一种风力发电机组风轮非对称载荷控制方法
一种风力发电机组风轮非对称载荷控制方法
【专利摘要】本发明提供一种风电机组风轮非对称载荷控制方法，可以应用于大功率风电机组的变桨控制，通过变桨距控制在机组的发电运行过程中尤其是阵风和高风速工况下，减小风轮的非对称动态载荷。从而可以提高机组可靠性，延长机组寿命，并可以以此为基础对机组结构、重量和尺寸进行优化，达到降低成本的目的。
【专利说明】一种风力发电机组风轮非对称载荷控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风电机组风轮非对称载荷控制方法，应用于大功率风电机组的变桨控制，可以通过变桨距控制在机组的发电运行过程中尤其是阵风和高风速工况下，减小风轮的非对称载荷。
【背景技术】
[0002]随着人类社会能源需求的急速增长和日益严重的气候、环境问题，风力发电作为可大规模开发利用的可再生能源之一，在技术研究、装备制造及零部件配套等方面都得到了迅速的发展。迫于市场和竞争的压力，风电场运营商必须尽可能地降低发电成本。提高风电机组单机容量是降低发电成本最有效的途径之一，单机容量的不断增大，载荷的增加使得对各部件的强度要求增加，同时部件的刚度增加、固有频率下降。叶片的挥舞、风轮的旋转、塔影效应、风轮的非对称载荷以及外界风的变化和各零部件的振动耦合几率都增加，这就要求控制系统能够抑制风轮、塔筒和传动系统振动，减小振动带来的动态载荷。单机各量增大，风轮直径和扫掠面积增加使机组承受的载荷更大，更复杂；风轮直径的增加使得在风轮扫掠范围内的风切变更显著，湍流更复杂，叶片的重量及质量分布差异也更加明显。风轮三只叶片受到气动力的差异，再加上由于制造、安装工艺引起的风轮的机械不平衡，会形成很大的风轮非对称载荷，最有代表性的是轮毂所受的弯矩。该弯矩会导致轮毂的碟形力矩和传动轴的弯曲力矩，进而影响轮毂、主轴乃至传动系统的寿命。如果通过一定的控制手段减小风轮的非对称载荷，将会减轻机组对结构件的强度要求，降低机组零部件故障率，延长机组使用寿命。
【发明内容】
[0003]发明目的:通过变桨距控制减小风轮的非对称动态载荷，从而提高机组可靠性，延长机组寿命，并可以以此为基础对机组结构、重量和尺寸进行优化。
[0004]技术方案:本发明是通过以下技术方案实现的
[0005]一种风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:所述控制方法主要通过变桨控制减小由于风切换和湍流引起的大型风电机组风轮非对称载荷，控制器以风轮转速和风轮中心实时载荷为输入，以桨距角为输出，控制不依赖于风电机组的精准数学模型；载荷控制由实时载荷测量与计算，不依赖于精准熟悉模型的闭环控制器、风轮非对称载荷桨距控制环、转速桨距控制环等环节和元素；控制变量为桨距角，控制器输出为桨距角增量，控制器的输出由转速桨距控制环和风轮非对称载荷控制环共同决定；将风轮的非对称载荷分解为两个相互垂直的方向的弯矩，基于两个相互垂直方向弯矩互相影响可以忽略的特点，通过两个控制器进行相互独立的控制，每个控制器以实时测量的载荷为输入，桨距角增量为输出。
[0006]风轮非对称载荷的计算方法由如下两种:
[0007](I)、风轮的非对称载荷具体表现为两个方向的弯矩，这两个方向弯矩可以由风轮三个叶片叶根弯矩变换通过坐标变换测算而来，测算方法如公式所示:
【权利要求】
1.一种风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:所述控制方法主要通过变桨控制减小由于风切换和湍流引起的大型风电机组风轮非对称载荷，控制器以风轮转速和风轮中心实时载荷为输入，以桨距角为输出，控制不依赖于风电机组的精准数学模型；载荷控制由实时载荷测量与计算，不依赖于精准熟悉模型的闭环控制器、风轮非对称载荷桨距控制环、转速桨距控制环等环节和元素；控制变量为桨距角，控制器输出为桨距角增量，控制器的输出由转速桨距控制环和风轮非对称载荷控制环共同决定；将风轮的非对称载荷分解为两个相互垂直的方向的弯矩，基于两个相互垂直方向弯矩互相影响可以忽略的特点，通过两个控制器进行相互独立的控制，每个控制器以实时测量的载荷为输入，桨距角增量为输出。
2.根据权利要求1所述的风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:风轮非对称载荷的计算方法由如下两种: (I )、风轮的非对称载荷具体表现为两个方向的弯矩，这两个方向弯矩可以由风轮三个叶片叶根弯矩变换通过坐标变换测算而来，测算方法如公式所示:
3.根据权利要求1所述的风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:风轮非对称载荷控制环中，三个叶片的桨距角增量由两个相互垂直方向的弯矩载荷控制器的输出经坐标反变换得到，两个控制器输出和三个叶片桨距角需求增量的变换如公式所示:
4.根据权利要求1所述的风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:风轮非对称载荷闭环控制器不依赖于风电机组精准数学模型的，控制器可以在系统的运行过程中不断地提取有关风电机组的信息，对系统特征量进行估计，同时达成控制目标，为了不影响机组的功率输出，各叶片的桨距角差异被限制在一个相对小的范围内，控制器的控制律如公式(3)所示:
5.根据权利要求4所述的风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:系统特征量參(幻采用以下所示的参数估计准则函数:
【文档编号】F03D7/00GK103742357SQ201310581637
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】王晓东, 刘颖明, 马铁强, 王士荣, 王超, 李科 申请人:沈阳工业大学
