专利名称：风机塔架振动抑制系统和提高风机切出风速的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于风力发电领域，涉及一种风机塔架振动抑制系统以及一种提高风机切出风速的控制系统。
背景技术：
风力发电机(Wind Turbine，MT，简称风机)在运行时，可能会导致风机塔架(也称为塔筒)在与叶轮迎风方向垂直的方向(Side-side方向，也是就与风向垂直的方向)产生幅度比较大的一阶固有频率振动，并且可能会导致风机塔架在叶轮迎风方向(Fore-aft方向，也是风向)产生幅度比较大的一阶固有频率振动。具体地，对于塔架Side-side方向，风机在以下阶段运行时，会导致在机组塔架Side-side方向产生幅度比较大的一阶固有频率振动:(1.1)在切入风速附近，机组处于并网发电模式且发电机转速接近最小并网转速条件下，由于塔架Side-side方向的一阶固有频率与发电机转速的3倍频相耦合，导致在塔架Side-side方向一阶振动故障发生；(1.2)在接近切出风速阶段机组启动过程到并网发电模式下，由于受风况限制，机组在较长的时间维持在最小并网转速附近，同样是由于塔架Side-side方向的一阶固有频率与发电机转速的3倍频相耦合，导致在塔架Side-side方向一阶振动故障发生；(1.3)在额定风速附近且风速平稳、湍流强度小的情况下，对于风机，由于塔架Side-side方向的一阶固有频率的气动阻尼本身比较小，如果不采取任何抑制塔架Side-side方向的一阶固有频率振动的措施，首先在发电机转速信号中会激励出与塔架Side-side方向的一 阶固有频率同频率的信号，该频率信号会相应出现在发电机电磁扭矩控制中，其结果是，塔架Side-side方向的一阶固有频率的气动阻尼进一步减小，最终导致塔架Side-side方向的一阶振动故障发生；(1.4)对于提高机组切出风速的暴风控制策略方案，当风机运行风速高于常规的切出风速数值时，容易导致塔架Side-side方向的一阶固有频率振动故障发生。为了避免和抑制风机在并网发电运行阶段，塔架Side-side方向的一阶固有频率振动故障发生，目前在发电机转速-电磁扭矩控制回路中串联一个带阻滤波器，该带阻滤波器主要用于衰减发电机转速信号中与塔架Side-side方向的一阶固有频率同频率的信号强度，因此在发电机电磁扭矩控制命令中就不会再包含减小塔架Side-side方向的一阶固有频率气动阻尼的波动扭矩动作。电磁扭矩控制不会再主动激励塔架Side-side方向的一阶固有频率振动。在发电机转速-电磁扭矩控制回路中增加带阻滤波器的技术方案，其缺点主要表现在以下四个方面:(1.5)该方案只能对于风机运行在并网发电阶段，同时发电机转速信号中包含塔架Side-side方向的一阶固有频率同频率信号所引起的振动起抑制作用，而对于风机运行在接近切出风速条件下启动过程中，或者风机运行在风速高于常规切出风速的暴风控制阶段时，但发电机转速信号中并不包含塔架Side-side方向的一阶固有频率同频率信号所引起的振动(即，前面所提及的情形(1.2)和(1.4))是无能为力。(1.6)对于发电机转速-电磁扭矩闭环控制回路来讲，系统响应速度慢、超调大、动态特性差。(1.7)由于需兼顾风机在发电机转速-电磁扭矩控制回路动态响应方面的性能，因此带阻滤波器在陷波幅度的选择上不能太大，这导致在风机并网运行阶段塔架Side-side方向的振动加速度仍然比较大。(1.8)塔架Side-side方向的弯矩Mx的疲劳载荷比较大。另外，对于塔架Fore-aft方向，风机在以下阶段运行时，会导致在机组塔架Fore-aft方向产生幅度比较大的一阶固有频率振动:(2.1)在切入风速附近，机组处于并网发电模式且发电机转速接近最小并网转速条件下，由于塔架Fore-aft方向的一阶固有频率与发电机转速的3倍频相耦合，导致塔架Fore-aft方向的一阶振动故障发生；(2.2)在接近切出风速阶段机组启动过程到并网发电模式下，由于受风况限制，机组在较长的时间维持在最小并网转速附近，同样是由于塔架Fore-aft方向的一阶固有频率与发电机转速的3倍频相耦合，导致塔架Fore-aft方向的一阶振动故障发生；(2.3)在额定风速以上，对于风机，由于塔架Fore-aft方向的一阶固有频率的气动阻尼本身比较小，如果不采取任何抑制塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动的措施，在机组满功率运行过程中，首先在发电机转速信号中会激励出与塔架Fore-aft方向的一阶固有频率同频率的信号，该频率 信号会被变桨执行机构在执行变桨动作过程中进一步放大，相应地，塔架Fore-aft方向的一阶固有频率的气动阻尼变得更小，导致塔架Fore-aft方向的一阶振动故障发生；(2.4)机组运行在额定风速以上，由于受到较强阵风以及快速变桨动作的影响，导致塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动故障发生；(2.5)机组运行在额定风速附近或者额定风速以上，由于电网、全功率变流器或者发电机故障，导致发电机侧空气开关跳闸，此时在塔架Fore-aft方向同样会产生比较大的一阶固有频率振动；(2.6)对于提高机组切出风速的暴风控制策略方案，当风机运行风速高于常规的切出风速数值时，容易导致塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动故障发生。为了避免和抑制风机在额定风速以上运行阶段，塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动故障发生，目前在发电机转速-变桨控制回路中串联一个带阻滤波器，该带阻滤波器主要用于衰减发电机转速信号中与塔架Fore-aft方向的一阶固有频率同频率的信号强度，因此在变桨控制命令中就不会再包含减小塔架Fore-aft方向的一阶固有频率气动阻尼的变桨动作。