基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法

摘要

本发明提供一种基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法，包括以下步骤：在进行独立变桨控制过程中，实时获得轮毂不平衡载荷特征量的实际值，通过独立变桨裕度插值表得到独立变桨实时开启裕度，结合不平衡载荷的点头力矩的实际值、偏航力矩的实际值，计算得到不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值，再分别计算各叶片的给定变桨角度。本发明通过引入轮毂不平衡载荷特征量，设置独立变桨有效开启条件，在不平衡载荷大时开启独立变桨，不平衡载荷小时关闭独立变桨，实现独立变桨自适应开启控制。本发明可以解决现有技术中存在的独立变桨无法自适应开启，在降载与减小变桨轴承磨损的之间取得平衡的效果不够理想的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法。

背景技术

风力发电机组通过叶片从风中获取风能，转化为电能的过程中，由于风切、塔影、叶片不平衡载荷的作用，产生了风轮面不平衡载荷，风轮面不平衡载荷包括点头力矩和偏航力矩。风轮面不平衡载荷通过轮毂传递至风力发电机组传动链，将造成轮毂和主轴极限、疲劳载荷增加。针对上述技术问题，引入叶根载荷信号和方位角信号，利用独立变桨控制，可有效降低风轮面不平衡载荷。

但是对于传统的独立变桨控制，没有一种规范且合理的开启条件设置方法，导致独立变桨应用过程中存在以下弊端：常规独立变桨控制是利用功率、变桨角度来设置独立变桨的开启条件；但由于功率、变桨角度与不平衡载荷联系不紧密，其最终在降载与减小变桨轴承磨损的之间进行平衡时，难以取得理想结果。同时，独立变桨无法自适应开启，若在风电机组的全寿命周期内持续开启独立变桨，将会导致变桨次数严重增加，变桨轴承磨损加剧；并且还存在较多区间平衡载荷并不大，但采用常规独立变桨控制时仍然会开启独立变桨，加剧变桨轴承磨损同时对降载贡献有限。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法，以解决现有技术中存在的独立变桨无法自适应开启，在降载与减小变桨轴承磨损的之间取得平衡的效果不够理想的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，提供了一种基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法，在第一种可实现方式中，包括以下步骤：

在进行独立变桨控制过程中，获得轮毂不平衡载荷特征量的实际值，通过独立变桨裕度插值表得到独立变桨实时开启裕度；

根据独立变桨实时开启裕度，结合不平衡载荷的点头力矩的实际值、偏航力矩的实际值，计算得到不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值；

根据不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值，分别计算各叶片的给定变桨角度；

根据各叶片的给定变桨角度进行独立变桨。

第一种可实现方式的有益技术效果如下：

通过引入轮毂不平衡载荷特征量，设置独立变桨有效开启条件，分别计算各叶片的给定变桨角度，实现独立变桨自适应开启控制。

结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，轮毂不平衡载荷特征量的实际值具体按以下方式求得：

根据各叶片的叶根载荷My、风轮方位角φ，计算得出不平衡载荷的点头力矩的实际值、偏航力矩的实际值；

根据所述点头力矩的实际值、偏航力矩的实际值，计算得出轮毂不平衡载荷特征量的实际值。

结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，独立变桨裕度插值表具体按以下方式求得：

根据风速序列、偏航误差序列、设计年均风速，计算风力发电机组在关闭独立变桨系统工况下轮毂不平衡载荷的仿真值；

提取轮毂不平衡载荷特征量的仿真值；

根据风力发电机组的设计年均风速，利用风速的韦布尔分布对轮毂不平衡载荷特征量的仿真值进行概率分布统计，获得轮毂不平衡载荷特征量的累积分布曲线；

根据降载需求，结合轮毂不平衡载荷特征量的累积分布曲线得到第一特征点、第二特征点；

根据第一特征点、第二特征点得出独立变桨裕度插值表。

结合第三种可实现方式，在第四种可实现方式中，独立变桨实时开启裕度具体如下：

当轮毂不平衡载荷特征量小于第一特征点时，独立变桨实时开启裕度为0；

当轮毂不平衡载荷特征量大于第二特征点时，独立变桨实时开启裕度为1；

当轮毂不平衡载荷特征量大于等于第一特征点、小于等于第二特征点时，独立变桨实时开启裕度IPC

在上式中，Mdq

第四种可实现方式的有益技术效果如下：

根据具体降低极限载荷和疲劳载荷的需求，设置不同的开启条件，在不平衡载荷大时开启独立变桨，不平衡载荷小时关闭独立变桨。形成独立变桨降载—变桨磨损之间的参数设置方法，实现降载—变桨磨损的合理优化。

