[发明专利]基于串级结构的风力发电机组控制系统及其控制方法

说明书

本公开提供了一种基于串级结构的风力发电机组控制系统及其控制方法。所述系统可以包括控制回路和执行机构。其中，控制回路可以包括第一控制器、第二控制器以及处理器，第一控制器与第二控制器分别与所述处理器连接，其中，第一控制器从所述处理器接收第一输入数据并向所述处理器发送第一输出数据，并且第二控制器从所述处理器接收第二输入数据并发送控制信号。执行机构可以包括变桨执行机构或变流器，与控制回路连接，从第二控制器接收所述控制信号，并且根据接收到的控制信号来执行相应的动作。

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种基于串级结构的风力发电机组控制系统及其控制方法。

背景技术

随着风电市场的竞争日渐白热化，风力发电机组的设计逐渐向着大叶轮、高塔架进行发展。风力发电机组在运行期间的载荷水平是决定机组成本的最重要因素之一。随着风电市场中主流风力发电机组叶轮面的不断增大，在到达额定风速以后，各主机厂商均采用变桨控制策略以降低风力发电机组在额定风速及以上的载荷水平。目前，变桨控制模块的实现通常是依据转速偏差，通过稳定转速的方式来控制桨距角的变化。一般的基础变桨控制结构如图1所示，根据转速设定值w_ref与转速测量值w_m之间的转速偏差w_err，利用PID控制器来获得给定变桨位置pa_demand，使得变桨执行机构按照给定变桨位置执行变桨控制。由此可见，一般的变桨控制方法通常只采用转速信号作为输入，以稳定转速的方式实现变桨控制。然而，一般的变桨控制方法不能将风力发电机组在实际运行过程中的载荷变化、塔架振动等其他信号作为主动控制输入，只能采取被动响应，这样通常会导致落后两个相位。对这些信号的响应不及时往往会导致载荷升高及机组振动过大等问题，间接地提高了单机成本，降低机组的安全性能。此外，风力发电机组的扭矩控制系统中的控制回路结构与图1相似，区别仅在于执行机构为变流器。相应地，扭矩控制系统也会遇到上述问题。

由于塔架的升高与叶轮的增大，整机频率以及阻尼将会越来越低，因此机头、机舱以及塔架的摆动成为风力发电机组安全运行的一个隐患。目前，通常采用塔架加阻的方法来抑制机舱及塔架振动，即测量机舱加速度信号，通过给定增益的方式补偿额外的变桨速率抑制振动。现有的塔架加阻功能的基本控制结构如图2所示，机舱加速度通过增益控制来获得额外变桨位置，通过结合额外变桨位置和根据转速偏差获得的给定变桨位置pa_deamnd来获得最终变桨位置，这样，变桨执行机构按照最终变桨位置执行变桨控制。然而，这样的变桨控制回路只能实现单一转速信号输入，而塔架加阻功能采用在闭环控制之外，这样会导致补偿的变桨位置(或变桨速率)附加在闭环控制之外不利于机组的稳定性分析及确定性分析，并且机组运行过程中加速度相位不稳定，简单的增益控制通常不能获得很好的控制效果，有时甚至会起到反作用，此外，机舱加速度信号中的干扰信号必须要通过大量的滤波器进行处理，往往会损失一定的系统稳定裕度。此外，风力发电机组的扭矩控制系统有时也会采用这样的方式来增加输入信号。

目前，增加输入信号的控制方法一般引入串级控制。传统的串级PID控制结构如图3所示，其中，G_c1、G_c2、G_p1、G_p2、r₁、r₂、y₁、y₂分别为外环回路控制器(PID控制器或简化的PID控制器)、内环回路控制器、外环执行机构(被控对象)、内环执行机构、外环设定值、内环设定值、外环系统输出以及外环系统输出，d₁、d₂分别为控制系统的一次干扰和二次干扰，也可称之为外扰和内扰(其中，进入外环回路的干扰称为一次干扰，进入内环回路的干扰称为二次干扰)。从图3可以看出，传统的串级控制系统通常需要两个及以上的执行机构来实现，然而，对于风力发电机组的变桨控制系统或扭矩控制系统而言，只存在单一执行机构(即变桨电机或变流器)，因此无法直接在风力发电机组的变桨控制回路或扭矩控制回路中应用传统的串级控制结构。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了一种基于串级结构的风力发电机组控制系统及其控制方法，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。