一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法
一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，属于风力发电【技术领域】。该方法将传动轴看成一个以气动转矩为控制输入的伪线性系统，采用比例积分和前馈算法计算气动转矩的指令值，然后采用逆方法获得用于转速调节的桨距角指令值；将塔架看成一个以气动推力为控制输入的伪线性系统，气动推力指令值为稳态指令值和小信号指令值之和，然后采用逆方法得到考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值；所得到的桨距角指令值经过串联超前校正环节后，得到最终的桨距角控制指令值，用于风电机组的桨距角控制。本发明在控制风电机组转速恒定的同时，有效降低风电机组的载荷，有助于降低风电机组运维成本和延长风电机组的使用寿命，且适于工程应用。
【专利说明】一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风力发电【技术领域】，特别涉及一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着风电机组单机容量的不断增加，风电机组机械零部件的尺寸和重量也随之增加。一方面，随着风电机组机械零部件尺寸的不断增加，机组承受的载荷变得更大更复杂。另一方面，机械部件重量的增加会导致整机成本的上升，风电机组生产厂商一般通过降低零部件重量的方式来控制整机成本，从而导致机械零部件柔度增大。长期运行过程中，在较大的复杂载荷的作用下，风电机组柔性零部件会产生持续振动，从而导致零部件的极限载荷和疲劳载荷增加，增加了风电机组的维护成本，并且降低了风电机组的使用寿命。因此，为了降低风力发电的成本，需要对风电机组进行减载控制，以降低风电机组所承受的载荷。特别是当风电机组工作在高风速工作区时，由于风速高，风电机组的载荷问题突出，所以减载控制显得尤为重要。
[0003]风电机组的载荷主要是由空气动力产生的，而通过调节桨距角可以有效改变空气动力，因此桨距角控制是降低风电机组载荷的一种有效控制手段。目前商业化风电机组中，桨距角控制基本上都是采用传统的增益调度比例积分(GSPI，Gain-ScheduledProportional Integral)方法对风轮转速进行控制，即测量风轮转速并计算与额定转速的偏差，采用GSPI控制方法计算桨距角的控制指令，对风电机组的桨距角进行控制。这种控制方式可以有效控制风电机组的转速及输出功率，但是并没有考虑降低风电机组的载荷。对于现代大型风电机组，载荷问题变得日益突出，为了降低风力发电的成本，设计降低风电机组载荷的变桨距控制方法是风电发展的必然趋势。
[0004]风电机组的模型具有很强的非线性，因此给控制方法设计带来了困难。目前已有的降低风电机组载荷的控制方法主要包括线性和非线性两种控制方法。文献“A.D.Wright.Modern control design for flexible wind turbines[R], Technical Report NREL/TP-500-35816,NREL, 2004.” 和“W.E.Leithead and S.Dominguez.CoordinatedControl Design for Wind Turbine Control Systems[C], European Wind EnergyConference, 2006.”都是采用线性控制方法，该方法首先针对某一个工作点对风电机组进行线性化，然后基于得到的线性化模型采用线性控制理论的知识设计线性控制方法。然而，这种线性控制方法只有当风电机组工作在选取的工作点附近时，其控制是有效的。为了实现对整个高风速工作区的控制，需要在整个工作区内选取多个不同的工作点分别设计线性控制单元，然后采用适当的增益调度方法对这些线性控制单元进行调度，以保证整个系统的稳定运行。可见，线性控制方法的设计比较繁琐、复杂。与此相比，更为高效的一种方法是直接基于风电机组的非线性模型设计非线性控制方法，所设计的非线性控制方法可以实现对整个高风速工作区的控制。目前非线性控制方法方面的研究成果较少。文献uY).Schlipf, D.J.Schlipf and Μ.Kiihn.Nonlinear model predictive control of windturbines using LIDAR[J], Wind Energy, 2012.”采用非线性模型预测控制方法对风电机组进行载荷优化控制，但是所提出的控制方法复杂，难以实际应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，当风电机组运行在高风速工作区时，通过调节风电机组桨叶的桨距角，在控制风电机组风轮转速恒定的同时，抑制塔架的前后振动以降低塔架载荷，从而提高风力发电的经济效益。
[0006]本发明提出的一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，其特征在于，包括以下各步骤:
[0007]I)获取风电机组的气动转矩特性函数Ma(Q，β，Vtl)、气动推力特性函数
Fa(Q, β，Vtl)、齿轮箱的变比1、发电机额定电磁转矩Μ:、风轮额定转速Ω*和塔架前后振
动模态的自然频率fT，其中:Ω为风轮转速测量值，β为桨距角测量值，Vtl为风轮有效风速测量值；
[0008]2)采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为3 Ω 72 π的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω，其中Ω*为步骤I)中的风轮额定转速；
