CN114151276A - 一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制*** - Google Patents

一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制***，包括:低风速PI控制模块，用于在漂浮式风力发电机发生离网时或所述漂浮式风力发电机以最优模式增益自适应控制的控制策略运行时，控制所述漂浮式风力发电机的转速以并网转速运行；最优模式增益自适应控制模块，用于根据空气密度自适应调整发电机转矩，并控制漂浮式风力发电机以最优叶尖速比状态运行；过渡区域PI控制模块，用于控制漂浮式风力发电机的转矩以额定转矩运行；变桨距控制模块，用于当漂浮式风力发电机的转速高于额定转速时，控制漂浮式风力发电机输出恒定的额定功率。本发明能有效地调整发电机的转速和转矩，维持漂浮式风力发电机功率的稳定，保证***的稳定性。

Description

一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制***
技术领域
本发明涉及漂浮式风力发电机发电技术领域，尤其是指一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制***。
背景技术
相较于岸上固定式风电机组，漂浮式风机面临更为恶劣的海上环境，如台风、地震等极端气象条件，这导致了漂浮式风力机组本身需要承受更为剧烈的极端载荷与长期运行引起的疲劳载荷。因此，有必要在设计控制***时对漂浮式风电机组主要部件，例如叶片、塔筒和转子等风电机组关键部件，在不同风-浪-流载荷工况下的结构载荷响应进行研究与分析，明晰漂浮式风力机的载荷作用机理，为新型浮式支撑平台的开发与优化提供依据；并开展漂浮式风机控制策略的研究，降低主要部件的结构载荷和提高平台的稳定性。传统岸上风力机采用固定式基础，并使用常规的变转速、变桨距角调节控制方法。而对漂浮式风力机来说，其浮动式的基础低频的运动自由度，容易引起平台运动和变桨距控制的共振运动。当风速超过额定转速时，转子推力降低，这种情况可能会在***中引入负阻尼，并导致漂浮式风力机产生更为剧烈的共振，增加结构载荷。因此，需要设计一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制***。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中当风速超过额定转速时，会在***中引入负阻尼，并导致漂浮式风力发电机产生剧烈的共振，增加结构载荷的缺点。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制***，包括:低风速PI控制模块、最优模式增益自适应控制模块、过渡区域PI控制模块和变桨距控制模块；
所述低风速PI控制模块，用于在漂浮式风力发电机发生离网时或所述漂浮式风力发电机以最优模式增益自适应控制的控制策略运行时，控制所述漂浮式风力发电机的转速以并网转速运行；
所述最优模式增益自适应控制模块，用于根据空气密度自适应调整发电机转矩，并控制所述漂浮式风力发电机以最优叶尖速比状态运行；
所述过渡区域PI控制模块，用于控制所述漂浮式风力发电机的转矩以额定转矩运行；
所述变桨距控制模块，用于当所述漂浮式风力发电机的转速高于额定转速时，控制所述漂浮式风力发电机输出恒定的额定功率。
在本发明的一个实施例中，所述最优模式增益自适应控制模块用于根据
Figure BDA0003381045760000021
调整发电机转矩，控制所述漂浮式风力发电机以最优叶尖速比状态运行；
其中，Tg为发电机转矩，ωg为发电机转速，
Figure BDA0003381045760000022
为最优模态增益系数，ρ为环境空气密度，n为齿轮箱传动比，λ为最佳叶尖速比，Cp(λ，β)为风能利用系数。
在本发明的一个实施例中，还包括：发电机恒转矩控制模块，用于当所述漂浮式风力发电机的转速高于所述额定转速时，控制所述发电机转矩运行在预设稳定范围内，以便降低所述漂浮式风力发电机传动***的载荷。
在本发明的一个实施例中，所述发电机恒转矩控制模块根据
Figure BDA0003381045760000023
Figure BDA0003381045760000024
降低所述漂浮式风力发电机传动***的载荷；
