浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统和方法
【专利摘要】公开一种浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统和方法。所述浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统包括增益调度表，用于根据叶片桨距角选择PI控制器的增益；PI控制器，接收机舱速度差信号作为输入信号，并根据增益调度表选择的增益对输入信号进行PI控制，以输出变桨补偿角度，其中，根据设置在风电机组的机舱内部的加速度传感器或速度传感器测量的机舱加速度或机舱速度获得所述机舱速度差信号，并且风电机组的变桨执行机构通过使用所述变桨补偿角度来执行变桨操作。
【专利说明】浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电机的控制策略，更具体地讲，涉及一种用于抑制浮动式风电机组在满发工况下由塔架运动产生的负阻尼作用的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着海上风电技术的发展以及近海风资源的日益开发，近海环境、渔业、海上交通等因素限制，逐步由近海风电开始扩展深海区域。深海风电技术需要采用浮动式基础平台作为支撑，并采用锚链设备、动力定位设备等对浮动平台进行定位、保持稳定。
[0003]浮动式机组承载平台受到海洋环境波浪、海流等作用，影响机组整体性能，各部件载荷尤其是塔架底部载荷较陆地基础大。载荷增大的原因主要是基础平台的运动响应所产生的惯性力作用。由此，需要对整体结构重新设计，以满足浮动式机组在海洋恶劣的环境能够安全可靠地服役。目前，有两种方案可以解决塔架底部载荷增大的问题，一个是可以增加塔架刚度，但从经济上分析成本增加很多；另一个方法是改善平台的响应机制，降低基础平台的运动响应幅度。
[0004]改善平台响应机制比较可行且成本较低的方法是提高平台的阻尼。变速变桨机组采用传统的控制策略，在额定风速以上即恒功率阶段，机组承受的轴向推力随着桨距角的增大而减小。由于基础运动，以及机组的控制特性，容易在额定风速以上运行区域产生负阻尼，直接导致整机发生谐振。因此，需要改善平台的阻尼值，其越大越好。
[0005]浮动机组系统负阻尼的产生，会使得整个系统越来越不稳定，影响机组的发电性能；同时容易造成发电机过速、机舱加速度超限、浮体平台倾斜严重等问题。浮动式机组在强阵风作用下，变桨动作快速响应更容易造成塔架一阶固有频率和浮体平台纵倾频率振动加剧，从而使整机更不稳定。
[0006]第200480040652.2号中国专利公开了一种风力发电装置及其主动式减振方法以及风车塔架。该专利的实现方法如下所述。利用安装在机舱内部检测机舱振动的加速度仪，根据加速度仪检测的加速度信号，进行积分求出速度，并对速度进行相位补偿调整；利用速度计算出用来使风机叶片产生消除机舱振动的推力的桨距角，并与主控制器计算的桨距角需求加法处理，得到变桨执行机构的需求指令。
[0007]然而，该专利虽然用于陆地机组能较好地体现效果，但是对于海上浮动式机组则效果不明显。该专利的变桨补偿控制器的输入为机舱瞬时速度，直接以瞬时速度乘以增益得到变桨补偿指令，指令值会经常过大以致最终输出给变桨执行机构的需求指令过大，变桨动作快速，对抑制负阻尼的产生起较小的作用，甚至加剧负阻尼扩大；该专利对加速度信号采用相位补偿调整和二阶低通滤波，未采用带通滤波器以截取塔架一阶固有频率对应的加速度信号，这样容易产生得到的变桨补偿值并不是由于塔架固有频率振动造成的。
[0008]第201210333685.2号中国专利申请用于海上浮动式机组，对塔架本征固有频率振动进行衰减。利用机舱加速度仪采集的加速度信号，进行高通、相位补偿、低通滤波器的处理，获得对应塔架本征固有频率的振动信号；根据加速度值计算机舱的当前速度，通过建立桨距角-机舱速度的环路，析出传递函数构成稳定器；通过获得的速度值和稳定器，计算得到的附加桨距角用于衰减由塔架本征频率引起的振动。
[0009]该专利是在如上所述的第200480040652.2号中国专利的基础上扩展深入，主要用于浮动式机组的研究开发，其引入了高通、相位补偿、低通滤波器对加速度信号进行处理，从而获得对应本征频率的加速度信号。然而，该专利采用高通、相位补偿、低通滤波器，较为繁琐，且容易因参数调整的失误而造成加速度信号的偏差；该专利同样采用的是经过加速度积分的速度信号作为输入，获得附加的桨距角，容易造成附加桨距角过大。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的一方面在于提供一种浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统和方法，所述系统和方法能够抑制浮动式风电机组在满发工况下由塔架运动产生的负阻尼作用从而对塔架振动和浮动基础运动响应进行有效的衰减。