[0009]3)采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率fT为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值Vt，其中fT为步骤I)中的塔架前后振动模态的自然频率；
[0010]4)采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值V。；
[0011]5)将传动轴看作一个以气动转矩Ma为控制输入的伪线性系统，采用线性比例积分和前馈算法，根据步骤I)中 的齿轮箱的变比1、发电机额定电磁转矩和风轮额定转速
Ω*，以及步骤2)中的风轮转速测量值Ω，计算气动转矩Ma的控制指令Ma%
[0012]Mn = Kn p(Cl — Ω) + ^0./J (Ω — Ω)?/? + M u -1(I)
[0013]其中:ΚΩ，ρ表示比例系数，Ksm表示积分系数；
[0014]6)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值Vtl,以及步骤5)中的气动转矩的控制指令，计算用于转速调节的桨距角控制指令A
[0015]β:,(2)
[0016]其中为步骤I)中的气动转矩函数Μ」Ω，β,ν0)的逆，选择满足稳定解条件dMa/cm < O的稳定解作为控制指令yC ;
[0017]7)将塔架看作一个以气动推力Fa为控制输入的伪线性模型，根据步骤I)中的气动推力特性函数？“0，β，Vtl)，步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速
测量值％，以及步骤6)中的桨距角控制指令A计算气动推力指令值的稳态分量仄。
[0018]F: = Fu (Ω, β:、, V,,)(3)
[0019]8)根据步骤3)中塔顶速度测量值ντ，计算气动推力指令值的小信号分量F[0020]F*a=-C i(4)
[0021]其中Qt表示期望的塔架阻尼增量；
[0022]9)根据步骤7)中的气动推力指令值 < 的稳态分量和步骤8)中的气动推力指令值F的小信号分量，计算气动推力指令值:
[0023]
【权利要求】
1.一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，其特征在于，包括以下各步骤:1)获取风电机组的气动转矩特性函数Ma(Q，@，％)、气动推力特性函数匕(0，β, V0),齿轮箱的变比1、发电机额定电磁转矩风轮额定转速Ω*和塔架前后振动模态的自然频率fT，其中:Ω为风轮转速测量值，β为桨距角测量值，Vtl为风轮有效风速测量值； 2)采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为3Ω 72 π的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω，其中Ω*为步骤I)中的风轮额定转速； 3)采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率fT为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值ντ，其中fT为步骤I)中的塔架前后振动模态的自然频率； 4)采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值V。；5)将传动轴看作一个以气动转矩Ma为控制输入的伪线性系统，采用线性比例积分和前馈算法，根据步骤I)中的齿轮箱的变比1、发电机额定电磁转矩和风轮额定转速Ω%以及步骤2)中的风轮转速测量值Ω，计算气动转矩Ma的控制指令 M: = Kn JQt-Ω) + ^ω/|(Ω4 -Ω)? + Μ:./、I ; 其中:ΚΩ，Ρ表示比例系数，Ksm表示积分系数； 6)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值ν0，以及步骤5)中的气动转矩的控制指令，计算用于转速调节的桨距角控制指令冗: β0=Μ:ι(Ω,Μ:,ν?)12` 其中为步骤I)中的气动转矩函数Ma(Q，β，ν0)的逆，选择满足稳定解条件dMa/cm < O的稳定解作为控制指令/C ；7)将塔架看作一个以气动推力Fa为控制输入的伪线性模型，根据步骤I)中的气动推力特性函数Fa(Q，β，Vtl)，步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值％，以及步骤6)中的桨距角控制指令凡汁算气动推力指令值的稳态分量F'/(3) 8)根据步骤3)中塔顶速度测量值ντ，计算气动推力指令值的小信号分量= F = -CatVt(4) 其中C,T表示期望的塔架阻尼增量； 9)根据步骤7)中的气动推力指令值<的稳态分量77^和步骤8)中的气动推力指令值< 的小信号分量^ r，计算气动推力指令值<.K=F:0+F:a(5) 10)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值Vtl,以及步骤9)中的气动推力指令值，计算考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值式: ^；= ^(Ω,V0),6其中巧ΥΩ,(Vfl)为步骤I)中的气动推力函数Fa(Q，β,ν0)的逆； 11)根据上述考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值A经过传递函数为:
【文档编号】F03D7/00GK103629047SQ201310540834
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】肖帅, 耿华, 杨耕 申请人:清华大学
