基于主控的兆瓦级风力机统一和独立变桨混合控制方法

摘要

本发明是一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法，即发电机转速偏差较大时，采用统一变桨控制方式，转速偏差较小时，采用独立变桨控制方式，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作。统一变桨控制时风机主控发出的变桨命令即为每个桨叶的变桨给定命令；独立变桨控制时则对风机主控发出的变桨命令进行模型转换得到对应的平均风速，并结合每个桨叶各自的空间位置，通过摆振载荷和挥舞载荷模型计算和控制，得到每个桨叶各自的变桨命令。统一变桨控制器和独立变桨控制器都是以风机主控发出的变桨命令作为控制器的输入值，既保证了与风机整机有很好的兼容性和通用性，又综合了统一变桨控制响应快和独立变桨控制精度高的优点，达到输出稳定和最优功率，减小和平衡桨叶载荷、降低主轴振动，提高风力机动力稳定性和使用寿命的目的。

主权项

一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法，其特征在于：实现该方法的系统包括变桨混合控制器，变桨混合控制器由变桨控制开关、统一变桨控制器和独立变桨控制器组成，所述的独立变桨控制器由桨距角‑风速转换模型、方位角转换模型、摆振载荷计算模型、挥舞载荷计算模型、摆振载荷控制器、挥舞载荷控制器、位置环控制器组成；风力发电机组并网前，首先根据风机具体工况在变桨控制开关中预设一个转速偏差阈值并设定一个转速给定值；风力发电机组并网后，转速传感器测得的发电机转速测量值与转速给定值相比较，得到一个转速偏差，触发变桨控制开关动作，即当转速偏差大于这一阈值时，统一变桨控制器动作；当转速偏差小于这一阈值时，独立变桨控制器动作；当转速偏差大于转速偏差阈值时，风机主控输出的变桨命令作为统一变桨控制器的给定值，统一变桨控制器输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；当转速偏差小于转速偏差阈值时，风机主控输出的变桨命令由桨距角‑风速转换模型转换为对应的平均风速，位置环控制器输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；所述的变桨混合控制方法包括统一变桨控制方法和独立变桨控制方法；所述的统一变桨控制方法具体步骤是：（1）当转速偏差大于阈值时，即风速突然增大或减小，此时统一变桨控制器工作，风机主控输出变桨命令作为统一变桨控制器的输入给定值，桨叶的桨距角测量值通过安装在电气伺服变桨机构中电动机输出轴上的位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到统一变桨控制器；给定值和反馈值二者比较产生统一变桨控制器的偏差值；（2）统一变桨控制器采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；统一变桨控制器、电气伺服变桨机构和位移传感器构成一个完整的闭环控制系统；所述的独立变桨控方法的具体步骤是：（1）当转速偏差小于阈值时，即风速增大或减小不明显，此时独立变桨控制器工作，风机主控输出的变桨命令通过独立变桨控制器中的桨距角‑风速转换模型转换为对应的平均风速；桨距角‑风速转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；（2）桨叶方位角由安装在桨叶上的方位角传感器检测得到；方位角转换模型根据具体控制精度要求，通过线性拟合公式或表格的形式分段给出；（3）平均风速和桨叶方位角分别输入到摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型中；摆振载荷计算模型和挥舞载荷计算模型输出值是在考虑风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航因素对摆振载荷和挥舞载荷影响后，先计算出三个桨叶各自的摆振载荷和挥舞载荷，然后求平均值得到的，再分别乘以权系数作为摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值；（4）摆振载荷测量值和挥舞载荷测量值由安装在桨叶上的光纤传感系统测量得到；每个光纤传感系统由4个光纤载荷传感器组成，两两安装于每个叶片根部的摆振和挥舞方向，通过光源探测器测量叶片根部形变，并经信号处理后得到叶片摆振和挥舞两个方向的载荷，最后作为反馈值输入到摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器中；摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的给定值和反馈值分别比较，产生摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器的偏差值；（5）摆振载荷控制器和挥舞载荷控制器采用常规的PI或PID控制算法，分别输出变桨命令；（6）两个变桨命令相加求平均值后，得到合成变桨命令，作为位置环控制器的给定值，桨叶的桨距角测量值通过位移传感器检测得到，并作为反馈值输入到位置环控制器；位置环控制器的给定值和反馈值二者比较产生位置环控制器的偏差值；（7）位置环控制器采用常规的PI或PID控制算法，输出转速命令到电气伺服变桨机构中的驱动器中，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作；独立变桨控制器、电气伺服变桨机构、桨叶、位移传感器、光纤传感系统、方位角传感器构成一个完整的闭环控制系统。