一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨系统及方法，该系统包括用于提供统一变桨命令的统一变桨控制器、用于提供独立变桨命令的独立变桨控制器以及具有自动信号校正功能的故障检测与隔离模块，故障检测与隔离模块对每个风机叶片的故障信号进行校正，得到每个风机叶片的总体桨距角，最终通过独立变桨控制器控制每个风机叶片做出变桨命令。本发明专利技术可确保变桨系统故障条件下与正常情况下几乎相等的输出功率，应用于风机独立变桨系统中，可有效缓解风机变桨系统的非对称载荷，同时能够增强对变桨控制器中潜在故障影响的抗扰度，能够确保在一定故障条件下，风机独立变桨系统能够稳定、可靠运行，大大提升了系统的鲁棒性。统的鲁棒性。统的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨系统及方法


[0001]本专利技术属于风力发电
，具体涉及一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变 桨系统及方法。

技术介绍

[0002]由于大型结构具有更大柔顺性和高度不对称的风荷载，在近海地区运行的大型风机要 承受更高的结构载荷和疲劳载荷，为风机维护造成较大的压力。此类涡轮机的负载增加会 导致结构部件快速磨损或损坏、使用寿命缩短以及维护成本增加。当前的设计采用统一变 桨控制(CPC)技术，它们对由转子偏航误差、轴倾斜、风切变和上升流、阵风和湍流而 发生的疲劳载荷的控制能力有限。因此，针对这些问题开发出了更有效的独立变桨控制 (IPC)技术。IPC技术要求每个叶片都有一个独立的桨距执行器，这通常在现有的大容量 风机设计中实现。在配备IPC的风力涡轮机中，传统的CPC系统用于将功率保持在所需的 水平，而独立的IPC补充CPC系统，为每个叶片的桨距执行器提供单独的控制信号，以减 轻负载的同时不影响风机的功率输出。
[0003]现有IPC研究主要针对运行在理想条件下的变桨系统传感器和执行器，但实际环境中， 风机运行环境较为复杂，不可避免的出现传感器和执行器运行故障。故障一旦发生，传统 IPC策略的应变突发状况能力较差，将无法保证系统稳定，容易引发系统失稳甚至损坏风 机设备，进而威胁电网安全。此外，现有容错控制多应用于统一变桨控制，较少提及独立 变桨的容错控制方案，较少基于TS模糊算法进行故障检测与隔离。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种用于缓解风机非对称 负载的容错独立变桨系统及方法。
[0005]为实现上述目的，达到上述技术效果，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨系统，包括用于提供统一变桨命令的统 一变桨控制器、用于提供独立变桨命令的独立变桨控制器以及具有自动信号校正功能的故 障检测与隔离模块，所述故障检测与隔离模块对每个风机叶片的故障信号进行校正，得到 每个风机叶片的总体桨距角，最终通过独立变桨控制器控制每个风机叶片做出变桨命令。
[0007]一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨方法，实现该方法的系统包括用于提供 统一变桨命令的统一变桨控制器、用于提供独立变桨命令的独立变桨控制器以及具有自动 信号校正功能的故障检测与隔离模块；
[0008]该方法包括以下步骤：
[0009]进行独立变桨控制，得到独立变桨控制器和每个风机叶片独立变桨的桨距角分量；
[0010]利用一组并行工作的桨距估计器设计故障检测与隔离模块，每个桨距估计器由一
个动 态模型表示，以估计变桨角的标称值；
[0011]利用故障检测与隔离模块对每个风机叶片的故障信号进行校正，得到每个风机叶片的 总体桨距角，传送至独立变桨控制器，通过独立变桨控制器控制每个风机叶片做出对应的 变桨命令。
[0012]每个桨距估计器的输入由每个风机叶片的总体桨距角俯仰分量M
tilt
、 偏航分量M
yaw
和上一时刻估计的桨距角输出组成，桨距估计器采用TS动态模型表示。
[0013]利用故障检测与隔离模块对三个风机叶片的故障信号进行校正时，设风机叶片1的故 障信号为β
f1
，风机叶片2的故障信号为β
f2
，风机叶片3的故障信号为β
f3
，则有：
[0014][0015]其中，分别为风机叶片1、风机叶片2、风机叶片3的总体桨距角，β
CPC
为统一变桨控制的桨距角，分别为独立变桨的桨距角分量。
[0016]独立变桨的桨距角分量的计算公式为：
[0017][0018]其中，θ为转子偏转角，u
tilt
、u
yaw
分别为俯仰分量M
tilt
、偏航分量M
yaw
在固定坐标系 下对应的控制变量。
[0019]俯仰分量M
tilt
、偏航分量M
yaw
的计算公式为：
[0020][0021]叶根载荷传感数据M1、M2、M3是与转子偏转角θ相关的旋转框架内的变量。
[0022]采用PI控制器进行独立变桨控制器设计，表示为：
