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技术

本发明专利技术公开了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，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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及风电机组轮毂极限载荷降载控制的
，尤其是指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。
技术介绍
随着国内陆上风电的快速发展，优质风资源逐渐减少，陆上风电开始发掘低风速、山地地区的风资源。为降低度电成本，低风速地区需配备更大的机组容量、更大直径的风轮(包含轮毂和叶片)，随着机组容量增加、叶片加长，机组承受的极限载荷也随之增加，极限载荷包括轮毂载荷、偏航载荷、塔架载荷。此外，山地地区的风资源较为恶劣，主要表现为大湍流、大风切变，再加上机组塔筒产生的塔影效应，山地地区的风电机组将面临更加极端的风轮不平衡载荷，包括轮毂极限俯仰弯矩(即轮毂俯仰弯矩的最大值)、轮毂极限偏航弯矩(即轮毂偏航弯矩的最大值)。目前已有成熟的独立变桨控制技术用于降低风轮不平衡载荷引起的部件疲劳损伤，但持续的独立变桨控制会加大变桨轴承的疲劳损伤，对变桨轴承的疲劳强度、变桨变频器的温升控制等提出更严苛的要求。此外，有文献在风轮不平衡载荷大于阈值时启动停机策略，停机过程中启用独立变桨降低风轮极限不平衡载荷，但停机会造成发电量损失。因此，如何在极端风况下降低风轮极限不平衡载荷同时不增加变桨系统的负担成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了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，不仅能有效降低风电机组的轮毂极限载荷(包括轮毂极限俯仰弯矩、轮毂极限偏航弯矩)，同时最大限度地减少变桨系统的成本，避免极限风况停机造成的发电量损失。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：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，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。所述基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，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；Mbe,1为叶片1的叶根摆振弯矩，Mbe,2为叶片2的叶根摆振弯矩，Mbe,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；Mbf,1为叶片1的叶根挥舞弯矩，Mbf，2为叶片2的叶根挥舞弯矩，Mbf,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；Mbo,1为叶片1的叶根面外弯矩，Mbo,2为叶片2的叶根面外弯矩，Mbo,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Mbe,1、Mbe,2、Mbe,3和叶根挥舞弯矩Mbf,1、Mbf，2、Mbf,3；在静止轮毂坐标系中，设Mht为轮毂俯仰弯矩，与水平方向平行；Mhy为轮毂偏航弯矩，与竖直方向平行；θr为风轮方位角，即叶片1与竖直方向的夹角；ωr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θr；2)计算三只叶片的叶根面外弯矩，计算公式如下：Mbo,1＝Mbf,1cosβ1-Mbe,1sinβ1Mbo,2＝Mbf,2cosβ2-Mbe,2sinβ2Mbo,3＝Mbf,3cosβ3-Mbe,3sinβ33)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Mbo,1、Mbo,2、Mbo,3投影合成为静止轮毂坐标系下的轮毂俯仰弯矩Mht、轮毂偏航弯矩Mhy，计算公式如下：4)轮毂弯矩动态滤波将轮毂俯仰弯矩Mht、轮毂偏航弯矩Mhy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MhtFilt、偏航弯矩MhyFilt；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，ξp为低通滤波器的阻尼，ωp为低通滤波器的截止频率；ξnp，1为决定陷波强度的陷波器阻尼，ξnp,2为决定陷波带宽的陷波器阻尼；ωnp为nP陷波器的中心频率，根据低通滤波后的发电机转速ωgLp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MhtFilt、偏航弯矩MhyFilt分别作为实部和虚部组成复数Mhty；复数Mhty的幅值Ahty及相角θhty的计算公式如下：θhty＝arctan(MhyFilt/MhtFilt)6)独立变桨激活控制策略当复数Mhty的幅值Ahty大于阈值AhtyThr时，风电机组主控系统的独立变桨PI控制器激活；当复数Mhty的幅值Ahty小于或等于阈值AhtyThr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Mhty的幅值Ahty减去阈值AhtyThr得到轮毂合弯矩偏差Ehty，轮毂合弯矩偏差Ehty与零取最大值得到EhtyLim；比例控制器输出的桨距角βtyP由下式给出：βtyP＝KtyPEhtyLim＝KtyPmax(Ahty-AhtyThr,0)其中，KtyP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，βtyI(k)为积分控制器第k步输出的桨距角，βtyI(k-1)为积分控制器第k-1步输出的桨距角，KtyI为独立变桨的积分控制增益，Ts为积分控制器的时间步长，Tdec为积分控制器的衰减时间常数；积分控制器输出的βtyI需经过独立变桨最大桨距角βtyMax的限幅，得到限幅后的桨距角βtyILim为：βtyILim＝min(βtyI,βtyMax)独立变桨PI控制器输出的桨距角βtyPI为：βtyPI＝βtyP+βtyILimβtyPI经过独立变桨最大桨距角βtyMax限幅，得到限幅后的桨距角βtyPILim为：βtyPILim＝min(βtyPI,βtyMax)最后，静止轮毂坐标下的独立变桨桨距角设定值是以βtyPILim为幅值，以θhty为相角的复数；轮毂俯仰弯矩Mht对应的独立变桨桨距角设定值为βtyPILimcosθhty，轮毂偏航弯矩Mhy对应的独立变桨桨距角设定值为βtyPILimsinθhty；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βIPC,1、βIPC,2、βIPC,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βdem,1、βdem,2、βdem,3为：其中，βc为本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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。


2.根据权利要求1所述的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，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；Mbe,1为叶片1的叶根摆振弯矩，Mbe,2为叶片2的叶根摆振弯矩，Mbe,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；Mbf,1为叶片1的叶根挥舞弯矩，Mbf，2为叶片2的叶根挥舞弯矩，Mbf,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；Mbo,1为叶片1的叶根面外弯矩，Mbo,2为叶片2的叶根面外弯矩，Mbo,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Mbe,1、Mbe,2、Mbe,3和叶根挥舞弯矩Mbf,1、Mbf，2、Mbf,3；
在静止轮毂坐标系中，设Mht为轮毂俯仰弯矩，与水平方向平行；Mhy为轮毂偏航弯矩，与竖直方向平行；θr为风轮方位角，即其中一只叶片与竖直方向的夹角；ωr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θr；
2)计算三只叶片的叶根面外弯矩，计算公式如下：
Mbo,1＝Mbf,1cosβ1-Mbe,1sinβ1
Mbo,2＝Mbf,2cosβ2-Mbe,2sinβ2
Mbo,3＝Mbf,3cosβ3-Mbe,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Mbo,1、Mbo,2、Mbo,3投影合成为静止轮毂坐标下的轮毂俯仰弯矩Mht、轮毂偏航弯矩Mhy，计算公式如下：



4)轮毂弯矩动态滤波
将轮毂俯仰弯矩Mht、轮毂偏航弯矩Mhy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MhtFilt、偏航弯矩MhyFilt；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，ξp为低通滤波器的阻尼，ωp为低通滤波器的截止频率；ξnp，1为决定陷波强度的陷波器阻尼，ξnp,2为决定陷波带宽的陷波器阻尼；ωnp为nP陷波器的中心频率，根据低通滤波后的发电机转速ωgLp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...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞辉庆，黄蓉，黄国燕，
申请(专利权)人：明阳智慧能源集团股份公司，
类型：发明
国别省市：广东;44