用于风力发电机组的独立变桨控制系统及控制方法.pdf

一种用于风力发电机组的独立变桨控制系统及控制方法，其中控制系统包括有采样模块、控制模块及驱动模块。驱动模块中变桨电机经减速器连接风力发电机组叶片。采样模块负责采集风力发电机组功率、轮毂转速、叶轮位置、变桨角度、桨叶振动等信号，并分别将所采集到的信号传送至控制模块；控制模块包括有用于对风力发电机组功率信号、轮毂转速信号进行处理的风机功率控制器，用于对叶轮位置信号、风机功率信号、轮毂转速信号进行处理的周期性不均匀载荷补偿控制器，用于对变桨角度信号、桨叶振动信号及叶轮位置信号、风机功率信号、轮毂转速信号进行处理的瞬态冲击载荷补偿控制器，及用于对三个控制器的输出信号进行处理并综合输出至驱动模块的输出耦合器。

1、  一种用于风力发电机组的独立变桨控制系统，包括有采样模块、控制模块及用于驱动风力发电机组中叶片的驱动模块，所述驱动模块包括有依次电连接的电池储能系统、变桨变频器、变桨电机，其特征在于，所述采样模块负责采集风机功率信号、轮毂转速信号、叶轮位置信号、变桨角度信号、桨叶振动信号，并分别将所采集到的信号传送至所述控制模块；所述控制模块包括有用于对所述风机功率信号、轮毂转速信号进行处理的风机功率控制器，用于对叶轮位置信号、风机功率信号、轮毂转速信号进行处理的周期性不均匀载荷补偿控制器，用于对变桨角度信号、桨叶振动信号及叶轮位置信号、风机功率信号、轮毂转速信号进行处理的瞬态冲击载荷补偿控制器，及用于对所述风机功率控制器、周期性不均匀载荷补偿控制器、瞬态冲击载荷补偿控制器的输出综合处理并输出至所述驱动模块的输出耦合器；所述变桨电机经减速器连接风力发电机组的叶片。

2、  根据权利要求1所述的用于风力发电机组的独立变桨控制系统，其特征在于，所述采样模块中用于采集桨叶振动信号的是安装在风力发电机组每片叶片根部用于获得对应叶片载荷大小的四个传感器。

3、  根据权利要求2所述的用于风力发电机组的独立变桨控制系统，其特征在于，所述四个传感器中的两个传感器分别位于与叶片根部薄缘方向至厚缘方向的摆振轴线形成有角度偏差的两端，另两个传感器分别位于叶片根部与该摆振轴线相垂直轴线的两端。

4、  根据权利要求3所述的用于风力发电机组的独立变桨控制系统，其特征在于，所述传感器为用于测量所述叶片振动频率及幅值而得到所述叶片载荷大小的振动传感器，或是用于测量叶片根部形变，而得到所述叶片载荷大小的应力传感器。

5、  根据权利要求1所述的用于风力发电机组的独立变桨控制系统，其特征在于，所述周期性不均匀载荷补偿控制器是利用风力发电机组在运行过程中产生的不均匀载荷，通过对叶轮位置的实时监测，计算出由于叶轮旋转产生的周期性不均载荷的补偿值，包括位置不均匀载荷和由风切变引起的载荷变化。

6、  根据权利要求1所述的用于风力发电机组的独立变桨控制系统，其特征在于，所述瞬态冲击载荷补偿控制器是通过测量桨叶振动的幅值和频率，计算出叶轮幅面各处风力的各种波动，通过一个数据存储器记录一段时间内风速的变化，进而预测出各个叶片下一工作位置处可能的风况，给出变桨角度补偿值，减少瞬态冲击载荷。

7、  根据权利要求1所述的用于风力发电机组的独立变桨控制系统，其特征在于，所述输出耦合器是对风机功率控制器生成的变桨角度输出、周期性不均匀载荷补偿控制器的变桨角度输出及瞬态冲击载荷补偿控制器的变桨角度输出的补偿值进行加权叠加，以输出正确的变桨控制设定值，由驱动模块驱动每个叶片。

