專利名稱：一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型風(fēng)電機(jī)組的控制方法，特別是涉及一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距 控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法背景技術(shù)
隨著風(fēng)電的規(guī)?；瘧?yīng)用，發(fā)電企業(yè)及電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在功率曲線、電網(wǎng)友好性、機(jī)組壽 命以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等多個(gè)方面對(duì)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)控制系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)格的要求。現(xiàn)有的風(fēng)機(jī) 整機(jī)控制系統(tǒng)主要采取轉(zhuǎn)矩控制和變槳距控制相結(jié)合的控制方法，在風(fēng)電機(jī)組的功率小于 額定功率時(shí)，主要采用轉(zhuǎn)矩控制方法，利用轉(zhuǎn)矩控制器給出轉(zhuǎn)矩命令，間接調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 跟隨風(fēng)速變化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)葉尖速比，捕獲最大的風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定風(fēng)速的時(shí) 候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率已經(jīng)達(dá)到額定值，轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)化為變槳距控制，通過改變槳葉 節(jié)距角來改變?nèi)~片攻角，限制風(fēng)輪吸收的能量，維持風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力機(jī)組處于額 定值附近發(fā)電。同時(shí)還需要一種能夠在轉(zhuǎn)矩控制器與變槳距控制器之間實(shí)現(xiàn)切換過渡的控 制策略。
目前，風(fēng)電機(jī)組在額定以下和額定以上兩種控制策略之間的切換主要有兩種方 法，一種是采用單純的開關(guān)轉(zhuǎn)換方式，利用發(fā)電機(jī)的功率作為判斷依據(jù)，當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率小于 額定功率時(shí)采用轉(zhuǎn)矩控制策略，當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率大于額定功率時(shí)采用變槳距控制策略。另外 一種方法是在使用PID (比例、積分、微分)控制算法的基礎(chǔ)上采用積分器飽和的方法以及一 個(gè)槳距動(dòng)作的標(biāo)識(shí)變量來完成兩種控制策略的切換過程槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制都采用PID (比例、積分、微分)控制器，在額定狀態(tài)以下時(shí)槳距PID控制器的積分項(xiàng)飽和，槳距角輸出指 令限制在最小槳距角，轉(zhuǎn)矩控制器起作用而槳距控制器不起作用；在額定狀態(tài)以上時(shí)，轉(zhuǎn)矩 PID控制器的積分項(xiàng)飽和，轉(zhuǎn)矩輸出指令限制在額定轉(zhuǎn)矩，槳距控制器起作用而轉(zhuǎn)矩控制 器不起作用；當(dāng)槳距控制器起作用、槳距角大于某個(gè)設(shè)定值的時(shí)候，槳距動(dòng)作的標(biāo)識(shí)量被設(shè) 置，這個(gè)設(shè)置的標(biāo)識(shí)量用來限制轉(zhuǎn)矩的取值，防止在槳距動(dòng)作的過程中轉(zhuǎn)矩的不正常跌落。
對(duì)于風(fēng)速處于額定風(fēng)速上下不斷波動(dòng)的工況，采用單純開關(guān)轉(zhuǎn)換的控制策略，由 于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將會(huì)在轉(zhuǎn)矩控制和變槳距控制兩種控制方法之間頻繁切 換，增加了系統(tǒng)各個(gè)部件的疲勞載荷，降低了風(fēng)力機(jī)組的使用壽命。同時(shí)切換的過程沒有任 何控制上的平滑措施，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)關(guān)鍵零部件在切換過程中的載荷沖擊增大，影響了風(fēng)機(jī)部 件的壽命；同時(shí)加大了風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，影響了電能質(zhì)量，增加了電網(wǎng)的安全隱患。
采用積分器飽和外加輔助變量的方法來實(shí)現(xiàn)槳距控制器與轉(zhuǎn)矩控制器切換過程 的控制策略，當(dāng)風(fēng)速處于額定風(fēng)速附近上下不斷波動(dòng)時(shí)，槳距控制器與轉(zhuǎn)矩控制器仍然會(huì) 同時(shí)作用，達(dá)不到解耦的目的，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定；當(dāng)積分器處于過飽和狀態(tài)時(shí)會(huì) 導(dǎo)致槳距執(zhí)行器或者轉(zhuǎn)矩執(zhí)行器不動(dòng)作，而當(dāng)轉(zhuǎn)速變化過快時(shí)又可能會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器的誤動(dòng) 作；同時(shí)輔助變量的加入也會(huì)導(dǎo)致控制切換的不平滑。這些缺點(diǎn)都會(huì)影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定 性，增加風(fēng)機(jī)的載荷沖擊與疲勞載荷，提高了風(fēng)機(jī)的成本，影響了風(fēng)機(jī)的使用壽命。
經(jīng)檢索申請(qǐng)?zhí)枮?01210009371. 7的發(fā)明公開一種兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)組的控制方法、控制系統(tǒng)及 兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)組，該控制方法中首先檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的功率，只有控制器判斷該 風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的功率大于預(yù)設(shè)極限功率值，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)在高于預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，風(fēng) 力發(fā)電機(jī)的控制方法才會(huì)由轉(zhuǎn)矩控制方法變換至變槳距控制方法，除此外一直采用響應(yīng)比 較快的轉(zhuǎn)矩控制方法進(jìn)行控制；該控制方法不僅滿足一般工況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制需求， 而且有效解決了在風(fēng)速處于額定風(fēng)速上下波動(dòng)且波動(dòng)較小工況下，兩種控制方法頻繁轉(zhuǎn)換 的現(xiàn)象，減少變槳系統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度，提高風(fēng)力機(jī)組各部件的使用壽命，并且對(duì)于極端升降陣 風(fēng)工況，可以解決風(fēng)輪超速和極限載荷較大的問題。