其中，Tr为风轮扭矩，Tg为发电机扭矩，Ng为齿轮箱增速比，Ir为风轮惯性矩，Ig为发电机转轴惯性矩，Igt为传动***惯性矩，Ω为风轮转速，ΔΩ为相对于风轮额定转速的偏差量。
在本发明的一个实施例中，所述变桨距控制模块具体用于根据实测风速滤波后的变化率，实时控制变桨PI控制器和变桨指令限速值参数。
在本发明的一个实施例中，所述变桨距控制还用于根据频域分析选择控制***固有频率，保证所述控制***固有频率低于所述漂浮式风力发电机的截止固有频率。
在本发明的一个实施例中，所述变桨距控制通过控制所述变桨PI控制器进行增益调度调节。
在本发明的一个实施例中，所述变桨PI控制器的输入信号为发电机转速。
在本发明的一个实施例中，所述变桨PI控制器根据
Figure BDA0003381045760000031
Figure BDA0003381045760000032
进行增益调度调节，以便所述漂浮式风力发电机输出稳定的功率；
其中，Δθ为所述桨距角在平衡点附近的微小变化，Kp为所述变桨PI控制器的比例增益，KI为所述变桨PI控制器的积分增益，KD为所述变桨PI控制器的微分增益。
在本发明的一个实施例中，所述变桨PI控制器的增益系数为：
Figure BDA0003381045760000033
其中，
Figure BDA0003381045760000034
为控制***频率，
Figure BDA0003381045760000035
为***阻尼。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制***，包括：低风速PI控制模块、最优模式增益自适应控制模块、过渡区域PI控制模块和变桨距控制模块；低风速PI控制模块，用于在漂浮式风力发电机发生离网时或所述漂浮式风力发电机以最优模式增益自适应控制的控制策略运行时，控制漂浮式风力发电机的转速以并网转速运行；最优模式增益自适应控制模块，用于根据空气密度自适应调整发电机转矩，并控制漂浮式风力发电机以最优叶尖速比状态运行；过渡区域PI控制模块，用于控制漂浮式风力发电机的转矩以额定转矩运行；变桨距控制模块，用于当漂浮式风力发电机的转速高于额定转速时，控制漂浮式风力发电机输出恒定的额定功率。本发明通过低风速PI控制模块、最优模式增益自适应控制模块、过渡区域PI控制模块和变桨距控制模块有效地调整发电机的转速和转矩，使漂浮式风力发电机在更大的风速范围内运行在最佳叶尖速比状态，维持漂浮式风力发电机功率的稳定，以及纵摇模式正阻尼，保证***的稳定性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明所提供的偏心型半潜式漂浮风电机组控制***的示意图；
图2为本发明所提供的偏心型半潜式漂浮风电机组控制***转速和转矩的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明所提供的一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制***，包括：低风速PI控制模块、最优模式增益自适应控制模块、过渡区域PI控制模块和变桨距控制模块；
所述低风速PI控制模块，用于在漂浮式风力发电机发生离网时或所述漂浮式风力发电机以最优模式增益自适应控制的控制策略运行时，控制所述漂浮式风力发电机的转速以并网转速运行；
所述最优模式增益自适应控制模块，用于根据空气密度自适应调整发电机转矩，并控制所述漂浮式风力发电机以最优叶尖速比状态运行；
所述过渡区域PI控制模块，用于控制所述漂浮式风力发电机的转矩以额定转矩运行；
所述变桨距控制模块，用于当所述漂浮式风力发电机的转速高于额定转速时，控制所述漂浮式风力发电机输出恒定的额定功率。
本发明所提供的***，通过低风速PI控制模块、最优模式增益自适应控制模块、过渡区域PI控制模块和变桨距控制模块能够更加有效地调整发电机的转速和转矩，使漂浮式风力发电机在更大的风速范围内运行在最佳叶尖速比状态，从而保证漂浮式风力发电机组能最大限度地吸收风能，维持漂浮式风力发电机功率的稳定，以及纵摇模式正阻尼，保证***的稳定性。
基于上述实施例，本实施例是对偏心型半潜式漂浮风电机组控制***作近一步说明；
