[发明专利]用于风力发电机组的独立变桨控制系统及控制方法

权利要求书

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；

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。

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。

5.一种权利要求1至4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角度补偿值；

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。

6.根据权利要求5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角度补偿值。

7.根据权利要求6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。