申請(qǐng)?zhí)枮?01010250626. X的發(fā)明提供了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制方法，其 包括雙PID轉(zhuǎn)矩計(jì)算控制步驟之間轉(zhuǎn)換時(shí)，加入滯環(huán)。本發(fā)明所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率 控制方法在現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)硬件的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)信息，如轉(zhuǎn) 速、功率、轉(zhuǎn)矩、風(fēng)速、變槳角度等，在一套新的控制算法的處理下，將原來的功率波動(dòng)較大， 修改為風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩和功率變化相對(duì)較緩，減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的閃變 大小，可實(shí)現(xiàn)更佳的控制效果。
申請(qǐng)?zhí)枮?00910183567.6的發(fā)明提供了一種兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)合控制策 略，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處風(fēng)速在額定風(fēng)速上下浮動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制策略和變槳距控制策略同時(shí) 保持運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變槳距PID控制器和轉(zhuǎn)矩PID控制器之間的無(wú)擾動(dòng)切換。本發(fā)明充分 利用了 PID算法的積分飽和特性，使得轉(zhuǎn)矩PID控制器和變槳距PID控制器之間的切換平 滑且靈敏，避免了以往開關(guān)方式切換過程中的變槳距控制器和轉(zhuǎn)矩控制器之間的相互干 擾，同時(shí)保證了在同一時(shí)間只有一個(gè)控制器工作，避免了風(fēng)速在額定點(diǎn)上下浮動(dòng)時(shí)，風(fēng)力發(fā) 電機(jī)功率的劇烈波動(dòng)，進(jìn)而降低了載荷沖擊，提高了電能質(zhì)量，增大了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠 性，提升了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能。
上述這些專利雖然與風(fēng)力機(jī)組的控制有關(guān)，但是都還是屬于前面所述的兩種控制 方法類型，也都存在前面所述的一些不足和問題，因此很有必要對(duì)此加以進(jìn)一步的研究。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)行的變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦技術(shù)方案在 變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制切換的過程中會(huì)導(dǎo)致較大的沖擊載荷，同時(shí)兩種控制之間的切換過 于頻繁，導(dǎo)致關(guān)鍵零部件的疲勞載荷過大，影響了部件的使用壽命的問題。為此我們提出一 種在不增加風(fēng)機(jī)硬件措施的情況下，為變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供一種轉(zhuǎn)矩控制器與變 槳距控制器解耦的技術(shù)方案。
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是一種大型風(fēng)電 機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，風(fēng)力發(fā)電機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)由變槳距控制系統(tǒng) 與轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的過程之中，槳距PID (比例、積分、微分)控制器與轉(zhuǎn)矩 PID控制器同時(shí)運(yùn)行，其中變槳距控制由槳距PID控制器實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩控制由轉(zhuǎn)矩PID控制器 實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)一步地，變槳距控制系統(tǒng)由槳距偏差計(jì)算模塊、槳距PID控制器模塊、槳距限幅 模塊等組合而成；槳距偏差計(jì)算模塊以轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩命令中間值作為輸入，經(jīng)過 數(shù)據(jù)處理之后得到槳距偏差；而槳距偏差與槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差的差值稱為槳距聯(lián)合偏差(上述槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差是由經(jīng)過低通、帶通、帶阻等濾波器濾波處理后的發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn) 速與槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)相減得到，而槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)即為額定轉(zhuǎn)速)，槳距聯(lián)合 偏差作為槳距PID控制器模塊的輸入，槳距PID控制器模塊對(duì)槳距聯(lián)合偏差處理后輸出的 數(shù)據(jù)經(jīng)過了槳距位置限幅模塊的處理之后，得到了槳距控制命令的中間值；槳距控制命令 的中間值與塔架加阻模塊計(jì)算后所得到的槳距角在一起經(jīng)過處理之后，所得的輸出作為槳 距命令輸出的最終值發(fā)送至槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行變槳?jiǎng)幼鳌?br> 進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊、轉(zhuǎn)矩大小限 幅模塊等組合而成；轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊以槳距控制系統(tǒng)中的槳距命令中間值作為輸入，經(jīng) 過數(shù)據(jù)處理之后得到轉(zhuǎn)矩偏差，轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差的和值稱為轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差 (上述轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差是濾波后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)相減得到轉(zhuǎn)矩 控制的轉(zhuǎn)速誤差，而轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)在發(fā)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速段與高轉(zhuǎn)速段分別設(shè)定了不 同的轉(zhuǎn)速點(diǎn))，轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差作為轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊的輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊處 理后輸出的信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)矩大小限幅模塊后，得到了轉(zhuǎn)矩控制命令的中間值，這一中間值與 傳動(dòng)鏈加阻模塊計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩在一起經(jīng)過處理之后，所得的輸出作為轉(zhuǎn)矩命令輸出的最 終值發(fā)送至轉(zhuǎn)矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行變轉(zhuǎn)矩動(dòng)作。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明所提供的解耦控制算法在沒有增加額外硬件情況下， 修改控制器軟件實(shí)現(xiàn)了槳距控制器與轉(zhuǎn)矩控制器的解耦算法，降低了風(fēng)機(jī)的成本。