利用水动力分析软件对半潜式平台的水动力特性进行计算并进行频域分析，然后将计算得到的参数包括静水刚度、附加质量、辐射阻尼和波浪力等导入到美国国家能源实验室开发的高水平轴风力机气动弹性仿真软件FAST中进行漂浮式风力发电机全耦合计算，从而得到所设计半潜漂浮式风力发电机在风浪流共同作用下所述漂浮式风力发电机的动力响应。基于所述频域分析和所述动力响应设计控制***，设计的控制***包括：低风速PI控制模块、最优模式增益自适应控制模块、过渡区域PI控制模块和变桨距控制模块；
所述低风速PI控制模块用于在低风速工况下，使所述漂浮式风力发电机在最优叶尖速比下运行。所述低风速PI控制模块中低风速PI控制器的工作范围所对应的发电机转速是所述漂浮式风力发电机的并网转速，在所述漂浮式风力发电机发生离网或者进入所述最优模式增益自适应控制模块前，所述低风速PI控制器使所述漂浮式风力发电机保持工作在并网转速。
所述最优模式增益自适应控制模块的最优转矩是根据所述漂浮式风力发电机的模型和设计参数计算而得，保证所述漂浮式风力发电机工作在最优叶尖速比状态。在所述最优模式增益自适应控制模块内所述漂浮式风力发电机组变流器加载的转矩Tg与发电机转速ωg应当满足关系式为：
Figure BDA0003381045760000051
其中，Tg为发电机转矩，ωg为发电机转速，
Figure BDA0003381045760000052
为最优模态增益系数，ρ为环境空气密度，n为齿轮箱传动比，λ为最佳叶尖速比，Cp(λ，β)为风能利用系数，所述最优模态增益系数根据空气密度自适应调整控制参数，能够排除空气密度变化对功率控制的干扰，实现功率的精细化控制，从而提升发电量，当环境空气的温度、湿度、海拔等条件改变时，应当及时修正所述最优模态增益系数的取值。
所述过渡区域PI控制模块中的PI控制器在额定风速下为高风速PI控制器，使所述漂浮式风力发电机在额定风速下运行在最优叶尖速比状态。此时，所述高风速PI控制器对应的发电机转速接近于风机的额定转速。所述高风速PI控制器可以确保所述漂浮式风力发电机在转换为所述变桨距控制前就达到了额定转矩，这样可以防止转矩和变桨距控制器相互干扰。一旦风机达到额定风速，所述漂浮式风力发电机控制就转换为变桨距控制以保证输出恒定的额定功率。
所述变桨距控制模块用于所述漂浮式风力发电机达到额定转矩，控制策略转换为变桨距控制，保证所述漂浮式风力发电机运行在额定风速以上时，输出恒定的额定功率。在所述漂浮式风力发电机组高于额定风速运行时，与固定式风力机采用恒功率控制不同，所述漂浮式风力发电机通过变桨PI控制限制风轮转速进而限制风能的吸收，同时通过电机恒转矩控制维持电机转矩的稳定，所述恒定转矩控制可以降低所述漂浮式风力发电机传动***的载荷，同时降低所述变桨距控制的频率。所述变桨距控制根据所述频域分析结果选择控制***固有频率，保证控制***固有频率低于平台的固有频率以避免产生共振。在控制设计中使得控制***频率低于漂浮式风力发电机结构的最低固有频率，以保证***的稳定性。并根据实测风速滤波后的变化率，实时调整变桨PI控制器和的变桨指令限速值参数。
控制器输入信号为发电机转速，该信号经低通滤波器滤波，去除叶片变桨以及发电机控制中的高频信号激励，传递给控制***。控制***主要由一个变桨距控制器组成，采用PI控制器，可进行增益调度调节，如图1和图2所示。传动***的控制方程为：
Figure BDA0003381045760000061
其中，Tr为风轮扭矩，Tg为发电机扭矩，Ng为齿轮箱增速比，Ir为风轮惯性矩，Ig为发电机转轴惯性矩，Igt为传动***惯性矩，Ω为风轮转速，ΔΩ为相对于风轮额定转速的偏差量。桨距与转子转速关系可表示为：
Figure BDA0003381045760000062
其中，Δθ为所述桨距角在平衡点附近的微小变化，Kp为所述变桨PI控制器的比例增益，KI为所述变桨PI控制器的积分增益，KD为所述变桨PI控制器微分增益。
桨距角PI控制器的增益系数分别为：
Figure BDA0003381045760000071
其中，
Figure BDA0003381045760000072
为控制***频率，
Figure BDA0003381045760000073
为***阻尼。
增益调度分别为：
KP_θ＝KP_0·η(θ)，KI_θ＝KI_0·η(θ)