变桨控制不会再主动激励塔架Fore-aft方向的一阶固有频率振动。在发电机转速-变桨控制回路中增加带阻滤波器的技术方案，其缺点主要表现在以下三个方面:(2.7)该方案只能对于风机运行在额定风速以上，同时发电机转速信号中包含塔架Fore-aft方向的一阶固有频率同频率信号所引起的振动起抑制作用，而对于风机运行在额定风速以下，或者风机运行在额定风速以上，但发电机转速信号中并不包含塔架Fore-aft方向的一阶固有频率同频率信号所引起的振动(S卩，前面所提及的情形(2.1)、(2.2)、(2.4)、(2.5)和(2.6))是无能为力。(2.8)对于发电机转速-变桨闭环控制回路来讲，系统响应速度慢、超调大、动态特性差。(2.9)前面的情形(2.5)提及的发电机侧空气开关跳闸工况，对于确定风机轮毂、偏航轴承、塔架、基础等机械部件极限载荷起决定性作用，由于在发电机转速-变桨控制回路中增加带阻滤波器的技术方案对引起这类振动的无能为力，因此风机轮毂、偏航轴承、塔架、基础等机械部件极限载荷较大,整个风机的成本较高。此外，不同机型的风机，针对某一特定风电场的平均风速、极限风速、风频分布和湍流强度等基本信息，都会设计和规定相应的切出风速，以确保机组在大约20年的设计寿命内安全运行。当实际风速超过切出风速时，机组就会执行停机动作，直到实际风速低于切出风速，机组才会重新启动并且并网发电。对于某些风电场，风速高于切出风速的时间比较长，因此风电场开发者提出了在保证机组安全性的前提下，通过提高风机的切出风速来提升机组发电量、提高风电场投资收益的需求。风机目前的控制策略中并不包含提高机组切出风速的功能。目前在发电机转速-变桨速率控制回路中串联一个带阻滤波器，该带阻滤波器主要用于衰减发电机转速信号中，与塔架Fore-aft方向一阶固有频率同频率的信号强度，同时在发电机转速_电磁扭矩控制回路中串联一个带阻滤波器，该带阻滤波器主要用于衰减发电机转速信号中，与塔架Side-side方向一阶固有频率同频率的信号强度，以此来分别抑制风机在额定风速以上塔架Fore-aft方向以及并网发电运行阶段Side-side方向一阶固有频率振动故障发生。
由于现有的风机并不包含提高机组切出风速的功能，因此无法通过提高切出风速来提升机组发电量以及提高风电场投资收益。对于串联带阻滤波器的发电机转速-变桨速率控制回路以及发电机转速-电磁扭矩控制回路而言，提高机组运行的切出风速之后，在风机启动过程以及并网发电模式下，机组塔架Fore-aft方向和Side-side方向的一阶固有频率的振动幅度都会大幅度增加，一方面会导致机组产生Fore-aft方向或者Side-side方向振动故障,另一方面塔架My弯矩和Mx弯矩同样由于振动幅度增大而使相应疲劳载荷大幅度增加。
发明内容
本发明的目的在于减小风机在并网发电模式下运行时，塔架Side-side方向一阶固有频率振动的幅值，减少机组运行过程中相应振动故障的发生，同时降低塔架Side-side方向弯矩Mx的疲劳载荷；提升发电机转速-电磁扭矩闭环控制的动态特性，包括降低超调量、缩短响应时间等。本发明的目的还在于使风机在更宽风速、更宽转速、更宽运行范围内，减小风机塔架Fore-aft方向一阶固有频率振动的幅值，减少机组运行过程中相应振动故障的发生；提升发电机转速-变桨速率闭环控制的动态特性，包括降低超调量、缩短响应时间等；在发电机侧空气开关跳闸工况下，通过减小风机塔架Fore-aft方向一阶固有频率振动的幅值，降低风机轮毂、偏航轴承、塔架、基础等机械部件极限载荷，从而降低整个风机的成本。本发明的目的还在于在保证风机安全性的前提下，提高机组切出风速的数值，以此来提升机组发电量以及提高风电场投资收益；大幅度降低机组提高切出风速以后，在启动过程以及并网发电模式下Fore-aft方向和Side-side方向一阶固有频率振动幅度,保证机组平稳运行以及降低塔架My弯矩、Mx弯矩疲劳载荷。根据本发明的一方面，提供一种风机塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动抑制系统，所述振动抑制系统包括:发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例积分控制器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度；积分模块，接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算；带通滤波器，对积分模块的积分运算结果进行带通滤波，从塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；比例增益模块，对带通滤波器的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；加法器，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的一阶固有频率振动幅度。
