[發明專利]解決風力發電機組塔架二階前后振動的控制方法與模塊

有效

• 申請號: 202110653039.3
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113323804B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 周玲;任永;王超
• 申請（專利權）人: 明陽智慧能源集團股份公司
• 主分類號: F03D7/02
• 分類號: F03D7/02;F03D17/00;F03D13/20;F03D1/06
• 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

1.一種解決風力發電機組塔架二階前后振動的控制方法，其特征在于，該方法是基于塔架中間段的前后加速度以及葉輪方位角的獨立變槳控制策略IPC來解決塔架在二階頻率點的前后振動，通過減小葉輪旋轉平面內三個葉片面內受力不均而造成的氣動不平衡，從根本上減小塔架前后的振動，即根據葉片不同方位角來增加或減小槳距角，從而減小三個葉片受力不平衡，進而減小塔架前后二階模態為主的振動，具體過程是：首先，通過傳感器實時測量塔架中間段的前后加速度，并對其進行濾波；然后，再測量并計算三個葉片對應的方位角；根據塔架中間段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各個葉片額外的變槳速率，并將其疊加到各個葉片常規變槳速率上，即給三個葉片分別疊加一個不同的動態變槳速率，最后，經過限幅并計算出各個葉片最終的槳距角給定值輸送給機組的變槳系統執行，從而解決塔架在二階頻率點的前后振動問題；其包括以下步驟：

1)測量塔架中間段的前后加速度a_nacelle，并進行濾波，經過傳遞函數F(s)濾波后的塔架中間段的前后加速度為a_nacellef，即：

a_nacellef＝a_nacelle*F(s)

式中，s為拉普拉斯算子，ξ為阻尼系數，ω為頻率，T₁和T₂為時間常數；其中，定義a_nacellef的正方向為向前時為正；

2)計算葉輪方位角；

測量葉片1方位角，根據三個葉片均勻分布在一個葉輪平面，計算出葉片2和葉片3的方位角，定義葉片垂直向上方位角為0°，通過傳感器測量得到葉片1方位角為則葉片2的方位角是在葉片1的方位角基礎上加葉片3的方位角是在葉片1的方位角基礎上加即：

式中，RotorAzimuth1為葉片1的方位角，RotorAzimuth2為葉片2的方位角，RotorAzimuth3為葉片3的方位角；

3)計算各個葉片額外的變槳速率；

根據塔架中間段的前后加速度，基于葉片在不同方位角下的受力分析，分別計算三個葉片分別所需的額外變槳速率，具體如下：

式中，ΔV₁(k)、ΔV₂(k)、ΔV₃(k)分別為葉片1、葉片2、葉片3所需的額外變槳速率，Kp為P控制器的比例增益系數，A為葉輪方位角超前角度；

4)計算各個葉片對應變槳速率；

將步驟3)得到的各個葉片的額外變槳速率值與常規控制器輸出的變槳速率值Vo(k)進行疊加，經過限幅，分別得到三個葉片對應的變槳速率，具體如下：

葉片1的變槳速率V₁(k)：V₁(k)＝Vo(k)+ΔV₁(k)

葉片2的變槳速率V₂(k)：V₂(k)＝Vo(k)+ΔV₂(k)

葉片3的變槳速率V₃(k)：V₃(k)＝Vo(k)+ΔV₃(k)

再將各個葉片的變槳速率進行限幅，得到葉片1、葉片2、葉片3最終的變槳速率分別為V_f1(k)、V_f2(k)、V_f3(k)，其中Vo(k)為常規控制器計算得到的統一變槳速率；

5)計算各個葉片對應的槳距角給定值；

根據步驟4)計算得到最終的變槳速率，分別計算三個葉片對應的槳距角給定值，并將其輸送到變槳系統執行，實現三個葉片槳距角的單獨變槳控制，即IPC控制；

葉片1的槳距角：

θ₁(k)＝θ₁(k-1)+V_f1(k)*T

葉片2的槳距角：

θ₂(k)＝θ₂(k-1)+V_f2(k)*T

葉片3的槳距角：

θ₃(k)＝θ₃(k-1)+V_f3(k)*T

式中，θ₁(k-1)為前一時刻葉片1的槳距角，θ₁(k)為葉片1當前時刻的槳距角，θ₂(k-1)為前一時刻葉片2的槳距角，θ₂(k)為葉片2當前時刻的槳距角，θ₃(k-1)為前一時刻葉片3的槳距角，θ₃(k)為葉片3當前時刻的槳距角，T為Controller Cycle time控制算法循環時間常數；

6)執行槳距角變槳；

變槳系統根據三個葉片對應的槳距角給定值調節葉片槳距角，減小由于氣動不平衡引起的塔架在二階頻率點上的前后振動，從而實現風力發電機組基于塔架中間段的前后加速度以及葉輪方位角的振動優化控制。

