一种风力发电机组塔架振动控制方法与系统与流程

1.本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种风力发电机组塔架振动控制方法与系统。


背景技术：

2.随着风电行业进入平价时代，风力发电机组逐渐向大兆瓦、长叶片、高塔筒发展，不仅是为了技术革新更是为了降低度电成本。在这样的背景下，塔架降重是目前风电技术研究的重要目标，随着塔架高度的增加，塔架的重量也在上升，由于振动造成的塔架疲劳载荷的增加，使得在设计初期，塔架设计降重就面临严峻挑战。
3.为了适应行业的变革，通过技术创新提高行业竞争力，就必须解决塔架振动问题，通过降低塔架振动幅值来降低塔架疲劳载荷，使得塔架的重量减轻，获得更低的度电成本。
4.塔架振动控制方法就是通过增加塔架前后振动模态阻尼，从而减小塔架前后振动幅值。所述塔架振动控制方法也称为塔架加阻控制。一般的塔架振动控制方法为通过机舱前后加速度计算得到对应塔架加阻补偿量，然后确定输出塔架加阻补偿的桨距角速率或者变桨角度值。采用这种方式进行塔架振动控制可能存在相位精度不足的缺点，在计算得到的补偿变桨速率或者变桨角度会和实际的振动相位存在偏差。另外，采用在塔架中增加额外的阻尼装置，根据阻尼装置调整塔架阻尼减小塔架振动，这种方式的缺点是需要投入新设备，增加了设备成本，后期阻尼装置的维护校正也需要投入人力物力提高了成本。
5.此外，现有的塔架振动控制方法中大部分以机舱前后加速度作为塔架振动控制输入，通过一系列的滤波器进行幅值和相位的处理计算得到补偿的变桨速率或者桨距角。缺点是通过机舱前后加速度计算得到的补偿变桨速率与实际塔架振动相位匹配精度不够，若相位差别较大存在增大塔架振动的风险。
6.还有，现有的塔架振动控制技术中主要针对塔架固有频率进行实时的塔架频率监测，如果监测的塔架频率与设计的塔架固有频率相差超过设计阈值，机组就会进入停机模式。这种控制方法的缺点是只进行频率监测没有进行反馈控制干预，无法根本解决塔架振动问题，而且停机会损失机组的发电量降低收益。
7.现有的塔架振动控制方法也有利用机舱振动信号和发电机转速进行频谱分析，根据频谱能量集中区域对比分析振动原因进行振动控制。这种方法的缺点是进行频谱分析需要大量的监测数据，计算实时性较差，若计算的数据量较少则频谱分析的准确性降低。


技术实现要素：

8.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种高效、可靠的风力发电机组塔架振动控制方法，通过减小塔架振动，可有效改变塔架所受推力，降低塔架疲劳载荷，进而降低塔架重量，提高机组的安全性，降低度电成本。
9.本发明的第二目的在于提供一种风力发电机组塔架振动控制系统。
10.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组塔架振动控制方
法，该方法是以测得的机舱前后位移为输入，通过二阶带通滤波器进行滤波处理，然后经过塔架振动控制器计算得到塔架振动补偿桨距角，而后再根据条件判断是否需要将塔架振动补偿桨距角输入到风力发电机组的变桨控制器中，最终由变桨控制器发出变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架所受的推力，实现降低塔架振动，进而降低塔架疲劳载荷的目的。
11.进一步，上述风力发电机组塔架振动控制方法，包括以下步骤：
12.1)测量机舱前后位移；
13.在风力发电机组的机舱基座上安装相对位移传感器，所述相对位移传感器是通过将机械位移转换成线性或者任意函数关系的电阻或者电压输出，通过电阻或者电压的变化测量出机舱前后位移变化情况，使其成为塔架振动控制器的输入；
14.2)将测量的机舱前后位移进行滤波处理；
15.将步骤1)测量所得的机舱前后位移通过二阶带通滤波器进行滤波处理；
16.3)计算塔架振动补偿桨距角；
