桨速率，并将其叠加到各个叶片常规变桨速率上，即给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，最后，经过限幅并计算出各个叶片最终的桨距角给定值输送给机组的变桨***执行，从而解决塔架在二阶频率点的前后振动问题。
进一步，所述解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法，包括以下步骤：
1)测量塔架中间段的前后加速度anacelle，并进行滤波，经过传递函数F(s)滤波后的塔架中间段的前后加速度为anacellef，即：
anacellef＝anacelle*F(s)
Figure GDA0003460560770000021
式中，s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼系数，ω为频率，T1和T2为时间常数；其中，定义anacellef的正方向为向前时为正；
2)计算叶轮方位角；
测量叶片1方位角，根据三个叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2 和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为
Figure GDA0003460560770000031
则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure GDA0003460560770000032
叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure GDA0003460560770000033
即：
Figure GDA0003460560770000034
Figure GDA0003460560770000035
Figure GDA0003460560770000036
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；
3)计算各个叶片额外的变桨速率；
根据塔架中间段的前后加速度，基于叶片在不同方位角下的受力分析，分别计算三个叶片分别所需的额外变桨速率，具体如下：
Figure GDA0003460560770000037
Figure GDA0003460560770000038
Figure GDA0003460560770000039
式中，ΔV1(k)、ΔV2(k)、ΔV3(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率，Kp为P控制器的比例增益系数，A为叶轮方位角超前角度；
4)计算各个叶片对应变桨速率；
将步骤3)得到的各个叶片的额外变桨速率值与常规控制器输出的变桨速率值Vo(k)进行叠加，经过限幅，分别得到三个叶片对应的变桨速率，具体如下：
叶片1的变桨速率V1(k)：V1(k)＝Vo(k)+ΔV1(k)
叶片2的变桨速率V2(k)：V2(k)＝Vo(k)+ΔV2(k)
叶片3的变桨速率V3(k)：V3(k)＝Vo(k)+ΔV3(k)
再将各个叶片的变桨速率进行限幅，得到叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率分别为Vf1(k)、Vf2(k)、Vf3(k)，其中Vo(k)为常规控制器计算得到的统一变桨速率；
5)计算各个叶片对应的桨距角给定值；
根据步骤4)计算得到最终的变桨速率，分别计算三个叶片对应的桨距角给定值，并将其输送到变桨***执行，实现三个叶片桨距角的单独变桨控制，即 IPC控制；
叶片1的桨距角：
θ1(k)＝θ1(k-1)+Vf1(k)*T
叶片2的桨距角：
θ2(k)＝θ2(k-1)+Vf2(k)*T
叶片3的桨距角：
θ3(k)＝θ3(k-1)+Vf3(k)*T
式中，θ1(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ1(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ2(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ2(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ3(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ3(k)为叶片3当前时刻的桨距角，T为Controller Cycle time控制算法循环时间常数；
6)执行桨距角变桨；
变桨***根据三个叶片对应的桨距角给定值调节叶片桨距角，减小由于气动不平衡引起的塔架在二阶频率点上的前后振动，从而实现风力发电机组基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的振动优化控制。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制模块，该模块是基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的独立变桨控制策略IPC(Individual Pitch Control)来解决塔架在二阶频率点的前后振动，通过减小叶轮旋转平面内三个叶片面内受力不均而造成的气动不平衡，从根本上减小塔架前后的振动，即根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，从而减小三个叶片受力不平衡，进而减小塔架前后二阶模态为主的振动，具体过程是：首先，通过传感器实时测量塔架中间段的前后加速度，并对其进行滤波；然后，再测量并计算三个叶片对应的方位角；根据塔架中间段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各个叶片额外的变桨速率，并将其叠加到各个叶片常规变桨速率上，即给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，最后，经过限幅并计算出各个叶片最终的桨距角给定值输送给机组的变桨***执行，从而解决塔架在二阶频率点的前后振动问题。
