[发明专利]一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法

权利要求书

1.一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，其特征在于：该方法基于叶根载荷传感器测量的叶根面外弯矩，叶根面外弯矩经过Clark变换得到静止轮毂坐标系下的轮毂合弯矩，轮毂合弯矩包含轮毂俯仰弯矩和轮毂偏航弯矩，当轮毂合弯矩大于阈值时，独立变桨控制策略激活，降低风电机组的轮毂极限合弯矩，即轮毂合弯矩的最大值，以保障机组的安全运行，同时降低风电机组的变桨系统工作负担；其包括以下步骤：

1)测量数据

在叶根坐标系中，设β₁为叶片1桨距角，β₂为叶片2桨距角，β₃为叶片3桨距角，所述桨距角为叶片零度标志线与风轮旋转平面的夹角；M_be,1为叶片1的叶根摆振弯矩，M_be,2为叶片2的叶根摆振弯矩，M_be,3为叶片3的叶根摆振弯矩，所述叶根摆振弯矩垂直于叶片零度标志线；M_bf,1为叶片1的叶根挥舞弯矩，M_bf，2为叶片2的叶根挥舞弯矩，M_bf,3为叶片3的叶根挥舞弯矩，所述叶根挥舞弯矩平行于叶片零度标志线；M_bo,1为叶片1的叶根面外弯矩，M_bo,2为叶片2的叶根面外弯矩，M_bo,3为叶片3的叶根面外弯矩，所述叶根面外弯矩平行于风轮旋转平面，随着风轮旋转；在三只叶片的根部安装载荷传感器，用于测量三只叶片的叶根摆振弯矩M_be,1、M_be,2、M_be,3和叶根挥舞弯矩M_bf,1、M_bf，2、M_bf,3；

在静止轮毂坐标系中，设M_ht为轮毂俯仰弯矩，与水平方向平行；M_hy为轮毂偏航弯矩，与竖直方向平行；θ_r为风轮方位角，即其中一只叶片与竖直方向的夹角；ω_r为风轮转速；在风电机组的主轴安装编码器，测量风轮方位角θ_r；

2)计算三只叶片的叶根面外弯矩，计算公式如下：

M_bo,1＝M_bf,1cosβ₁-M_be,1sinβ₁

M_bo,2＝M_bf,2cosβ₂-M_be,2sinβ₂

M_bo,3＝M_bf,3cosβ₃-M_be,3sinβ₃

3)通过Clark变换计算轮毂合弯矩

将随风轮旋转的三只叶片的叶根面外弯矩M_bo,1、M_bo,2、M_bo,3投影合成为静止轮毂坐标下的轮毂俯仰弯矩M_ht、轮毂偏航弯矩M_hy，计算公式如下：

4)轮毂弯矩动态滤波

将轮毂俯仰弯矩M_ht、轮毂偏航弯矩M_hy依次经过低通滤波器和至少一个nP陷波器后，得到滤波后的俯仰弯矩M_htFilt、偏航弯矩M_hyFilt；其中，nP陷波器为风轮旋转频率的n倍，n＝3,6,9…；

低通滤波器的传递函数如下：

nP陷波器的传递函数如下：

其中，s为拉普拉斯变换后的复变量，ξ_p为低通滤波器的阻尼，ω_p为低通滤波器的截止频率；ξ_np，1为决定陷波强度的陷波器阻尼，ξ_np,2为决定陷波带宽的陷波器阻尼；ω_np为nP陷波器的中心频率，根据低通滤波后的发电机转速ω_gLp确定，计算公式如下：

其中，G为风电机组的齿轮箱增速比；

5)复数处理

滤波后的俯仰弯矩M_htFilt、偏航弯矩M_hyFilt分别作为实部和虚部组成复数M_hty；复数M_hty的幅值A_hty及相角θ_hty的计算公式如下：

θ_hty＝arctan(M_hyFilt/M_htFilt)

6)独立变桨激活控制策略

当复数M_hty的幅值A_hty大于阈值A_htyThr时，风电机组主控系统的独立变桨PI控制器激活；当复数M_hty的幅值A_hty小于或等于阈值A_htyThr时，独立变桨PI控制器的比例控制器输出的桨距角为零，独立变桨PI控制器的积分控制器输出的桨距角被合理衰减至零；

复数M_hty的幅值A_hty减去阈值A_htyThr得到轮毂合弯矩偏差E_hty，轮毂合弯矩偏差E_hty与零取最大值得到E_htyLim；比例控制器输出的桨距角β_tyP由下式给出：

β_tyP＝K_tyPE_htyLim＝K_tyPmax(A_hty-A_htyThr,0)

其中，K_tyP为独立变桨的比例控制增益；

积分控制器的离散输出如下：

其中，β_tyI(k)为积分控制器第k步输出的桨距角，β_tyI(k-1)为积分控制器第k-1步输出的桨距角，K_tyI为独立变桨的积分控制增益，T_s为积分控制器的时间步长，T_dec为积分控制器的衰减时间常数；

积分控制器输出的β_tyI需经过独立变桨最大桨距角β_tyMax的限幅，得到限幅后的桨距角β_tyILim为：

β_tyILim＝min(β_tyI,β_tyMax)

独立变桨PI控制器输出的桨距角β_tyPI为：

β_tyPI＝β_tyP+β_tyILim

β_tyPI经过独立变桨最大桨距角β_tyMax限幅，得到限幅后的桨距角β_tyPILim为：

β_tyPILim＝min(β_tyPI,β_tyMax)

最后，静止轮毂坐标下的独立变桨桨距角设定值是以β_tyPILim为幅值，以θ_hty为相角的复数；轮毂俯仰弯矩M_ht对应的独立变桨桨距角设定值为β_tyPILimcosθ_hty，轮毂偏航弯矩M_hy对应的独立变桨桨距角设定值为β_tyPILimsinθ_hty；

7)Clark逆变换

独立变桨桨距角设定值经过Clark逆变换即可得到三只叶片的叠加桨距角β_IPC,1、β_IPC,2、β_IPC,3，公式如下：

8)叠加独立变桨桨距角，最终输出给变桨系统的桨距角设定值β_dem,1、β_dem,2、β_dem,3为：

其中，β_c为集中桨距角设定值，由风电机组主控系统的转速偏差-桨距角PID控制器给出；转速偏差-桨距角PID控制器的输入为转速偏差，即依次经过低通滤波器和至少一个nP陷波器后的发电机转速与发电机转速设定值之差；转速偏差-桨距角PID控制器的输出为集中桨距角设定值β_c；转速偏差-桨距角PID控制器的传递函数如下：

其中，K_cP为集中变桨的比例控制增益，K_cI为集中变桨的积分控制增益，K_cD为集中变桨的微分控制增益，T_D为一阶低通滤波器的时间常数。