17.将步骤2)经过二阶带通滤波器处理过后的机舱前后位移作为塔架振动控制器的输入，在塔架振动控制器中根据机舱前后位移乘以补偿增益计算得到塔架振动补偿桨距角；其中，所述补偿增益为塔架振动控制器中为了使机舱前后位移转换为补偿桨距角而设定的转换系数；
18.4)依据条件判断是否需要将塔架振动补偿桨距角输入变桨控制器进行振动控制；
19.需要满足条件：风力发电机组的发电机转矩保持在额定转矩的0.95倍以上时，才会将步骤3)计算得到的塔架振动补偿桨距角输入到变桨控制器中，此时变桨控制器将机组在正常运行状态下的变桨角度值加上塔架振动补偿桨距角作为最终的桨距角设定值，然后输出给风力发电机组的变桨执行机构，调整叶片桨距角以达到降低塔架振动的目的；若不满足上述条件，变桨控制器直接输出机组在正常运行状态下的变桨角度值给变桨执行机构执行即可。
20.进一步，在步骤1)中，以机舱内预定位置p1相对于塔架轴心线的绝对位移为x1，以机舱内预定位置p2相对于塔架轴心线的绝对位移为x2，机舱前后位移δx＝x
1-x2；当x1≥x2时，δx≥0；当x1＜x2时，δx＜0；其中，预定位置p1、p2根据实际现场情况进行标定。
21.进一步，在步骤2)中，将步骤1)测量所得的机舱前后位移δx通过二阶带通滤波器进行滤波处理，得到滤波后的机舱前后位移xf；其中，二阶带通滤波器的传递函数g(s)如下：
[0022][0023]
式中，s为拉普拉斯变换的复变量，k为滤波器增益，ω0为滤波器中心频率，ε为滤波器阻尼系数；所述滤波器中心频率ω0采用塔架频率，所述塔架频率为塔架一阶前后模态频率，所述塔架一阶前后模态频率能够通过对风力发电机组的一些变量进行功率谱分析进行确定，所述变量包括发电机转速、机舱前后加速度；所述滤波器阻尼系数ε根据所需要的带宽决定，二阶带通滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，所述期望频率为滤波器中心频率即塔架频率，在滤波器的通带外还有叶轮转频，通带外的频率只是被衰减但没有被隔离，因此通带内可能存在部分叶轮转频的能量而无法去除；所述滤波器增益k与塔架振动控制器的补偿增益的乘积作为塔架振动控制器的增益。
[0024]
进一步，在步骤3)中，塔架振动控制器的补偿增益设为k
p
，且k
p
＞0，塔架振动补偿桨距角设为p
t
，p
t
＝k
p
*xf，xf为滤波后的机舱前后位移。
[0025]
进一步，在步骤4)中，步骤3)计算得到的塔架振动补偿桨距角为p
t
，当满足条件时，将塔架振动补偿桨距角p
t
输入给变桨控制器，变桨控制器计算得到的桨距角设定值p
dem
＝pn+p
t
，并输出给变桨执行机构，变桨执行机构调整叶片桨距角达到桨距角设定值p
dem
，其中，pn为没有塔架振动控制时，机组在正常运行状态下的变桨角度值；当不满足条件时，输出给变桨执行机构的桨距角设定值p
dem
＝pn。
[0026]
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组塔架振动控制系统，包括：
[0027]
机舱前后位移测量模块，在风力发电机组的机舱基座上安装相对位移传感器，通过相对位移传感器将机械位移转换成线性或者任意函数关系的电阻或者电压输出，从而通过电阻或者电压的变化测量出机舱前后位移变化情况，使其成为塔架振动控制器的输入；
[0028]
机舱前后位移滤波模块，采用二阶带通滤波器对机舱前后位移测量模块测量所得的机舱前后位移进行滤波处理；
[0029]
塔架振动补偿桨距角计算模块，以机舱前后位移滤波模块处理过后的机舱前后位移作为塔架振动控制器的输入，在塔架振动控制器中根据机舱前后位移乘以补偿增益计算得到塔架振动补偿桨距角；其中，所述补偿增益为塔架振动控制器中为了使机舱前后位移转换为补偿桨距角而设定的转换系数；
[0030]