[0011]根据本发明的一方面，提供一种浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，包括:增益调度表，用于根据叶片桨距角选择PI控制器的增益；PI控制器，接收机舱速度差信号作为输入信号，并根据增益调度表选择的增益对输入信号进行PI控制，以输出变桨补偿角度，其中，根据设置在风电机组的机舱内部的加速度传感器或速度传感器测量的机舱加速度或机舱速度获得所述机舱速度差信号，并且风电机组的变桨执行机构通过使用所述变桨补偿角度来执行变桨操作。
[0012]优选地，变桨执行机构根据变桨位置需求与所述变桨补偿角度之和来执行变桨操作。
[0013]优选地，风电机组的主控制器根据转速测量模块测量的电机转速信号计算变桨位
置需求。
[0014]优选地，风电机组的主控制器对测量的电机转速信号和电机转速信号设定值进行比较，并通过对比较结果执行PI控制来计算变桨位置需求。
[0015]优选地，当叶片桨距角小于第一预定角度时，增益调度表将比例增益设置为第一增益，当叶片桨距角大于第二预定角度时，增益调度表将比例增益设置为第二增益，当叶片桨距角在第一预定角度和第二预定角度之间时，增益调度表将比例增益设置为随着叶片桨距角增大而从第一增益到第二增益线性减小，其中，第一预定角度小于第二预定角度，第一增益大于第二增益。
[0016]优选地，将速度传感器测量的当前机舱速度与延迟的机舱速度相减，从而获得所述机舱速度差信号，其中，通过使用延迟器将当前机舱速度延迟一个风电机组的主控制器的执行步长获得所述延迟的机舱速度。
[0017]优选地，使用带通滤波器对加速度传感器测量的加速度进行带通滤波，将滤波后的加速度与延迟的加速度相加，并乘以1/2风电机组的主控制器的执行步长，从而获得所述机舱速度差信号，其中，通过使用延迟器将滤波后的加速度延迟一个风电机组的主控制器的执行步长获得所述延迟的加速度。
[0018]优选地，所述带通滤波器包括并联连接的两个带通滤波单元，一个带通滤波单元的中心频率为浮动式风电机组塔架本征固有频率，另一个带通滤波单元的中心频率为浮动平台本征固有频率。
[0019]优选地，所述两个带通滤波单元的传递函数如下所示:
【权利要求】
1.一种浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，包括: 增益调度表，用于根据叶片桨距角选择PI控制器的增益； PI控制器，接收机舱速度差信号作为输入信号，并根据增益调度表选择的增益对输入信号进行PI控制，以输出变桨补偿角度， 其中，根据设置在风电机组的机舱内部的加速度传感器或速度传感器测量的机舱加速度或机舱速度获得所述机舱速度差信号，并且风电机组的变桨执行机构通过使用所述变桨补偿角度来执行变桨操作。
2.根据权利要求1所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，变桨执行机构根据变桨位置需求与所述变桨补偿角度之和来执行变桨操作。
3.根据权利要求2所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，风电机组的主控制器根据转速测量模块测量的电机转速信号计算变桨位置需求。
4.根据权利要求3所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，风电机组的主控制器对测量的电机转速信号和电机转速信号设定值进行比较，并通过对比较结果执行PI控制来计算变桨位置需求。
5.根据权利要求1所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，当叶片桨距角小于第一预定角度时，增益调度表将比例增益设置为第一增益，当叶片桨距角大于第二预定角度时，增益调度表将比例增益设置为第二增益，当叶片桨距角在第一预定角度和第二预定角度之间时，增益调度表将比例增益设置为随着叶片桨距角增大而从第一增益到第二增益线性减小， 其中，第一预定角度小于第二预定角度，第一增益大于第二增益。
6.根据权利要求1所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，将速度传感器测量的当前机舱速度与延迟的机舱速度相减，从而获得所述机舱速度差信号， 其中，通过使用延迟器将当前机舱速度延迟一个风电机组的主控制器的执行步长获得所述延迟的机舱速度。
7.根据权利要求1所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，使用带通滤波器对加速度传感器测量的加速度进行带通滤波，将滤波后的加速度与延迟的加速度相加，并乘以1/2风电机组的主控制器的执行步长，从而获得所述机舱速度差信号， 其中，通过使用延迟器将滤波后的加速度延迟一个风电机组的主控制器的执行步长获得所述延迟的加速度。
