一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法.pdf

一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法，包括如下步骤：1)测量塔顶左右方向振动加速度值；2)对测量得到塔顶左右方向振动值进行积分，得到塔顶左右方向振动速度值；3)对塔顶左右方向振动速度值进行带通滤波和带阻滤波；4)滤波后经控制器输出固定坐标轴上的桨距角期望值；5)测量风轮方位角，并将其传输给风电机组主控器的输入模块；6)固定坐标轴上的期望桨距角经过Park逆变换得到各桨叶的桨距角补偿值；7)根据Park逆变换得到各桨叶的桨距角补偿值分别对风电机组期望桨距角进行补偿，并通过变桨系统控制桨叶动作，实现塔架虚拟阻尼控制。本发明降低对变桨的要求、变桨轴承和减速机磨损较小、控制效果良好。

权利要求书
1.  一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)测量塔顶左右方向振动加速度值；
2)对测量得到塔顶左右方向振动值进行积分，得到塔顶左右方向振动速度值；
3)对塔顶左右方向振动速度值进行带通滤波和带阻滤波；
4)滤波后的塔顶左右方向振动速度值经P控制器输出固定坐标轴上的桨距角期望值；
5)测量风轮方位角，并将测得风轮方位角信号传输给风电机组主控器的输入模块；
6)固定坐标轴上的期望桨距角经过Park逆变换得到各桨叶的桨距角补偿值；
7)根据Park逆变换得到各桨叶的桨距角补偿值分别对风电机组期望桨距角进行补偿，并通过变桨系统控制桨叶动作，实现塔架虚拟阻尼控制。

2.  如权利要求1所述的一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，在机舱顶部安装振动传感器，用于测量得到塔顶左右方向振动加速度值。

3.  如权利要求1或2所述的一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，在风电机组低速轴上安装一个绝对值编码器，用于测量风轮方位角。

4.  如权利要求1或2所述的一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述P控制器采用PI控制、LQG控制、 模糊控制、最优控制、前馈控制或自适应控制算法。

5.  如权利要求1或2所述的一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤7)中，所述期望桨距角为转速变桨控制器输出的期望桨距角。