在槳距控制器與轉(zhuǎn)矩控制器的切換過程中沒有采用硬件開關(guān)轉(zhuǎn)換的控制方法，也 沒有在程序中使用一個(gè)標(biāo)識(shí)變量來標(biāo)識(shí)控制器轉(zhuǎn)換的過程，而是采用聯(lián)合偏差以及加入延 遲環(huán)節(jié)的方法使兩種控制器輪流起作用，在兩個(gè)控制器之間平滑過渡；這樣就避免了在控 制器切換的過程中風(fēng)機(jī)各個(gè)部件的載荷沖擊，以及發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
解耦控制算法中采用的延遲環(huán)節(jié)還可以避免風(fēng)機(jī)在額定狀態(tài)附近工作時(shí)兩種控 制器的頻繁切換，減少了風(fēng)機(jī)槳距執(zhí)行器、轉(zhuǎn)矩執(zhí)行器開關(guān)動(dòng)作的頻率，減少了風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部 件的疲勞載荷，增加了部件的使用壽命。


圖1轉(zhuǎn)矩控制與槳距控制的解耦結(jié)構(gòu)原理圖；圖2槳距偏差計(jì)算模塊的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3槳距偏差生成器的非線性環(huán)節(jié)示意圖；圖4轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊的結(jié)構(gòu)原理圖；圖5轉(zhuǎn)矩偏差生成器的非線性環(huán)節(jié)示意圖；圖6風(fēng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作曲線。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
附圖1給出本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩控制與槳距控制的解耦結(jié)構(gòu)原理圖，通過附圖可以看 出，本發(fā)明涉及一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，風(fēng)力發(fā)電機(jī)整 個(gè)控制系統(tǒng)由變槳距控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的過程之中，槳距PID控 制器與轉(zhuǎn)矩控制器同時(shí)運(yùn)行，其中變槳距控制由槳距PID控制器實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩控制由轉(zhuǎn)矩控制器實(shí)現(xiàn)。
如圖1所示，變槳距控制系統(tǒng)包括槳距偏差計(jì)算模塊1、槳距PID控制器模塊2、 槳距位置限幅模塊3 ;所述變槳距控制由槳距PID控制器實(shí)現(xiàn)是指，先由槳距偏差計(jì)算模塊 I計(jì)算出槳距偏差，槳距偏差再與槳距控制轉(zhuǎn)速誤差的差稱為槳距聯(lián)合偏差，再將槳距聯(lián)合 偏差輸入槳距PID控制器模塊2，槳距PID控制器模塊對(duì)槳距聯(lián)合偏差處理，得到的輸出數(shù) 據(jù)再經(jīng)過槳距位置限幅模塊3處理得到了槳距控制命令的中間值，再將槳距控制命令的中 間值與塔架加阻模塊14合成之后，經(jīng)過處理得到槳距角，并將最終結(jié)果輸出作為槳距命令 輸出的最終值發(fā)送至槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行變槳?jiǎng)幼鳌?br> 其中，槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差是由經(jīng)過低通、帶通、帶阻等濾波器濾波處理后的發(fā)電 機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速與槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)相減得到，而槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)即為額定轉(zhuǎn)速; 槳距控制命令的中間值還將作為轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊4的輸入值。
如圖1所示，轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊4、轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊5、轉(zhuǎn)矩 大小限幅模塊6 ;槳距控制命令的中間值作為轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊4的輸入信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩偏 差計(jì)算模塊4的處理之后得到轉(zhuǎn)矩偏差，轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差的和稱為轉(zhuǎn)矩聯(lián) 合偏差(上述轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差是濾波后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)相減得 到轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差，而轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)在發(fā)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速段與高轉(zhuǎn)速段分別設(shè) 定了不同的轉(zhuǎn)速點(diǎn))，轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差作為轉(zhuǎn)矩PID控制器5模塊的輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩PID控制 器模塊5處理后輸出的信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)矩大小限幅模塊6后，得到了轉(zhuǎn)矩控制命令的中間值，這 一中間值與傳動(dòng)鏈加阻模塊7計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩在一起經(jīng)過處理后，所得的輸出作為轉(zhuǎn)矩命 令輸出的最終值發(fā)送至轉(zhuǎn)矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行變轉(zhuǎn)矩動(dòng)作。
如圖2所示，在槳距偏差計(jì)算模塊的內(nèi)部，槳距偏差發(fā)生器8接收轉(zhuǎn)矩PID控制器 輸出的轉(zhuǎn)矩命令中間值，根據(jù)非線性環(huán)節(jié)的特性采用插值的方法生成相應(yīng)的偏差，偏差乘 以槳距偏差增益9后再經(jīng)過槳距偏差延遲環(huán)節(jié)10輸出槳距偏差，槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差與槳 距偏差的差值構(gòu)成槳距聯(lián)合偏差，槳距聯(lián)合偏差輸入到槳距PID控制器模塊，控制器模塊 經(jīng)過計(jì)算輸出槳距指令。