塔架振动补偿桨距角输出判断模块，用于判断是否需要将塔架振动补偿桨距角输入到风力发电机组的变桨控制器；其中，需要满足条件：风力发电机组的发电机转矩保持在额定转矩的0.95倍以上时，才会将塔架振动补偿桨距角计算模块计算得到的塔架振动补偿桨距角输入到变桨控制器中，此时变桨控制器会将机组在正常运行状态下的变桨角度值加上塔架振动补偿桨距角作为最终的桨距角设定值，然后输出给风力发电机组的变桨执行机构，调整叶片桨距角以达到降低塔架振动的目的；若不满足上述条件，变桨控制器直接输出机组在正常运行状态下的变桨角度值给变桨执行机构执行即可，即不用叠加塔架振动补偿桨距角。
[0031]
进一步，在所述机舱前后位移测量模块中，以机舱内预定位置p1相对于塔架轴心线的绝对位移为x1，以机舱内预定位置p2相对于塔架轴心线的绝对位移为x2，机舱前后位移δx＝x
1-x2；当x1≥x2时，δx≥0；当x1＜x2时，δx＜0；其中，预定位置p1、p2根据实际现场情况进行标定。
[0032]
进一步，在所述机舱前后位移滤波模块中，将机舱前后位移测量模块测量所得的机舱前后位移δx通过二阶带通滤波器进行滤波处理，得到滤波后的机舱前后位移xf；其中，二阶带通滤波器的传递函数g(s)如下：
[0033][0034]
式中，s为拉普拉斯变换的复变量，k为滤波器增益，ω0为滤波器中心频率，ε为滤波器阻尼系数；所述滤波器中心频率ω0采用塔架频率，所述塔架频率为塔架一阶前后模态频率，所述塔架一阶前后模态频率能够通过对风力发电机组的一些变量进行功率谱分析进行确定，所述变量包括发电机转速、机舱前后加速度；所述滤波器阻尼系数ε根据所需要的
带宽决定，二阶带通滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，所述期望频率为滤波器中心频率即塔架频率，在滤波器的通带外还有叶轮转频，通带外的频率只是被衰减但没有被隔离，因此通带内可能存在部分叶轮转频的能量而无法去除；所述滤波器增益k与塔架振动控制器的补偿增益的乘积作为塔架振动控制器的增益。
[0035]
进一步，在所述塔架振动补偿桨距角计算模块中，塔架振动控制器的补偿增益设为k
p
，且k
p
＞0，塔架振动补偿桨距角设为p
t
，p
t
＝k
p
*xf，xf为滤波后的机舱前后位移；
[0036]
在塔架振动补偿桨距角输出判断模块中，当满足条件时，将塔架振动补偿桨距角p
t
输入给变桨控制器，变桨控制器计算得到的桨距角设定值p
dem
＝pn+p
t
，并输出给变桨执行机构，变桨执行机构调整叶片桨距角达到桨距角设定值p
dem
，其中，pn为没有塔架振动控制时，机组在正常运行状态下的变桨角度值；当不满足条件时，则输出给变桨执行机构的桨距角设定值p
dem
＝pn。
[0037]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0038]
1、本发明是在现有的塔架振动控制方法上进行控制策略改进，无需增加额外的设备，避免了增加额外的设备成本以及设备后期维护的必要。
[0039]
2、本发明根据机舱前后位移作为塔架振动控制器的输入，根据机舱前后位移计算得到的补偿桨距角可以弥补机舱前后加速度与补偿变桨速率或桨距角的相位精度问题，可以更直接地与塔架所受推力匹配。
[0040]
3、本发明根据计算得到的塔架振动补偿桨距角输入给变桨控制器，通过变桨对塔架振动进行控制，防止塔架振动过大而停机，从而避免发电量的损失。
[0041]
4、本发明无需大量的数据处理，只需要对机舱前后位移进行二阶带通滤波处理，采样周期为0.01s，有效提高塔架振动控制器的响应速度，保证塔架振动控制的实时性。
附图说明
[0042]
图1为本发明方法的流程图。
[0043]
图2为关闭和开启塔架振动控制的塔架载荷时序图。
[0044]
图3为关闭和开启塔架振动控制的机舱前后位移时序图。
[0045]
图4为本发明系统的架构图。
具体实施方式
