一種基于測(cè)量固定坐標(biāo)系下主軸載荷的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)電機(jī)組的控制方法，尤其涉及一種用于風(fēng)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著傳統(tǒng)能源的枯竭以及環(huán)境的日益惡化，新能源尤其是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了飛 速的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量以及單機(jī)容量都在飛快的增長(zhǎng)。隨著機(jī)組容量的增加以及 低風(fēng)速機(jī)組的開發(fā)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪直徑也在不斷的增加。風(fēng)剪切、風(fēng)湍流、槳葉質(zhì)量 偏差、塔影效應(yīng)等都會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪產(chǎn)生不均衡載荷。而隨著葉輪直徑的不斷增 大，這種不平衡對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響就越明顯。目前主要商業(yè)化運(yùn)行的機(jī)組中，主要采用 的還是協(xié)同變槳控制，即雖然每個(gè)槳葉的變槳系統(tǒng)是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的，但是風(fēng)電機(jī)組下發(fā)給變 槳系統(tǒng)的指令是一致。
[0003] 除了商業(yè)化運(yùn)行的機(jī)組基本采用協(xié)同變槳控制，也有一些研究人員提出了通過獨(dú) 立變槳控制技術(shù)來降低機(jī)組的不平衡載荷的方法。目前實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制的方法 有下面三種：（1)第一種方法是僅通過測(cè)量風(fēng)輪方位角，各槳葉的槳距角根據(jù)風(fēng)輪方位角 函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)各槳葉獨(dú)立變槳控制。（2)第二種方法是通過測(cè)量三個(gè)槳葉根部載荷和風(fēng) 輪方位角，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳控制。（3)第三種方法是通過測(cè)量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的主軸載荷，實(shí)現(xiàn)獨(dú) 立變槳控制。其中第一種方法，需要的硬件成本較低，而且對(duì)于減小一些特定影響因素（如 風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、風(fēng)輪傾斜）所造成葉輪上的不均衡載荷是有效的，但是過于依賴?yán)碚撃?型，而且實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中，湍流導(dǎo)致的隨機(jī)變化占主導(dǎo)地位，所以通過這種途徑難以實(shí)現(xiàn)理想效 果。第二種和第三種通過測(cè)量應(yīng)變，分別對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的葉根載荷和主軸載荷進(jìn)行測(cè)量， 然后通過坐標(biāo)變換得到固定坐標(biāo)系下的主軸載荷。而且測(cè)量應(yīng)變的傳感器價(jià)格昂貴，不利 于該技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服已有風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法的過程復(fù)雜、可靠性較差、經(jīng)濟(jì)性較差 的不足，本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)化過程、具有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性的基于測(cè)量固定坐標(biāo)系下 主軸載荷的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于測(cè)量主軸位移的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳的控制方法，所述控制方法包括如下 步驟：
[0007] 1)測(cè)量風(fēng)電機(jī)組的主軸法蘭面的軸向位移；
[0008] 2)根據(jù)測(cè)量的主軸法蘭面軸向位移推導(dǎo)得出主軸載荷，即輪轂固定坐標(biāo)系的主軸 M/彎矩和主軸Μ /彎矩；
[0009] 3)在低速軸上測(cè)量葉輪方位角；
[0010] 4)根據(jù)所得到的輪轂固定坐標(biāo)系的主軸Μ/彎矩和主軸Μ/彎矩，進(jìn)行濾波處理，再 通過控制算法輸出固定坐標(biāo)系下的期望槳距角；
[0011] 5)將所得到的固定坐標(biāo)系下的期望槳距角通過坐標(biāo)變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的各 槳葉的槳距角分量；
