JP2017099074A - Wind turbine drive train control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風車のドライブトレインの振動抑制を行う制御システムに関する。 The present invention relates to a control system for suppressing vibration of a wind turbine drive train.
風車の経済性を高めるためには稼働率の確保が必要であり、そのためには故障率を下げる必要がある。風車のドライブトレインの故障率は一般的に低いが、一旦故障が発生すると停止期間が長くなり稼働率を低下させる。これは特に洋上で顕著となるため大型の洋上風車などの場合には、ドライブトレインの変動荷重を低減することが故障率を下げ、稼働率向上に有効である。 In order to improve the economic efficiency of the windmill, it is necessary to secure an operating rate, and for that purpose, it is necessary to reduce the failure rate. The failure rate of a wind turbine drive train is generally low, but once a failure occurs, the stop period becomes longer and the operation rate is lowered. This is particularly noticeable offshore, so in large offshore wind turbines, etc., reducing the fluctuating load of the drive train is effective in reducing the failure rate and improving the operating rate.
一方、風力発電システムでは、一般に複数の制御目的が存在する。例えば、発電効率の最大化を目的とする制御や、風からの入力エネルギーの制限を目的とする制御、発電機出力の安定化を目的とする制御、ドライブトレインの制振(安定化)を目的とする制御、タワーやナセルの制振を目的とする制御、風向に合わせた風車の向きの調整を目的とする制御などが挙げられる。 On the other hand, a wind power generation system generally has a plurality of control purposes. For example, control aimed at maximizing power generation efficiency, control aimed at limiting input energy from wind, control aimed at stabilizing generator output, and drivetrain damping (stabilization) Control for the purpose of damping the tower and nacelle, and control for the purpose of adjusting the direction of the wind turbine according to the wind direction.
例えば、風からの入力エネルギーの制限を目的とする制御では、発電機出力をフィードバックして翼ピッチを調整して発電機出力の一定化を図る(特許文献1参照)。また、発電機出力の安定化を目的とする制御では、回転数をフィードバックして発電機トルクを制御し、発電機出力の瞬間的な変動を抑制して発電出力の一定化を図る。また、ドライブトレインの捩じり振動を抑制する制御では、回転数をフィードバックして電流指令値を変更し、発電機トルクを制御することで捩じり振動を抑制する(特許文献2参照)。 For example, in control for limiting the input energy from the wind, the generator output is fed back to adjust the blade pitch to make the generator output constant (see Patent Document 1). Further, in the control aimed at stabilizing the generator output, the generator torque is controlled by feeding back the rotation speed, and the instantaneous fluctuation of the generator output is suppressed to make the generator output constant. In the control for suppressing the torsional vibration of the drive train, the rotational speed is fed back to change the current command value, and the generator torque is controlled to suppress the torsional vibration (see Patent Document 2).
しかし、従来の発電機出力の一定化およびドライブトレインの捩じり振動の抑制は共に回転数フィードバックを用いた発電機トルクの制御であるため、互いにトレードオフの関係となり、これらの制御を同時に達成することは困難である。また風車の大型化にともない風車の柔構造物としての特徴が顕著となると、システムが複雑化するという問題がある。 However, since the conventional generator output stabilization and suppression of torsional vibration of the drive train are both control of generator torque using rotational speed feedback, they are in a trade-off relationship with each other, and these controls are achieved simultaneously. It is difficult to do. Further, if the characteristics of the wind turbine as a flexible structure become conspicuous as the wind turbine becomes larger, there is a problem that the system becomes complicated.
本発明は、簡略な制御システムで風車のドライブトレインの変動荷重を低減することを目的としている。 An object of the present invention is to reduce the fluctuating load of a wind turbine drive train with a simple control system.
本発明の風車ドライブトレイン制御システムは、風車翼から発電機へと回転力を伝達するドライブトレインの制御を行う風車ドライブトレイン制御システムであって、発電機の回転角速度を帰還して発電機のトルクを制御する基本トルク制御部と、この基本トルク制御部と並列に設けられるLQGコントローラとを備え、LQGコントローラが低次元化されていることを特徴としている。 A wind turbine drive train control system according to the present invention is a wind turbine drive train control system that controls a drive train that transmits rotational force from a wind turbine blade to a generator. The wind turbine drive train control system feeds back the rotational angular velocity of the generator and generates torque of the generator. And a LQG controller provided in parallel with the basic torque control unit, and the LQG controller is reduced in dimension.
