一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法

摘要

本发明涉及一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，属于风力发电技术领域。该方法将传动轴看成一个以气动转矩为控制输入的伪线性系统，采用比例积分和前馈算法计算气动转矩的指令值，然后采用逆方法获得用于转速调节的桨距角指令值；将塔架看成一个以气动推力为控制输入的伪线性系统，气动推力指令值为稳态指令值和小信号指令值之和，然后采用逆方法得到考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值；所得到的桨距角指令值经过串联超前校正环节后，得到最终的桨距角控制指令值，用于风电机组的桨距角控制。本发明在控制风电机组转速恒定的同时，有效降低风电机组的载荷，有助于降低风电机组运维成本和延长风电机组的使用寿命，且适于工程应用。

主权项

一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法，其特征在于，包括以下各步骤：1)获取风电机组的气动转矩特性函数M_a(Ω,β,v₀)、气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)、齿轮箱的变比i、发电机额定电磁转矩风轮额定转速Ω^*和塔架前后振动模态的自然频率f_T，其中：Ω为风轮转速测量值，β为桨距角测量值，v₀为风轮有效风速测量值；2)采用编码器测量风轮转速，并经过截止频率为3Ω^*/2π的低通滤波器后得到风轮转速测量值Ω，其中Ω^*为步骤1)中的风轮额定转速；3)采用速度传感器测量塔顶速度，并经过以频率f_T为中心频率的带通滤波器后得到塔顶速度测量值v_T，其中f_T为步骤1)中的塔架前后振动模态的自然频率；4)采用风速测量装置获得风轮有效风速测量值v₀；5)将传动轴看作一个以气动转矩M_a为控制输入的伪线性系统，采用线性比例积分和前馈算法，根据步骤1)中的齿轮箱的变比i、发电机额定电磁转矩和风轮额定转速Ω^*，以及步骤2)中的风轮转速测量值Ω，计算气动转矩M_a的控制指令$M_a^{*}=K_{\Omega ,p}({\Omega }^{*}-\Omega )+K_{\Omega ,i}\int ({\Omega }^{*}-\Omega )dt+M_g^{*}·i---\left(1\right)$其中：K_Ω,p表示比例系数，K_Ω,i表示积分系数；6)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤5)中的气动转矩的控制指令计算用于转速调节的桨距角控制指令${\beta }_{\Omega }^{*}=M_a^{-1}(\Omega ,M_a^{*},v_0)---\left(2\right)$其中为步骤1)中的气动转矩特性函数M_a(Ω,β,v₀)的逆，选择满足稳定解条件dM_a/dΩ＜0的稳定解作为控制指令7)将塔架看作一个以气动推力F_a为控制输入的伪线性模型，根据步骤1)中的气动推力特性函数F_a(Ω,β,v₀)，步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤6)中的桨距角控制指令计算气动推力指令值的稳态分量$F_{a,0}^{*}=F_a(\Omega ,{\beta }_{\Omega }^{*},v_0)---\left(3\right)$8)根据步骤3)中塔顶速度测量值v_T，计算气动推力指令值的小信号分量$F_{a,\Delta }^{*}=-C_{\Delta T}{v}_T---\left(4\right)$其中C_ΔT表示期望的塔架阻尼增量；9)根据步骤7)中的气动推力指令值的稳态分量和步骤8)中的气动推力指令值的小信号分量计算气动推力指令值$F_a^{*}=F_{a,0}^{*}+F_{a,\Delta }^{*}---\left(5\right)$10)根据步骤2)中的风轮转速测量值Ω，步骤4)中的风轮有效风速测量值v₀，以及步骤9)中的气动推力指令值计算考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值${\beta }_T^{*}=F_a^{-1}(\Omega ,F_a^{*},v_0)---\left(6\right)$其中为步骤1)中的气动推力函数F_a(Ω,β,v₀)的逆；11)根据上述考虑塔架振动阻尼后的桨距角指令值经过传递函数为：$G_{lead}\left(s\right)=\frac{\alpha Ts+1}{Ts+1},\alpha >1---\left(7\right)$的超前补偿环节后，得到最终的桨距角控制指令值β^*，并输入到风电机组的变桨距执行器，实现对风电机组桨距角的控制。