进一步，所述解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制模块，包括：
测量单元，用于测量塔架中间段的前后加速度，并进行滤波；
叶轮方位角计算单元，用于测量计算各叶片方位角；
叶片额外变桨速率计算单元，用于计算各个叶片额外的变桨速率，根据塔架中间段的前后加速度，基于叶片在不同方位角下的受力分析，分别计算三个叶片分别所需的额外变桨速率；
叶片对应变桨速率计算单元，用于计算各个叶片对应的变桨速率，将叶片额外变桨速率计算单元计算得到的各个叶片额外的变桨速率值与常规控制器输出的变桨速率值进行叠加，经过限幅，分别得到三个叶片对应的变桨速率；
叶片对应桨距角给定值计算单元，用于计算三个叶片对应的桨距角给定值，根据叶片对应变桨速率计算单元计算得到最终的变桨速率，分别计算三个叶片对应的桨距角给定值，并将其输送给变桨***执行调节叶片桨距角，实现三个叶片桨距角的单独变桨控制，即IPC控制。
进一步，在所述测量单元中，测量塔架中间段的前后加速度anacelle，并进行滤波，经过传递函数F(s)滤波后的塔架中间段的前后加速度为anacellef，即：
anacellef＝anacelle*F(s)
Figure GDA0003460560770000061
式中，s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼系数，ω为频率，T1和T2为时间常数；其中，定义anacellef的正方向为向前时为正。
进一步，在所述叶轮方位角计算单元中，测量叶片1方位角，根据三个叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为
Figure GDA0003460560770000062
则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure GDA0003460560770000063
叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure GDA0003460560770000064
即：
Figure GDA0003460560770000065
Figure GDA0003460560770000066
Figure GDA0003460560770000067
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角。
进一步，在所述叶片额外变桨速率计算单元中，采用以下公式：
Figure GDA0003460560770000068
Figure GDA0003460560770000069
Figure GDA0003460560770000071
式中，ΔV1(k)、ΔV2(k)、ΔV3(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率，Kp为P控制器的比例增益系数，anacellef为滤波后的塔架中间段的前后加速度，A为叶轮方位角超前角度。
进一步，在所述叶片对应变桨速率计算单元中，采用以下公式：
叶片1的变桨速率V1(k)：V1(k)＝Vo(k)+ΔV1(k)
叶片2的变桨速率V2(k)：V2(k)＝Vo(k)+ΔV2(k)
叶片3的变桨速率V3(k)：V3(k)＝Vo(k)+ΔV3(k)
再将各个叶片的变桨速率进行限幅，得到叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率分别为Vf1(k)、Vf2(k)、Vf3(k)，其中Vo(k)为常规控制器计算得到的统一变桨速率，ΔV1(k)、ΔV2(k)、ΔV3(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率。
进一步，在所述叶片对应桨距角给定值计算单元中，采用以下公式：
叶片1的桨距角：
θ1(k)＝θ1(k-1)+Vf1(k)*T
叶片2的桨距角：
θ2(k)＝θ2(k-1)+Vf2(k)*T
叶片3的桨距角：
θ3(k)＝θ3(k-1)+Vf3(k)*T
式中，θ1(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ1(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ2(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ2(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ3(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ3(k)为叶片3当前时刻的桨距角，T为 Controller Cycle time控制算法循环时间常数，Vf1(k)、Vf2(k)、Vf3(k)别为叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明采取基于塔架中间段的前后加速度，在常规变桨控制器的基础上叠加变桨速率的控制方式减小塔架前后振动，使得机组稳定运行。相对于现有的桨距角控制方式，能有效减小机组振动(特别是塔架在二阶频率点上的前后振动)而引起的载荷偏大问题。
2、本发明无需增加机组设备，只需在控制方法中增加相应的功能模块，就能减小塔架前后振动，减小机组载荷，从而节省成本，提高机组竞争力。
3、本发明有很强的理论依据，易于被相关技术人员接受，对后续控制优化改进和设备维护奠定基础。
综上所述，本发明可以有效可减小塔架前后二阶模态为主的振动，从而解决塔架在二阶频率点上的前后振动，降低机组载荷，保障风力发电机组安全稳定运行，本方案同时适用于一切由于气动不平衡造成载荷偏大的工况，具有十分广泛的应用前景，值得推广。
附图说明
图1为二阶模态阵型图。
图2为本发明方法的流程图。
图3为解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制框图。
图4为本发明模块的架构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
首先我们分析了风力发电机组的受力情况：