【专利摘要】本发明涉及一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，属于风力发电【技术领域】。该方法将传动轴看成一个以气动转矩为控制输入的伪线性系统，采用比例积分和前馈算法计算气动转矩的指令值，然后采用逆方法获得用于转速调节的桨距角指令值；将塔架看成一个以气动推力为控制输入的伪线性系统，气动推力指令值为稳态指令值和小信号指令值之和，然后采用逆方法得到考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值；所得到的桨距角指令值经过串联超前校正环节后，得到最终的桨距角控制指令值，用于风电机组的桨距角控制。本发明在控制风电机组转速恒定的同时，有效降低风电机组的载荷，有助于降低风电机组运维成本和延长风电机组的使用寿命，且适于工程应用。
【专利说明】一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风力发电【技术领域】，特别涉及一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着风电机组单机容量的不断增加，风电机组机械零部件的尺寸和重量也随之增加。一方面，随着风电机组机械零部件尺寸的不断增加，机组承受的载荷变得更大更复杂。另一方面，机械部件重量的增加会导致整机成本的上升，风电机组生产厂商一般通过降低零部件重量的方式来控制整机成本，从而导致机械零部件柔度增大。长期运行过程中，在较大的复杂载荷的作用下，风电机组柔性零部件会产生持续振动，从而导致零部件的极限载荷和疲劳载荷增加，增加了风电机组的维护成本，并且降低了风电机组的使用寿命。因此，为了降低风力发电的成本，需要对风电机组进行减载控制，以降低风电机组所承受的载荷。特别是当风电机组工作在高风速工作区时，由于风速高，风电机组的载荷问题突出，所以减载控制显得尤为重要。
[0003]风电机组的载荷主要是由空气动力产生的，而通过调节桨距角可以有效改变空气动力，因此桨距角控制是降低风电机组载荷的一种有效控制手段。目前商业化风电机组中，桨距角控制基本上都是采用传统的增益调度比例积分(GSPI，Gain-ScheduledProportional Integral)方法对风轮转速进行控制，即测量风轮转速并计算与额定转速的偏差，采用GSPI控制方法计算桨距角的控制指令，对风电机组的桨距角进行控制。这种控制方式可以有效控制风电机组的转速及输出功率，但是并没有考虑降低风电机组的载荷。对于现代大型风电机组，载荷问题变得日益突出，为了降低风力发电的成本，设计降低风电机组载荷的变桨距控制方法是风电发展的必然趋势。
[0004]风电机组的模型具有很强的非线性，因此给控制方法设计带来了困难。目前已有的降低风电机组载荷的控制方法主要包括线性和非线性两种控制方法。文献“A.D.Wright.Modern control design for flexible wind turbines[R], Technical Report NREL/TP-500-35816,NREL, 2004.” 和“W.E.Leithead and S.Dominguez.CoordinatedControl Design for Wind Turbine Control Systems[C], European Wind EnergyConference, 2006.”都是采用线性控制方法，该方法首先针对某一个工作点对风电机组进行线性化，然后基于得到的线性化模型采用线性控制理论的知识设计线性控制方法。然而，这种线性控制方法只有当风电机组工作在选取的工作点附近时，其控制是有效的。为了实现对整个高风速工作区的控制，需要在整个工作区内选取多个不同的工作点分别设计线性控制单元，然后采用适当的增益调度方法对这些线性控制单元进行调度，以保证整个系统的稳定运行。可见，线性控制方法的设计比较繁琐、复杂。与此相比，更为高效的一种方法是直接基于风电机组的非线性模型设计非线性控制方法，所设计的非线性控制方法可以实现对整个高风速工作区的控制。目前非线性控制方法方面的研究成果较少。文献uY).Schlipf, D.J.Schlipf and Μ.Kiihn.Nonlinear model predictive control of windturbines using LIDAR[J], Wind Energy, 2012.”采用非线性模型预测控制方法对风电机组进行载荷优化控制，但是所提出的控制方法复杂，难以实际应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，当风电机组运行在高风速工作区时，通过调节风电机组桨叶的桨距角，在控制风电机组风轮转速恒定的同时，抑制塔架的前后振动以降低塔架载荷，从而提高风力发电的经济效益。
[0006]本发明提出的一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，其特征在于，包括以下各步骤:
[0007]I)获取风电机组的气动转矩特性函数Ma(Q，β，Vtl)、气动推力特性函数
Fa(Q, β，Vtl)、齿轮箱的变比1、发电机额定电磁转矩Μ:、风轮额定转速Ω*和塔架前后振
动模态的自然频率fT，其中:Ω为风轮转速测量值，β为桨距角测量值，Vtl为风轮有效风速测量值；
[0008]2)采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为3 Ω 72 π的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω，其中Ω*为步骤I)中的风轮额定转速；