如圖3所示，槳距偏差發(fā)生器8是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)計(jì)算器。橫軸是輸入轉(zhuǎn)矩命令， 縱軸是生成的槳距偏差，槳距偏差發(fā)生器的非線性環(huán)節(jié)主要包括以下幾種形式，從總體趨 勢(shì)上來看，槳距偏差隨著轉(zhuǎn)矩命令的增大而減少，當(dāng)轉(zhuǎn)矩命令達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩時(shí)槳距偏差為 0，至于減小的趨勢(shì)則根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)不同而有所變化。槳距偏差增益對(duì)槳距偏差發(fā)生 器生成的偏差進(jìn)行增益放大以及量綱轉(zhuǎn)換，變換后的槳距偏差與轉(zhuǎn)速誤差的量綱相同。槳 距偏差延遲環(huán)節(jié)是對(duì)生成的槳距偏差進(jìn)行滯后濾波，主要作用是延遲偏差變化的時(shí)間，避 免短時(shí)陣風(fēng)的干擾，進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器同時(shí)作用的可能性，增強(qiáng)了轉(zhuǎn) 矩控制器與槳距控制器的解耦效果如圖4所示，在轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊4中，轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器11接收槳距PID控制器輸出 的經(jīng)過限幅的槳距命令中間值，根據(jù)非線性環(huán)節(jié)的特性采用插值的方法生成相應(yīng)的偏差， 偏差乘以轉(zhuǎn)矩偏差增益12后再經(jīng)過轉(zhuǎn)矩偏差延遲環(huán)節(jié)13輸出轉(zhuǎn)矩偏差，轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩 控制的轉(zhuǎn)速誤差之和構(gòu)成轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差，轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差輸入到轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊，轉(zhuǎn)矩 控制器模塊經(jīng)過計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩指令。
如圖5所示，轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器11是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)計(jì)算器。橫軸是輸入的槳距命令，縱軸是生成的轉(zhuǎn)矩偏差，轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器的非線性環(huán)節(jié)主要包括以下幾種情況，從總體趨勢(shì)上來看，轉(zhuǎn)矩偏差隨著槳距命令的增大而增大，當(dāng)槳距命令達(dá)到順槳角度時(shí)轉(zhuǎn)矩偏差達(dá)到最大，至于增大的趨勢(shì)則根據(jù)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)不同而有所變化。轉(zhuǎn)矩偏差增益對(duì)轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器生成的偏差進(jìn)行增益放大以及量綱轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)矩偏差量綱與轉(zhuǎn)速誤差相同， 轉(zhuǎn)矩偏差延遲環(huán)節(jié)是對(duì)生成的轉(zhuǎn)矩偏差進(jìn)行滯后濾波，主要作用是延遲偏差變化的時(shí)間， 避免短時(shí)陣風(fēng)的干擾，并進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器同時(shí)作用的可能性，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器的解耦效果。
如圖6所示，曲線AB⑶EF是風(fēng)機(jī)的工作曲線，AB是風(fēng)機(jī)的起動(dòng)階段；在B⑶段，風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩按照公式Γ = kaP 給出以控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤風(fēng)速變化維持最優(yōu)葉尖速比獲得最大風(fēng)能捕獲系數(shù)；在D點(diǎn)發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速；在DE段，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令按照轉(zhuǎn)矩PID控制器給出，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持額定轉(zhuǎn)速不變，在E點(diǎn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)的功率為額定功率，風(fēng)機(jī)工作開始在額定狀態(tài)；之后，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)啟動(dòng)，通過改變改變槳距角改變?nèi)~片攻角，從而改變風(fēng)機(jī)吸收的風(fēng)能，維持風(fēng)機(jī)工作在額定狀態(tài)。
下面通過具體實(shí)施例來講述本發(fā)明一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，風(fēng)力發(fā)電機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)由變槳距控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的過程之中，槳距PID (比例、積分、微分)控制器與轉(zhuǎn)矩PID控制器同時(shí)運(yùn)行，其中變槳距控制由槳距PID控制器實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩控制由轉(zhuǎn)矩PID控制器實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)一步地，變槳距控制系統(tǒng)由槳距偏差計(jì)算模塊、槳距PID控制器模塊、槳距限幅模塊等組合而成；槳距偏差計(jì)算模塊以轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩命令中間值作為輸入，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后得到槳距偏差；而槳距偏差與槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差的差值稱為槳距聯(lián)合偏差 (上述槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差是由經(jīng)過低通、帶通、帶阻等濾波器濾波處理后的發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速與槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)相減得到，而槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)即為額定轉(zhuǎn)速)，槳距聯(lián)合偏差作為槳距PID控制器模塊的輸入，槳距PID控制器模塊對(duì)槳距聯(lián)合偏差處理后輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過了槳距位置限幅模塊的處理之后，得到了槳距 控制命令的中間值；槳距控制命令的中間值與塔架加阻模塊計(jì)算后所得到的槳距角在一起經(jīng)過處理之后，所得的輸出作為槳距命令輸出的最終值發(fā)送至槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行變槳?jiǎng)幼鳌?br> 進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊、轉(zhuǎn)矩大小限幅模塊等組合而成；轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊以槳距控制系統(tǒng)中的槳距命令中間值作為輸入，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后得到轉(zhuǎn)矩偏差，轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差的和值稱為轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差 (上述轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差是濾波后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)相減得到轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差，而轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)在發(fā)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速段與高轉(zhuǎn)速段分別設(shè)定了不同的轉(zhuǎn)速點(diǎn))，轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差作為轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊的輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊處理后輸出的信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)矩大小限幅模塊后，得到了轉(zhuǎn)矩控制命令的中間值，這一中間值與傳動(dòng)鏈加阻模塊計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩在一起經(jīng)過處理之后，所得的輸出作為轉(zhuǎn)矩命令輸出的最終值發(fā)送至轉(zhuǎn)矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行變轉(zhuǎn)矩動(dòng)作。
其中，槳距控制器與轉(zhuǎn)矩控制器在風(fēng)機(jī)的整個(gè)工作過程中保持同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，本發(fā)明的解耦策略能夠有效的解除了二者之間的耦合，使兩個(gè)控制器能夠分別單獨(dú)起作用。槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)恒為發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)在發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速 的時(shí)候設(shè)定為發(fā)電機(jī)的最低工作轉(zhuǎn)速，也就是A點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，而在發(fā)電機(jī)高轉(zhuǎn)速的時(shí)候，轉(zhuǎn)速 參考點(diǎn)設(shè)定為發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于啟動(dòng)階段AB時(shí)，槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于零，而由于轉(zhuǎn)矩命令遠(yuǎn)小于額定轉(zhuǎn)矩所以槳距偏差為正值，槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差與槳距 偏差的差值小于零，所以槳距控制器模塊輸出的槳距命令為負(fù)值，由于槳距限幅的作用槳 距角就被限制在最小槳距角處，槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。此時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩偏差為0，同時(shí)由于 轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)為發(fā)電機(jī)最小轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊根據(jù)轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差(轉(zhuǎn) 速誤差與轉(zhuǎn)矩偏差的和)經(jīng)過計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩命令，維持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng) 過程。所以，在風(fēng)機(jī)工作的AB段，風(fēng)機(jī)的槳距控制系統(tǒng)不起作用而轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)起作用，本 發(fā)明的解耦控制算法實(shí)現(xiàn)了兩種控制器的解耦。
在風(fēng)機(jī)工作的BCD曲線段，轉(zhuǎn)矩控制器按照最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的方式給出轉(zhuǎn)矩命令，控制 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持風(fēng)機(jī)的葉尖速比A為最優(yōu)以及最大的風(fēng)能利用系數(shù)。在這一階段，由于轉(zhuǎn)矩命令小于額定轉(zhuǎn)矩所以槳距偏差計(jì)算模塊得到槳距偏差大于零，同時(shí)槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差小于零，所以槳距PID控制器模塊的輸入槳距聯(lián)合偏差小于 零，由于限幅作用，槳距角維持在最小槳距角處，此時(shí)槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。所以在風(fēng)機(jī)的 BCD段，槳距控制系統(tǒng)不起作用而轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)起作用，本發(fā)明的解耦控制算法實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩 控制器與槳距控制器的解耦。
在風(fēng)機(jī)工作曲線的DEF段，槳距控制器以及轉(zhuǎn)矩控制器的參考轉(zhuǎn)速都設(shè)定為額定 轉(zhuǎn)速，在這一段風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速。隨著風(fēng)速的上升，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩升高，功 率升高，當(dāng)達(dá)到E點(diǎn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，功率達(dá)到額定功率。之后隨著風(fēng)速的升高， 發(fā)電機(jī)維持轉(zhuǎn)矩不變，變槳距執(zhí)行器開始動(dòng)作，通過改變槳葉攻角、風(fēng)機(jī)吸收的風(fēng)能來維持 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及功率不變。下面分成幾種情況來分別闡述本發(fā)明的解耦控制算法在風(fēng)機(jī)工 作的DEF段的作用機(jī)制。
