[發明專利]一種基于獨立變槳的風電機組輪轂極限載荷降載控制方法

有效

• 申請號: 202011307750.5
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112523948B
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 龐輝慶;黃蓉;黃國燕
• 申請（專利權）人: 明陽智慧能源集團股份公司
• 主分類號: F03D7/04
• 分類號: F03D7/04
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

1.一種基于獨立變槳的風電機組輪轂極限載荷降載控制方法，其特征在于：該方法基于葉根載荷傳感器測量的葉根面外彎矩，葉根面外彎矩經過Clark變換得到靜止輪轂坐標系下的輪轂合彎矩，輪轂合彎矩包含輪轂俯仰彎矩和輪轂偏航彎矩，當輪轂合彎矩大于閾值時，獨立變槳控制策略激活，降低風電機組的輪轂極限合彎矩，即輪轂合彎矩的最大值，以保障機組的安全運行，同時降低風電機組的變槳系統工作負擔；其包括以下步驟：

1)測量數據

在葉根坐標系中，設β₁為葉片1槳距角，β₂為葉片2槳距角，β₃為葉片3槳距角，所述槳距角為葉片零度標志線與風輪旋轉平面的夾角；M_be,1為葉片1的葉根擺振彎矩，M_be,2為葉片2的葉根擺振彎矩，M_be,3為葉片3的葉根擺振彎矩，所述葉根擺振彎矩垂直于葉片零度標志線；M_bf,1為葉片1的葉根揮舞彎矩，M_bf，2為葉片2的葉根揮舞彎矩，M_bf,3為葉片3的葉根揮舞彎矩，所述葉根揮舞彎矩平行于葉片零度標志線；M_bo,1為葉片1的葉根面外彎矩，M_bo,2為葉片2的葉根面外彎矩，M_bo,3為葉片3的葉根面外彎矩，所述葉根面外彎矩平行于風輪旋轉平面，隨著風輪旋轉；在三只葉片的根部安裝載荷傳感器，用于測量三只葉片的葉根擺振彎矩M_be,1、M_be,2、M_be,3和葉根揮舞彎矩M_bf,1、M_bf，2、M_bf,3；

在靜止輪轂坐標系中，設M_ht為輪轂俯仰彎矩，與水平方向平行；M_hy為輪轂偏航彎矩，與豎直方向平行；θ_r為風輪方位角，即其中一只葉片與豎直方向的夾角；ω_r為風輪轉速；在風電機組的主軸安裝編碼器，測量風輪方位角θ_r；

2)計算三只葉片的葉根面外彎矩，計算公式如下：

M_bo,1＝M_bf,1cosβ₁-M_be,1sinβ₁

M_bo,2＝M_bf,2cosβ₂-M_be,2sinβ₂

M_bo,3＝M_bf,3cosβ₃-M_be,3sinβ₃

3)通過Clark變換計算輪轂合彎矩

將隨風輪旋轉的三只葉片的葉根面外彎矩M_bo,1、M_bo,2、M_bo,3投影合成為靜止輪轂坐標下的輪轂俯仰彎矩M_ht、輪轂偏航彎矩M_hy，計算公式如下：

4)輪轂彎矩動態濾波

將輪轂俯仰彎矩M_ht、輪轂偏航彎矩M_hy依次經過低通濾波器和至少一個nP陷波器后，得到濾波后的俯仰彎矩M_htFilt、偏航彎矩M_hyFilt；其中，nP陷波器為風輪旋轉頻率的n倍，n＝3,6,9…；

低通濾波器的傳遞函數如下：

nP陷波器的傳遞函數如下：

其中，s為拉普拉斯變換后的復變量，ξ_p為低通濾波器的阻尼，ω_p為低通濾波器的截止頻率；ξ_np，1為決定陷波強度的陷波器阻尼，ξ_np,2為決定陷波帶寬的陷波器阻尼；ω_np為nP陷波器的中心頻率，根據低通濾波后的發電機轉速ω_gLp確定，計算公式如下：

其中，G為風電機組的齒輪箱增速比；

5)復數處理

濾波后的俯仰彎矩M_htFilt、偏航彎矩M_hyFilt分別作為實部和虛部組成復數M_hty；復數M_hty的幅值A_hty及相角θ_hty的計算公式如下：

θ_hty＝arctan(M_hyFilt/M_htFilt)

6)獨立變槳激活控制策略

當復數M_hty的幅值A_hty大于閾值A_htyThr時，風電機組主控系統的獨立變槳PI控制器激活；當復數M_hty的幅值A_hty小于或等于閾值A_htyThr時，獨立變槳PI控制器的比例控制器輸出的槳距角為零，獨立變槳PI控制器的積分控制器輸出的槳距角被合理衰減至零；

復數M_hty的幅值A_hty減去閾值A_htyThr得到輪轂合彎矩偏差E_hty，輪轂合彎矩偏差E_hty與零取最大值得到E_htyLim；比例控制器輸出的槳距角β_tyP由下式給出：

β_tyP＝K_tyPE_htyLim＝K_tyPmax(A_hty-A_htyThr,0)

其中，K_tyP為獨立變槳的比例控制增益；

積分控制器的離散輸出如下：

其中，β_tyI(k)為積分控制器第k步輸出的槳距角，β_tyI(k-1)為積分控制器第k-1步輸出的槳距角，K_tyI為獨立變槳的積分控制增益，T_s為積分控制器的時間步長，T_dec為積分控制器的衰減時間常數；

積分控制器輸出的β_tyI需經過獨立變槳最大槳距角β_tyMax的限幅，得到限幅后的槳距角β_tyILim為：

β_tyILim＝min(β_tyI,β_tyMax)

獨立變槳PI控制器輸出的槳距角β_tyPI為：

β_tyPI＝β_tyP+β_tyILim

β_tyPI經過獨立變槳最大槳距角β_tyMax限幅，得到限幅后的槳距角β_tyPILim為：

β_tyPILim＝min(β_tyPI,β_tyMax)

最后，靜止輪轂坐標下的獨立變槳槳距角設定值是以β_tyPILim為幅值，以θ_hty為相角的復數；輪轂俯仰彎矩M_ht對應的獨立變槳槳距角設定值為β_tyPILimcosθ_hty，輪轂偏航彎矩M_hy對應的獨立變槳槳距角設定值為β_tyPILimsinθ_hty；

7)Clark逆變換

獨立變槳槳距角設定值經過Clark逆變換即可得到三只葉片的疊加槳距角β_IPC,1、β_IPC,2、β_IPC,3，公式如下：

8)疊加獨立變槳槳距角，最終輸出給變槳系統的槳距角設定值β_dem,1、β_dem,2、β_dem,3為：

其中，β_c為集中槳距角設定值，由風電機組主控系統的轉速偏差-槳距角PID控制器給出；轉速偏差-槳距角PID控制器的輸入為轉速偏差，即依次經過低通濾波器和至少一個nP陷波器后的發電機轉速與發電機轉速設定值之差；轉速偏差-槳距角PID控制器的輸出為集中槳距角設定值β_c；轉速偏差-槳距角PID控制器的傳遞函數如下：

其中，K_cP為集中變槳的比例控制增益，K_cI為集中變槳的積分控制增益，K_cD為集中變槳的微分控制增益，T_D為一階低通濾波器的時間常數。