专利名称：一种风力发电系统的独立变桨控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发电领域，特别涉及风力发电系统的独立变桨控制方法。
背景技术：
随着全社会对能源危机和环境污染问题的持续关注，可再生能源特别是风力发电的开发利用正呈现出加速发展的趋势。随着风电机组容量的增大，风力机的风轮直径、机舱的重量、塔架的高度都急速增加，以至于风剪切、塔影效应、风湍流等因素在风力机上产生越来越大的负荷，最终会减少风力机的使用年限。目前，流行的风力发电系统在额定风速之上主要采用统一变桨控制，即通过控制三套独立的变桨机构控制三个桨叶的桨距角相同，从而减小风能的捕获，使得风电机组输出额定功率。但这种统一变桨控制并没有考虑风力机的负荷，特别是疲劳负荷，随着风力机容量的增大，负荷的问题越来越明显及亟待解决。之前国内外提出的独立变桨控制的目标主要是减小桨叶上的Ip负荷，从而减小风轮轮毂及固定部分的Op负荷。但风力机固定部分的疲劳负荷主要是由于3p负荷引起的，因此其固定部分的疲劳负荷并没有减小。之前国内外提出的独立变桨控制的主要策略是检测三个桨叶根部的弯曲力矩M1,M2,M3 (blade root bending moment)和转子的方位角(azimuth angle),之后通过 Coleman变换将M1, M2, M3变换为俯仰力矩Mtilt和偏航力矩M胃。为了减小其他高次谐波的影响，通常在Mtilt和Myaw信号之后加上两个低通滤波器(LPF)，之后通过控制器(PI，LQG等)输出对应于俯仰力矩和偏航力矩的桨距角Θ tilt和Θ yaw，经Coleman逆变换输出期望的三个桨叶角的增量ΘΜ，0 b2r 0b3。0bl，θ1 ，θ 再分别与统一变桨输出的桨距角相加输出总的桨距角分别送给三个桨叶的伺服系统，从而减小桨叶上的Ip负荷和轮毂上的Op负荷。如果希望消除风力机轮毂和固定部分的疲劳负荷，则需要通过类似的控制策略分别消除桨叶上的2p和4p负荷。由此可见，为了消除风力机的负荷，现有独立变桨系统需要经过多次复杂的Coleman变换和逆变换，需多个低通滤波器和多个控制器，控制系统相当复杂。另外，国内外提出的独立变桨控制技术绝大多数没有考虑风力机负荷不平衡的情况，然而在风力机运行的过程中，桨叶的质量可能发生变化，或者桨叶有所损坏，或者在温度低的情况下桨叶上会结冰等等，都会造成风力机负荷的不平衡，增大疲劳载荷，因此会减小风力机的使用年限。
发明内容
技术问题鉴于现有风力发电系统独立变桨控制的不足和复杂性，本发明的目的在于提供一种风力发电系统的独立变桨控制方法，在风力机负荷平衡或不平衡的情况下，不仅能够减小桨叶上的负荷，风力机固定部分的负荷也得到了减小。此方法简化了控制系统的复杂性，降低成本，提高了运算速度，可靠性高，能够更有效地减小风力机的疲劳载荷。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电系统的独立变桨控制方法，该控制方法所采用的控制系统包括两个控制闭环，即平衡负荷控制闭环和不平衡负荷控制闭环，分别用来处理风力机负荷平衡和不平衡的情况，在平衡情况下，使用平衡负荷控制闭环来消除桨叶上的负荷和风力机固定部分的负荷；当检测到负荷的不平衡时，启动不平衡负荷控制闭环以消除其对风力机轮毂及固定部分的疲劳载荷，该方法包括风力机负荷平衡时步骤11 :分别检测出三个桨叶根部的弯曲力矩M1, M2, M3送给主控制器，主控制器将三个桨叶根部的弯曲力矩M1, M2, M3经过Clarke变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量Ma, Me ；步骤12 :风力机负荷平衡时两个垂直的分量Ma，Me信号送给第一比例谐振控制器，输出对应于a，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角K，Θ 0，步骤13 :对应于a，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ α，Θ 0经过Clarke逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值θω，0b2, 0b3,步骤14:在风力机负荷平衡时三个桨叶的桨距角增量值ΘΜ，0b2, θω分别与风力机负荷平衡时统一桨距角的给定值Θ。相加，输出总的风力机负荷平衡时桨距角Θ C+ Θ bl，Θ。+ Θ b2，Θ e+ Θ b3分别送给三个桨叶的伺服系统；风力机负荷不平衡时步骤21 :将三个桨叶根部的弯曲力矩M1, M2, M3和方位角信号送给主控制器，经过Coleman变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量Md和Mq ；步骤22:风力机负荷不平衡时垂直的分量Md，Mq信号送给第二比例谐振控制器，输出对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角Θ d，0q,步骤23 :对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角Θ d，Θ q经过Coleman逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θη，0i2, 0i3,步骤24:风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θη，0i2, 0i3分别与风力机平衡时的桨距角参考值相加，输出风力机负荷不平衡时总的桨距角Θε+ΘΜ+Θη，0C+0 b2+ θ 12 ^ 9 C+ 9 b3+ θ i3分别送给三个桨叶的伺服系统。优选的，步骤11中，三个桨叶根部的弯曲力矩M1,M2,M3经过Clarke变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量Ma，Me，具体通过如下方法实现