針對(duì)風(fēng)機(jī)工作在額定狀態(tài)以下，風(fēng)速由額定以下向額定以上上升的情況，本發(fā)明 的槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦策略能夠有效的解除風(fēng)速上升過程中在額定點(diǎn)附近的槳距 控制與轉(zhuǎn)矩控制的耦合作用。首先當(dāng)風(fēng)機(jī)處于額定以下的工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于額 定轉(zhuǎn)矩，槳距偏差大于零，槳距還維持在最小槳距角處，轉(zhuǎn)矩偏差為零，轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)速偏 差之和作為轉(zhuǎn)矩PID控制器的輸入，控制器輸出轉(zhuǎn)矩命令，維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。在風(fēng)速升 高過程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速誤差升高，而轉(zhuǎn)矩偏差為零，所以轉(zhuǎn)矩PID控制器的輸入轉(zhuǎn) 矩聯(lián)合偏差(轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速誤差與轉(zhuǎn)矩偏差之和)升高，轉(zhuǎn)矩控制器的輸出指令升高；而此時(shí)由 于轉(zhuǎn)矩命令的值小于額定轉(zhuǎn)矩，槳距偏差為正值，而且要相對(duì)大于此時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差，因此槳 距PID控制器的輸入槳距聯(lián)合偏差(轉(zhuǎn)速誤差與槳距偏差的差值)為負(fù)值，槳距控制器的輸 出命令為最小槳距角的值，槳距執(zhí)行器沒有動(dòng)作。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩繼續(xù)上升達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩 的時(shí)候，由槳距偏差發(fā)生器的非線性環(huán)節(jié)可知此時(shí)對(duì)應(yīng)的偏差為零，但是偏差要經(jīng)過延遲 環(huán)節(jié)才能得到槳距偏差，槳距偏差需要經(jīng)過一段時(shí)間才能為零；所以此時(shí)槳距聯(lián)合偏差仍 然為負(fù)值，槳距PID控制器輸出的槳距指令仍然為最小槳距角，槳距執(zhí)行器不動(dòng)作。之后， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩繼續(xù)維持在額定轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速誤差繼續(xù)上升，而最終輸出的槳距偏 差繼續(xù)變小趨近于零，經(jīng)過一段延遲時(shí)間后，槳距PID控制器的輸入槳距聯(lián)合偏差變?yōu)檎担瑯嗫刂破鬏敵龅淖儤噶畲笥谧钚嘟?，變槳?zhí)行器開始動(dòng)作?？梢?，只有當(dāng)轉(zhuǎn)矩 維持在額定轉(zhuǎn)矩并經(jīng)過延遲環(huán)節(jié)所規(guī)定的時(shí)間后變槳執(zhí)行器才開始動(dòng)作，改變風(fēng)機(jī)吸收的 風(fēng)能，維持風(fēng)機(jī)工作在額定狀態(tài)，這樣在風(fēng)速上升的過程中就解決了風(fēng)機(jī)由額定之下向額 定之上狀態(tài)過渡時(shí)槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的耦合問題。
針對(duì)風(fēng)機(jī)工作在額定以上，風(fēng)速降低風(fēng)機(jī)由額定以上向額定以下工作狀態(tài)變化的 情況，本發(fā)明的解耦策略可以有效的解除風(fēng)速下降過程中的槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的耦合作 用。風(fēng)機(jī)處于額定狀態(tài)以上時(shí)，轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，槳距偏差為零，槳距PID控制器給出的變 槳距指令大于最小槳距角，變槳距執(zhí)行器處于工作過程中，轉(zhuǎn)矩偏差大于零。當(dāng)風(fēng)速降低 時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速誤差降低，但是由于此時(shí)轉(zhuǎn)矩偏差大于零，且轉(zhuǎn)矩偏差的絕對(duì)值大 于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速誤差的絕對(duì)值，所以轉(zhuǎn)矩PID控制器的輸入轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差(轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn) 速誤差之和)仍然大于零，轉(zhuǎn)矩控制器輸出的轉(zhuǎn)矩指令仍然為額定轉(zhuǎn)矩；而由于槳距偏差為 零，槳距PID控制器的輸入槳距聯(lián)合偏差(槳距控制轉(zhuǎn)速誤差與槳距偏差之差)為負(fù)值，所以 控制器的輸出指令為負(fù)值，槳距執(zhí)行器控制槳距向最小槳距角動(dòng)作。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定以及 額定以下時(shí)，槳距PID控制器的輸出指令為最小槳距角，槳距執(zhí)行器停止動(dòng)作，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩 偏差生成器輸出的偏差為零，但是偏差要經(jīng)過延遲環(huán)節(jié)才能得到轉(zhuǎn)矩偏差，所以此時(shí)轉(zhuǎn)矩 偏差仍然大于零，轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差仍然大于零，轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩輸出指令仍然為額定轉(zhuǎn)矩。 之后，槳距執(zhí)行器停止動(dòng)作，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩維持為額定轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速誤差繼續(xù)降 低，轉(zhuǎn)矩偏差繼續(xù)趨近于零，經(jīng)過一段延遲時(shí)間后轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差開始為負(fù)值，轉(zhuǎn)矩執(zhí)行器開 始動(dòng)作降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩并維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。這樣在風(fēng)速下降的下降過程中就解決了風(fēng) 機(jī)由額定之上向額定之下狀態(tài)過渡時(shí)槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的耦合問題。
針對(duì)風(fēng)機(jī)工作在額定風(fēng)速以下，突然有一個(gè)上升的短時(shí)陣風(fēng)使風(fēng)速瞬間到達(dá)額定 風(fēng)速以上然后風(fēng)速又下降到額定風(fēng)速以下的情況，本發(fā)明的解耦策略能夠有效避免槳距執(zhí) 行器的頻繁動(dòng)作。風(fēng)機(jī)工作在額定以下情況時(shí)，槳距指令為最小槳距角，轉(zhuǎn)矩偏差為零，轉(zhuǎn) 矩指令小于額定轉(zhuǎn)矩，槳距偏差大于零。當(dāng)來一個(gè)陣風(fēng)使風(fēng)速瞬間達(dá)到額定風(fēng)速以上時(shí)，發(fā) 電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速誤差上升，轉(zhuǎn)矩PID控制器輸出的轉(zhuǎn)矩指令上升并達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩， 槳距偏差發(fā)生器的輸出為零，但是由于槳距偏差發(fā)生器輸出的偏差要經(jīng)過延遲環(huán)節(jié)的作 用，此時(shí)槳距偏差仍然為正值，槳距PID控制器的輸入槳距聯(lián)合偏差(槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差 與槳距偏差的差值)仍然為負(fù)值，所以槳距控制器的指令輸出為最小槳距角，槳距執(zhí)行器不 動(dòng)作。經(jīng)過一段時(shí)間風(fēng)速下降到額定風(fēng)速以下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速誤差下降，轉(zhuǎn)矩PID控制 器的輸出指令下降，槳距偏差大于零，相應(yīng)的槳距聯(lián)合偏差小于零，槳距PID控制器的輸出 指令為最小槳距角，風(fēng)機(jī)重新處于額定以下工作狀態(tài)。在短時(shí)上升陣風(fēng)的整個(gè)風(fēng)速變化過 程中，本發(fā)明的解耦控制算法能夠避免風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器同時(shí)起作用。
