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CN111502912B - 一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法及系统 - Google Patents

一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法及系统，方法包括：获取基础计算数据；对塔顶左右方向运动的加速度ass进行处理；求得第n个控制周期的滤波器后塔顶左右方向运动加速度ass0的均方根；根据运行标志位A进行不同运行状态。系统包括塔架模态在线辨识系统、塔架振动传感器和测速编码器分别与柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制系统相连，所述塔架振动传感器自上而下均匀安装在塔架上。上述技术方案实现风轮转速跳跃偏差值与振动幅值、阻尼系数的自适应控制，减小柔性塔架载荷，确保了机组安全，同时使风电机组大部分时间都运行在最大能量跟踪模式，明显减少发电量损失，有效提高风电机组发电效率。

Description

一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种柔性塔架风电机组转速共振频率 穿越控制方法及系统。
背景技术
有资料显示，我国风电发展迅猛，装机规模连续8年世界第一，已经成为 我国第三大能源。近年，我国风电技术发展呈现叶片越来越长、机组容量越来 越大、塔架越来越高的发展趋势。随着塔架越来越高，常规的在运行转速范围 内，塔架一阶固有频率处于1P和3P之间的刚性塔架，已经不能满足高塔架设 计要求了，越来越多高塔架采用柔性塔架设计，即在运行转速范围内，塔架一 阶固有频率与1P。
风电机组采用柔性塔架之后，在运行转速范围内，塔架一阶固有频率会与 某个运行转速的1P存在共振转速点，发生共振会给风电机组造成较大载荷，甚 至危及机组安全。目前常用的解决方法是通过风轮转速跳跃控制，让风轮转速 快速穿越塔架共振转速点，但这种控制方法会损失较多发电量，造成较大经济 损失，且得事先精准测量塔架一阶共振频率，实际应用也不便利。
中国专利文献CN104405581B公开了一种“风力发电机组转速控制方法及控 制系统”。方法包括：获取风力发电机组的转速，并获取风力发电机组的扭矩或 功率；如果转速大于或等于预设的风力发电机组的共振转频带对应转速区间的 转速中间值，并且扭矩小于预设的第一扭矩值或者功率小于预设的功率参考值， 则控制风力发电机组的转速跳跃到预设的风力发电机组的共振转频带对应的转 速下限；如果转速小于转速中间值，并且扭矩大于或等于预设的第二扭矩值或 者功率大于或等于功率参考值，则控制风力发电机组的转速跳跃到预设的风力 发电机组的共振转频带对应的转速上限。上述技术方案损失较多发电量，造成 较大经济损失，且得事先精准测量塔架一阶共振频率，实际应用也不便利。
发明内容
本发明主要解决原有的柔性塔架风电机组转速控制方法会损失较多发电量 的技术问题，提供一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法及系统， 实现风轮转速跳跃偏差值与振动幅值、阻尼系数的自适应控制，减小柔性塔架 载荷，确保了机组安全，同时使风电机组大部分时间都运行在最大能量跟踪模 式，明显减少发电量损失，实现能源的有效利用。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法，包括以下步骤：
(1)获取基础计算数据；
(2)对塔顶左右方向运动的加速度ass进行处理；
(3)求得第n个控制周期的滤波器后塔顶左右方向运动加速度ass0的均方 根；
(4)根据运行标志位A进行不同运行状态。
作为优选，所述的步骤(1)的基础计算数据包括通过塔架模态在线辨识系 统得到的第n个控制周期的塔架左右方向一阶模态频率ω0(n)和阻尼比B0(n)，通 过塔架振动传感器得到的第n个控制周期的塔顶左右方向运动加速度ass(n)，通 过编码器测得的第n个控制周期的风轮转速ωr(n)，以及第n个控制周期的运行 模式标志位A，标志位A初值设置为0。
作为优选，所述的步骤(2)对塔顶左右方向运动的加速度ass分别进行低通 滤波和带通滤波，得到滤波后塔顶左右方向运动的加速度ass0(n)。
作为优选，所述的步骤(3)求得第n个控制周期的滤波器后塔顶左右方向 运动加速度ass0的30s均方根ass1(n)和600s均方根ass2(n)。
作为优选，所述的步骤(4)如果A＝0，则第n个控制周期的风轮转速偏差 Δω(n)为：
Δω(n)＝0
控制风电机组风轮转速沿MPPT(最大能量跟踪)模式的最优转速曲线运行。
作为优选，所述的步骤(4)如果A＝1，则第n个控制周期的风轮转速跳跃 偏差值Δω(n)为：
Figure BDA0002444082860000034
式中，C0风轮转速跳跃偏差初值，D为常数；
且
Figure BDA0002444082860000031
式中：Δω(n-1)为第n-1个控制周期的风轮转速跳跃偏差值，k为风轮转速 跳跃偏差变化限制值，T为控制周期；
低速段风轮转速上限ω1(n)为：
Figure BDA0002444082860000032
高速段风轮转速下限ω2(n)为：
Figure BDA0002444082860000033
控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线(上限为ω1(n)，下限为风轮 最小稳定运行转速ωmin)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳定运行转速 ωmax，下限为ω2(n))运行，两种模式之间采用转速快速跳跃方式进行切换控制。
作为优选，所述的步骤(4)如果A＝2，则第n个控制周期的风轮转速跳跃 偏差值Δω(n)为：
Figure BDA0002444082860000041
Figure BDA0002444082860000042
低速段风轮转速上限ω1(n)为：
Figure BDA0002444082860000043
高速段风轮转速下限ω2(n)为：
Figure BDA0002444082860000044
控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线(上限为ω1(n)，下限为风轮 最小稳定运行转速ωmin)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳定运行转速 ωmax，下限为ω2(n))运行，两种模式之间采用转速快速跳跃方式进行切换控制。
作为优选，所述的步骤(4)如果A＝3，则风电机组报过振动故障停机。
作为优选，所述的步骤(4)中：
如果ass1(n)≤ε，则A设置为0；
如果ε＜ass1(n)≤2ε，则A设置为1；
如果2ε＜ass1(n)≤5ε，则A设置为2；
如果ass1(n)＞5ε，则A设置为3；
式中，ε为较小正数。
一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制系统，包括塔架模态在线辨 识系统、塔架振动传感器和测速编码器，塔架模态在线辨识系统、塔架振动传 感器和测速编码器分别与柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制系统相连， 所述塔架振动传感器安装在塔架顶部。
本发明的有益效果是：实现风轮转速跳跃偏差值与振动幅值、阻尼系数的 自适应控制，减小柔性塔架载荷，确保了机组安全，同时使风电机组大部分时 间都运行在最大能量跟踪模式，明显减少发电量损失，有效提高风电机组发电 效率。
附图说明
图1是本发明的一种控制流程图。
图2是本发明的一种电路原理连接结构框图。
图3是本发明的一种风轮转速-发电机转矩曲线。
图中1塔架模态在线辨识系统，2塔架振动传感器，3测速编码器，4柔性 塔架风电机组转速共振频率穿越控制系统。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法， 如图1所示，包括以下步骤：
(1)通过塔架模态在线辨识系统得到的第n个控制周期的塔架左右方向一 阶模态频率ω0(n)和阻尼比B0(n)，通过塔架振动传感器得到的第n个控制周期的 塔顶左右方向运动加速度ass(n)，通过编码器测得的第n个控制周期的风轮转速 ωr(n)，以及第n个控制周期的运行模式标志位A，标志位A初值设置为0。
(2)对塔顶左右方向运动的加速度ass分别进行低通滤波和带通滤波，得到 滤波后塔顶左右方向运动的加速度ass0(n)。
(3)求得第n个控制周期的滤波器后塔顶左右方向运动加速度ass0的30s 均方根ass1(n)和600s均方根ass2(n)。
(4)根据运行标志位A进行不同运行状态。
①如果A＝0，则第n个控制周期的风轮转速偏差Δω(n)为：
Δω(n)＝0
控制风电机组风轮转速沿MPPT(最大能量跟踪)模式的最优转速曲线运行。 ②如果A＝1，则第n个控制周期的风轮转速跳跃偏差值Δω(n)为：
Figure BDA0002444082860000061
式中，C0风轮转速跳跃偏差初值，D为常数；
且
Figure BDA0002444082860000062
式中：Δω(n-1)为第n-1个控制周期的风轮转速跳跃偏差值，k为风轮转速 跳跃偏差变化限制值，T为控制周期；
低速段风轮转速上限ω1(n)为：
Figure BDA0002444082860000063
高速段风轮转速下限ω2(n)为：
Figure BDA0002444082860000064
如图3所示，控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线(上限为ω1(n)， 下限为风轮最小稳定运行转速ωmin)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳 定运行转速ωmax，下限为ω2(n))运行，两种模式之间采用转速快速跳跃方式进 行切换控制。
③如果A＝2，则第n个控制周期的风轮转速跳跃偏差值Δω(n)为：
Figure BDA0002444082860000071
Figure BDA0002444082860000072
低速段风轮转速上限ω1(n)为：
Figure BDA0002444082860000073
高速段风轮转速下限ω2(n)为：
Figure BDA0002444082860000074
如图3所示，控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线(上限为ω1(n)， 下限为风轮最小稳定运行转速ωmin)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳 定运行转速ωmax，下限为ω2(n))运行，两种模式之间采用转速快速跳跃方式进 行切换控制。
④如果A＝3，则风电机组报过振动故障停机。
标志位A的取值根据以下规则确定：
如果ass1(n)≤ε，则A设置为0；
如果ε＜ass1(n)≤2ε，则A设置为1；
如果2ε＜ass1(n)≤5ε，则A设置为2；
如果ass1(n)＞5ε，则A设置为3；
式中，ε为较小正数。
一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制系统，如图2所示，包括塔 架模态在线辨识系统1、塔架振动传感器2和测速编码器3，塔架模态在线辨识 系统1、塔架振动传感器2和测速编码器3分别与柔性塔架风电机组转速共振频 率穿越控制系统4相连。塔架振动传感器2安装在塔架顶部。