8、  一种权利要求1至7中所述用于风力发电机组的独立变桨控制系统的控制方法，包括如下步骤：
1)在轮毂与叶片根部增设相应的用于测量叶轮位置的编码器和用于测量叶片根部信号的传感器；
2)通过信号采集装置、编码器得到各个叶片的桨叶振动信号、叶轮位置信号、变桨角度信号、风机功率信号、轮毂转速信号；
3)同时将上述测量所得的信号输入控制模块，其中风机功率信号、轮毂转速信号经风机功率控制器来改变变桨角度设定值以维持风力发电机组的功率和电机转速在安全范围内运行；风机功率信号、轮毂转速信号、叶轮位置信号经周期性不均匀载荷补偿控制器通过预先建立的风况模型计算出叶轮幅面内各种周期性不均匀载荷的分布值，并转换成补偿值进行变桨角度的输出；风机功率信号、轮毂转速信号、叶轮位置信号、桨叶振动信号、变桨角度信号经瞬态冲击载荷补偿控制器进行处理并输出每个桨叶的变桨补偿值；
4)由输出耦合器将风机功率控制器生成的变桨角度输出、周期性不均匀载荷补偿控制器、及瞬态冲击载荷补偿控制器输出的补偿值进行加权叠加，以输出正确的变桨控制设定值，由驱动模块驱动轮毂及每个叶片。

9、  根据权利要求8所述的用于风力发电机组的独立变桨控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中瞬态冲击载荷补偿控制器的处理步骤是：
3a)将测量所得的振动信号分别推导出三个叶片的弯距值；
3b)通过2/3坐标变换器将三个弯距值转化为旋转坐标系下水平轴和垂直轴的分量；
3c)水平轴与垂直轴上的载荷分别经各自的滤波器后由水平轴或垂直轴中的PI控制器生成水平轴和垂直轴的变桨指令；
3d)再次通过2/3坐标变换器转换成每个桨叶的变桨补偿值。

10、  根据权利要求9所述的用于风力发电机组的独立变桨控制系统的控制方法，其特征在于，所述用于测量叶片根部振动信号的传感器为用于测量所述叶片振动频率及幅值而得到所述叶片载荷大小的振动传感器，或是用于测量叶片根部形变，而得到所述叶片载荷大小的应力传感器。