所述振动抑制系统还包括:第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。所述振动抑制系统还包括:第二低通滤波器，连接在比例积分控制器和加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。根据本发明的另一方面，提供一种风机塔架的叶轮迎风方向的振动抑制系统，所述振动抑制系统包括:发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值；比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例微分控制器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值；加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的叶轮迎风方向的振动加速度；带通滤波器，接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架的叶轮迎风方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；二阶滤波器，对带通滤波器的带通滤波结果进行二阶滤波；比例增益模块，对二阶滤波器的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值；加法器，将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值，所述风机叶片变桨速率给定值用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架的叶轮迎风方向的一阶固有频率振动幅度。所述振动抑制系统还包括:第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。所述振动抑制系统还包括:第二低通滤波器，连接在比例微分控制器和加法器之间，对比例微分控制器的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
根据本发明的另一方面，提供一种提高风机切出风速并抑制振动的控制系统，所述控制系统包括:风速测量模块，安装在风机机舱上，用于测量风电场风速；第一低通滤波器，对风速测量模块测量的风速进行低通滤波；风速-发电机额定转速换算模块，从第一低通滤波器接收低通滤波的结果，换算出发电机额定转速；第二低通滤波器，对风速-发电机额定转速换算模块换算出的发电机额定转速进行低通滤波，得到所述发电机转速设定值；发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值 ’第一比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例积分控制器，接收第一比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值；加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度以及塔架的叶轮迎风方向的振动加速度；积分模块，接收加速度测量模块测量的塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算；第一带通滤波器，对积分模块的积分运算结果进行带通滤波，从塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；第一比例增益模块，对第一带通滤波器的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值；第一加法器，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的一阶固有频率振动幅度；第二比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较；比例微分控制器，接收第二比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值；第二带通滤波器，接收加速度测量模块测量的塔架的叶轮迎风方向的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架的叶轮迎风方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号；二阶滤波器，对第二带通滤波器的带通滤波结果进行二阶滤波；第二比例增益模块，对二阶滤波器的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值；第二加法器，将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值，所述风机叶片变桨速率给定值用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架的叶轮迎风方向的一阶固有频率振动幅度。所述振动抑制系统还包括:第三低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和第一比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
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所述振动抑制系统还包括:第四低通滤波器，连接在比例积分控制器和第一加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。所述振动抑制系统还包括:第五低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和第二比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二比较器，以与发电机转速设定值进行比较。所述振动抑制系统还包括:第六低通滤波器，连接在比例微分控制器和第二加法器之间，对比例微分控制器的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二加法器作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。在风电场风速低于暴风控制起始风速时，风机输出功率为风机的额定功率；当风电场风速在暴风控制起始风速与风机切出风速之间时，发电机额定电磁扭矩保持不变，风机的输出功率随着发电机转速设定值减小而减小；当风电场风速高于风机切出风速时，风机停止运行,输出功率为零。当风速超过风机的设计切出风速时，降低发电机的额定转速，由此来提高风机切出风速。