权利要求
1.一种风力发电系统的独立变桨控制方法，其特征在于该控制方法所采用的控制系统包括两个控制闭环，即平衡负荷控制闭环和不平衡负荷控制闭环，分别用来处理风力机负荷平衡和不平衡的情况，在平衡情况下，使用平衡负荷控制闭环来消除桨叶上的负荷和风力机固定部分的负荷；当检测到负荷的不平衡时，启动不平衡负荷控制闭环以消除其对风力机轮毂及固定部分的疲劳载荷，该方法包括 风力机负荷平衡时 步骤11 :分别检测出三个桨叶根部的弯曲力矩M1, M2, M3送给主控制器，主控制器将三个桨叶根部的弯曲力矩M1,M2,M3经过克拉克变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量Ma,M0 ； 步骤12 :风力机负荷平衡时两个垂直的分量Ma，Me信号送给第一比例谐振控制器，输出对应于a，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角K，Θ 0， 步骤13 :对应于a，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ α，Θ 0经过克拉克逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值θω，0b2, 0b3, 步骤14:在风力机负荷平衡时三个桨叶的桨距角增量值ΘΜ，0b2, 0b3分别与风力机负荷平衡时统一桨距角的给定值Θ。相加，输出总的风力机负荷平衡时桨距角Θε+ΘΜ，Θ c+ Θ b2，Θ c+ Θ b3分别送给三个桨叶的伺服系统； 风力机负荷不平衡时 步骤21 :将三个桨叶根部的弯曲力矩M1, M2, M3和方位角信号送给主控制器，经过卡尔曼变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量Md和Mq ； 步骤22:风力机负荷不平衡时垂直的分量Md，Mq信号送给第二比例谐振控制器，输出对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角Θ d，0q, 步骤23:对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角0d，经过卡尔曼逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θη，0i2, 0i3, 步骤24:风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θη，0i2, 0i3分别与风力机平衡时的桨距角参考值相加，输出风力机负荷不平衡时总的桨距角Θ。+ Θ bl+ θ η，0C+0 b2+ θ 12 ^ θ C+ θ b3+ θ 3分别送给三个桨叶的伺服系统。
2.根据权利要求I所述的风力发电系统的独立变桨控制方法，其特征在于步骤11中，三个桨叶根部的弯曲力矩M1, M2, M3经过克拉克变换转换为风力机负荷平衡时两个垂直的分量Ma, Me,具体通过如下方法实现
3.根据权利要求I所述的风力发电系统的独立变桨控制方法，其特征在于
4.根据权利要求I所述的风力发电系统的独立变桨控制方法，其特征在于步骤13，对应于α，β轴的风力机负荷平衡时期望桨距角θ α，Θ 0经过克拉克逆变换得到三个桨叶在风力机负荷平衡时桨距角增量值ΘΜ，0b2, 0b3，通过如下方法实现
5.根据权利要求I所述的风力发电系统的独立变桨控制方法，其特征在于步骤21，将三个桨叶根部的弯曲力矩M1, M2, M3和方位角信号送给主控制器，经过卡尔曼变换得到风力机负荷不平衡时两个垂直的分量Md和Mq ;通过如下方法实现
6.根据权利要求I所述的风力发电系统的独立变桨控制方法，其特征在于步骤22中，第二比例谐振控制器的传递函数为
7.根据权利要求I所述的风力发电系统的独立变桨控制方法，其特征在于步骤23，对应于d，q轴的风力机负荷不平衡时期望桨距角0d，经过卡尔曼逆变换得到风力机负荷不平衡时三个桨叶的桨距角增量值θη，θ 2, 0i3，通过如下方法体现
全文摘要
本发明公开了一种风力发电系统的独立变桨控制方法，其特征在于该控制方法所采用的控制系统包括两个控制闭环，即平衡负荷控制闭环和不平衡负荷控制闭环，分别用来处理风力机负荷平衡和不平衡的情况，在平衡情况下，使用平衡负荷控制闭环来消除桨叶上的负荷和风力机固定部分的负荷；当检测到负荷的不平衡时，启动不平衡负荷控制闭环以消除其对风力机轮毂及固定部分的疲劳载荷。在风力机负荷平衡或不平衡的情况下，不仅能够减小桨叶上的负荷，风力机固定部分的负荷也得到了极大的减小。
文档编号F03D7/00GK102926930SQ20121045053
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者程明, 张运乾, 陈哲 申请人:东南大学