針對(duì)風(fēng)機(jī)工作在額定風(fēng)速以上，突然有一個(gè)下降的短時(shí)陣風(fēng)使風(fēng)速瞬間到達(dá)額定 風(fēng)速以下然后風(fēng)速又上升到額定風(fēng)速以上的情況，本發(fā)明的解耦策略能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩有 效維持在額定轉(zhuǎn)矩，防止發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率瞬間下跌。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作在額定風(fēng)速以上時(shí)，轉(zhuǎn)矩 指令為額定轉(zhuǎn)矩，槳距偏差為零，槳距角大于最小槳距角的值，轉(zhuǎn)矩偏差大于零。當(dāng)風(fēng)速突 然降低到額定以下時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速誤差降低，槳距PID執(zhí)行器的輸出指令變小并減 少到最小槳距角，轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器輸出的偏差也減少至零，但是由于轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器輸出 的偏差要經(jīng)過延遲環(huán)節(jié)的作用，此時(shí)轉(zhuǎn)矩偏差仍然大于零，所以轉(zhuǎn)矩PID控制器的輸入轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差(轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差與轉(zhuǎn)矩偏差的和)大于零，控制器輸出的轉(zhuǎn)矩指令仍然為 額定轉(zhuǎn)矩；經(jīng)過一段時(shí)間風(fēng)速重新上升至額定風(fēng)速以上，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速誤差上升，槳 距PID執(zhí)行器輸出的指令變大，轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器輸出的轉(zhuǎn)矩偏差變大，轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差變大， 轉(zhuǎn)矩PID控制器輸出的轉(zhuǎn)矩指令為額定轉(zhuǎn)矩，風(fēng)機(jī)重新工作于額定工作狀態(tài)。這樣在短時(shí) 下降陣風(fēng)的整個(gè)風(fēng)速變化過程中，本發(fā)明的解耦策略能夠避免轉(zhuǎn)矩、功率的瞬間下跌以及 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器的耦合作用。
權(quán)利要求
1.一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，風(fēng)力發(fā)電機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)由變槳距控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的過程之中，槳距PID 控制器與轉(zhuǎn)矩控制器同時(shí)運(yùn)行，其中變槳距控制由槳距PID控制器實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩控制由轉(zhuǎn)矩控制器實(shí)現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，變槳距控制系統(tǒng)包括槳距偏差計(jì)算模塊、槳距PID控制器模塊、槳距位置限幅模塊；所述變槳距控制由槳距PID控制器實(shí)現(xiàn)是指，先由槳距偏差計(jì)算模塊計(jì)算出槳距偏差， 再與槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差合成為槳距聯(lián)合偏差，再將槳距聯(lián)合偏差輸入槳距PID控制器模塊，槳距PID控制器模塊對(duì)槳距聯(lián)合偏差處理后的輸出數(shù)據(jù)給槳距位置限幅模塊，得到了槳距控制命令的中間值，再將槳距控制命令的中間值與塔架加阻模塊合成之后，經(jīng)過處理計(jì)算后所得到槳距角，并將最終結(jié)果輸出作為槳距命令輸出的最終值發(fā)送至槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行變槳?jiǎng)幼鳌?br> 3.如權(quán)利要求2所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差是由經(jīng)過低通、帶通、帶阻等濾波器濾波處理后的發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速與槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)相減得到，而槳距控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)即為額定轉(zhuǎn)速；槳距控制命令的中間值還將作為轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊的輸入值。
4.如權(quán)利要求1所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法， 其特征在于，轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊、轉(zhuǎn)矩大小限幅模塊；槳距控制命令的中間值作為轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊的輸入信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊的處理之后得到轉(zhuǎn)矩偏差，轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差的差值稱為轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差，轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差作為轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊的輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊處理后輸出的信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)矩大小限幅模塊后，得到了轉(zhuǎn)矩控制命令的中間值，這一中間值與傳動(dòng)鏈加阻模塊計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩在一起經(jīng)過處理后，所得的輸出作為轉(zhuǎn)矩命令輸出的最終值發(fā)送至轉(zhuǎn)矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行變轉(zhuǎn)矩動(dòng)作。
5.如權(quán)利要求4所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差的轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差是濾波后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)相減得到轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差，而轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)在發(fā)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速段與高轉(zhuǎn)速段分別設(shè)定了不同的轉(zhuǎn)速點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，在槳距偏差計(jì)算模塊的內(nèi)部，槳距偏差發(fā)生器接收轉(zhuǎn)矩PID控制器輸出的轉(zhuǎn)矩命令中間值，根據(jù)非線性環(huán)節(jié)的特性采用插值的方法生成相應(yīng)的偏差，偏差乘以槳距偏差增益后再經(jīng)過延遲環(huán)節(jié)輸出槳距偏差，槳距控制的轉(zhuǎn)速誤差與槳距偏差的差值構(gòu)成槳距聯(lián)合偏差，槳距聯(lián)合偏差輸入到槳距PID控制器模塊，控制器模塊經(jīng)過計(jì)算輸出槳距指令。