LQGコントローラは、例えば2次元に低次元化される。風車ドライブトレイン制御システムは、回転角速度に基づき風車翼のピッチ角を制御する翼ピッチ制御部を更に備えることが好ましい。 For example, the LQG controller is reduced in two dimensions. The windmill drivetrain control system preferably further includes a blade pitch control unit that controls the pitch angle of the windmill blade based on the rotational angular velocity.
本発明の風車は、上記風車ドライブトレイン制御システムを搭載したことを特徴としている。 The windmill of the present invention is characterized by mounting the windmill drivetrain control system.
本発明によれば、簡略な制御システムで風車のドライブトレインの変動荷重を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fluctuation | variation load of the drive train of a windmill can be reduced with a simple control system.
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態である制御システムが適用される風車ドライブトレインの構成を示す斜視図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a windmill drive train to which a control system according to an embodiment of the present invention is applied.
本実施形態のドライブトレイン(DT)10は、ロータ(ブレードおよびロータハブ12Hを含む)12と、ロータ12のハブ12Hに接続される低速軸(LSS)14と、ギアボックス16を介して低速軸14に連結されるとともに発電機20に接続される高速軸(HSS)18とを備える。ロータハブ12Hには、例えばピッチ角が各々可変とされた3枚のブレード(不図示)が取り付けられる。各ブレードのピッチ角および発電機20のトルクは、コントローラ22により制御され、コントローラ22には、発電機回転角速度が入力される。なお、ドライブトレイン10は、例えばタワーの先端に設けられたナセル内に配置される。 The drive train (DT) 10 of this embodiment includes a rotor (including blades and a rotor hub 12H) 12, a low speed shaft (LSS) 14 connected to the hub 12H of the rotor 12, and a low speed shaft 14 via a gear box 16. And a high speed shaft (HSS) 18 connected to the generator 20. For example, three blades (not shown) each having a variable pitch angle are attached to the rotor hub 12H. The pitch angle of each blade and the torque of the generator 20 are controlled by the controller 22, and the generator rotational angular velocity is input to the controller 22. The drive train 10 is disposed in a nacelle provided at the tip of the tower, for example.
図2は、図1のドライブトレイン10をモデル化した図であり、ドライブトレイン10の運動方程式は、次の(1)式として表される。
ここで、ブレードのピッチ角指令値をθとするとき
更に、ΔφR=ΔΦR−ΔΦG、ΔωR=ΔΩR−ΔΩGを定義すると、線形化されたドライブトレイン10の運動方程式は次の(4)式で表される。
(4)式より、ドライブトレイン10の状態空間表現として、(5)式の4次系を得る。
ここで、状態ベクトルxDT、操作入力ベクトルuDT、外乱入力ベクトルwDTは、
また、行列ADT、BDT、CDTは、
本実施形態では、風車設計支援ソフトBladedを用いて市場最大級となる5MWの風車を定義し、シミュレーションを行った。その主要目を図3に示す。Bladedでは、HILS(Hardware-In-Loop Simulation)が可能であり、制御系の事前評価を行うことができる。そこで、Bladedが提供するドライブトレインのn次元線形時不変モデルのうち、風速V=4、8、12、16、20、24m/s毎に、各部が剛構造(0)か柔構造(1)であるかにより、表1の6種類の線形モデルを選定した。ここで、+は柔構造の場合に増える次数を示す。 In the present embodiment, a wind turbine of 5 MW, which is the largest in the market, is defined using the wind turbine design support software Bladed, and a simulation is performed. The main points are shown in FIG. In Bladed, HILS (Hardware-In-Loop Simulation) is possible, and the control system can be evaluated in advance. Therefore, among the n-dimensional linear time-invariant models of the drive train provided by Bladed, each part has a rigid structure (0) or a flexible structure (1) at every wind speed V = 4, 8, 12, 16, 20, 24 m / s. The six types of linear models shown in Table 1 were selected depending on whether Here, + indicates the order that increases in the case of the flexible structure.
