[發明專利]基于串級結構的風力發電機組控制系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201910362748.9
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN111852762B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 劉略;王方超
• 申請（專利權）人: 北京金風科創風電設備有限公司
• 主分類號: F03D7/00
• 分類號: F03D7/00;F03D7/04
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 曾世驍;王兆賡

本公開提供了一種基于串級結構的風力發電機組控制系統及其控制方法。所述系統可以包括控制回路和執行機構。其中，控制回路可以包括第一控制器、第二控制器以及處理器，第一控制器與第二控制器分別與所述處理器連接，其中，第一控制器從所述處理器接收第一輸入數據并向所述處理器發送第一輸出數據，并且第二控制器從所述處理器接收第二輸入數據并發送控制信號。執行機構可以包括變槳執行機構或變流器，與控制回路連接，從第二控制器接收所述控制信號，并且根據接收到的控制信號來執行相應的動作。

技術領域

本發明涉及風力發電技術領域，更具體地講，涉及一種基于串級結構的風力發電機組控制系統及其控制方法。

背景技術

隨著風電市場的競爭日漸白熱化，風力發電機組的設計逐漸向著大葉輪、高塔架進行發展。風力發電機組在運行期間的載荷水平是決定機組成本的最重要因素之一。隨著風電市場中主流風力發電機組葉輪面的不斷增大，在到達額定風速以后，各主機廠商均采用變槳控制策略以降低風力發電機組在額定風速及以上的載荷水平。目前，變槳控制模塊的實現通常是依據轉速偏差，通過穩定轉速的方式來控制槳距角的變化。一般的基礎變槳控制結構如圖1所示，根據轉速設定值w_ref與轉速測量值w_m之間的轉速偏差w_err，利用PID控制器來獲得給定變槳位置pa_demand，使得變槳執行機構按照給定變槳位置執行變槳控制。由此可見，一般的變槳控制方法通常只采用轉速信號作為輸入，以穩定轉速的方式實現變槳控制。然而，一般的變槳控制方法不能將風力發電機組在實際運行過程中的載荷變化、塔架振動等其他信號作為主動控制輸入，只能采取被動響應，這樣通常會導致落后兩個相位。對這些信號的響應不及時往往會導致載荷升高及機組振動過大等問題，間接地提高了單機成本，降低機組的安全性能。此外，風力發電機組的扭矩控制系統中的控制回路結構與圖1相似，區別僅在于執行機構為變流器。相應地，扭矩控制系統也會遇到上述問題。

由于塔架的升高與葉輪的增大，整機頻率以及阻尼將會越來越低，因此機頭、機艙以及塔架的擺動成為風力發電機組安全運行的一個隱患。目前，通常采用塔架加阻的方法來抑制機艙及塔架振動，即測量機艙加速度信號，通過給定增益的方式補償額外的變槳速率抑制振動?，F有的塔架加阻功能的基本控制結構如圖2所示，機艙加速度通過增益控制來獲得額外變槳位置，通過結合額外變槳位置和根據轉速偏差獲得的給定變槳位置pa_deamnd來獲得最終變槳位置，這樣，變槳執行機構按照最終變槳位置執行變槳控制。然而，這樣的變槳控制回路只能實現單一轉速信號輸入，而塔架加阻功能采用在閉環控制之外，這樣會導致補償的變槳位置(或變槳速率)附加在閉環控制之外不利于機組的穩定性分析及確定性分析，并且機組運行過程中加速度相位不穩定，簡單的增益控制通常不能獲得很好的控制效果，有時甚至會起到反作用，此外，機艙加速度信號中的干擾信號必須要通過大量的濾波器進行處理，往往會損失一定的系統穩定裕度。此外，風力發電機組的扭矩控制系統有時也會采用這樣的方式來增加輸入信號。

目前，增加輸入信號的控制方法一般引入串級控制。傳統的串級PID控制結構如圖3所示，其中，G_c1、G_c2、G_p1、G_p2、r₁、r₂、y₁、y₂分別為外環回路控制器(PID控制器或簡化的PID控制器)、內環回路控制器、外環執行機構(被控對象)、內環執行機構、外環設定值、內環設定值、外環系統輸出以及外環系統輸出，d₁、d₂分別為控制系統的一次干擾和二次干擾，也可稱之為外擾和內擾(其中，進入外環回路的干擾稱為一次干擾，進入內環回路的干擾稱為二次干擾)。從圖3可以看出，傳統的串級控制系統通常需要兩個及以上的執行機構來實現，然而，對于風力發電機組的變槳控制系統或扭矩控制系統而言，只存在單一執行機構(即變槳電機或變流器)，因此無法直接在風力發電機組的變槳控制回路或扭矩控制回路中應用傳統的串級控制結構。

發明內容

本發明的示例性實施例提供了一種基于串級結構的風力發電機組控制系統及其控制方法，至少解決上述技術問題和上文未提及的其它技術問題，并且提供下述的有益效果。