【专利摘要】本发明提供一种风电机组风轮非对称载荷控制方法，可以应用于大功率风电机组的变桨控制，通过变桨距控制在机组的发电运行过程中尤其是阵风和高风速工况下，减小风轮的非对称动态载荷。从而可以提高机组可靠性，延长机组寿命，并可以以此为基础对机组结构、重量和尺寸进行优化，达到降低成本的目的。
【专利说明】一种风力发电机组风轮非对称载荷控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风电机组风轮非对称载荷控制方法，应用于大功率风电机组的变桨控制，可以通过变桨距控制在机组的发电运行过程中尤其是阵风和高风速工况下，减小风轮的非对称载荷。
【背景技术】
[0002]随着人类社会能源需求的急速增长和日益严重的气候、环境问题，风力发电作为可大规模开发利用的可再生能源之一，在技术研究、装备制造及零部件配套等方面都得到了迅速的发展。迫于市场和竞争的压力，风电场运营商必须尽可能地降低发电成本。提高风电机组单机容量是降低发电成本最有效的途径之一，单机容量的不断增大，载荷的增加使得对各部件的强度要求增加，同时部件的刚度增加、固有频率下降。叶片的挥舞、风轮的旋转、塔影效应、风轮的非对称载荷以及外界风的变化和各零部件的振动耦合几率都增加，这就要求控制系统能够抑制风轮、塔筒和传动系统振动，减小振动带来的动态载荷。单机各量增大，风轮直径和扫掠面积增加使机组承受的载荷更大，更复杂；风轮直径的增加使得在风轮扫掠范围内的风切变更显著，湍流更复杂，叶片的重量及质量分布差异也更加明显。风轮三只叶片受到气动力的差异，再加上由于制造、安装工艺引起的风轮的机械不平衡，会形成很大的风轮非对称载荷，最有代表性的是轮毂所受的弯矩。该弯矩会导致轮毂的碟形力矩和传动轴的弯曲力矩，进而影响轮毂、主轴乃至传动系统的寿命。如果通过一定的控制手段减小风轮的非对称载荷，将会减轻机组对结构件的强度要求，降低机组零部件故障率，延长机组使用寿命。
【发明内容】
[0003]发明目的:通过变桨距控制减小风轮的非对称动态载荷，从而提高机组可靠性，延长机组寿命，并可以以此为基础对机组结构、重量和尺寸进行优化。
[0004]技术方案:本发明是通过以下技术方案实现的
[0005]一种风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:所述控制方法主要通过变桨控制减小由于风切换和湍流引起的大型风电机组风轮非对称载荷，控制器以风轮转速和风轮中心实时载荷为输入，以桨距角为输出，控制不依赖于风电机组的精准数学模型；载荷控制由实时载荷测量与计算，不依赖于精准熟悉模型的闭环控制器、风轮非对称载荷桨距控制环、转速桨距控制环等环节和元素；控制变量为桨距角，控制器输出为桨距角增量，控制器的输出由转速桨距控制环和风轮非对称载荷控制环共同决定；将风轮的非对称载荷分解为两个相互垂直的方向的弯矩，基于两个相互垂直方向弯矩互相影响可以忽略的特点，通过两个控制器进行相互独立的控制，每个控制器以实时测量的载荷为输入，桨距角增量为输出。
[0006]风轮非对称载荷的计算方法由如下两种:
[0007](I)、风轮的非对称载荷具体表现为两个方向的弯矩，这两个方向弯矩可以由风轮三个叶片叶根弯矩变换通过坐标变换测算而来，测算方法如公式所示:
【权利要求】
1.一种风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:所述控制方法主要通过变桨控制减小由于风切换和湍流引起的大型风电机组风轮非对称载荷，控制器以风轮转速和风轮中心实时载荷为输入，以桨距角为输出，控制不依赖于风电机组的精准数学模型；载荷控制由实时载荷测量与计算，不依赖于精准熟悉模型的闭环控制器、风轮非对称载荷桨距控制环、转速桨距控制环等环节和元素；控制变量为桨距角，控制器输出为桨距角增量，控制器的输出由转速桨距控制环和风轮非对称载荷控制环共同决定；将风轮的非对称载荷分解为两个相互垂直的方向的弯矩，基于两个相互垂直方向弯矩互相影响可以忽略的特点，通过两个控制器进行相互独立的控制，每个控制器以实时测量的载荷为输入，桨距角增量为输出。
2.根据权利要求1所述的风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:风轮非对称载荷的计算方法由如下两种: (I )、风轮的非对称载荷具体表现为两个方向的弯矩，这两个方向弯矩可以由风轮三个叶片叶根弯矩变换通过坐标变换测算而来，测算方法如公式所示:
3.根据权利要求1所述的风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:风轮非对称载荷控制环中，三个叶片的桨距角增量由两个相互垂直方向的弯矩载荷控制器的输出经坐标反变换得到，两个控制器输出和三个叶片桨距角需求增量的变换如公式所示:
4.根据权利要求1所述的风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:风轮非对称载荷闭环控制器不依赖于风电机组精准数学模型的，控制器可以在系统的运行过程中不断地提取有关风电机组的信息，对系统特征量进行估计，同时达成控制目标，为了不影响机组的功率输出，各叶片的桨距角差异被限制在一个相对小的范围内，控制器的控制律如公式(3)所示:
5.根据权利要求4所述的风轮非对称载荷控制方法，其特征在于:系统特征量參(幻采用以下所示的参数估计准则函数:
【文档编号】F03D7/00GK103742357SQ201310581637
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】王晓东, 刘颖明, 马铁强, 王士荣, 王超, 李科 申请人:沈阳工业大学
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