结合第一到第三种任意一种可实现方式，在第五种可实现方式中，轮毂不平衡载荷特征量的实际值、仿真值，按以下公式计算：

在上式中，Mdq

结合第三种可实现方式，在第六种可实现方式中，风速序列为4m/s～22m/s，间隔2m/s；偏航误差序列包括0°、+8°、-8°。

结合第一可实现方式，在第七种可实现方式中，不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值具体按以下公式进行计算：

M

M

在上式中，M

结合第一可实现方式，在第八种可实现方式中，各叶片的给定变桨角度具体按以下方式求得：

根据不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值，利用两个PI控制器形成载荷闭环，计算统一变桨控制输出；

根据统一变桨控制输出，利用坐标逆变换获得各叶片的独立变桨输出；

将统一变桨控制输出与各叶片的独立变桨输出叠加，得出各叶片的给定变桨角度。

第二方面，提供了一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现第一方面提供的基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法。

第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现第一方面提供的基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1的传统独立变桨控制流程图；

图2为本发明实施例1的独立变桨自适应开启的控制流程图；

图3为本发明实施例1的轮毂不平衡载荷特征量的累积分布曲线示意图；

图4为本发明实施例1的仿真时独立变桨自适应开启后实时开启裕度时序图；

图5为本发明实施例1的仿真时独立变桨自适应开启前、开启后轮毂不平衡载荷特征量时序对比图；

图6为本发明实施例1的仿真时独立变桨自适应开启前、开启后变桨角度时序对比图；

图7为本发明实施例1的现场实测时风速对比时序图；

图8为本发明实施例1的现场实测时独立变桨自适应开启后实时开启裕度时序图；

图9为本发明实施例1的现场实测时测试机组1、测试机组2的轮毂不平衡载荷特征量时序对比图；

图10为本发明实施例1的现场实测时测试机组1、测试机组2的变桨角度时序对比图；

图11为本发明实施例1的现场实测中叶片叶根载荷在独立变桨自适应开启功能打开、关闭时的对比时序图；

图12为本发明实施例1的现场实测中叶片叶根载荷在独立变桨自适应开启功能打开、关闭时的频率成分对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本实施例提供了一种基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法，包括以下步骤：

在进行独立变桨控制过程中，获得轮毂不平衡载荷特征量的实际值，通过独立变桨裕度插值表得到独立变桨实时开启裕度；

根据独立变桨实时开启裕度，结合不平衡载荷的点头力矩的实际值、偏航力矩的实际值，计算得到不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值；

根据不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值，分别计算各叶片的给定变桨角度；

根据各叶片的给定变桨角度进行独立变桨。

为说明本实施例的技术方案，首先对常规的独立变桨控制流程作简要介绍，传统的独立变桨控制流程图如图1所示，控制方法具体如下：

1、测量获得叶片1、叶片2、叶片3的叶根载荷My

2、利用坐标变换，获得不平衡载荷的点头力矩M

3、设置目标M

θ

θ

在上式(2)、(3)中：

θ

k

k

Timestep——控制器离散时间步长。

4、利用坐标逆变换获得独立变桨输出：叶片1角度叠加量θ

5、将统一变桨控制输出θ与θ

计算公式如下式(5)：

根据各叶片的给定变桨角度进行独立变桨，以上为整个独立变桨控制的基本步骤。

下文对本实施例的独立变桨控制方法作详细说明，流程如图2所示，具体如下：

S1、根据风速序列、偏航误差序列、设计年均风速，计算风力发电机组在关闭独立变桨系统工况下轮毂不平衡载荷的仿真值。

在本实施例中，风速序列用v

偏航误差序列用yaw

设计年均风速用v

在不启用独立变桨系统的情况下，使用仿真软件计算风力发电机组在关闭独立变桨系统工况下，轮毂不平衡载荷的仿真值。仿真软件可选用Bladed、Fast等。仿真计算得到轮毂不平衡载荷的仿真值，包括的参数有：三个叶片分别对应的叶根载荷的仿真值、风轮方位角的仿真值。