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中:图1是示出根据本发明第一实施例的风机塔架Side-side方向振动抑制系统的框图；图2显示了风速-机舱Side-side方向速度的开环阶跃响应；图3显示了发电机电磁扭矩-机舱Side-side方向速度的开环阶跃响应；图4显示了发电机电磁扭矩-机舱Side-side方向速度的开环bode (伯德)图；图5和图6分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案的闭环阶跃响应,显然Side-side方向振动抑制技术方案的超调量更低，调节时间更短。图7和图8分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案的闭环bode图；图9、图10和图11分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案，在大风情况下仿真风机启动过程中Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷、叶片角度变化趋势；图12、图13和图14分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Side-side方向振动抑制技术方案，在提高大风切出风速情况下仿真风机运行过程中Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷、风机输出功率变化趋势；图15是示出根据本发明第二实施例的风机塔架Fore-aft方向振动抑制系统的框图；图16表示变桨速率-机舱速度开环控制bode图；图17和图18分别表示只引入带通滤波器和同时引入带通滤波器和二阶滤波器的Fore-aft方向振动抑制系统发电机转速_变桨速率闭环bode图；图19示出了比例增益模块的增益值K随风机叶片角度变化的变化；图20显示了风速-机舱速度的开环阶跃响应；图21显示了发电机电磁扭矩-机舱速度的开环阶跃响应；图22和图23分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案的闭环阶跃响应；图24和图25分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案的闭环bode
图26、图27和图28分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在大风情况下仿真风机启动过程中叶片角度、Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势；图29和图30分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在小风情况下仿真风机运行过程中叶片角度、Fore-aft方向振动加速度变化趋势；图31和图32分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在提高大风切出风速情况下仿真风机运行过程中Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势；图33显示了发电机侧空气开关跳闸的情况下，发电机电磁扭矩的变化趋势；图34和图35分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入带阻滤波器的技术方案以及Fore-aft方向振动抑制技术方案，在发电机侧空气开关跳闸的情况下仿真风机运行过程中Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化趋势；图36是示出根据本发明第三实施例的提高风机切出风速的控制系统的框图；图37显示了提高切出风速的暴风控制方案的风速-风机输出功率的关系图；图38显示了提高切出风速方案仿真使用的湍流风；图39和图40中实线与虚线分别表示当仿真用湍流风平均风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间以及风速小于暴风控制起始风速时，采用提高切出风速方案，发电机转速-电磁扭矩控制回路和发电机转速-变桨速率控制回路中发电机转速设定值、风机输出功率随时间变化的情况。图41和图42分别显示了发电机转速-变桨速率控制回路中引入Fore-aft方向振动加速度信号的技术方案，在风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间的发电模式下，对风机Fore-aft方向振动加速度、塔架My弯矩一阶固有频率信号衰减情况；图43和图44分别显示了发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入Side-side方向振动加速度信号的技术方案，在风速介于暴风控制起始风速和新的切出风速之间的发电模式下，对风机Side-side方向振动加速度、塔架Mx弯矩一阶固有频率信号衰减情况；图45、图46和图47中实线和虚线分别显示了在发电机转速-变桨速率控制回路中引入Fore-aft方向振动加速度信号的技术方案以及未引入Fore-aft方向振动加速度的技术方案，在风机大风启动过程中仿真叶片角度、Fore-aft方向振动加速度、塔架底部弯矩My载荷变化情况；图48和图49中实线和虚线分别显示了在发电机转速-电磁扭矩控制回路中引入Side-side方向振动加速度信号的技术方案以及未引入Side-side方向振动加速度的技术方案，在风机大风启动过程中仿真Side-side方向振动加速度、塔架底部弯矩Mx载荷变化情况。
