[发明专利]一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电变桨控制技术领域，特别涉及一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法。

背景技术

由于风力发电机组不断向大型化发展，塔架高度和风轮直径也随之增加，风湍流、风剪切、塔影等效应的存在使得整个桨叶扫掠平面内风速差异明显增大，这不但影响了统一变桨距的控制效果，而且各处不一致的风速作用风轮上必然引起载荷不均衡。叶轮上的不均衡载荷会给变桨轴承、轮毂、主轴、偏航轴承、塔架等风电机组关键部件造成很大疲劳载荷，同时引发的风电机组零部件长时间的大幅度振动，对整个风电机组运行的稳定性以及疲劳寿命有着直接的不良影响。独立变桨距控制技术是基于风轮扫掠面内风速的变化以及风电机组各部件承受气动载荷，独立控制三个叶片桨距角的技术，目的在于限制风轮输出功率，同时改善风电机组所受气动载荷。

目前大型风电机组的独立变桨距控制形成了两种主要控制方法：一种是基于桨叶方位角的独立变桨距控制，另一种是基于桨叶载荷的独立变桨距控制。前者根据桨叶的方位角，对统一变桨控制器给出桨距角控制量进行重新分配，典型控制系统结构如附图1，该控制算法简单，对风剪切、塔影效应引起的载荷不均衡可以起到较好的控制效果，但检测量不包含风电机组实际载荷，无法实现载荷的反馈控制，对风湍流引起的不均衡载荷不能起到较好的抑制作用；第二种方法是采用传感器进行桨叶载荷测量，把图2a）所示的旋转坐标系下测量载荷经过坐标变换到图2b）所示的固定坐标系中，再对多变量耦合系统进行解耦控制，典型控制系统结构如图3，这种方法控制效果好于前一种方法，但需要测量桨叶载荷，控制算法也相对复杂，在国外大型风电机组中已经应用。

但由于目前我国绝大多数风电机组未在叶片上装设载荷传感器，因此第二种方法不易实现。采用基于方位角的载荷控制技术对现有风电机组进行独立变桨控制更具现实性。如何根据桨叶方位角对统一变桨控制器输出的桨距角控制量进行分配成为主要第一种方法的主要研究内容，目前主要研究成果存在如下问题：

1）利用权系数分配桨距角来实现独立变桨。对于权系数的计算，一般采用桨叶某处（如R/2或3R/4处）风速的平方作为权系数的运算依据，至于取何处风速目前仍没有统一的位置确定方法，而且其合理性还有待证明。

2）采用智能控制算法（模糊控制与神经网络等）进行权系数计算或桨距角分配。因目前多数PLC并不支持智能控制算法，智能控制中大量的数据计算也会影响控制器的实时性，因此难以应用于实际的风电机组。

3）以挥舞载荷计算平均值作为控制器设定值来实现独立载荷控制。当三个桨叶挥舞载荷相等时，叶轮的偏航力矩和俯仰力矩并不平衡。

4）以方位角的某些三角函数（如正弦值）作为调整桨距角的权系数。虽可保证任一时刻各桨叶桨距角相对统一给定桨距角调整量之和为零，但没有从理论上分析合理性与是否最优。

以上的几种分配方法没有考虑变桨执行机构的变桨速率限制，这也使得许多控制策略的仿真效果在实际中难以达到。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种适用于无载荷测量的风电机组独立变桨控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤1：采用理论修正与误差辨识相结合的方法修正测量风速；

步骤2：计算风剪切、塔影效应影响下的桨叶载荷预测值；

步骤3：对独立变桨控制桨距角进行分配计算。

所述步骤1具体包括以下子步骤：

子步骤11：利用风轮动量理论对测量风速进行理论修正，采用如下公式：

2ρπR²V³-2ρπR²V′V²-P′＝0；

其中，P’为风电机组发电功率；ρ为空气密度；R为风轮半径；V′为测量风速；V为轮毂处实际风速；

利用计算机迭代求解上式得到测量风速修正值V″，V″∈[V′，V_out]，V_out为切出风速；

子步骤12：基于测风塔风速数据的误差辨识，得到风电机组轮毂处实际风速；

当风电机组处于测量风速低于额定风速时，进行最大风能捕获控制，此时桨距角保持最佳角度β₀不变，则：

ΔV′＝f₁′(ω){V′＜V_e，β＝β₀}；