本发明所提供的***，通过低风速PI控制模块、最优模式增益自适应控制模块、过渡区域PI控制模块和变桨距控制模块能有效地调整发电机转速和转矩，使漂浮式风力发电机在更大的风速范围内运行在最佳叶尖速比状态，从而保证漂浮式风力发电机组最大限度地吸收风能，提高漂浮式风力发电机组的风能利用率，实现控制参数跟随空气密度变化精调，维持漂浮式风力发电机功率的稳定，以及纵摇模式正阻尼，保证***的稳定性，解决了现有漂浮式风机控制方法存在的问题。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种偏心型半潜式漂浮风电机组控制***，其特征在于，包括:低风速PI控制模块、最优模式增益自适应控制模块、过渡区域PI控制模块和变桨距控制模块；
所述低风速PI控制模块，用于在漂浮式风力发电机发生离网时或所述漂浮式风力发电机以最优模式增益自适应控制的控制策略运行时，控制所述漂浮式风力发电机的转速以并网转速运行；
所述最优模式增益自适应控制模块，用于根据空气密度自适应调整发电机转矩，并控制所述漂浮式风力发电机以最优叶尖速比状态运行；
所述过渡区域PI控制模块，用于控制所述漂浮式风力发电机的转矩以额定转矩运行；
所述变桨距控制模块，用于当所述漂浮式风力发电机的转速高于额定转速时，控制所述漂浮式风力发电机输出恒定的额定功率。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述最优模式增益自适应控制模块用于根据
Figure FDA0003381045750000011
调整发电机转矩，控制所述漂浮式风力发电机以最优叶尖速比状态运行；
其中，Tg为发电机转矩，ωg为发电机转速，
Figure FDA0003381045750000012
为最优模态增益系数，ρ为环境空气密度，n为齿轮箱传动比，λ为最佳叶尖速比，Cp(λ,β)为风能利用系数。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：发电机恒转矩控制模块，用于当所述漂浮式风力发电机的转速高于所述额定转速时，控制所述发电机转矩运行在预设稳定范围内，以便降低所述漂浮式风力发电机传动***的载荷。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述发电机恒转矩控制模块根据
Figure FDA0003381045750000013
降低所述漂浮式风力发电机传动***的载荷；
其中，Tr为风轮扭矩，Tg为发电机扭矩，Ng为齿轮箱增速比，Ir为风轮惯性矩，Ig为发电机转轴惯性矩，Igt为传动***惯性矩，Ω为风轮转速，ΔΩ为相对于风轮额定转速的偏差量。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述变桨距控制模块具体用于根据实测风速滤波后的变化率,实时控制变桨PI控制器和变桨指令限速值参数。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述变桨距控制还用于根据频域分析选择控制***固有频率，保证所述控制***固有频率低于所述漂浮式风力发电机的截止固有频率。
7.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述变桨距控制通过控制所述变桨PI控制器进行增益调度调节。
8.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述变桨PI控制器的输入信号为发电机转速。
9.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述变桨PI控制器根据
Figure FDA0003381045750000025
Figure FDA0003381045750000021
进行增益调度调节，以便所述漂浮式风力发电机输出稳定的功率；
其中，Δθ为所述桨距角在平衡点附近的微小变化，Kp为所述变桨PI控制器的比例增益，KI为所述变桨PI控制器的积分增益，KD为所述变桨PI控制器的微分增益。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述变桨PI控制器的增益系数为:
Figure FDA0003381045750000022
其中，
Figure FDA0003381045750000023
为控制***频率，
Figure FDA0003381045750000024
为***阻尼。
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