專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法。
背景技術(shù)：
隨著全社會對能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的持續(xù)關(guān)注，可再生能源特別是風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)利用正呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的增大，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪直徑、機(jī)艙的重量、塔架的高度都急速增加，以至于風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、風(fēng)湍流等因素在風(fēng)力機(jī)上產(chǎn)生越來越大的負(fù)荷，最終會減少風(fēng)力機(jī)的使用年限。目前，流行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在額定風(fēng)速之上主要采用統(tǒng)一變槳控制，即通過控制三套獨立的變槳機(jī)構(gòu)控制三個槳葉的槳距角相同，從而減小風(fēng)能的捕獲，使得風(fēng)電機(jī)組輸出額定功率。但這種統(tǒng)一變槳控制并沒有考慮風(fēng)力機(jī)的負(fù)荷，特別是疲勞負(fù)荷，隨著風(fēng)力機(jī)容量的增大，負(fù)荷的問題越來越明顯及亟待解決。之前國內(nèi)外提出的獨立變槳控制的目標(biāo)主要是減小槳葉上的Ip負(fù)荷，從而減小風(fēng)輪輪轂及固定部分的Op負(fù)荷。但風(fēng)力機(jī)固定部分的疲勞負(fù)荷主要是由于3p負(fù)荷引起的，因此其固定部分的疲勞負(fù)荷并沒有減小。之前國內(nèi)外提出的獨立變槳控制的主要策略是檢測三個槳葉根部的彎曲力矩M1,M2,M3 (blade root bending moment)和轉(zhuǎn)子的方位角(azimuth angle),之后通過 Coleman變換將M1, M2, M3變換為俯仰力矩Mtilt和偏航力矩M胃。為了減小其他高次諧波的影響，通常在Mtilt和Myaw信號之后加上兩個低通濾波器(LPF)，之后通過控制器(PI，LQG等)輸出對應(yīng)于俯仰力矩和偏航力矩的槳距角Θ tilt和Θ yaw，經(jīng)Coleman逆變換輸出期望的三個槳葉角的增量ΘΜ，0 b2r 0b3。0bl，θ1 ，θ 再分別與統(tǒng)一變槳輸出的槳距角相加輸出總的槳距角分別送給三個槳葉的伺服系統(tǒng)，從而減小槳葉上的Ip負(fù)荷和輪轂上的Op負(fù)荷。如果希望消除風(fēng)力機(jī)輪轂和固定部分的疲勞負(fù)荷，則需要通過類似的控制策略分別消除槳葉上的2p和4p負(fù)荷。由此可見，為了消除風(fēng)力機(jī)的負(fù)荷，現(xiàn)有獨立變槳系統(tǒng)需要經(jīng)過多次復(fù)雜的Coleman變換和逆變換，需多個低通濾波器和多個控制器，控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜。另外，國內(nèi)外提出的獨立變槳控制技術(shù)絕大多數(shù)沒有考慮風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡的情況，然而在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的過程中，槳葉的質(zhì)量可能發(fā)生變化，或者槳葉有所損壞，或者在溫度低的情況下槳葉上會結(jié)冰等等，都會造成風(fēng)力機(jī)負(fù)荷的不平衡，增大疲勞載荷，因此會減小風(fēng)力機(jī)的使用年限。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題鑒于現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獨立變槳控制的不足和復(fù)雜性，本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡或不平衡的情況下，不僅能夠減小槳葉上的負(fù)荷，風(fēng)力機(jī)固定部分的負(fù)荷也得到了減小。此方法簡化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本，提高了運(yùn)算速度，可靠性高，能夠更有效地減小風(fēng)力機(jī)的疲勞載荷。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，該控制方法所采用的控制系統(tǒng)包括兩個控制閉環(huán)，即平衡負(fù)荷控制閉環(huán)和不平衡負(fù)荷控制閉環(huán)，分別用來處理風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡和不平衡的情況，在平衡情況下，使用平衡負(fù)荷控制閉環(huán)來消除槳葉上的負(fù)荷和風(fēng)力機(jī)固定部分的負(fù)荷；當(dāng)檢測到負(fù)荷的不平衡時，啟動不平衡負(fù)荷控制閉環(huán)以消除其對風(fēng)力機(jī)輪轂及固定部分的疲勞載荷，該方法包括風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時步驟11 :分別檢測出三個槳葉根部的彎曲力矩M1, M2, M3送給主控制器，主控制器將三個槳葉根部的彎曲力矩M1, M2, M3經(jīng)過Clarke變換轉(zhuǎn)換為風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時兩個垂直的分量Ma, Me ；步驟12 :風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時兩個垂直的分量Ma，Me信號送給第一比例諧振控制器，輸出對應(yīng)于a，β軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時期望槳距角K，Θ 0，步驟13 :對應(yīng)于a，β軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時期望槳距角θ α，Θ 0經(jīng)過Clarke逆變換得到三個槳葉在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時槳距角增量值θω，0b2, 0b3,步驟14:在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時三個槳葉的槳距角增量值ΘΜ，0b2, θω分別與風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時統(tǒng)一槳距角的給定值Θ。相加，輸出總的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時槳距角Θ C+ Θ bl，Θ。+ Θ b2，Θ e+ Θ b3分別送給三個槳葉的伺服系統(tǒng)；風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時步驟21 :將三個槳葉根部的彎曲力矩M1, M2, M3和方位角信號送給主控制器，經(jīng)過Coleman變換得到風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時兩個垂直的分量Md和Mq ；步驟22:風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時垂直的分量Md，Mq信號送給第二比例諧振控制器，輸出對應(yīng)于d，q軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時期望槳距角Θ d，0q,步驟23 :對應(yīng)于d，q軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時期望槳距角Θ d，Θ q經(jīng)過Coleman逆變換得到風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時三個槳葉的槳距角增量值θη，0i2, 0i3,步驟24:風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時三個槳葉的槳距角增量值θη，0i2, 0i3分別與風(fēng)力機(jī)平衡時的槳距角參考值相加，輸出風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時總的槳距角Θε+ΘΜ+Θη，0C+0 b2+ θ 12 ^ 9 C+ 9 b3+ θ i3分別送給三個槳葉的伺服系統(tǒng)。優(yōu)選的，步驟11中，三個槳葉根部的彎曲力矩M1,M2,M3經(jīng)過Clarke變換轉(zhuǎn)換為風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時兩個垂直的分量Ma，Me，具體通過如下方法實現(xiàn)