[0023][0024]其中，u是控制器输出，e是跟踪误差，控制器参数K
P
和T
I
分别是比例增益和积分时 间常数；
[0025]PI控制器使用梯形离散化方法表示为：
[0026][0027]其中，T
s
是采样周期，k是离散时间步；
[0028]上式继续表示为：
[0029][0030]控制器参数基于Ziegler和Nichols准则确定；
[0031]变量K
Pu
和T
u
分别为闭环最终比例增益和最终振荡周期；
[0032]T
I
＝0.5T
u
[0033]齐格勒
‑
尼科尔斯方法所需的变量K
Pu
和T
u
需要在每个时间步进行计算：
[0034][0035][0036]其中，为三阶过程模型估计的时变参数。
[0037]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0038]1)本专利技术可确保变桨系统故障条件下与正常情况下几乎相等的输出功率，且能够降 低叶片和风机的结构载荷；
[0039]2)本专利技术应用于风机独立变桨系统中，可有效缓解风机变桨系统的非对称载荷，同 时能够增强对变桨控制器中潜在故障影响的抗扰度，能够确保在一定故障条件下，风机独 立变桨系统能够稳定、可靠运行，大大提升了系统的鲁棒性。
附图说明
[0040]图1为本专利技术的流程图。
具体实施方式
[0041]下面对本专利技术进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理 解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0042]以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有 构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图 界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概 念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0043]一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨系统，包括用于提供统一变桨命令的统 一变桨控制器、用于提供独立变桨命令的独立变桨控制器以及具有自动信号校正功能的故 障检测与隔离模块，统一变桨控制器读取风机传感器信息中的风力发电机转速信息，与期 望转速进行对比，得到当前实际转速与期望转速的偏差，将该偏差信号输入统一变桨控制 器，即可得到控制器输出的用于驱动风力发电机叶片的桨距角命令，利用该命令对风力发 电机进行变桨，即可完成统一变桨控制操作。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨系统，其特征在于，包括用于提供统一变桨命令的统一变桨控制器、用于提供独立变桨命令的独立变桨控制器以及具有自动信号校正功能的故障检测与隔离模块，所述故障检测与隔离模块对每个风机叶片的故障信号进行校正，得到每个风机叶片的总体桨距角，最终通过独立变桨控制器控制每个风机叶片做出变桨命令。2.一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨方法，其特征在于，实现该方法的系统包括用于提供统一变桨命令的统一变桨控制器、用于提供独立变桨命令的独立变桨控制器以及具有自动信号校正功能的故障检测与隔离模块；该方法包括以下步骤：进行独立变桨控制，得到独立变桨控制器和每个风机叶片独立变桨的桨距角分量；利用一组并行工作的桨距估计器设计故障检测与隔离模块，每个桨距估计器由一个动态模型表示，以估计变桨角的标称值；利用故障检测与隔离模块对每个风机叶片的故障信号进行校正，得到每个风机叶片的总体桨距角，传送至独立变桨控制器，通过独立变桨控制器控制每个风机叶片做出对应的变桨命令。3.根据权利要求2所述的一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨方法，其特征在于，每个桨距估计器的输入由每个风机叶片的总体桨距角(i＝1,2,3)、俯仰分量M
tilt
、偏航分量M
yaw
和上一时刻估计的桨距角输出组成，桨距估计器采用TS动态模型表示。4.根据权利要求2所述的一种用于缓解风机非对称负载的容错独立变桨方法，其特征在于，利用故障检测与隔离模块对三个风机叶片的故障信号进行校正时，设风机叶片1的故障信号为β
f1
，风机叶片2的故障信号为β
f2
，风机叶片3的故障信号为β
f3
，则有：其中，分别为风...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨继明，荆裕辉，王亮亮，李海宏，陈岩磊，高岳，
申请(专利权)人：北京华能新锐控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：