[发明专利]一种风力发电机组基于机舱弯头载荷的独立变桨控制方法

摘要

本发明公开了一种风力发电机组基于机舱弯头载荷的独立变桨控制方法，该方法是：首先，在机舱弯头处贴装传感器，通过传感器直接采集弯头弯矩My、Mz，再通过采集的机舱弯头载荷推算出D轴载荷和Q轴载荷，即D‑Q轴载荷；其次，D轴载荷和Q轴载荷分别通过滤波器、PI控制器、限幅输出为D‑Q轴的变桨指令；最后，D‑Q轴的变桨指令经过D‑Q轴逆变换，得到每个桨叶上的变桨指令，叠加到统一变桨指令上。本发明方法采用机舱弯头载荷作为独立变桨控制的反馈量，载荷传感器的数量由三组降为一组，在显著降低成本的同时，也提高了可靠性。

主权项

1.一种风力发电机组基于机舱弯头载荷的独立变桨控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先，在机舱弯头贴装传感器，通过传感器直接采集机舱弯头弯矩My、Mz，然后再通过采集的弯头载荷推算出D轴载荷和Q轴载荷，即D-Q轴载荷，其具体情况如下：D轴载荷是反映风轮平面俯仰方向受载的不平衡性，Q轴载荷是反映叶轮平面偏航方向受载的不平衡性，在风机轮毂坐标系中，D轴载荷指轮毂My，而Q轴载荷指轮毂Mz，轮毂坐标系为GL坐标系，X坐标轴沿轮毂中心线从机头指向机尾，Y坐标轴水平且与X轴垂直，Z坐标轴垂直指向上；独立变桨控制目的是为消除叶轮平面的不平衡载荷，因而需要得知反映叶轮平面不平衡性的载荷，即D轴载荷和Q轴载荷，为此，如何通过机舱弯头载荷得到D-Q轴载荷尤为关键；机舱弯头采集的载荷有：机舱弯矩My、Mz，机舱坐标系是固定在机舱上，为GL坐标系，X轴由机头指向机尾，Y轴为水平且与X轴垂直，Z轴垂直向上，坐标原点在偏航轴承中轴线上，塔架坐标系与轮毂坐标系类似，轮毂坐标系也是固定在机舱上，随机舱偏航而旋转，而坐标原点在轮毂中心而不是再偏航轴承中心；D-Q轴的Q轴载荷与机舱弯头载荷Mz直接相关，Q轴载荷等于Mz；以传感器采集的机舱弯头载荷作为独立变桨控制的输入信号，根据机舱坐标系和轮毂坐标系的关系，对机舱弯头载荷My、Mz作变换，计算得到D-Q轴的D轴载荷和Q轴载荷；在变换的过程中，考虑机舱重力对机舱坐标原点的附加弯矩，因此，在计算D轴载荷过程中，还需减去机舱重力对机舱弯头施加的附加弯矩；其中，从机舱弯头载荷变换得到D-Q轴载荷需要进行坐标变换，所作的变换如下式： M D = M y - F G L M Q = M z ]]>式中，MD代表D轴载荷，MQ代表Q轴载荷；My、Mz分别代表机舱弯头俯仰方向和偏航方向的载荷；FG代表机舱重力，L代表机舱重心到偏航轴承中轴线的距离；在此变换式中考虑了机舱重力导致的附加弯矩；2)将D-Q轴的载荷通过低通滤波器、陷频滤波器、PI控制器产生D-Q轴变桨指令并限幅输出，其具体情况如下：知道D-Q轴载荷，即知道叶轮平面的不平衡载荷，要消除叶轮平面的不平衡载荷，需要设计从D-Q轴载荷到D-Q轴变桨指令的控制器，在此采用PI控制器来控制D-Q轴的变桨指令来消除D-Q轴的不平衡载荷，由于载荷信号中包含有高频噪声，这些高频成分对降载没有用处，只会扰乱控制系统，因此控制器中需加入低通滤波器、陷频滤波器，为安全缘故，PI控制器输出的变桨指令还需进行限幅处理，得到限幅后的D-Q轴变桨指令；其中，由于D-Q轴是相互独立、完全解耦的，因此，D轴载荷和Q轴载荷是分开控制的，即D轴载荷经过PI控制器后输出D轴变桨指令θD，Q轴载荷经过PI控制器生成Q轴变桨指令θQ；3)将D-Q轴的变桨指令逆变换得到每个桨叶上的变桨指令，再叠加到统一变桨指令上，其具体情况如下：从D-Q轴桨距作用场到三个旋转叶片的桨距增量的变换称为D-Q轴旋转逆变换，公式如下：式中，{θ1θ2θ3}为每个桨叶的桨距角增量，为叶轮方位角；考虑时间延迟，D-Q轴旋转逆变换公式的叶轮方位角处还需引入一个方位角偏移量δ，通过在叶轮方位角处增加一个方位角偏移量δ来抵消控制器在控制环路中的各项时间延迟，因此，逆变换公式重写为：