叶轮的叶片由于受到重力、风剪切、湍流、偏航误差以及上升气流的影响，三个叶片受力不均衡导致塔顶受到波动的合力与合弯矩，引起塔架的振动，特别是不平衡的前后方向倾覆弯矩会激化塔架二阶模态振动，二阶模态对塔架中间段的振动影响大，二阶模态阵型如图1所示，其表现为塔架中间段加速度大，两端小，而基于塔架中间段前后振动加速度大小，结合基于方位角的IPC控制策略，产生作用于塔架前后方向的倾覆弯矩，抵消由于湍流、风切变等产生的不平衡倾覆弯矩，进而达到降低塔架二阶模态振动的目的。
具体控制如下：当叶片在0°方位角(叶片位于垂直正上方)时，测量到塔架中间段有向前的加速度时，意味着塔顶受到正向的倾覆弯矩，此时应调大叶片的桨矩角，降低该处叶片的气动推力，进而降低作用于塔顶的倾覆弯矩；同理，当叶片在180°方位角(叶片位于垂直正下方)时，此时应调小叶片的桨矩角，增大该处叶片的气动推力，产生作用于塔顶负向的倾覆弯矩，同样起到削弱正向倾覆弯矩，降低振动的目的。如若塔架中间段有向后的加速度时，分析结论则刚好相反。
因此，基于上述分析，本实施例提供了一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法，其是基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的独立变桨控制策略IPC(Individual Pitch Control)来解决塔架在二阶频率点的前后振动，通过减小叶轮旋转平面内三个叶片面内受力不均而造成的气动不平衡，从根本上减小塔架前后的振动，即根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，从而减小三个叶片受力不平衡，进而减小塔架前后二阶模态为主的振动，如图2 所示，具体过程是：首先，通过传感器实时测量塔架中间段的前后加速度，并对其进行滤波；然后，再测量并计算三个叶片对应的方位角；根据塔架中间段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各个叶片额外的变桨速率，并将其叠加到各个叶片常规变桨速率上，即给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，最后，经过限幅并计算出各个叶片最终的桨距角给定值输送给机组的变桨***执行，从而解决塔架在二阶频率点的前后振动问题；其具体包括以下步骤：
1)测量塔架中间段的前后加速度anacelle，并进行滤波，经过传递函数F(s)滤波后的塔架中间段的前后加速度为anacellef，即：
anacellef＝anacelle*F(s)
Figure GDA0003460560770000101
式中，s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼系数，ω为频率，T1和T2为时间常数；其中，定义anacellef的正方向为向前时为正；
2)计算叶轮方位角；
测量叶片1方位角，根据三个叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2 和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片 1方位角为
Figure GDA0003460560770000102
则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure GDA0003460560770000103
叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure GDA0003460560770000104
即：
Figure GDA0003460560770000107
Figure GDA0003460560770000105
Figure GDA0003460560770000106
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；
3)计算各个叶片额外的变桨速率；
根据塔架中间段的前后加速度，基于叶片在不同方位角下的受力分析，分别计算三个叶片分别所需的额外变桨速率，具体如下：
Figure GDA0003460560770000111
Figure GDA0003460560770000112
Figure GDA0003460560770000113
式中，ΔV1(k)、ΔV2(k)、ΔV3(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率，Kp为P控制器的比例增益系数，A为叶轮方位角超前角度；
4)计算各个叶片对应变桨速率；
将步骤3)得到的各个叶片的额外变桨速率值与常规控制器输出的变桨速率值Vo(k)进行叠加，经过限幅，分别得到三个叶片对应的变桨速率，具体如下：
叶片1的变桨速率V1(k)：V1(k)＝Vo(k)+ΔV1(k)
叶片2的变桨速率V2(k)：V2(k)＝Vo(k)+ΔV2(k)
叶片3的变桨速率V3(k)：V3(k)＝Vo(k)+ΔV3(k)
再将各个叶片的变桨速率进行限幅，得到叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率分别为Vf1(k)、Vf2(k)、Vf3(k)，其中Vo(k)为常规控制器计算得到的统一变桨速率；
5)计算各个叶片对应的桨距角给定值；
根据步骤4)计算得到最终的变桨速率，分别计算三个叶片对应的桨距角给定值，并将其输送到变桨***执行，实现三个叶片桨距角的单独变桨控制，即IPC控制；
叶片1的桨距角：
θ1(k)＝θ1(k-1)+Vf1(k)*T
叶片2的桨距角：
θ2(k)＝θ2(k-1)+Vf2(k)*T
叶片3的桨距角：
θ3(k)＝θ3(k-1)+Vf3(k)*T
式中，θ1(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ1(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ2(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ2(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ3(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ3(k)为叶片3当前时刻的桨距角，T为Controller Cycle time控制算法循环时间常数；