8.根据权利要求7所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，所述带通滤波器包括并联连接的两个带通滤波单元，一个带通滤波单元的中心频率为浮动式风电机组塔架本征固有频率，另一个带通滤波单元的中心频率为浮动平台本征固有频率。
9.根据权利要求8所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，所述两个带通滤波单元的传递函数如下所示: His) = K- ^-V(1 + CT)2,
S~ + ^ ζCOjjS + OJn 其中，ζ是带通滤波单元的阻尼比，《?是塔架本征固有频率或浮动平台本征固有频率，K是带通滤波单元的增益，τ是时间常数。
10.根据权利要求1所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统，其中，通过使用Simulink建立系统响应环路来对PI控制器的增益进行调整。
11.一种浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，包括以下步骤: Ca)根据叶片桨距角选择PI控制器的增益； (b)根据设置在风电机组的机舱内部的加速度传感器或速度传感器测量的机舱加速度或机舱速度获得机舱速度差信号； (c)接收机舱速度差信号作为输入信号，并根据选择的增益对输入信号进行PI控制，以输出变桨补偿角度； Cd)通过使用所述变桨补偿角度来执行变桨操作。
12.根据权利要求11所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，其中，步骤(d)包括:根据变桨位置需求与所述变桨补偿角度之和来执行变桨操作。
13.根据权利要求12所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，其中，风电机组的主控制器根据转速测量模块测量的电机转速信号计算变桨位置需求。
14.根据权利要求13所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，其中，风电机组的主控制器对测量的电机转速信号和电机转速信号设定值进行比较，并通过对比较结果执行PI控制来计算变桨位置需求。
15.根据权利要求11所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，其中，步骤(a)包括:当叶片桨距角小于第一预定角度时，将比例增益设置为第一增益；当叶片桨距角大于第二预定角度时，将比例增益设置为第二增益；当叶片桨距角在第一预定角度和第二预定角度之间时，将比例增益设置为随着叶片桨距角增大而从第一增益到第二增益线性减小， 其中，第一预定角度小于第二预定角度，第一增益大于第二增益。
16.根据权利要求11所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，其中，步骤(b)包括:将速度传感器测量的当前机舱速度与延迟的机舱速度相减，从而获得所述机舱速度差信号， 其中，通过使用延迟器将当前机舱速度延迟一个风电机组的主控制器的执行步长获得所述延迟的机舱速度。
17.根据权利要求11所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，其中，步骤(b)包括:使用带通滤波器对加速度传感器测量的加速度进行带通滤波，将滤波后的加速度与延迟的加速度相加，并乘以1/2风电机组的主控制器的执行步长，从而获得所述机舱速度差信号， 其中，通过使用延迟器将滤波后的加速度延迟一个风电机组的主控制器的执行步长获得所述延迟的加速度。
18.根据权利要求17所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，其中，所述带通滤波器包括并联连接的两个滤波单元，一个滤波单元的中心频率为浮动式风电机组塔架本征固有频率，另一个滤波单元的中心频率为浮动平台本征固有频率。
19.根据权利要求18所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，其中，所述带通滤波器的传递函数如下所示:
20.根据权利要求11所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制方法，还包括以下步骤:通过使用Simulink建立系统响应环路来对PI控制器的增益进行调整。
21.一种包括根据权利要求1至权利要求10中的任意一项权利要求所述的浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统的 浮动式风电机组。
【文档编号】F03D7/00GK103541861SQ201310531222
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】黄国燕, 李强, 李健, 张建海 申请人:新疆金风科技股份有限公司