风力发电机组的扭矩控制方法及其装置与流程

1.本公开涉及风力发电技术领域，更具体地，本公开涉及一种用于风力发电机组的扭矩控制方法及其装置。


背景技术：

2.风力发电机组的扭矩控制在其运行期间起着至关重要的作用。当前的扭矩控制方案是利用速度扭矩曲线上的塔架禁区，以降额模式操作风力发电机组的扭矩控制器。如果转子速度区域对应于塔架一阶固有频率附近的频率范围(如果该频率范围低于1p频率)，则会一直增加或减小扭矩参考。即使没有塔架频率的激励，上述方法也将始终对扭矩控制器起作用。
3.此外，由于风力发电机组处于复杂的环境中，塔架频率存在不确定性，但是塔架禁区的频率范围并不能根据塔架频率的不确定性而设置。另外，塔架禁区的频率范围越大，年发电量(aep)损失越大。


技术实现要素：

4.本公开的示例性实施例提供了一种风力发电机组的扭矩控制方法及其装置，至少解决上述技术问题和上文未提及的其它技术问题，并且提供下述的有益效果。
5.本公开的一方面在于提供一种用于风力发电机组的扭矩控制方法，所述扭矩控制方法可以包括：获取风力发电机组的塔顶加速度信号；使用带通滤波器对所述塔顶加速度信号进行滤波处理；基于经过滤波的塔顶加速度信号来确定所述塔顶加速度信号的能量；以及根据所述能量来获得风力发电机组的扭矩控制值，使得风力发电机组的扭矩控制器按照所述扭矩控制值调整发电机扭矩。
6.可选地，所述塔顶加速度信号可以包括塔顶侧向加速度和塔顶前向加速度。
7.可选地，所述带通滤波器可以是离散时间滤波器。
8.可选地，所述带通滤波器的带通范围可以根据塔架固有频率确定。
9.可选地，所述带通滤波器的带通范围可以是从塔架一阶固有频率减去预定频率至所述塔架一阶固有频率加上所述预定频率。
10.可选地，使用带通滤波器对所述塔顶加速度信号进行滤波处理的步骤可以包括：获取风力发电机组的发电机转速；如果所述发电机转速在预定范围内，则使用带通滤波器对所述塔顶加速度信号进行滤波处理。
11.可选地，所述预定范围可以与所述带通滤波器的带通范围相应。
12.可选地，基于经过滤波的塔顶加速度信号来确定所述塔顶加速度信号的能量的步骤可以包括：从经过滤波的塔顶加速度信号中选择预定数量的塔顶加速度采样点；并且基于所述预定数量的塔顶加速度采样点来计算所述塔顶加速度信号的能量。
13.可选地，所述预定数量对应于在塔架一阶固有频率的一个周期内的采样点数量。
14.可选地，根据所述能量来获得风力发电机组的扭矩控制值的步骤包括：将所述能
量与激活阈值进行比较；基于比较结果来获得用于调整发电机扭矩的激活水平；并且根据所述激活水平来确定所述扭矩控制值。
15.可选地，根据激活水平来确定所述扭矩控制值的步骤可以包括：对所述激活水平应用比例控制来确定需要补偿的扭矩参考分量；并且基于所述扭矩参考分量和来自扭矩控制器的扭矩参考值来确定所述扭矩控制值。
16.可选地，根据激活水平来确定所述扭矩控制参考值的步骤可以包括：对所述激活水平应用比例积分控制来确定需要补偿的扭矩参考分量；基于所述扭矩参考分量和来自扭矩控制器的扭矩参考值来确定所述扭矩控制值。
17.可选地，所述扭矩参考分量可以被限制为不大于扭矩控制器分别在与所述带通滤波器的带通范围的最大频率和最小频率对应的发电机转速下产生的扭矩参考值之差。
18.本公开的另一方面在于提供一种用于风力发电机组的扭矩控制装置，所述扭矩控制装置可以包括：滤波模块，用于获取风力发电机组的塔顶加速度信号，并且使用带通滤波器对所述塔顶加速度信号进行滤波处理；以及计算模块，用于基于经过滤波的塔顶加速度信号来确定所述塔顶加速度信号的能量；并且根据所述能量来获得风力发电机组的扭矩控制值，使得风力发电机组的扭矩控制器按照所述扭矩控制值调整发电机扭矩。
19.本公开的另一方面在于提供一种用于风力发电机组的扭矩控制设备，所述扭矩控制设备可以包括：带通滤波器，被配置为对获取的塔顶加速度信号进行滤波处理；能量计算器，被配置为基于经过滤波的塔顶加速度信号来确定所述塔顶加速度信号的能量；激活器，被配置为将所述能量与激活阈值进行比较以确定用于调整发电机扭矩的激活水平；以及控制器，被配置为根据所述激活水平来获得风力发电机组的扭矩控制值，使得风力发电机组的扭矩控制器按照所述扭矩控制值调整发电机扭矩。
20.根据本公开的示例性实施例，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机程序被处理器执行时实现如上所述的扭矩控制方法。