7.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，槳距偏差發(fā)生器是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)計(jì)算器；橫軸是輸入轉(zhuǎn)矩命令， 縱軸是生成的槳距偏差，槳距偏差發(fā)生器的非線性環(huán)節(jié)主要包括以下幾種形式，從總體趨勢(shì)上來看，槳距偏差隨著轉(zhuǎn)矩命令的增大而減少，當(dāng)轉(zhuǎn)矩命令達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩時(shí)槳距偏差為 0，至于減小的趨勢(shì)則根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)不同而有所變化；槳距偏差增益對(duì)槳距偏差發(fā)生器生成的偏差進(jìn)行增益放大以及量綱轉(zhuǎn)換，變換后的槳距偏差與轉(zhuǎn)速誤差的量綱相同；槳距偏差延遲環(huán)節(jié)是對(duì)生成的槳距偏差進(jìn)行滯后濾波，主要作用是延遲偏差變化的時(shí)間，避免短時(shí)陣風(fēng)的干擾，進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器同時(shí)作用的可能性，增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器的解耦效果。
8.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，在轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊中，轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器接收槳距PID控制器輸出的經(jīng)過限幅的槳距命令中間值，根據(jù)非線性環(huán)節(jié)的特性采用插值的方法生成相應(yīng)的偏差， 偏差乘以轉(zhuǎn)矩偏差增益后再經(jīng)過延遲環(huán)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩偏差，轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速誤差之和構(gòu)成轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差，轉(zhuǎn)矩聯(lián)合偏差輸入到轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊，轉(zhuǎn)矩控制器模塊經(jīng)過計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩指令。
9.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)計(jì)算器；橫軸是輸入的槳距命令，縱軸是生成的轉(zhuǎn)矩偏差，轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器的非線性環(huán)節(jié)主要包括以下幾種情況，從總體趨勢(shì)上來看，轉(zhuǎn)矩偏差隨著槳距命令的增大而增大，當(dāng)槳距命令達(dá)到順槳角度時(shí)轉(zhuǎn)矩偏差達(dá)到最大，至于增大的趨勢(shì)則根據(jù)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)不同而有所變化；轉(zhuǎn)矩偏差增益對(duì)轉(zhuǎn)矩偏差發(fā)生器生成的偏差進(jìn)行增益放大以及量綱轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)矩偏差量綱與轉(zhuǎn)速誤差相同， 轉(zhuǎn)矩偏差延遲環(huán)節(jié)是對(duì)生成的轉(zhuǎn)矩偏差進(jìn)行滯后濾波，主要作用是延遲偏差變化的時(shí)間， 避免短時(shí)陣風(fēng)的干擾，并進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器同時(shí)作用的可能性，增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩控制器與槳距控制器的解耦效果。
10.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的一種大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，其特征在于，曲線ABCDEF是風(fēng)機(jī)的工作曲線，AB是風(fēng)機(jī)的起動(dòng)階段；在此0段，風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩按照公式Γ =Jfcffl2 給出以控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤風(fēng)速變化維持最優(yōu)葉尖速比獲得最大風(fēng)能捕獲系數(shù)，在D點(diǎn)發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速；在DE段，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令按照轉(zhuǎn)矩PID控制器給出，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持額定轉(zhuǎn)速不變，在E點(diǎn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)的功率為額定功率，風(fēng)機(jī)工作開始在額定狀態(tài)；之后，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)啟動(dòng)，通過改變改變槳距角改變?nèi)~片攻角，從而改變風(fēng)機(jī)吸收的風(fēng)能，維持風(fēng)機(jī)工作在額定狀態(tài)。
全文摘要
大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制與轉(zhuǎn)矩控制的解耦控制方法，由變槳距控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的過程之中，槳距PID控制器與轉(zhuǎn)矩控制器同時(shí)運(yùn)行，其中變槳距控制由槳距PID控制器實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩控制由轉(zhuǎn)矩控制器實(shí)現(xiàn)。變槳距控制系統(tǒng)由槳距偏差計(jì)算模塊、槳距PID控制器模塊、槳距限幅模塊等組合而成，轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩偏差計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)矩PID控制器模塊、轉(zhuǎn)矩大小限幅模塊等組合而成。本發(fā)明所提供的解耦控制算法在沒有增加額外硬件情況下，修改控制器軟件實(shí)現(xiàn)了槳距控制器與轉(zhuǎn)矩控制器的解耦算法，降低了風(fēng)機(jī)的成本。
文檔編號(hào)F03D7/00GK102996335SQ20121040931
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者杜佳佳, 萬(wàn)宇賓, 劉紅文, 王靛 申請(qǐng)人:南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司