本実施形態では、表1中のモデルR0L1G0H0T0を公称モデルとして採用する。同モデルは、(5)式の4次系に、アクチュエータのダイナミックスとして、3枚のブレードの駆動装置と、発電機20のトルクの起動装置とに対応する(6)、(7)式を考慮した8次系のモデルである。
これらに対しては、図4に示すように、風速(発電機回転角速度)に応じてパワー(出力)を適切に得るために、各ブレードの翼ピッチ制御22Pと発電機20の基本トルク制御22Qとからなる(8)式で示される基本制御が行われる。
いま、基本制御を行う8次元の閉ループ系(図4の低次元化LQG制御22Dを取り除いたシステム)の状態空間表現を(9)式で表す。
ここで、公称モデル(R0L1G0H0T0)における極、および基本制御を行った(9)式の閉ループ系の極をそれぞれ図5の右側と左側に示す。図5から、低次元化LQG制御22Dで安定化すべき制御対象が不安定であることがわかる。 Here, the poles in the nominal model (R0L1G0H0T0) and the poles of the closed loop system of the formula (9) for which basic control is performed are shown on the right side and the left side of FIG. FIG. 5 shows that the control target to be stabilized by the reduced-order LQG control 22D is unstable.
また、風速V=8、16、24m/sに対する公称モデル(R0L1G0H0T0)とモデルR1L1G0H0T0のボード線図を図6に示す。 FIG. 6 shows Bode diagrams of the nominal model (R0L1G0H0T0) and the model R1L1G0H0T0 for wind speeds V = 8, 16, and 24 m / s.
次に本実施形態の低次元化LQG制御22Dについて説明する。まず8次系の(9)式で表されるドライブトレインに対してLQG(線形2次ガウシアン)コントローラを設計し、荷重変動下での振動制御を行う。そのために8次系の(9)式の代わりにシステムノイズwnと、観測ノイズvnを入れたシステム
これらは2つのリッカチ方程式
本実施形態では、次の(17)式で示されるような2次形式評価関数を採用した。
ここで重要な知見は回転角差ΔφR=ΔΦR−ΔΦGの動きをΔΦGに比べて厳しく制限しないことであった。そのため、重み行列Q、Rと分散行列W、Vを次のように設定する。
次に、(11)式で表される8次系のLQGコントローラを以下の手順で低次元化する。
例えば、与えられたn次系のシステム(本実施形態では(11)式の8次系のシステム(A=AK、B=BK、C=CK))
For example, a given n-order system (in this embodiment, an eighth-order system (A = A K , B = B K , C = C K ) of the formula (11))
このとき、次式で座標変換行列を定める。
いま、微少なε>0に対して
例えば本実施形態の場合、n=8、n’=2であり、このとき
図7に、8次元LQGコントローラの下での8次元公称モデル(R0L1G0H0T0)に対する開ループ系、コントローラ22、閉ループ系のボード線図(左側)と、上記手法により2次元に低次元化したコントローラの下での8次元公称モデル(R0L1G0H0T0)に対する開ループ系、コントローラ22、閉ループ系のボード線図(右側)を示す。図7に示されるように、低次元化しても振動抑制性能は変わらないことがわかる。 Fig. 7 shows the Bode diagram (left side) of the open loop system, controller 22 and closed loop system for the 8D nominal model (R0L1G0H0T0) under the 8D LQG controller, and the controller that has been reduced to 2D by the above method. The Bode diagram (right side) of the open loop system, controller 22 and closed loop system for the 8-dimensional nominal model (R0L1G0H0T0) below is shown. As shown in FIG. 7, it can be seen that the vibration suppression performance does not change even when the dimensions are reduced.
次に、時間領域での振動抑制性能を評価するために、パルス状外乱と実際の風速変動を模擬した風速変動に対して、図8のシミュレータを用いてシミュレーションを行った。 Next, in order to evaluate the vibration suppression performance in the time domain, a simulation was performed using the simulator shown in FIG. 8 for wind speed fluctuations that simulated pulsed disturbances and actual wind speed fluctuations.