21.根据本公开的另一示例性实施例，提供一种计算机，包括存储有计算机程序的可读介质和处理器，其特征在于，当处理器运行计算机程序时执行如上所述的扭矩控制方法。
22.以上描述的设备和方法仅在存在塔架振动的情况下(在前向和侧向两个方向上)改变扭矩控制器的扭矩参考，这样，由于仅在部分负载运行期间激发塔架振动时对扭矩控制器产生作用，而不是像传统的塔架禁区始终对扭矩控制器起作用，从而降低能耗。此外，本公开的方法和设备由于仅对存在的塔架振动做出反应，所以可以通过自动调整以对实际塔架频率做出反应。
23.此外，将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
附图说明
24.通过结合附图，从实施例的下面描述中，本公开这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
25.图1是示出根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的扭矩控制方法的流程图；
26.图2是示出根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的扭矩控制装置的框
图；
27.图3是示出根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的扭矩控制设备的框图。
具体实施方式
28.提供参照附图的以下描述以帮助对由权利要求及其等同物限定的本公开的实施例的全面理解。包括各种特定细节以帮助理解，但这些细节仅被视为是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对描述于此的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简洁，省略对公知的功能和结构的描述。
29.在下文中，根据本公开的各种实施例，将参照附图对本公开的设备以及方法进行描述。
30.图1是示出根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的扭矩控制方法。本公开的扭矩控制方法可以由风力发电机组的主控制器或扭矩控制器执行或者可以由单独的处理器来执行本公开的扭矩控制方法。
31.参照图1，在步骤s101，可以获取风力发电机组的塔顶加速度信号。本公开的塔顶加速度包括塔顶侧向加速度和塔顶前/后向加速度。例如，可以使用安装在塔架顶部的加速度传感器来获得塔顶侧向加速度信号和塔顶前向加速度信号。然而，上述获取示例仅是示例性的。本公开不限于此。
32.在步骤s102，可以使用带通滤波器对获取的塔顶加速度信号进行滤波处理。风力发电机组在运行过程中，风轮会产生一系列的激振力，激振载荷会不断地传递给塔架，引起塔架的振动，振动的频率由一系列激振载荷的频率和塔架固有频率组成，为了避免共振，激振频率必须避开塔架的固有频率。因此，对于带通滤波器的带通范围可以基于塔架的固有频率进行设置。本公开主要考虑塔架一阶固有频率，基于塔架一阶固有频率来设置带通滤波器的频率范围。
33.作为示例，带通滤波器的带通范围可以被设置为从塔架一阶固有频率减去预定频率至塔架一阶固有频率加上预定频率。例如，假设塔架一阶固有频率为f
t1
，预定频率为f
b
，带通滤波器的带通范围可以是[f
t1-f
b
,f
t1
+f
b
]。对于预定频率f
b
，也是考虑到由于塔架所处的外部环境而导致的不确定性设置的，因此在设计f
b
过程中处理的这些不确定性越多，则预定频率值可能越小。然而，上述示例仅是示例性的，本公开不限于此。
[0034]
这样，通过根据实际的塔架频率来设置带通滤波器的带通频率范围，能够获得更加准确的滤波数据，使得后续的扭矩调整也更加准确。
[0035]
在滤波处理中，可以根据风力发电机组的发电机转速来进行滤波处理。具体地，如果发电机转速在预定范围内，则使用带通滤波器对塔顶加速度信号进行滤波处理。这里，对所述预定范围，可以将所述预定范围设置为与带通滤波器的带通范围一致。这是因为如果发电机转速在塔架一阶固有频率的潜在频率范围内，则发电机转速(1p频率)可能会激发塔架振动，此时需要进行阻止塔架振动。如果发电机转速不在该潜在频率范围内，则将滤波器输出设置为0。
[0036]
作为示例，可以使用以下等式(1)对塔顶加速度信号进行滤波处理。
[0037][0038]
其中，f
bp
(f
t1
,f
b
,acc[n])表示带通滤波器，acc[n]表示塔顶加速度信号，genspeed[n]表示发电机转速信号，accbp[n]表示滤波后的塔顶加速度信号。