用于风力发电机组的独立变桨控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电机组的独立变桨控制系统及其控制方法，主要应用于大型风力发电机组。
背景技术
目前，兆瓦级风力发电机组使用的变桨控制系统为统一变桨距技术，如图1所示，轮毂与发电机、轮毂与叶片直接机械连接，其特点为：通过在发电机上设置的编码器及在风力发电机中设置的电压电流信号传感器来实时测定轮毂转速及风机功率；在风力发电机组功率达到额定功率以上时，可通过控制模块中风机功率控制器直接输出的信号来控制轮毂转速及轮毂上叶片的攻角，从而限制风力发电机的输入功率，以维持风力发电机功率输出的稳定和转速的稳定，保护风力发电机组。
但是，由于风切变、湍流、扰动效应，塔筒的塔影效应，叶片的重力、离心力等因素，叶片的载荷会发生不规则变化，包括周期性不均匀载荷和瞬间冲击载荷。这些载荷的不规则变化加剧了叶片的疲劳损害，并且引起轮毂、主轴、塔架等部件的疲劳损害。同时，随着风力发电技术的发展，机组的容量越来越大，最大单机容量已达到6MW，其叶轮直径也相应增大，如5MW风电机组叶轮直径已达到126米。风轮直径增大则意味着风轮平面内载荷不均匀性的加剧，叶片、轮毂、主轴和塔筒等部件的疲劳载荷增加，降低了这些关键部件的寿命和机组的可靠性。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种能在进行风电机组功率调节的同时又能减少风力发电机组的上述不均匀载荷，以增加风力发电机组寿命的独立变桨控制系统及控制方法。
本发明中的控制方法的主要目的就是对独立变桨技术具体化，将目前风力发电机组常用的统一变桨控制器的控制理念更新为以实现功率控制、载荷减少为综合目的的变桨控制方法。
本发明中用于风力发电机组的独立变桨控制系统包括有采样模块、控制模块及用于驱动风力发电机组中叶片的驱动模块，所述驱动模块包括有依次电连接的电池储能系统、变桨变频器、变桨电机，其特征在于，所述采样模块负责采集风机功率信号、轮毂转速信号、叶轮位置信号、变桨角度信号、桨叶振动信号，并分别将所采集到的信号传送至所述控制模块；所述控制模块包括有用于对所述风机功率信号、轮毂转速信号进行处理的风机功率控制器，用于对叶轮位置信号、风机功率信号、轮毂转速信号进行处理的周期性不均匀载荷补偿控制器，用于对变桨角度信号、桨叶振动信号及叶轮位置信号、风机功率信号、轮毂转速信号进行处理的瞬态冲击载荷补偿控制器，及用于对所述风机功率控制器、周期性不均匀载荷补偿控制器、瞬态冲击载荷补偿控制器的输出综合处理并输出至所述驱动模块的输出耦合器；所述变桨电机经减速器连接风力发电机组的叶片。
所述采样模块中用于采集桨叶振动信号的是安装在风力发电机组每片叶片根部用于获得对应叶片载荷大小的四个传感器。
所述四个传感器中的两个传感器分别位于与叶片根部薄缘方向至厚缘方向的摆振轴线形成有角度偏差的两端，另两个传感器分别位于叶片根部与该摆振轴线相垂直轴线的两端。
所述传感器为用于测量所述叶片振动频率及幅值而得到所述叶片载荷大小的振动传感器，或是用于测量叶片根部形变，而得到所述叶片载荷大小的应力传感器。
所述周期性不均匀载荷补偿控制器是利用风力发电机组在运行过程中产生的不均匀载荷，通过对叶轮位置的实时监测，计算出由于叶轮旋转产生的周期性不均载荷的补偿值，包括位置不均匀载荷和由风切变引起的载荷变化。
所述瞬态冲击载荷补偿控制器是通过测量桨叶振动的幅值和频率，计算出叶轮幅面各处风力的各种波动，通过一个数据存储器记录一段时间内风速的变化，进而预测出各个叶片下一工作位置处可能的风况，给出变桨角度补偿值，减少瞬态冲击载荷。
所述输出耦合器是对风机功率控制器生成的变桨角度输出、周期性不均匀载荷补偿控制器的变桨角度输出及瞬态冲击载荷补偿控制器的变桨角度输出的补偿值进行加权叠加，以输出正确的变桨控制设定值，由驱动模块驱动每个叶片。
本发明中的用于风力发电机组的独立变桨控制系统的控制方法，包括如下步骤：
1)在轮毂与叶片根部增设相应的用于测量叶轮位置的编码器和用于测量叶片根部信号的传感器；
2)通过信号采集装置、编码器得到各个叶片的桨叶振动信号、叶轮位置信号、变桨角度信号、风机功率信号、轮毂转速信号；
3)同时将上述测量所得的信号输入控制模块，其中风机功率信号、轮毂转速信号经风机功率控制器来改变变桨角度设定值以维持风力发电机组的功率和电机转速在安全范围内运行；风机功率信号、轮毂转速信号、叶轮位置信号经周期性不均匀载荷补偿控制器通过预先建立的风况模型计算出叶轮幅面内各种周期性不均匀载荷的分布值，并转换成补偿值进行变桨角度的输出；风机功率信号、轮毂转速信号、叶轮位置信号、桨叶振动信号、变桨角度信号经瞬态冲击载荷补偿控制器进行处理并输出每个桨叶的变桨补偿值；