2.一種解決風力發電機組塔架二階前后振動的控制模塊，其特征在于，該模塊是基于塔架中間段的前后加速度以及葉輪方位角的獨立變槳控制策略IPC來解決塔架在二階頻率點的前后振動，通過減小葉輪旋轉平面內三個葉片面內受力不均而造成的氣動不平衡，從根本上減小塔架前后的振動，即根據葉片不同方位角來增加或減小槳距角，從而減小三個葉片受力不平衡，進而減小塔架前后二階模態為主的振動，具體過程是：首先，通過傳感器實時測量塔架中間段的前后加速度，并對其進行濾波；然后，再測量并計算三個葉片對應的方位角；根據塔架中間段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各個葉片額外的變槳速率，并將其疊加到各個葉片常規變槳速率上，即給三個葉片分別疊加一個不同的動態變槳速率，最后，經過限幅并計算出各個葉片最終的槳距角給定值輸送給機組的變槳系統執行，從而解決塔架在二階頻率點的前后振動問題；其包括：

測量單元，用于測量塔架中間段的前后加速度，并進行濾波；

葉輪方位角計算單元，用于測量計算各葉片方位角；

葉片額外變槳速率計算單元，用于計算各個葉片額外的變槳速率，根據塔架中間段的前后加速度，基于葉片在不同方位角下的受力分析，分別計算三個葉片分別所需的額外變槳速率；

葉片對應變槳速率計算單元，用于計算各個葉片對應的變槳速率，將葉片額外變槳速率計算單元計算得到的各個葉片額外的變槳速率值與常規控制器輸出的變槳速率值進行疊加，經過限幅，分別得到三個葉片對應的變槳速率；

葉片對應槳距角給定值計算單元，用于計算三個葉片對應的槳距角給定值，根據葉片對應變槳速率計算單元計算得到最終的變槳速率，分別計算三個葉片對應的槳距角給定值，并將其輸送給變槳系統執行調節葉片槳距角，實現三個葉片槳距角的單獨變槳控制，即IPC控制；

在所述測量單元中，測量塔架中間段的前后加速度a_nacelle，并進行濾波，經過傳遞函數F(s)濾波后的塔架中間段的前后加速度為a_nacellef，即：

a_nacellef＝a_nacelle*F(s)

式中，s為拉普拉斯算子，ξ為阻尼系數，ω為頻率，T₁和T₂為時間常數；其中，定義a_nacellef的正方向為向前時為正；

在所述葉輪方位角計算單元中，測量葉片1方位角，根據三個葉片均勻分布在一個葉輪平面，計算出葉片2和葉片3的方位角，定義葉片垂直向上方位角為0°，通過傳感器測量得到葉片1方位角為則葉片2的方位角是在葉片1的方位角基礎上加葉片3的方位角是在葉片1的方位角基礎上加即：

式中，RotorAzimuth1為葉片1的方位角，RotorAzimuth2為葉片2的方位角，RotorAzimuth3為葉片3的方位角；

在所述葉片額外變槳速率計算單元中，采用以下公式：

式中，ΔV₁(k)、ΔV₂(k)、ΔV₃(k)分別為葉片1、葉片2、葉片3所需的額外變槳速率，Kp為P控制器的比例增益系數，a_nacellef為濾波后的塔架中間段的前后加速度，A為葉輪方位角超前角度；

在所述葉片對應變槳速率計算單元中，采用以下公式：

葉片1的變槳速率V₁(k)：V₁(k)＝Vo(k)+ΔV₁(k)

葉片2的變槳速率V₂(k)：V₂(k)＝Vo(k)+ΔV₂(k)

葉片3的變槳速率V₃(k)：V₃(k)＝Vo(k)+ΔV₃(k)

再將各個葉片的變槳速率進行限幅，得到葉片1、葉片2、葉片3最終的變槳速率分別為V_f1(k)、V_f2(k)、V_f3(k)，其中Vo(k)為常規控制器計算得到的統一變槳速率，ΔV₁(k)、ΔV₂(k)、ΔV₃(k)分別為葉片1、葉片2、葉片3所需的額外變槳速率；

在所述葉片對應槳距角給定值計算單元中，采用以下公式：

葉片1的槳距角：

θ₁(k)＝θ₁(k-1)+V_f1(k)*T

葉片2的槳距角：

θ₂(k)＝θ₂(k-1)+V_f2(k)*T

葉片3的槳距角：

θ₃(k)＝θ₃(k-1)+V_f3(k)*T

式中，θ₁(k-1)為前一時刻葉片1的槳距角，θ₁(k)為葉片1當前時刻的槳距角，θ₂(k-1)為前一時刻葉片2的槳距角，θ₂(k)為葉片2當前時刻的槳距角，θ₃(k-1)為前一時刻葉片3的槳距角，θ₃(k)為葉片3當前時刻的槳距角，T為Controller Cycle time控制算法循環時間常數，V_f1(k)、V_f2(k)、V_f3(k)別為葉片1、葉片2、葉片3最終的變槳速率。