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，其特征在于該控制方法所采用的控制系統(tǒng)包括兩個控制閉環(huán)，即平衡負(fù)荷控制閉環(huán)和不平衡負(fù)荷控制閉環(huán)，分別用來處理風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡和不平衡的情況，在平衡情況下，使用平衡負(fù)荷控制閉環(huán)來消除槳葉上的負(fù)荷和風(fēng)力機(jī)固定部分的負(fù)荷；當(dāng)檢測到負(fù)荷的不平衡時，啟動不平衡負(fù)荷控制閉環(huán)以消除其對風(fēng)力機(jī)輪轂及固定部分的疲勞載荷，該方法包括 風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時 步驟11 :分別檢測出三個槳葉根部的彎曲力矩M1, M2, M3送給主控制器，主控制器將三個槳葉根部的彎曲力矩M1,M2,M3經(jīng)過克拉克變換轉(zhuǎn)換為風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時兩個垂直的分量Ma,M0 ； 步驟12 :風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時兩個垂直的分量Ma，Me信號送給第一比例諧振控制器，輸出對應(yīng)于a，β軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時期望槳距角K，Θ 0， 步驟13 :對應(yīng)于a，β軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時期望槳距角θ α，Θ 0經(jīng)過克拉克逆變換得到三個槳葉在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時槳距角增量值θω，0b2, 0b3, 步驟14:在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時三個槳葉的槳距角增量值ΘΜ，0b2, 0b3分別與風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時統(tǒng)一槳距角的給定值Θ。相加，輸出總的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時槳距角Θε+ΘΜ，Θ c+ Θ b2，Θ c+ Θ b3分別送給三個槳葉的伺服系統(tǒng)； 風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時 步驟21 :將三個槳葉根部的彎曲力矩M1, M2, M3和方位角信號送給主控制器，經(jīng)過卡爾曼變換得到風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時兩個垂直的分量Md和Mq ； 步驟22:風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時垂直的分量Md，Mq信號送給第二比例諧振控制器，輸出對應(yīng)于d，q軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時期望槳距角Θ d，0q, 步驟23:對應(yīng)于d，q軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時期望槳距角0d，經(jīng)過卡爾曼逆變換得到風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時三個槳葉的槳距角增量值θη，0i2, 0i3, 步驟24:風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時三個槳葉的槳距角增量值θη，0i2, 0i3分別與風(fēng)力機(jī)平衡時的槳距角參考值相加，輸出風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時總的槳距角Θ。+ Θ bl+ θ η，0C+0 b2+ θ 12 ^ θ C+ θ b3+ θ 3分別送給三個槳葉的伺服系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，其特征在于步驟11中，三個槳葉根部的彎曲力矩M1, M2, M3經(jīng)過克拉克變換轉(zhuǎn)換為風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時兩個垂直的分量Ma, Me,具體通過如下方法實現(xiàn)
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，其特征在于
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，其特征在于步驟13，對應(yīng)于α，β軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時期望槳距角θ α，Θ 0經(jīng)過克拉克逆變換得到三個槳葉在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡時槳距角增量值ΘΜ，0b2, 0b3，通過如下方法實現(xiàn)
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，其特征在于步驟21，將三個槳葉根部的彎曲力矩M1, M2, M3和方位角信號送給主控制器，經(jīng)過卡爾曼變換得到風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時兩個垂直的分量Md和Mq ;通過如下方法實現(xiàn)
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，其特征在于步驟22中，第二比例諧振控制器的傳遞函數(shù)為
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，其特征在于步驟23，對應(yīng)于d，q軸的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時期望槳距角0d，經(jīng)過卡爾曼逆變換得到風(fēng)力機(jī)負(fù)荷不平衡時三個槳葉的槳距角增量值θη，θ 2, 0i3，通過如下方法體現(xiàn)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨立變槳控制方法，其特征在于該控制方法所采用的控制系統(tǒng)包括兩個控制閉環(huán)，即平衡負(fù)荷控制閉環(huán)和不平衡負(fù)荷控制閉環(huán)，分別用來處理風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡和不平衡的情況，在平衡情況下，使用平衡負(fù)荷控制閉環(huán)來消除槳葉上的負(fù)荷和風(fēng)力機(jī)固定部分的負(fù)荷；當(dāng)檢測到負(fù)荷的不平衡時，啟動不平衡負(fù)荷控制閉環(huán)以消除其對風(fēng)力機(jī)輪轂及固定部分的疲勞載荷。在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷平衡或不平衡的情況下，不僅能夠減小槳葉上的負(fù)荷，風(fēng)力機(jī)固定部分的負(fù)荷也得到了極大的減小。
文檔編號F03D7/00GK102926930SQ20121045053
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者程明, 張運(yùn)乾, 陳哲 申請人:東南大學(xué)