4)由输出耦合器将风机功率控制器生成的变桨角度输出、周期性不均匀载荷补偿控制器、及瞬态冲击载荷补偿控制器输出的补偿值进行加权叠加，以输出正确的变桨控制设定值，由驱动模块驱动轮毂及每个叶片。
所述步骤3)中瞬态冲击载荷补偿控制器的处理步骤是：
3a)将测量所得的振动信号分别推导出三个叶片的弯距值；
3b)通过2/3坐标变换器将三个弯距值转化为旋转坐标系下水平轴和垂直轴的分量；
3c)水平轴与垂直轴上的载荷分别经各自的滤波器后由水平轴或垂直轴中的PI控制器生成水平轴和垂直轴的变桨指令；
3d)再次通过2/3坐标变换器转换成每个桨叶的变桨补偿值。
所述用于测量叶片根部振动信号的传感器为用于测量所述叶片振动频率及幅值而得到所述叶片载荷大小的振动传感器，或是用于测量叶片根部形变，而得到所述叶片载荷大小的应力传感器。
本发明中用于风力发电机组的独立变桨控制系统及其控制方法，通过测量风机功率信号、轮毂转速信号、叶轮位置信号、桨叶振动信号、变桨角度信号，在预先建立的风况模型和风力发电机组模型的基础上，实时计算风速的分布情况和机组的载荷分布情况，得出每只叶片应采取的攻角变化值，从而补偿由风速波动引起的风电机组疲劳载荷增加。
另，本发明是在现有电动变桨驱动机构的基础上，增加周期性不均匀载荷补偿控制器和瞬态冲击载荷补偿控制器，实现对三个叶片分别执行独立变桨动作，达到控制风电机组的功率输出，同时明显降低由于风切变、湍流、阵风等作用引起的载荷不均匀和疲劳载荷幅值，降低机组的机械性能要求，提高机组的可靠性和寿命，降低机组成本。
附图说明
图1为现有风力发电机组统一变桨控制系统的控制框图；
图2为本发明中风力发电机组独立变桨控制系统的控制框图；
图3为本发明中应力传感器的安装示意图；
图4为本发明中瞬间冲击载荷补偿控制器中对桨叶振动信号、变桨角度信号处理的原理框图；
图5为本发明中X轴和Y轴控制器的工作原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。
如图2所示，本发明中用于风力发电机组的独立变桨控制系统包括有采样模块1、控制模块2及驱动模块3：
采样模块1负责采集风机功率信号10、轮毂转速信号11、叶轮位置信号12、变桨角度信号13、桨叶振动信号14等，并分别将采集到的信号传送至控制模块2。
采样模块1在风力发电机组中的具体分布为：
用于采集风机功率信号10的是安装在风力发电机组的发电机4(或变频器控制器5)内的功率信号采集装置(图中未示出)。
用于采集轮毂转速信号11的是安装在风力发电机组滑环上的编码器(图中未示出)。
用于采集变桨角度信号13的是安装在轮毂6内(或叶片7)的变桨角度信号采集装置或安装于变桨电机32上的编码器(图中未示出)。
用于采集叶轮位置信号12的是安装在轮毂6内的编码器，用于测量叶轮旋转时所处的角度，即以叶片旋转至12点的位置处为零点，以顺时针为正方向来测量叶轮方位角，从而得到各个叶轮所处的位置，以此作为相位角，可以对叶片所受外力或者形变值进行矢量运算。
用于采集桨叶振动信号14的是安装在风力发电机组每片叶片7根部70用于获得对应叶片载荷大小的四个传感器140、141、142、143，如图3所示，该四个传感器中的两个传感器140、141分别位于与叶片根部薄缘方向至厚缘方向的摆振轴线形成有角度偏差的两端，另两个传感器142、143分别位于叶片根部与该摆振轴线垂直的轴线的两端。所采用的传感器可以是用于直接测量叶片振动频率及幅值而得到叶片载荷大小的振动传感器；也可以是用于测量叶片根部形变而得到叶片载荷大小的应力传感器。本发明中以振动传感器为例。
本发明采样模块中的各信号采集装置、编码器及传感器均采用的是市售成熟产品，对其具体的结构、工作原理及安装不再另行说明。
如图2所示，驱动模块3用于接受控制模块2输出的信号，并根据信号驱动风力发电机组的叶片7。该驱动模块3与现有风力发电机组中的驱动模块相同，包括有依次电连接的电池储能系统30、变桨变频器31、变桨电机32，其中变桨电机经减速器连接每个叶片7，同时轮毂6与叶片7之间为直接的机械连接(通过一个变桨轴承)，此部分由于是现有技术，因此不再详细说明。
