[发明专利]一种风力发电机组基于塔顶载荷的独立变桨控制方法

摘要

本发明公开了一种风力发电机组基于塔顶载荷的独立变桨控制方法，该方法是：首先，在塔筒顶端贴装传感器，通过传感器直接采集塔顶弯矩Mx、My、Mz，再通过采集的塔顶载荷推算出D轴载荷和Q轴载荷，即D‑Q轴载荷；其次，D轴载荷和Q轴载荷分别通过滤波器、PI控制器、限幅输出为D‑Q轴的变桨指令；最后，D‑Q轴的变桨指令经过D‑Q轴逆变换，得到每个桨叶上的变桨指令，叠加到统一变桨指令上。本发明方法采用塔顶载荷作为独立变桨控制的反馈量，载荷传感器的数量由三组降为一组，在显著降低成本的同时，也提高了可靠性。

主权项

1.一种风力发电机组基于塔顶载荷的独立变桨控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先，在塔筒顶端贴装传感器，通过传感器直接采集塔顶弯矩Mx、My、Mz，然后再通过采集的塔顶载荷推算出D轴载荷和Q轴载荷，即D-Q轴载荷，其具体情况如下：D轴载荷是反映风轮平面俯仰方向受载的不平衡性，Q轴载荷是反映叶轮平面偏航方向受载的不平衡性，在风机轮毂坐标系中，D轴载荷指轮毂My，而Q轴载荷指轮毂Mz，轮毂坐标系为GL坐标系，X坐标轴沿轮毂中心线从机头指向机尾，Y坐标轴水平且与X轴垂直，Z坐标轴垂直指向上；独立变桨控制目的是为消除叶轮平面的不平衡载荷，因而需要得知反映叶轮平面不平衡性的载荷，即D轴载荷和Q轴载荷，为此，如何通过塔顶载荷得到D-Q轴载荷尤为关键；塔架顶端采集的载荷有：塔顶弯矩Mx、My、Mz，塔架坐标系是固定坐标系，即GL坐标系，X坐标轴指向南，Y坐标轴指向东，Z轴垂直向上，坐标原点在塔筒中轴线上，塔架坐标系与轮毂坐标系不同，因为轮毂坐标系是固定在机舱上，随机舱偏航而旋转，而塔架坐标系则是与地面相对静止的；D-Q轴的Q轴载荷与塔架顶端载荷Mz直接相关，Q轴载荷等于Mz，以传感器采集的塔顶载荷作为独立变桨控制的输入信号，根据塔顶坐标系和轮毂坐标系的偏航角度的关系，对塔顶载荷Mx、My作旋转变换，计算得到D-Q轴的D轴载荷，在变换的过程中，考虑机舱重力对塔顶的附加弯矩，因此，在计算D轴载荷过程中，还需减去机舱重力对塔顶施加的附加弯矩；其中，从塔顶载荷变换得到D-Q轴载荷需要进行坐标旋转变换，所作的变换如下式： M D = M y c o s ( φ ) + M x s i n ( φ ) - F G L M Q = M z ]]>式中，MD代表D轴载荷，MQ代表Q轴载荷；Mx、My、Mz分别代表塔顶三个方向的载荷；φ代表机舱偏航角度；FG代表机舱重力，L代表机舱重心到塔筒中轴线的距离；在此变换式中不仅考虑了机舱偏航导致的旋转变换，也考虑了机舱重力导致的附加弯矩；2)将D-Q轴的载荷通过低通滤波器、陷频滤波器、PI控制器产生D-Q轴变桨指令并限幅输出，其具体情况如下：知道D-Q轴载荷，即知道叶轮平面的不平衡载荷，要消除叶轮平面的不平衡载荷，需要设计从D-Q轴载荷到D-Q轴变桨指令的控制器，在此采用PI控制器来控制D-Q轴的变桨指令来消除D-Q轴的不平衡载荷，由于载荷信号中包含有高频噪声，这些高频成分对降载没有用处，只会扰乱控制系统，因此控制器中需加入低通滤波器、陷频滤波器，为安全缘故，PI控制器输出的变桨指令还需进行限幅处理，得到限幅后的D-Q轴变桨指令；其中，由于D-Q轴是相互独立、完全解耦的，因此，D轴载荷和Q轴载荷是分开控制的，即D轴载荷经过PI控制器后输出D轴变桨指令θD，Q轴载荷经过PI控制器生成Q轴变桨指令θQ；3)将D-Q轴的变桨指令逆变换得到每个桨叶上的变桨指令，再叠加到统一变桨指令上，其具体情况如下：从D-Q轴桨距作用场到三个旋转叶片的桨距增量的变换称为D-Q轴旋转逆变换，公式如下：式中，{θ1 θ2 θ3}为每个桨叶的桨距角增量，为叶轮方位角；考虑时间延迟，D-Q轴旋转逆变换公式的叶轮方位角处还需引入一个方位角偏移量δ，通过在叶轮方位角处增加一个方位角偏移量δ来抵消控制器在控制环路中的各项时间延迟，因此，逆变换公式重写为：