[0039]
根据本公开的实施例，带通滤波器可以是离散时间滤波器。也就是说，在对塔顶加速度信号进行滤波处理时，不仅滤波出位于带通范围内的塔顶加速度信号，而且对塔顶加速度信号进行离散处理。
[0040]
在步骤s103，基于经过滤波的塔顶加速度信号来确定塔顶加速度信号的能量。可以从经过滤波的塔顶加速度信号中选择预定数量的塔顶加速度采样点，然后基于预定数量的塔顶加速度采样点来计算塔顶加速度信号的能量。
[0041]
在本公开中，可以将塔架一阶固有频率的至少一个周期内的采样点数量作为选择塔顶加速度采样点的预定数量。优选地，可以将塔架一阶固有频率的一个周期内的采样点数量作为选择塔顶加速度采样点的预定数量。上述示例仅是示例性的，本公开不限于此。
[0042]
作为示例，选择的塔顶加速度采样点的数量可以根据以下等式(2)来获得：
[0043][0044]
其中，表示风力发电机组的主控制器或扭矩控制器的采样频率。
[0045]
可以使用以下等式(3)来计算塔顶加速度信号的能量accenergy[n]：
[0046][0047]
其中，是[accbp[n]
…
accbp[n-n]]的转置向量。在等式(3)中，从塔顶加速度信号中选择最后采样的n个塔顶加速度作为能量计算基础。然而，上述示例仅是示例性的，本公开不限于此。可以使用获取的塔顶加速度信号中的全部样点或部分样点来计算塔顶加速度信号的能量。
[0048]
在步骤s104，可以根据确定的能量来获得风力发电机组的扭矩控制值，使得风力发电机组的扭矩控制器按照获得的扭矩控制值调整发电机扭矩。具体地，可以将确定的能量值与激活阈值进行比较，基于比较结果来获得针对发电机扭矩的激活水平，根据激活水平来确定扭矩控制值。
[0049]
当获取的塔顶加速度信号的能量值超过激活阈值时，表示需要激活对扭矩的调整操作来抑制塔架振动。激活水平可以指用于抑制塔架振动的能量值。
[0050]
作为示例，可以使用以下等式(4)来计算激活水平：
[0051][0052]
其中，γ
activation
表示激活阈值。激活阈值可以通过设计/仿真调整来获得。
[0053]
通过对塔顶加速度信号的能量与预定的激活阈值进行比较，使得塔顶加速度信号
的能量值超过激活阈值时才进行激活后续的扭矩调整操作，实现了仅对出现的塔架振动做出反应，避免了对小振动做出响应，从而降低能耗。
[0054]
当获得用于调整发电机扭矩的激活水平后，可以对激活水平应用比例控制或比例积分控制来确定需要补偿的扭矩参考分量，然后基于该扭矩参考分量和来自扭矩控制器的扭矩参考值来确定扭矩控制值。这里，扭矩参考分量可以指需要在扭矩控制器的扭矩参考值的基础上需要调整的扭矩值。
[0055]
作为示例，可以使用以下等式(5)来确定需要补偿的扭矩参考分量maccref[n]：
[0056]
maccref[n]＝k
p
·
accact[n]
ꢀꢀ
(5)
[0057]
其中，k
p
表示比例增益。可以通过在上述激活控制功能的情况下对风力发电机组的仿真或测试方法进行调整来获得合适的比例增益值。
[0058]
在本公开中，扭矩参考分量应该不大于扭矩控制器分别在与带通滤波器的带通范围的最大频率和最小频率对应的发电机转速下产生的扭矩参考值之差。进行此限制是为了确保在包括塔架固有频率的预定频率范围的最佳扭矩轨迹内调整扭矩参考。例如，maccref[n]≤m
opt
(f
t1-f
b
)-m
opt
(f
t1
+f
b
)。
[0059]
此外，如果风力发电机组降额导致新的扭矩曲线，则应该相应地调整最佳扭矩轨迹。
[0060]
可选地，可以对激活水平应用比例积分控制来确定需要补偿的扭矩参考分量，然后基于该扭矩参考分量和来自扭矩控制器的扭矩参考值来确定扭矩控制值。
[0061]
作为示例，可以使用以下等式(6)来确定需要补偿的扭矩参考分量maccref[n]：
[0062]
maccref[n]＝k
p
·
accact[n]+k
i
·
t
s
·
accact[n]+maccref[n-1]
ꢀꢀ
(6)
[0063]
其中，k
i
表示积分增益，t
s
表示积分时间。
[0064]
等式(6)中的积分项用于保持附加参考扭矩方面的响应，使用积分项可以削弱积分部分的加速度。
[0065]
此外，在本公开中，除了使用塔顶加速度信号来获得相应的扭矩控制值之外，还可以使用塔架速度来获得相应的扭矩控制值。
[0066]