具体实施例方式现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。图1是示出根据本发明第一实施例的风机塔架Side-side方向振动抑制系统的框图。本发明的第一实施例主要针对风机塔 架Side-side方向振动抑制。
参照图1，风机塔架Side-side方向振动抑制系统包括发电机转速测量模块(未示出)、比较器101、比例积分(PI)控制器102、加速度测量模块(未示出)、积分模块103、带通滤波器104、比例增益模块105、加法器106。发电机转速测量模块安装在风机机舱内，测量发电机转速(即，获得发电机转速测量值)。比较器101将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较。PI控制器102接收比较器101的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值。加速度测量模块安装在风机机舱内，测量塔架Side-side方向的振动加速度。积分模块103接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算。带通滤波器104对积分模块103的积分运算结果进行带通滤波，从塔架Side-side方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号。带通滤波器104的传递函数可以是
权利要求
1.一种风机塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统包括: 发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值； 比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较； 比例积分控制器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值； 加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度； 积分模块，接收 加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算； 带通滤波器，对积分模块的积分运算结果进行带通滤波，从塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号； 比例增益模块，对带通滤波器的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值； 加法器，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的一阶固有频率振动幅度。
2.根据权利要求1所述的振动抑制系统，还包括:第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
3.根据权利要求1所述的振动抑制系统，还包括:第二低通滤波器，连接在比例积分控制器和加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
4.一种风机塔架的叶轮迎风方向的振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统包括: 发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值； 比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较； 比例微分控制器，接收比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值； 加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的叶轮迎风方向的振动加速度； 带通滤波器，接收加速度测量模块测量的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架的叶轮迎风方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号； 二阶滤波器，对带通滤波器的带通滤波结果进行二阶滤波； 比例增益模块，对二阶滤波器的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值； 加法器，将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值，所述风机叶片变桨速率给定值用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架的叶轮迎风方向的一阶固有频率振动幅度。
5.根据权利要求4所述的振动抑制系统，还包括:第一低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