[0009]3)采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率fT为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值Vt，其中fT为步骤I)中的塔架前后振动模态的自然频率；
[0010]4)采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值V。；
[0011]5)将传动轴看作一个以气动转矩Ma为控制输入的伪线性系统，采用线性比例积分和前馈算法，根据步骤I)中 的齿轮箱的变比1、发电机额定电磁转矩和风轮额定转速
Ω*，以及步骤2)中的风轮转速测量值Ω，计算气动转矩Ma的控制指令Ma%
[0012]Mn = Kn p(Cl — Ω) + ^0./J (Ω — Ω)?/? + M u -1(I)
[0013]其中:ΚΩ，ρ表示比例系数，Ksm表示积分系数；
[0014]6)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值Vtl,以及步骤5)中的气动转矩的控制指令，计算用于转速调节的桨距角控制指令A
[0015]β:,(2)
[0016]其中为步骤I)中的气动转矩函数Μ」Ω，β,ν0)的逆，选择满足稳定解条件dMa/cm < O的稳定解作为控制指令yC ;
[0017]7)将塔架看作一个以气动推力Fa为控制输入的伪线性模型，根据步骤I)中的气动推力特性函数？“0，β，Vtl)，步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速
测量值％，以及步骤6)中的桨距角控制指令A计算气动推力指令值的稳态分量仄。
[0018]F: = Fu (Ω, β:、, V,,)(3)
[0019]8)根据步骤3)中塔顶速度测量值ντ，计算气动推力指令值的小信号分量F[0020]F*a=-C i(4)
[0021]其中Qt表示期望的塔架阻尼增量；
[0022]9)根据步骤7)中的气动推力指令值 < 的稳态分量和步骤8)中的气动推力指令值F的小信号分量，计算气动推力指令值:
[0023]
【权利要求】
1.一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，其特征在于，包括以下各步骤:1)获取风电机组的气动转矩特性函数Ma(Q，@，％)、气动推力特性函数匕(0，β, V0),齿轮箱的变比1、发电机额定电磁转矩风轮额定转速Ω*和塔架前后振动模态的自然频率fT，其中:Ω为风轮转速测量值，β为桨距角测量值，Vtl为风轮有效风速测量值； 2)采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为3Ω 72 π的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω，其中Ω*为步骤I)中的风轮额定转速； 3)采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率fT为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值ντ，其中fT为步骤I)中的塔架前后振动模态的自然频率； 4)采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值V。；5)将传动轴看作一个以气动转矩Ma为控制输入的伪线性系统，采用线性比例积分和前馈算法，根据步骤I)中的齿轮箱的变比1、发电机额定电磁转矩和风轮额定转速Ω%以及步骤2)中的风轮转速测量值Ω，计算气动转矩Ma的控制指令 M: = Kn JQt-Ω) + ^ω/|(Ω4 -Ω)? + Μ:./、I ; 其中:ΚΩ，Ρ表示比例系数，Ksm表示积分系数； 6)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值ν0，以及步骤5)中的气动转矩的控制指令，计算用于转速调节的桨距角控制指令冗: β0=Μ:ι(Ω,Μ:,ν?)12` 其中为步骤I)中的气动转矩函数Ma(Q，β，ν0)的逆，选择满足稳定解条件dMa/cm < O的稳定解作为控制指令/C ；7)将塔架看作一个以气动推力Fa为控制输入的伪线性模型，根据步骤I)中的气动推力特性函数Fa(Q，β，Vtl)，步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值％，以及步骤6)中的桨距角控制指令凡汁算气动推力指令值的稳态分量F'/(3) 8)根据步骤3)中塔顶速度测量值ντ，计算气动推力指令值的小信号分量= F = -CatVt(4) 其中C,T表示期望的塔架阻尼增量； 9)根据步骤7)中的气动推力指令值<的稳态分量77^和步骤8)中的气动推力指令值< 的小信号分量^ r，计算气动推力指令值<.K=F:0+F:a(5) 10)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值Vtl,以及步骤9)中的气动推力指令值，计算考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值式: ^；= ^(Ω,V0),6其中巧ΥΩ,(Vfl)为步骤I)中的气动推力函数Fa(Q，β,ν0)的逆； 11)根据上述考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值A经过传递函数为:
【文档编号】F03D7/00GK103629047SQ201310540834
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】肖帅, 耿华, 杨耕 申请人:清华大学
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