[0012] 6)將所得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的各槳葉的槳距角分量和常規(guī)的轉(zhuǎn)速或功率控制得 到的槳距角疊加后輸出到變槳系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳控制。
[0013] 進(jìn)一步，所述步驟1)中，在主軸的前端安裝4個(gè)位移傳感器，用于測(cè)量主軸法蘭面 的軸向位移。
[0014] 優(yōu)選的，所述步驟1)中，沿著主軸的一圈，4個(gè)位移傳感器每隔90°安裝一個(gè)，相 隔180°的兩個(gè)傳感器進(jìn)行相互補(bǔ)償，所述位移傳感器通過安裝支架固定在低速軸主軸承 座上。
[0015] 再進(jìn)一步，所述步驟2)中，根據(jù)主軸法蘭面的軸向位移，根據(jù)經(jīng)典的材料力學(xué)梁 彎曲相關(guān)的理論知識(shí)，換算出固定坐標(biāo)系下的主軸載荷Μ/彎矩和Μ /彎矩。
[0016] 更進(jìn)一步，所述步驟3)中，在低速軸上安裝測(cè)量葉輪方位角的傳感器，所述傳感 器為加裝在滑環(huán)上的編碼器或者在主軸上安裝測(cè)量轉(zhuǎn)角的傳感器。
[0017] 所述步驟4)中，對(duì)測(cè)得的主軸載荷進(jìn)行低通濾波和帶阻濾波，低通濾波器的公式 為：
[0020] 式中，MyL(z)、MzL(z)為濾波后的固定坐標(biāo)系下的主軸彎矩，Τ為控制系統(tǒng)的運(yùn)行周 期，L為低通濾波器的阻尼比，ω i為低通率濾波器的固有頻率。帶阻濾波器的公式為：
[0023] 式中M#(z)、M^(z)為濾波后的固定坐標(biāo)系下的主軸彎矩，T為控制系統(tǒng)的運(yùn)行周 期，ξ2、ξ3為帶阻濾波器的阻尼比，ω 2、ω3為帶阻濾波器的固有頻率。
[0024] 所述步驟4)中，濾波后的主軸載荷Μ#(ζ)、Mzli/z)再通過控制算法輸出固定坐標(biāo) 系下的期望槳距角0y(z)、βζ(ζ)，
[0027] 其中i3y(z)、Mz)為固定坐標(biāo)系下的期望槳距角，&為積分時(shí)間常數(shù)，K p為比例 增益，Τ為控制系統(tǒng)的運(yùn)行周期。
[0028] 所述步驟5)中，將所得到的固定坐標(biāo)系下的期望槳距角i3y(z)、βζ(ζ)，通過坐標(biāo) 變換得到各槳葉的槳距角分量Α Δ β2、Δ β3，
[0032] 其中，θ為葉輪方位角。
[0033] 所述步驟6)中，將所得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的各槳葉的槳距角分量Δ Δ β2、 Α β3和常規(guī)的轉(zhuǎn)速或功率控制中采用雙PI控制得到的槳距角β疊加后輸出到變槳系統(tǒng)， 從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳控制，即βι= β+Αβ Ι、β2= β+Δβ2、β；5= β+Αβ;?。
[0034] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：可以直接測(cè)量固定坐標(biāo)系的主軸載荷，減少了一 步坐標(biāo)變換。而且測(cè)量位移的傳感器可靠性高、價(jià)格便宜，具有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí) 用性較強(qiáng)，有利于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明提供的位移傳感器在主軸上的安裝示意圖。
[0036] 圖2是用于主軸受力分析的輪轂固定坐標(biāo)系示意圖。
[0037] 圖3是基于測(cè)量固定坐標(biāo)系下主軸載荷的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制的控制框 圖。
[0038] 圖4基于測(cè)量固定坐標(biāo)系下主軸載荷的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制的算法實(shí)現(xiàn) 框圖。
[0039] 圖5基于測(cè)量固定坐標(biāo)系下主軸載荷的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制與協(xié)同變槳 控制的仿真結(jié)果的槳距角比較的示意圖。
[0040] 圖6基于測(cè)量固定坐標(biāo)系下主軸載荷的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制與協(xié)同變槳 控制的仿真結(jié)果的主軸彎矩乂比較的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0042] 參照?qǐng)D1~圖6,一種基于測(cè)量主軸位移的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳的控制方法，所述控 制方法包括如下步驟：
[0043] 1)如圖1所示，所安裝的四個(gè)位移傳感器1，用于測(cè)量主軸法蘭面的軸向位移。位 移傳感器1每隔90°安裝一個(gè)。相隔180°的兩個(gè)傳感器可以進(jìn)行相互補(bǔ)償。所述位移傳 感器1 一端安裝在法蘭4上，所述位移傳感器1的另一端通過安裝支架2固定在低速軸主 軸承座3上，主軸5的一端安裝在低速軸主軸承內(nèi)。
[0044] 2)根據(jù)所得到主軸法蘭盤的軸向位移，根據(jù)經(jīng)典的材料力學(xué)梁彎曲相