控制模块2包括三个滤波器20、21、22、三个变桨控制器及一个输出耦合器26，其中三个变桨控制器分别为风机功率控制器23、周期性不均匀载荷补偿控制器24、瞬态冲击载荷补偿控制器25。其中在周期性不均匀载荷补偿控制器24的输入端连接有用于对风机功率信号10、轮毂转速信号11及叶轮位置信号12处理的第一数据处理模块27，在瞬态冲击载荷补偿控制器25的输入端连接有用于对风机功率信号10、轮毂转速信号11、叶轮位置信号12、变桨角度信号13及桨叶振动信号14进行处理的第二数据处理模块28。
风机功率控制器23与现有统一变桨控制系统一样，通过对风力发电机组进行实时功率和轮毂转速的监测，来改变变桨角度设定值以维持风力发电机组的功率和电机转速在安全范围内运行。
周期性不均匀载荷补偿控制器24根据风力发电机组在运行过程中产生的不均匀载荷，通过对叶轮位置信号12的实时监测，补偿由于叶轮旋转产生的周期性不均匀载荷，包括位置不均匀载荷和由风切变引起的载荷交变。具体是通过测量叶轮位置信号12、风机功率信号10和轮毂转速信号11，并通过预先建立的风况模型(其中风况模型为现有技术，对本领域的技术人员来说都能获得)计算出叶轮幅面内各种周期性不均匀载荷的分布值，再通过周期性不均匀载荷补偿控制器24转换成补偿值进行变桨角度的输出，使得不均匀载荷减少。
瞬态冲击载荷补偿控制器25是根据风力发电机组瞬态冲击载荷产生的原因，如图2所示，在测量风力发电机组的功率信号10、轮毂转速信号11、叶轮位置信号12、变桨角度信号13的同时增加测量3支桨叶的振动信号14，包括振动幅值和频率，计算出叶轮幅面各处风力的各种波动，给出变桨角度补偿值。其中瞬态冲击载荷补偿控制器25对所增加测量的桨叶的振动幅值和频率数据的处理是先将某桨距角下叶片的振动信号推导出三个叶片的弯距值，如图4所示，再通过2/3坐标变换器250转化为旋转坐标系下X轴和Y轴的分量，X轴与Y轴上的载荷分别经各自的滤波器251后由X轴或Y轴中的PI控制器252生成X轴和Y轴的变桨指令(设定值)，如图5所示，并再次通过2/3坐标变换器253及输出耦合器26给出每个桨叶的变桨设定值。另，在瞬态冲击载荷补偿控制器25对测量数据进行处理的同时通过一个数据存储器254(图中未示出)记录一段时间内风速的变化，进而预测出各个叶片下一工作位置处可能的风况，从而可以减少瞬态冲击载荷，并且在处理叶片根部振动传感器140、141、142、143的信号时还通过一个前馈滤波器255，进一步提高控制系统的响应速度。
输出耦合器26是通过将风机功率控制器23生成的变桨角度输出与周期性不均匀载荷补偿控制器24、瞬态冲击载荷补偿控制器25得到的补偿值进行加权叠加，以得到合理的变桨控制功能，并调节本发明中独立变桨控制系统的控制目标，使得本发明中的控制系统能够使风力发电机组处于更好的运行状况和具有更低的疲劳载荷。
本发明中用于风力发电机组的独立变桨控制系统的控制方法包括如下步骤：
1)在轮毂与叶片根部增设相应的用于测量叶轮位置的编码器和用于测量叶片根部振动信号(振动幅值与频率)的振动传感器；
2)通过信号采集装置、编码器等得到各个叶片的桨叶振动信号14(可以是振动幅值与频率，也可以是形变值)、叶轮位置信号12、变桨角度信号13、风机功率信号10、轮毂转速信号11等；
3)同时将上述测量所得的信号输入控制模块，其中风机功率信号10、轮毂转速信号11经风机功率控制器23来改变变桨角度设定值以维持风力发电机组的功率和电机转速在安全范围内运行；风机功率信号10、轮毂转速信号11、叶轮位置信号12经周期性不均匀载荷补偿控制器24通过预先建立的风况模型计算出叶轮幅面内各种周期性不均匀载荷的分布值，并转换成补偿值进行变桨角度的输出；风机功率信号10、轮毂转速信号11、叶轮位置信号12、桨叶振动信号14、变桨角度信号13经瞬态冲击载荷补偿控制器25进行处理并输出每个桨叶的变桨设定值，具体的处理步骤是：
3a)将测量所得的桨叶振动幅值和频率推导出三个叶片的弯距值；
3b)通过2/3坐标变换器250将三个弯距值转化为旋转坐标系下X轴(水平轴)和Y轴(垂直轴)的分量；
3c)X轴与Y轴上的载荷分别经各自的滤波器251后由X轴和Y轴中的PI控制器252生成X轴和Y轴的变桨指令；
3d)再次通过2/3坐标变换器253输出每个桨叶的变桨补偿值。
4)由输出耦合器26将风机功率控制器23生成的变桨角度输出、周期性不均匀载荷补偿控制器24、及瞬态冲击载荷补偿控制器25输出的补偿值进行加权叠加，以输出合理的变桨控制设定值，由驱动模块3驱动每个叶片7。
综上所述，本发明中的控制系统为一套独立变桨系统，经各个部件的协调运作可以实现风力发电机组的变桨控制功能，为一套完整的软件硬件结合的整体。