6)执行桨距角变桨；
变桨***根据三个叶片对应的桨距角给定值调节叶片桨距角，减小由于气动不平衡引起的塔架在二阶频率点上的前后振动，从而实现风力发电机组基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的振动优化控制。
实施例2
见图3所示，风力发电机组常规控制器由转矩控制器和变桨控制器两部分组成：转矩控制器在额定风速以下时起作用，用于风能最大捕获；变桨控制器用于额定风速以上时，通过调节桨距角保持发电机转速在额定转速附近，保证机组正常运行的同时确保机组输出功率为额定功率。考虑到目前长叶片，高塔架，特别是海上风力发电机组的塔架上端受风、尾流等影响，下端经受洋流海浪等的影响，以及塔架固有频率的降低，其塔架振动问题相较于陆上机组更严重，尤其是塔架二阶前后振动更是严重。因此，在常规变桨控制器的基础上，建立了一个新的控制模块，用于解决风力发电机组塔架二阶前后振动问题，该控制模块是基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的独立变桨控制策略 IPC(IndividualPitch Control)来解决塔架在二阶频率点的前后振动，通过减小叶轮旋转平面内三个叶片面内受力不均而造成的气动不平衡，从根本上减小塔架前后的振动，即根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，从而减小三个叶片受力不平衡，进而减小塔架前后二阶模态为主的振动，具体过程是：首先，通过传感器实时测量塔架中间段的前后加速度，并对其进行滤波；然后，再测量并计算三个叶片对应的方位角；根据塔架中间段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各个叶片额外的变桨速率，并将其叠加到各个叶片常规变桨速率上，即给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，最后，经过限幅并计算出各个叶片最终的桨距角给定值输送给机组的变桨***(包含变桨控制器、变桨执行器等)执行，减小塔架前后二阶模态为主的振动，从而解决塔架在二阶频率点上的前后振动，降低机组载荷，保障风力发电机组安全稳定运行。
如图4所示，本实施例所提供的解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制模块，包括以下功能单元：
测量单元，用于测量塔架中间段的前后加速度anacelle，并进行滤波，经过传递函数F(s)滤波后的塔架中间段的前后加速度为anacellef，即：
anacellef＝anacelle*F(s)
Figure GDA0003460560770000131
式中，s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼系数，ω为频率，T1和T2为时间常数；其中，定义anacellef的正方向为向前时为正。
叶轮方位角计算单元，用于测量计算各叶片方位角，具体情况如下：
测量叶片1方位角，根据三个叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2 和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片 1方位角为
Figure GDA0003460560770000141
则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure GDA0003460560770000142
叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure GDA0003460560770000143
即：
Figure GDA0003460560770000144
Figure GDA0003460560770000145
Figure GDA0003460560770000146
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角。
叶片额外变桨速率计算单元，用于计算各个叶片额外的变桨速率，根据塔架中间段的前后加速度，基于叶片在不同方位角下的受力分析，分别计算三个叶片分别所需的额外变桨速率，具体如下：
Figure GDA0003460560770000147
Figure GDA0003460560770000148
Figure GDA0003460560770000149
式中，ΔV1(k)、ΔV2(k)、ΔV3(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率，Kp为P控制器的比例增益系数，A为叶轮方位角超前角度。
叶片对应变桨速率计算单元，用于计算各个叶片对应的变桨速率，将叶片额外变桨速率计算单元计算得到的各个叶片额外的变桨速率值与常规控制器输出的变桨速率值Vo(k)进行叠加，经过限幅，分别得到三个叶片对应的变桨速率，具体如下：
叶片1的变桨速率V1(k)：V1(k)＝Vo(k)+ΔV1(k)
叶片2的变桨速率V2(k)：V2(k)＝Vo(k)+ΔV2(k)
叶片3的变桨速率V3(k)：V3(k)＝Vo(k)+ΔV3(k)
再将各个叶片的变桨速率进行限幅，得到叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率分别为Vf1(k)、Vf2(k)、Vf3(k)，其中Vo(k)为常规控制器计算得到的统一变桨速率。
叶片对应桨距角给定值计算单元，用于计算三个叶片对应的桨距角给定值，根据叶片对应变桨速率计算单元计算得到最终的变桨速率，分别计算三个叶片对应的桨距角给定值，并将其输送给变桨***执行调节叶片桨距角，实现三个叶片桨距角的单独变桨控制，即IPC控制；其中，采用以下公式计算：
叶片1的桨距角：
θ1(k)＝θ1(k-1)+Vf1(k)*T
叶片2的桨距角：
θ2(k)＝θ2(k-1)+Vf2(k)*T
叶片3的桨距角：
θ3(k)＝θ3(k-1)+Vf3(k)*T