6.根据权利要求4所述的振动抑制系统，还包括:第二低通滤波器，连接在比例微分控制器和加法器之间，对比例微分控制器的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给加法器作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
7.一种提高风机切出风速并抑制振动的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括: 风速测量模块，安装在风机机舱上，用于测量风电场风速； 第一低通滤波器，对风速测量模块测量的风速进行低通滤波； 风速-发电机额定转速换算模块，从第一低通滤波器接收低通滤波的结果，换算出发电机额定转速； 第二低通滤波器，对风速-发电机额定转速换算模块换算出的发电机额定转速进行低通滤波，得到所述发电机转速设定值； 发电机转速测量模块，安装在风机机舱内，测量发电机转速，以获得发电机转速测量值； 第一比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较； 比例积分控制器，接收第一比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例积分运算，得到发电机电磁扭矩的第一控制输入值； 加速度测量模块，安装在风机机舱内，测量塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度以及塔架的叶轮迎风方向的振动加速度； 积分模块，接收加速度测量模块测量的塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度，对所述振动加速度进行积分运算； 第一带通滤波器，对积分模块的积分运算结果进行带通滤波，从塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号； 第一比例增益模块，对第一带通滤波器的带通滤波结果进行比例增益放大，得到发电机电磁扭矩的第二控制输入值； 第一加法器，将发电机电磁扭矩的第一控制输入值和发电机电磁扭矩的第二控制输入值进行叠加，得到发电机电磁扭矩给定值，所述发电机电磁扭矩给定值用于控制风机的电磁扭矩，从而降低塔架的与叶轮迎风方向垂直的方向的一阶固有频率振动幅度； 第二比较器，将发电机转速测量值与发电机转速设定值进行比较； 比例微分控制器，接收第二比较器的比较结果，对所述比较结果进行比例微分运算，得到风机叶片变桨速率的第一控制输入值； 第二带通滤波器，接收加速度测量模块测量的塔架的叶轮迎风方向的振动加速度，对所述振动加速度进行带通滤波，从塔架的叶轮迎风方向的振动加速度中提取出一阶固有频率信号； 二阶滤波器，对第二带通滤波器的带通滤波结果进行二阶滤波； 第二比例增益模块， 对二阶滤波器的二阶滤波结果进行比例增益放大，得到风机叶片变桨速率的第二控制输入值；第二加法器，将风机叶片变桨速率的第一控制输入值和风机叶片变桨速率的第二控制输入值进行叠加，得到风机叶片变桨速率给定值，所述风机叶片变桨速率给定值用于控制风机的变桨速率，从而降低塔架的叶轮迎风方向的一阶固有频率振动幅度。
8.根据权利要求7所述的控制系统，还包括:第三低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和第一比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
9.根据权利要求7所述的控制系统，还包括:第四低通滤波器，连接在比例积分控制器和第一加法器之间，对比例积分控制器的比例积分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第一加法器作为发电机电磁扭矩的第一控制输入值。
10.根据权利要求7所述的控制系统，还包括:第五低通滤波器，连接在发电机转速测量模块和第二比较器之间，对发电机转速测量值进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二比较器，以与发电机转速设定值进行比较。
11.根据权利要求7所述的控制系统，还包括:第六低通滤波器，连接在比例微分控制器和第二加法器之间，对比例微分控制器的比例微分结果进行低通滤波，将低通滤波的结果提供给第二加法器作为风机叶片变桨速率的第一控制输入值。
12.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，在风电场风速低于暴风控制起始风速时，风机输出功率为风机的额定功率；当风电场风速在暴风控制起始风速与风机切出风速之间时，发电机额定电磁扭矩保持不变，风机的输出功率随着发电机转速设定值减小而减小；当风电场风速高于风机切出风速时，风机停止运行，输出功率为零。
13.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，当风速超过风机的设计切出风速时，降低发电机的 额定转速，由此来提高风机切出风速。
全文摘要
本发明提供一种风机塔架振动抑制系统以及提高风机切出风速的控制系统。在本发明中，在发电机转速-电磁扭矩闭环控制回路中引入与叶轮迎风方向垂直的方向的振动加速度，来抑制与叶轮迎风方向垂直的方向的振动；在发电机转速-变桨速率闭环控制回路中引入叶轮迎风方向的振动加速度信号，来抑制叶轮迎风方向的振动；根据风速测量信号调整发电机转速给定值，保持发电机额定扭矩不变，从而调整大风条件下风机输出功率，由此实现风机切出风速提高的目的。
文档编号F03D11/00GK103244349SQ201310145928
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者王明江 申请人:北京金风科创风电设备有限公司