说明书一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电控制技术，尤其是一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法。
背景技术
目前，风电机组单机容量和风轮直径越来越大，而相应塔架高度也越来越高，部分机组已采用高度超过120m的塔架。为了降低塔架成本，同时考虑避免机组发生共振，大型风电机组通常采用柔性塔架，即在整个风电机组运行转速范围内，塔架一阶模态频率满足在1倍转频(1P)和3倍转频(3P)之间，根据GL2010标准要求，塔架频率ft要求满足：1.05P≤ft≤2.95P。而塔架高度增加，使塔架变得越来越柔(即刚度和频率下降)。
通常柔性塔架的一阶模态阻尼都较小，因此在风电机组运行时，机舱和塔架都会较严重振动，并给塔架造成较大载荷，进而会降低机组可靠性和寿命。而塔架越柔，机舱的塔架振动也会严重，造成的塔架载荷也会越来越大。
可以通过虚拟阻尼控制方法，增加塔架左右方向或前后方向一阶模态阻尼，以减小塔架振动，降低塔架的载荷，提高机组可靠性和寿命，降低塔架重量，提高经济性。目前常见的2种方法：(1)第一种方法，通过测量塔架顶部前后方向加速度，经过积分、带通滤波器和限幅环节，得到塔架前后方向加阻控制所需的期望桨距角，再与变桨控制环期望桨距角相加，得到总期望桨距角输出，输给变桨系统，有变桨系统驱动桨叶动作，实现塔架前后一阶模态加阻控制。该种控制方 法，三个桨叶是同步动作(得到相同桨距角执行指令)，控制效果较差，对变桨要求较高，且会显著增加变桨轴承和减速机磨损。(2)第二种方法，通过测量塔架顶部左右方向加速度，经过积分、带通滤波器和限幅环节，得到塔架左右方向加阻控制所需的期望发电机转矩，再与转矩控制环输出期望发电机转矩相加，得到总期望发电机转矩输出，输给变流器，由变流器调节发电机电池力矩，可以实现塔架前后一阶模态加阻控制。该种控制方法，滤波器设计困难，实际控制效果较差。
发明内容
为了克服已有风电机组塔架虚拟阻尼控制方法的对变桨要求较高、变桨轴承和减速机磨损较大、控制效果较差的不足，本发明提供一种降低对变桨的要求、变桨轴承和减速机磨损较小、控制效果良好的大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法，包括如下步骤：
1)测量塔顶左右方向振动加速度值；
2)对测量得到塔顶左右方向振动值进行积分，得到塔顶左右方向振动速度值；
3)对塔顶左右方向振动速度值进行带通滤波和带阻滤波；
4)滤波后的塔顶左右方向振动速度值经P控制器输出固定坐标轴上的桨距角期望值；
5)测量风轮方位角，并将测得风轮方位角信号传输给风电机组主控器的输入模块；
6)固定坐标轴上的期望桨距角经过Park逆变换得到各桨叶的桨 距角补偿值；
7)根据Park逆变换得到各桨叶的桨距角补偿值分别对风电机组期望桨距角进行补偿，并通过变桨系统控制桨叶动作，实现塔架虚拟阻尼控制。
进一步，所述步骤1)中，在机舱顶部安装振动传感器，用于测量得到塔顶左右方向振动加速度值。
再进一步，所述步骤5)中，在风电机组低速轴上安装一个绝对值编码器，用于测量风轮方位角。
更进一步，所述步骤4)中，所述P控制器采用P控制、PI控制、LQG控制、模糊控制、最优控制、前馈控制或自适应控制算法。
所述步骤7)中，所述期望桨距角为转速变桨控制器输出的期望桨距角。
本发明的有益效果主要表现在：1、降低对变桨的要求、变桨轴承和减速机磨损较小、控制效果良好；2、控制器设计简单，实用强；3、具有良好的经济性、可靠性和工程实用性。
附图说明
图1为本发明中大型风电机组塔架虚拟阻尼控制系统的控制框图。
图2为本发明中大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法的工作原理框图。
其中：为风轮方位角，a塔架顶部左右方向加速度，ν架顶部左右方向速度，ω1，ω2为带通滤波器频率，ξ1，ξ2为带通滤波器阻尼比，ω3，ω4为带阻滤波器频率，ξ3，ξ4为带阻滤波器阻尼比，Ks为P控制 器增益，βd为固定坐标系的期望桨距角，β1'、β'2、β3'分别为三桨叶期望的桨距角补偿值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种大型风电机组塔架虚拟阻尼控制方法，包括如下步骤：
1)在机舱顶部安装振动传感器，用于测量得到塔顶左右方向振动加速度值；
2)对测量得到塔顶左右方向振动值进行积分，得到塔顶左右方向振动速度值；
3)对塔顶左右方向振动速度值进行带通滤波和带阻滤波；
4)滤波后的塔顶左右方向振动速度值经控制器输出固定坐标轴上的桨距角期望值；
5)在风电机组低速轴上安装一个绝对值编码器，用于测量风轮方位角，并将测得风轮方位角信号传输给风电机组主控器的输入模块；
6)固定坐标轴上的期望桨距角经过Park逆变换得到各桨叶的桨距角补偿值。
7)根据Park逆变换得到各桨叶的桨距角补偿值分别对风电机组转速变桨控制器输出的期望桨距角进行补偿，并通过变桨系统控制桨叶动作，实现塔架虚拟阻尼控制。
如图1所示，本发明的具体实现包括两个控制器，一个是转速变桨控制器4，用于实现风电机组转速控制(或实现功率控制)，另一个是塔架虚拟阻尼控制器14，用于增加塔架左右方向的一阶模态阻尼， 以减小塔架振动，降低塔架的载荷。
转速变桨控制器4的实现过程：安装在发电机上的增量式编码器1实时测量出发电机转速，经过滤波器2的低通滤波和带阻滤波后传输给变桨PI控制器3，变桨PI控制器3根据滤波器后的发电机转速，实时得到桨叶期望桨距角，该期望桨距角就是三桨叶输出桨距角的相同部分。
塔架虚拟阻尼控制器14实现过程：安装塔架顶部振动传感器9测得塔顶左右运动方向加速度a，在通过积分器10得到塔顶左右运动方向速度ν，经过滤波器11滤波，滤波后的塔顶左右运动方向速度传输给控制器12，控制器12输出固定坐标轴上的期望桨距角，而安装风电机组低速轴上的绝对值编码器8测得风轮方位角；固定坐标轴上的期望桨距角经过Park逆变换13得到各桨叶的期望桨距角补偿值。
将转速变桨控制器4得到期望桨距角和独立变桨控制器14得到各桨叶的期望桨距角补偿值传递给桨距角耦合器7，桨距角耦合器7分别求出各桨叶的期望桨距角，并传给变桨系统6，由变桨系统6控制风电机组5的各桨叶变桨动作。本发明即可以实现原有变桨控制功能(实现风电机组转速或者功率控制)，同时又能增加塔架左右方向的一阶模态阻尼，以减小塔架振动，降低塔架的载荷，提高机组的可靠性和寿命。
如图2所示，塔架虚拟阻尼控制工作原理，其实现包括如下步骤：
1)安装塔架顶部振动传感器测得塔顶左右运动方向加速度a；
2)安装在风电机组低速轴绝对值编码器测得风轮方位角；
3)根据塔顶左右运动方向加速度a进过积分得到塔顶左右运动方向速度ν；
4)对塔顶左右运动方向速度ν进行带通滤波器和带阻滤波器滤波；
5)滤波后的塔顶左右运动方向速度ν，经P控制器输出固定坐标轴上的期望桨距角βd。
6)输出固定坐标轴上的期望桨距角βd，经过Park逆变换得到桨叶的期望桨距角补偿值(β1'，β'2，β3')。
所述步骤6)中的Park逆变换公式为：

所述步骤5)中的P控制器可采用PI控制、LQG控制、模糊控制、最优控制、自适应等控制算法。