式中，θ1(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ1(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ2(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ2(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ3(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ3(k)为叶片3当前时刻的桨距角，T为 Controller Cycle time控制算法循环时间常数。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法，其特征在于，该方法是基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的独立变桨控制策略IPC来解决塔架在二阶频率点的前后振动，通过减小叶轮旋转平面内三个叶片面内受力不均而造成的气动不平衡，从根本上减小塔架前后的振动，即根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，从而减小三个叶片受力不平衡，进而减小塔架前后二阶模态为主的振动，具体过程是：首先，通过传感器实时测量塔架中间段的前后加速度，并对其进行滤波；然后，再测量并计算三个叶片对应的方位角；根据塔架中间段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各个叶片额外的变桨速率，并将其叠加到各个叶片常规变桨速率上，即给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，最后，经过限幅并计算出各个叶片最终的桨距角给定值输送给机组的变桨***执行，从而解决塔架在二阶频率点的前后振动问题；其包括以下步骤：
1)测量塔架中间段的前后加速度anacelle，并进行滤波，经过传递函数F(s)滤波后的塔架中间段的前后加速度为anacellef，即：
anacellef＝anacelle*F(s)
Figure FDA0003460560760000011
式中，s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼系数，ω为频率，T1和T2为时间常数；其中，定义anacellef的正方向为向前时为正；
2)计算叶轮方位角；
测量叶片1方位角，根据三个叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为
Figure FDA0003460560760000021
则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure FDA0003460560760000022
叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure FDA0003460560760000023
即：
Figure FDA0003460560760000024
Figure FDA0003460560760000025
Figure FDA0003460560760000026
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；
3)计算各个叶片额外的变桨速率；
根据塔架中间段的前后加速度，基于叶片在不同方位角下的受力分析，分别计算三个叶片分别所需的额外变桨速率，具体如下：
Figure FDA0003460560760000027
Figure FDA0003460560760000028
Figure FDA0003460560760000029
式中，ΔV1(k)、ΔV2(k)、ΔV3(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率，Kp为P控制器的比例增益系数，A为叶轮方位角超前角度；
4)计算各个叶片对应变桨速率；
将步骤3)得到的各个叶片的额外变桨速率值与常规控制器输出的变桨速率值Vo(k)进行叠加，经过限幅，分别得到三个叶片对应的变桨速率，具体如下：
叶片1的变桨速率V1(k)：V1(k)＝Vo(k)+ΔV1(k)
叶片2的变桨速率V2(k)：V2(k)＝Vo(k)+ΔV2(k)
叶片3的变桨速率V3(k)：V3(k)＝Vo(k)+ΔV3(k)
再将各个叶片的变桨速率进行限幅，得到叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率分别为Vf1(k)、Vf2(k)、Vf3(k)，其中Vo(k)为常规控制器计算得到的统一变桨速率；
5)计算各个叶片对应的桨距角给定值；
根据步骤4)计算得到最终的变桨速率，分别计算三个叶片对应的桨距角给定值，并将其输送到变桨***执行，实现三个叶片桨距角的单独变桨控制，即IPC控制；
叶片1的桨距角：
θ1(k)＝θ1(k-1)+Vf1(k)*T
叶片2的桨距角：
θ2(k)＝θ2(k-1)+Vf2(k)*T
叶片3的桨距角：
θ3(k)＝θ3(k-1)+Vf3(k)*T
式中，θ1(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ1(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ2(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ2(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ3(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ3(k)为叶片3当前时刻的桨距角，T为Controller Cycle time控制算法循环时间常数；
6)执行桨距角变桨；
变桨***根据三个叶片对应的桨距角给定值调节叶片桨距角，减小由于气动不平衡引起的塔架在二阶频率点上的前后振动，从而实现风力发电机组基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的振动优化控制。