S2、提取轮毂不平衡载荷特征量的仿真值。

根据步骤S1中得到的三个叶片的叶根载荷的仿真值、方位角的仿真值，按照前文中的公式(1)可以求得不平衡载荷的点头力矩M

Mdq

S3、根据风力发电机组的设计年均风速，利用风速的韦布尔分布对轮毂不平衡载荷特征量的仿真值进行概率分布统计，获得轮毂不平衡载荷特征量的累积分布曲线。

利用风速Weibull分布和设计年均风速v

S4、根据降载需求，结合轮毂不平衡载荷特征量的累积分布曲线得到第一特征点、第二特征点。

在本实施例中，独立变桨系统的开启条件由作为轮毂不平衡载荷特征量阈值的第一特征点

在仅考虑独立变桨仅降低极限载荷时，可将第一特征点

当同时考虑独立变桨降低极限载荷和疲劳载荷时，可将第一特征点

第二特征点

S5、根据第一特征点、第二特征点得出独立变桨裕度插值表。

在不同的降载需求下，根据轮毂不平衡载荷特征量的累积分布曲线会得出多个第一特征点

表1

在独立变桨裕度插值表Mdq

当轮毂不平衡载荷特征量Mdq

当轮毂不平衡载荷特征量Mdq

在上式(7)中，Mdq

当轮毂不平衡载荷特征量Mdq

S6、在进行独立变桨控制过程中，获得轮毂不平衡载荷特征量的实际值，通过独立变桨裕度插值表得到独立变桨实时开启裕度。

在传统的独立变桨控制回路中，将独立变桨实时开启裕度引入独立变桨载荷闭环。

首先，在风力发电机组运行的过程中，获得轮毂不平衡载荷特征量的实际值。具体的，通过叶片根部安装的传感器实时测量叶片叶根的载荷My，通过编码器实时测量风轮方位角φ，再通过上文中的公式(1)可以求得不平衡载荷的点头力矩M

然后，根据过独立变桨裕度插值表Mdq

S7、根据独立变桨实时开启裕度，结合不平衡载荷的点头力矩的实际值、偏航力矩的实际值，计算得到不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值

在进行独立变桨时，需要用到两个参数：不平衡载荷的点头力矩M

M

M

在上式(8)、(9)中，M

通过上述公式的将实测的M

S8、根据不平衡载荷的点头力矩的理论值、偏航力矩的理论值，分别计算各叶片的给定变桨角度。

在获得了不平衡载荷的点头力矩的理论值M

下面以某3.4MW的风电机组为例，举例说明本实施例方法的效果。

按照本实施例的方案，通过计算获得各项参数，具体如下表表2：

表2仿真验证参数配置表

在进行实际的独立变桨自适应开启之前，先使用仿真软件进行验证。在本实施例中，选用的仿真软件为Bladed，对开启前后计算工况进行对比，采用的时序如图4～图6所示。图4为仿真时，在湍流风工况下，设置独立变桨自适应开启后，实时开启裕度的时序图；图5为仿真时，在湍流风工况下，独立变桨自适应开启前、开启后轮毂不平衡载荷特征量时序对比图，图中OFF对应的实线表示开启前，ON对应的虚线表示开启前。从图4和图5可以看出，开启裕度与轮毂不平衡载荷特征量具有相关性。图6为仿真时，湍流风工况下，独立变桨自适应开启前、开启后变桨角度时序对比图，图中OFF_Pitch表示开启前，ON_Pitch1、ON_Pitch2、ON_Pitch3分别表示各叶片的变桨角度时序，从图6中可以看出，按本实施例的技术方案进行设置后，可以有效实现独立变桨自适应开启，在不平衡载荷大的时候，启用独立变桨，不平衡载荷小的时候，关闭独立变桨。

然后进行实际操作验证。选用某3.XMW风电机组通过现场实测进行验证，参数配置如表3所示：

表3实测验证参数配置表

由于现场环境的风速无法复现，所以测试中无法实现精准的风速对比。在本实施例中，利用长期开启关闭测试，来进行相似风速的对比分析。图7为现场实测时风速对比时序图，从图7可以看出，对于关闭独立变桨自适应开启功能的测试机组1，以及打开独立变桨自适应开启功能的测试机组2，两者的对比风速处于同一水平。

现场实测的时序对比结果如图8～图10所示。通过时序图对比可知，使用本实施例的独立变桨控制方法，其独立变桨功能可以随着轮毂不平衡载荷特征量Mdq

通过采用本实施例的技术方案，通过引入轮毂不平衡载荷特征量，设置独立变桨的有效开启条件，实现独立变桨自适应开启控制，在不平衡载荷大时开启独立变桨，不平衡载荷小时关闭独立变桨。根据具体降低极限载荷和疲劳载荷需求，可以设置不同的开启条件，形成独立变桨降载—变桨磨损之间的参数设置方法，实现降载—变桨磨损的合理优化。

实施例2

在本实施例中，提供了一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现实施例1提供的基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法。

实施例3

在本实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的基于轮毂不平衡载荷特征量的独立变桨控制方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。