[0046]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0047]
本实施例提供了一种风力发电机组(可简称风机)塔架振动控制方法，参见图1所示，该方法是以测得的机舱前后位移为输入，通过二阶带通滤波器进行滤波处理，然后经过塔架振动控制器计算得到塔架振动补偿桨距角，而后再根据条件判断是否需要将塔架振动补偿桨距角输入到风力发电机组的变桨控制器中，最终由变桨控制器发出变桨指令调节叶片桨距角，从而改变塔架所受的推力，实现降低塔架振动，进而降低塔架疲劳载荷的目的，关闭和开启塔架振动控制的塔架载荷时序请见图2所示；其包括以下步骤：
[0048]
1)测量机舱前后位移；
[0049]
在风力发电机组的机舱基座上安装相对位移传感器，所述相对位移传感器是通过将机械位移转换成线性或者任意函数关系的电阻或者电压输出，通过电阻或者电压的变化
测量出机舱前后位移变化情况，使其成为塔架振动控制器的输入，具体如下：
[0050]
以机舱内预定位置p1相对于塔架轴心线的绝对位移为x1，以机舱内预定位置p2相对于塔架轴心线的绝对位移为x2，机舱前后位移δx＝x
1-x2；当x1≥x2时，δx≥0；当x1＜x2时，δx＜0；其中，预定位置p1、p2根据实际现场情况进行标定，关闭和开启塔架振动控制的机舱前后位移时序请见图3所示。
[0051]
2)将测量的机舱前后位移进行滤波处理；
[0052]
将步骤1)测量所得的机舱前后位移δx通过二阶带通滤波器进行滤波处理，得到滤波后的机舱前后位移xf；其中，二阶带通滤波器的传递函数g(s)如下：
[0053][0054]
式中，s为拉普拉斯变换的复变量，k为滤波器增益，ω0为滤波器中心频率，ε为滤波器阻尼系数；所述滤波器中心频率ω0采用塔架频率，所述塔架频率为塔架一阶前后模态频率，塔架一阶前后模态频率可以通过对发电机转速、机舱前后加速度等变量进行功率谱分析进行确定；所述滤波器阻尼系数ε根据所需要的带宽决定，二阶带通滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，所述期望频率为滤波器中心频率即塔架频率，在滤波器的通带外还有叶轮转频，所述叶轮转频为叶轮转速的1倍频率、3倍频率，通带外的频率只是被衰减但没有被隔离，因此通带内可能存在部分叶轮转频的能量而无法去除；所述滤波器增益k与塔架振动控制器的补偿增益的乘积作为塔架振动控制器的增益，所述补偿增益为塔架振动控制器中为了使机舱前后位移转换为补偿桨距角而设定的转换系数；滤波器增益k可以暂时取1，这样主要通过塔架振动器的补偿增益值进行调节。
[0055]
3)计算塔架振动补偿桨距角；
[0056]
将步骤2)经过二阶带通滤波器处理过后的机舱前后位移作为塔架振动控制器的输入，在塔架振动控制器中根据机舱前后位移乘以补偿增益计算得到塔架振动补偿桨距角；其中，塔架振动控制器的补偿增益设为k
p
，且k
p
＞0，塔架振动补偿桨距角设为p
t
，p
t
＝k
p
*xf，xf为滤波后的机舱前后位移。
[0057]
4)依据条件判断是否需要将塔架振动补偿桨距角输入变桨控制器进行振动控制；
[0058]
需要满足条件：风力发电机组的发电机转矩保持在额定转矩的0.95倍以上时，才会将塔架振动补偿桨距角p
t
输入给变桨控制器，变桨控制器计算得到的桨距角设定值p
dem
＝pn+p
t
，并输出给风力发电机组的变桨执行机构，变桨执行机构调整叶片桨距角达到桨距角设定值p
dem
，其中，pn为没有塔架振动控制时，机组在正常运行状态下的变桨角度值；当不满足条件时，变桨控制器直接输出给变桨执行机构的桨距角设定值p
dem
＝pn。
[0059]
实施例2
[0060]
本实施例提供了一种风力发电机组塔架振动控制系统，参见图4所示，该系统包含以下功能模块：
[0061]