2.一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制模块，其特征在于，该模块是基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的独立变桨控制策略IPC来解决塔架在二阶频率点的前后振动，通过减小叶轮旋转平面内三个叶片面内受力不均而造成的气动不平衡，从根本上减小塔架前后的振动，即根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，从而减小三个叶片受力不平衡，进而减小塔架前后二阶模态为主的振动，具体过程是：首先，通过传感器实时测量塔架中间段的前后加速度，并对其进行滤波；然后，再测量并计算三个叶片对应的方位角；根据塔架中间段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各个叶片额外的变桨速率，并将其叠加到各个叶片常规变桨速率上，即给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，最后，经过限幅并计算出各个叶片最终的桨距角给定值输送给机组的变桨***执行，从而解决塔架在二阶频率点的前后振动问题；其包括：
测量单元，用于测量塔架中间段的前后加速度，并进行滤波；
叶轮方位角计算单元，用于测量计算各叶片方位角；
叶片额外变桨速率计算单元，用于计算各个叶片额外的变桨速率，根据塔架中间段的前后加速度，基于叶片在不同方位角下的受力分析，分别计算三个叶片分别所需的额外变桨速率；
叶片对应变桨速率计算单元，用于计算各个叶片对应的变桨速率，将叶片额外变桨速率计算单元计算得到的各个叶片额外的变桨速率值与常规控制器输出的变桨速率值进行叠加，经过限幅，分别得到三个叶片对应的变桨速率；
叶片对应桨距角给定值计算单元，用于计算三个叶片对应的桨距角给定值，根据叶片对应变桨速率计算单元计算得到最终的变桨速率，分别计算三个叶片对应的桨距角给定值，并将其输送给变桨***执行调节叶片桨距角，实现三个叶片桨距角的单独变桨控制，即IPC控制；
在所述测量单元中，测量塔架中间段的前后加速度anacelle，并进行滤波，经过传递函数F(s)滤波后的塔架中间段的前后加速度为anacellef，即：
anacellef＝anacelle*F(s)
Figure FDA0003460560760000051
式中，s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼系数，ω为频率，T1和T2为时间常数；其中，定义anacellef的正方向为向前时为正；
在所述叶轮方位角计算单元中，测量叶片1方位角，根据三个叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为
Figure FDA00034605607600000510
则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure FDA0003460560760000052
叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加
Figure FDA0003460560760000053
即：
Figure FDA0003460560760000054
Figure FDA0003460560760000055
Figure FDA0003460560760000056
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；
在所述叶片额外变桨速率计算单元中，采用以下公式：
Figure FDA0003460560760000057
Figure FDA0003460560760000058
Figure FDA0003460560760000059
式中，ΔV1(k)、ΔV2(k)、ΔV3(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率，Kp为P控制器的比例增益系数，anacellef为滤波后的塔架中间段的前后加速度，A为叶轮方位角超前角度；
在所述叶片对应变桨速率计算单元中，采用以下公式：
叶片1的变桨速率V1(k)：V1(k)＝Vo(k)+ΔV1(k)
叶片2的变桨速率V2(k)：V2(k)＝Vo(k)+ΔV2(k)
叶片3的变桨速率V3(k)：V3(k)＝Vo(k)+ΔV3(k)
再将各个叶片的变桨速率进行限幅，得到叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率分别为Vf1(k)、Vf2(k)、Vf3(k)，其中Vo(k)为常规控制器计算得到的统一变桨速率，ΔV1(k)、ΔV2(k)、ΔV3(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率；
在所述叶片对应桨距角给定值计算单元中，采用以下公式：
叶片1的桨距角：
θ1(k)＝θ1(k-1)+Vf1(k)*T
叶片2的桨距角：
θ2(k)＝θ2(k-1)+Vf2(k)*T
叶片3的桨距角：
θ3(k)＝θ3(k-1)+Vf3(k)*T
式中，θ1(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ1(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ2(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ2(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ3(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ3(k)为叶片3当前时刻的桨距角，T为Controller Cycle time控制算法循环时间常数，Vf1(k)、Vf2(k)、Vf3(k)别为叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率。
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