图2是示出根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的扭矩控制装置的框图。扭矩控制装置200可以由风力发电机组的主控控制器实现，或者与主控控制器单独地形成单个实体并被安装在风力发电机组中。
[0067]
参照图2，扭矩控制装置200可以包括滤波模块201和计算模块202。扭矩控制装置200中的每个模块可以由一个或多个模块来实现，并且对应模块的名称可根据模块的类型而变化。在各种实施例中，可以省略扭矩控制装置200中的一些模块，或者还可包括另外的模块。此外，根据本公开的各种实施例的模块/元件可以被组合以形成单个实体，并且因此可等效地执行相应模块/元件在组合之前的功能。
[0068]
滤波模块201可以获取风力发电机组的塔顶加速度信号，并且对塔顶加速度信号进行滤波处理。
[0069]
获取的塔顶加速度信号可以包括塔顶侧向加速度和塔顶前向加速度。也就是说，本公开的扭矩控制方法不仅考虑到了前向的塔顶加速度，而且还考虑到侧向的塔顶加速度。
[0070]
滤波模块201可以由带通滤波器和离散时间滤波器组成。本公开不限于滤波模块
仅由一种滤波器实现，而是可以由多种不同类型的滤波器实现。
[0071]
滤波模块201可以根据塔架固有频率来设置塔顶加速度信号通过的频率范围。
[0072]
作为示例，滤波模块201的带通频率范围可以被设置为从塔架一阶固有频率减去预定频率至塔架一阶固有频率加上预定频率。例如，带通范围可以是[f
t1-f
b
,f
t1
+f
b
]。然而，上述示例仅是示例性的，本公开不限于此。
[0073]
滤波模块201可以根据获取的风力发电机组的发电机转速对塔顶加速度信号进行滤波处理。具体地，如果发电机转速在预定范围内，则滤波模块201可以对塔顶加速度信号进行滤波处理。这里，对所述预定范围，可以将所述预定范围设置为与滤波模块201的带通范围一致。例如，滤波模块201可以使用等式(1)进行滤波处理。
[0074]
计算模块202可以基于经过滤波的塔顶加速度信号来确定塔顶加速度信号的能量，并且根据该能量来获得风力发电机组的扭矩控制值，使得风力发电机组的扭矩控制器按照所述扭矩控制值调整发电机扭矩。
[0075]
作为示例，计算模块202可以从经过滤波的塔顶加速度信号中选择预定数量的塔顶加速度采样点，并且基于预定数量的塔顶加速度采样点来计算塔顶加速度信号的能量。优选地，计算模块202可以将塔架一阶固有频率的一个周期内的采样点数量作为选择塔顶加速度采样点的预定数量。例如，计算模块202可以利用等式(3)来计算塔顶加速度信号的能量值。
[0076]
接下来，计算模块202可以将计算出的能量与激活阈值进行比较，基于比较结果来获得用于调整发电机扭矩的激活水平，然后根据激活水平来确定最终的扭矩控制值。例如，当获取的塔顶加速度信号的能量值超过激活阈值时，表示需要激活对扭矩的调整操作来抑制塔架振动，计算模块202可以利用等式(4)来计算激活水平。
[0077]
计算模块202可以对激活水平应用比例控制来确定需要补偿的扭矩参考分量。这里，扭矩参考分量可以指需要在扭矩控制器的扭矩参考值的基础上需要调整的扭矩值。例如，计算模块202可以利用等式(5)来计算扭矩参考分量。
[0078]
可选地，计算模块202可以对激活水平应用比例积分控制来确定需要补偿的扭矩参考分量，并基于扭矩参考分量和来自扭矩控制器的扭矩参考值来确定最终的扭矩控制值。例如，计算模块202可以利用等式(6)来计算扭矩参考分量。
[0079]
在计算出扭矩参考分量后，计算模块202需要判断计算的扭矩参考分量是否不大于扭矩控制器分别在与滤波模块201的带通范围的最大频率和最小频率对应的发电机转速下产生的扭矩参考值之差。这是因为要确保对扭矩补偿的值在最佳扭矩轨迹内。
[0080]
计算模块202可以基于扭矩参考分量和来自扭矩控制器的扭矩参考值来确定最终的扭矩控制值。
[0081]
图3是示出根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的扭矩控制设备的框图。扭矩控制设备300可以作为独立设备安装在风力发电机组的轮毂中，或者作为风力发电机组的主控控制器的一部分来执行扭矩控制操作，然而，上述示例仅是示例性的，本公开不限于此。
[0082]
参照图3，扭矩控制设备300可以包括带通滤波器301、能量计算器302、激活器303以及控制器304。
[0083]
带通滤波器301可以获取风力发电机组的塔顶加速度信号，并且对塔顶加速度信
