[发明专利]解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法与模块

权利要求书

1.一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制方法，其特征在于，该方法是基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的独立变桨控制策略IPC来解决塔架在二阶频率点的前后振动，通过减小叶轮旋转平面内三个叶片面内受力不均而造成的气动不平衡，从根本上减小塔架前后的振动，即根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，从而减小三个叶片受力不平衡，进而减小塔架前后二阶模态为主的振动，具体过程是：首先，通过传感器实时测量塔架中间段的前后加速度，并对其进行滤波；然后，再测量并计算三个叶片对应的方位角；根据塔架中间段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各个叶片额外的变桨速率，并将其叠加到各个叶片常规变桨速率上，即给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，最后，经过限幅并计算出各个叶片最终的桨距角给定值输送给机组的变桨系统执行，从而解决塔架在二阶频率点的前后振动问题；其包括以下步骤：

1)测量塔架中间段的前后加速度a_nacelle，并进行滤波，经过传递函数F(s)滤波后的塔架中间段的前后加速度为a_nacellef，即：

a_nacellef＝a_nacelle*F(s)

式中，s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼系数，ω为频率，T₁和T₂为时间常数；其中，定义a_nacellef的正方向为向前时为正；

2)计算叶轮方位角；

测量叶片1方位角，根据三个叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加即：

式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；

3)计算各个叶片额外的变桨速率；

根据塔架中间段的前后加速度，基于叶片在不同方位角下的受力分析，分别计算三个叶片分别所需的额外变桨速率，具体如下：

式中，ΔV₁(k)、ΔV₂(k)、ΔV₃(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率，Kp为P控制器的比例增益系数，A为叶轮方位角超前角度；

4)计算各个叶片对应变桨速率；

将步骤3)得到的各个叶片的额外变桨速率值与常规控制器输出的变桨速率值Vo(k)进行叠加，经过限幅，分别得到三个叶片对应的变桨速率，具体如下：

叶片1的变桨速率V₁(k)：V₁(k)＝Vo(k)+ΔV₁(k)

叶片2的变桨速率V₂(k)：V₂(k)＝Vo(k)+ΔV₂(k)

叶片3的变桨速率V₃(k)：V₃(k)＝Vo(k)+ΔV₃(k)

再将各个叶片的变桨速率进行限幅，得到叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率分别为V_f1(k)、V_f2(k)、V_f3(k)，其中Vo(k)为常规控制器计算得到的统一变桨速率；

5)计算各个叶片对应的桨距角给定值；

根据步骤4)计算得到最终的变桨速率，分别计算三个叶片对应的桨距角给定值，并将其输送到变桨系统执行，实现三个叶片桨距角的单独变桨控制，即IPC控制；

叶片1的桨距角：

θ₁(k)＝θ₁(k-1)+V_f1(k)*T

叶片2的桨距角：

θ₂(k)＝θ₂(k-1)+V_f2(k)*T

叶片3的桨距角：

θ₃(k)＝θ₃(k-1)+V_f3(k)*T

式中，θ₁(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ₁(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ₂(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ₂(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ₃(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ₃(k)为叶片3当前时刻的桨距角，T为Controller Cycle time控制算法循环时间常数；

6)执行桨距角变桨；

变桨系统根据三个叶片对应的桨距角给定值调节叶片桨距角，减小由于气动不平衡引起的塔架在二阶频率点上的前后振动，从而实现风力发电机组基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的振动优化控制。

2.一种解决风力发电机组塔架二阶前后振动的控制模块，其特征在于，该模块是基于塔架中间段的前后加速度以及叶轮方位角的独立变桨控制策略IPC来解决塔架在二阶频率点的前后振动，通过减小叶轮旋转平面内三个叶片面内受力不均而造成的气动不平衡，从根本上减小塔架前后的振动，即根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，从而减小三个叶片受力不平衡，进而减小塔架前后二阶模态为主的振动，具体过程是：首先，通过传感器实时测量塔架中间段的前后加速度，并对其进行滤波；然后，再测量并计算三个叶片对应的方位角；根据塔架中间段的前后加速度以及方位角，采用P控制器，得到各个叶片额外的变桨速率，并将其叠加到各个叶片常规变桨速率上，即给三个叶片分别叠加一个不同的动态变桨速率，最后，经过限幅并计算出各个叶片最终的桨距角给定值输送给机组的变桨系统执行，从而解决塔架在二阶频率点的前后振动问题；其包括：

测量单元，用于测量塔架中间段的前后加速度，并进行滤波；

叶轮方位角计算单元，用于测量计算各叶片方位角；

叶片额外变桨速率计算单元，用于计算各个叶片额外的变桨速率，根据塔架中间段的前后加速度，基于叶片在不同方位角下的受力分析，分别计算三个叶片分别所需的额外变桨速率；

叶片对应变桨速率计算单元，用于计算各个叶片对应的变桨速率，将叶片额外变桨速率计算单元计算得到的各个叶片额外的变桨速率值与常规控制器输出的变桨速率值进行叠加，经过限幅，分别得到三个叶片对应的变桨速率；

叶片对应桨距角给定值计算单元，用于计算三个叶片对应的桨距角给定值，根据叶片对应变桨速率计算单元计算得到最终的变桨速率，分别计算三个叶片对应的桨距角给定值，并将其输送给变桨系统执行调节叶片桨距角，实现三个叶片桨距角的单独变桨控制，即IPC控制；

在所述测量单元中，测量塔架中间段的前后加速度a_nacelle，并进行滤波，经过传递函数F(s)滤波后的塔架中间段的前后加速度为a_nacellef，即：

a_nacellef＝a_nacelle*F(s)

式中，s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼系数，ω为频率，T₁和T₂为时间常数；其中，定义a_nacellef的正方向为向前时为正；

在所述叶轮方位角计算单元中，测量叶片1方位角，根据三个叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加即：

式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；

在所述叶片额外变桨速率计算单元中，采用以下公式：

式中，ΔV₁(k)、ΔV₂(k)、ΔV₃(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率，Kp为P控制器的比例增益系数，a_nacellef为滤波后的塔架中间段的前后加速度，A为叶轮方位角超前角度；

在所述叶片对应变桨速率计算单元中，采用以下公式：

叶片1的变桨速率V₁(k)：V₁(k)＝Vo(k)+ΔV₁(k)

叶片2的变桨速率V₂(k)：V₂(k)＝Vo(k)+ΔV₂(k)

叶片3的变桨速率V₃(k)：V₃(k)＝Vo(k)+ΔV₃(k)

再将各个叶片的变桨速率进行限幅，得到叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率分别为V_f1(k)、V_f2(k)、V_f3(k)，其中Vo(k)为常规控制器计算得到的统一变桨速率，ΔV₁(k)、ΔV₂(k)、ΔV₃(k)分别为叶片1、叶片2、叶片3所需的额外变桨速率；

在所述叶片对应桨距角给定值计算单元中，采用以下公式：

叶片1的桨距角：

θ₁(k)＝θ₁(k-1)+V_f1(k)*T

叶片2的桨距角：

θ₂(k)＝θ₂(k-1)+V_f2(k)*T

叶片3的桨距角：

θ₃(k)＝θ₃(k-1)+V_f3(k)*T

式中，θ₁(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ₁(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ₂(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ₂(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ₃(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ₃(k)为叶片3当前时刻的桨距角，T为Controller Cycle time控制算法循环时间常数，V_f1(k)、V_f2(k)、V_f3(k)别为叶片1、叶片2、叶片3最终的变桨速率。