本シミュレーションでは、パルス状外乱として、定格トルクを10%、風速を1m/sの外乱を1秒間で与えた。このとき2次元に低次元化したLQGコントローラによる8次元公称モデル(R0L1G0H0T0)と、26次元モデルR1L1G0H0T0に対する閉ループ系の応答をそれぞれ図9の左側および右側に示す。図には、動作点の風速が異なる4シミュレーションの結果を重ねて描いている。なお、図9の上段は発電機回転角速度、中段はピッチ角指令、下段は発電機トルク指令である。 In this simulation, a disturbance having a rated torque of 10% and a wind speed of 1 m / s was applied as a pulse-like disturbance in one second. At this time, the responses of the closed loop system to the 8-dimensional nominal model (R0L1G0H0T0) and the 26-dimensional model R1L1G0H0T0 by the LQG controller reduced to two dimensions are shown on the left and right sides of FIG. 9, respectively. In the figure, the results of four simulations with different wind speeds at the operating point are shown superimposed. The upper part of FIG. 9 is the generator rotational angular velocity, the middle part is the pitch angle command, and the lower part is the generator torque command.
図9(左側)の結果は、4つの動作点とも、(11)式で表される8次元LQGコントローラを用いた場合とほぼ同様であり、本実施形態の低次元化されたLQGコントローラを用いても振動抑制性能が変わらないことが示された。また図9(右側)からブレードの柔構造を想定した場合のロバスト性も認められた。 The results of FIG. 9 (left side) are almost the same as the case of using the 8-dimensional LQG controller represented by the equation (11) at the four operating points, and the low-dimensional LQG controller of this embodiment is used. However, it was shown that the vibration suppression performance does not change. Moreover, the robustness at the time of assuming the soft structure of a braid | blade was recognized from FIG. 9 (right side).
また、図10に示される風速変動(V=12、16、20、24m/sを中心とする変動)を与えたときの図9と同様の条件下におけるシミュレーション結果を図11に示す。 FIG. 11 shows the simulation results under the same conditions as in FIG. 9 when the wind speed fluctuations shown in FIG. 10 (fluctuations centered on V = 12, 16, 20, 24 m / s) are given.
図11に示されるように、8次元のLQGコントローラを2次元に低次元化したコントローラは、風速変動下でも、また低速軸、ロータ(ブレード)の柔軟性を考慮しても振動を抑制しており、ロバスト性能を確認できる。 As shown in FIG. 11, the controller in which the 8-dimensional LQG controller is reduced to two dimensions suppresses vibration even under wind speed fluctuations and considering the flexibility of the low-speed shaft and rotor (blade). Robust performance can be confirmed.
以上のように、本実施形態によれば、低次元化された簡略なLQGコントローラで風車のドライブトレインの変動荷重を低減することができる。 As described above, according to the present embodiment, the fluctuating load of the wind turbine drive train can be reduced with a simple LQG controller with reduced dimensions.
なお、本実施形態の説明では省略したが、風車システムは、定格域以外(例えば低速域)では、一般に他の運転モードで制御されている。また、風車システムは、風向変化に対応したナセルのヨー制御なども行い、更に風車タワーの制振のための制御など他の制御を備えていてもよい。 Although omitted in the description of the present embodiment, the wind turbine system is generally controlled in other operation modes outside the rated range (for example, the low speed range). The windmill system may also perform nacelle yaw control corresponding to a change in wind direction, and may include other controls such as control for damping the windmill tower.
10 風車ドライブトレイン
12 ロータ
14 低速軸
16 ギアボックス
18 高速軸
20 発電機
22 コントローラ
22D 低次元化LQG制御(部)
22P 翼ピッチ制御(部)
22Q 基本トルク制御(部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Windmill drive train 12 Rotor 14 Low speed shaft 16 Gear box 18 High speed shaft 20 Generator 22 Controller 22D Low-order LQG control (part)
22P Blade pitch control (part)
22Q Basic torque control (part)
Claims (4)
前記発電機の回転角速度を帰還して前記発電機のトルクを制御する基本トルク制御部と、
前記基本トルク制御部と並列に設けられるLQGコントローラとを備え、
前記LQGコントローラが低次元化されている
ことを特徴とする風車ドライブトレイン制御システム。 A windmill drivetrain control system that controls a drivetrain that transmits rotational force from a windmill blade to a generator,
A basic torque control unit for controlling the torque of the generator by feeding back the rotational angular velocity of the generator;
An LQG controller provided in parallel with the basic torque control unit,
The LQG controller is reduced in dimension. A windmill drivetrain control system, wherein:
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