机舱前后位移测量模块，在风力发电机组的机舱基座上安装相对位移传感器，通过相对位移传感器将机械位移转换成线性或者任意函数关系的电阻或者电压输出，从而通过电阻或者电压的变化测量出机舱前后位移变化情况，使其成为塔架振动控制器的输入；
[0062]
机舱前后位移滤波模块，采用二阶带通滤波器对机舱前后位移测量模块测量所得的机舱前后位移进行滤波处理；
[0063]
塔架振动补偿桨距角计算模块，以机舱前后位移滤波模块处理过后的机舱前后位移作为塔架振动控制器的输入，在塔架振动控制器中根据机舱前后位移乘以补偿增益计算得到塔架振动补偿桨距角；其中，所述补偿增益为塔架振动控制器中为了使机舱前后位移转换为补偿桨距角而设定的转换系数；
[0064]
塔架振动补偿桨距角输出判断模块，用于判断是否需要将塔架振动补偿桨距角输入到风力发电机组的变桨控制器；其中，需要满足条件：风力发电机组的发电机转矩保持在额定转矩的0.95倍以上时，才会将塔架振动补偿桨距角计算模块计算得到的塔架振动补偿桨距角输入到变桨控制器中，此时变桨控制器会将机组在正常运行状态下的变桨角度值加上塔架振动补偿桨距角作为最终的桨距角设定值，然后输出给风力发电机组的变桨执行机构，调整叶片桨距角以达到降低塔架振动的目的；若不满足上述条件，变桨控制器直接输出机组在正常运行状态下的变桨角度值给变桨执行机构执行即可，即不用叠加塔架振动补偿桨距角。
[0065]
在所述机舱前后位移测量模块中，以机舱内预定位置p1相对于塔架轴心线的绝对位移为x1，以机舱内预定位置p2相对于塔架轴心线的绝对位移为x2，机舱前后位移δx＝x
1-x2；当x1≥x2时，δx≥0；当x1＜x2时，δx＜0；其中，预定位置p1、p2根据实际现场情况进行标定。
[0066]
在所述机舱前后位移滤波模块中，将机舱前后位移测量模块测量所得的机舱前后位移δx通过二阶带通滤波器进行滤波处理，得到滤波后的机舱前后位移xf；其中，二阶带通滤波器的传递函数g(s)如下：
[0067][0068]
式中，s为拉普拉斯变换的复变量，k为滤波器增益，ω0为滤波器中心频率，ε为滤波器阻尼系数；所述滤波器中心频率ω0采用塔架频率，所述塔架频率为塔架一阶前后模态频率，塔架一阶前后模态频率可以通过对发电机转速、机舱前后加速度等变量进行功率谱分析进行确定；所述滤波器阻尼系数ε根据所需要的带宽决定，二阶带通滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，所述期望频率为滤波器中心频率即塔架频率，在滤波器的通带外还有叶轮转频，所述叶轮转频为叶轮转速的1倍频率、3倍频率，通带外的频率只是被衰减但没有被隔离，因此通带内可能存在部分叶轮转频的能量而无法去除；所述滤波器增益k与塔架振动控制器的补偿增益的乘积作为塔架振动控制器的增益，所述补偿增益为塔架振动控制器中为了使机舱前后位移转换为补偿桨距角而设定的转换系数；滤波器增益k可以暂时取1，这样主要通过塔架振动器的补偿增益值进行调节
[0069]
在所述塔架振动补偿桨距角计算模块中，塔架振动控制器的补偿增益设为k
p
，且k
p
＞0，塔架振动补偿桨距角设为p
t
，p
t
＝k
p
*xf，xf为滤波后的机舱前后位移。
[0070]
在塔架振动补偿桨距角输出判断模块中，当满足条件时，将塔架振动补偿桨距角p
t
输入给变桨控制器，变桨控制器计算得到的桨距角设定值p
dem
＝pn+p
t
，并输出给变桨执行机构，变桨执行机构调整叶片桨距角达到桨距角设定值p
dem
，其中，pn为没有塔架振动控制时，机组在正常运行状态下的变桨角度值；当不满足条件时，则输出给变桨执行机构的桨距角设定值p
dem
＝pn。
[0071]
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故
凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。