号进行滤波处理。获取的塔顶加速度信号可以包括塔顶侧向加速度和塔顶前向加速度。也就是说，本公开的扭矩控制方法不仅考虑到了前向的塔顶加速度，而且还考虑到侧向的塔顶加速度。
[0084]
带通滤波器301还可以包括离散时间滤波器。本公开不限于带通滤波器301仅由一种滤波器实现，而是可以由多种不同类型的滤波器实现。
[0085]
带通滤波器301可以根据塔架固有频率来设置塔顶加速度信号通过的频率范围。
[0086]
作为示例，带通滤波器301的带通频率范围可以被设置为从塔架一阶固有频率减去预定频率至塔架一阶固有频率加上预定频率。例如，带通范围可以是[f
t1-f
b
,f
t1
+f
b
]。然而，上述示例仅是示例性的，本公开不限于此。
[0087]
带通滤波器301可以根据获取的风力发电机组的发电机转速对塔顶加速度信号进行滤波处理。具体地，如果发电机转速在预定范围内，则带通滤波器301可以对塔顶加速度信号进行滤波处理。这里，对所述预定范围，可以将所述预定范围设置为与带通滤波器301的带通范围一致。例如，带通滤波器301可以使用等式(1)进行滤波处理。
[0088]
能量计算器302可以基于经过滤波的塔顶加速度信号来确定塔顶加速度信号的能量。作为示例，能量计算器302可以从经过滤波的塔顶加速度信号中选择预定数量的塔顶加速度采样点，并且基于预定数量的塔顶加速度采样点来计算塔顶加速度信号的能量。优选地，能量计算器302可以将塔架一阶固有频率的一个周期内的采样点数量作为选择塔顶加速度采样点的预定数量。例如，能量计算器302可以利用等式(3)来计算塔顶加速度信号的能量值。
[0089]
激活器303可以将计算出的能量与激活阈值进行比较，基于比较结果来获得用于调整发电机扭矩的激活水平，然后根据激活水平来确定最终的扭矩控制值。例如，当获取的塔顶加速度信号的能量值超过激活阈值时，表示需要激活对扭矩的调整操作来抑制塔架振动，激活器303可以利用等式(4)来计算激活水平。
[0090]
控制器304可以对激活水平应用比例控制来确定需要补偿的扭矩参考分量。这里，扭矩参考分量可以指需要在扭矩控制器的扭矩参考值的基础上需要调整的扭矩值。例如，控制器304可以利用等式(5)来计算扭矩参考分量。
[0091]
可选地，控制器304可以对激活水平应用比例积分控制来确定需要补偿的扭矩参考分量，并基于扭矩参考分量和来自扭矩控制器的扭矩参考值来确定最终的扭矩控制值。例如，控制器304可以利用等式(6)来计算扭矩参考分量。
[0092]
在计算出扭矩参考分量后，控制器304可以判断计算的扭矩参考分量是否不大于扭矩控制器分别在与带通滤波器301的带通范围的最大频率和最小频率对应的发电机转速下产生的扭矩参考值之差。这是因为要确保对扭矩补偿的值在最佳扭矩轨迹内。
[0093]
控制器304可以基于扭矩参考分量和来自扭矩控制器的扭矩参考值来确定最终的扭矩控制值。控制器304可以将最终的扭矩控制值发送给风力发电机组的扭矩控制器，使得扭矩控制器可以按照经调整的扭矩控制值来调整发电机扭矩。
[0094]
通过本公开的方法和设备能够精准地执行扭矩控制，有效地减少能耗。
[0095]
本技术领域技术人员可以理解，本公开包括涉及用于执行本公开中所述操作/步骤中的一项或多项的设备。这些设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选
择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中，所述计算机可读介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、cd-rom、和磁光盘)、rom(read-only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随即存储器)、eprom(erasable programmable read-only memory，可擦写可编程只读存储器)、eeprom(electrically erasable programmable read-only memory，电可擦可编程只读存储器)、闪存、磁性卡片或光线卡片。也就是，可读介质包括由设备(例如，计算机)以能够读的形式存储或传输信息的任何介质。
[0096]
虽然本公开是参照其示例性的实施例被显示和描述的，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对其形式和细节进行各种改变。