Claims (3)

1.一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取基础计算数据，基础计算数据包括通过塔架模态在线辨识系统得到的第n个控制周期的塔架左右方向一阶模态频率ω0(n)和阻尼比B0(n)，通过塔架振动传感器得到的第n个控制周期的塔顶左右方向运动加速度ass(n)，通过编码器测得的第n个控制周期的风轮转速ωr(n)，以及第n个控制周期的运行模式标志位A，标志位A初值设置为0；
(2)对塔顶左右方向运动的加速度ass进行处理；
(3)求得第n个控制周期的滤波器后塔顶左右方向运动加速度ass0的均方根；
(4)如果ass1(n)≤ε，则A设置为0；
如果ε＜ass1(n)≤2ε，则A设置为1；
如果2ε＜ass1(n)≤5ε，则A设置为2；
如果ass1(n)＞5ε，则A设置为3；
式中，ε为较小正数，ass1(n)为第n个控制周期的滤波器后塔顶左右方向运动加速度ass0的30s均方根；
根据运行标志位A进行不同运行状态：
如果A＝0，则第n个控制周期的风轮转速偏差Δω(n)为：
Δω(n)＝0
控制风电机组风轮转速沿MPPT(最大能量跟踪)模式的最优转速曲线运行；
如果A＝1，则第n个控制周期的风轮转速跳跃偏差值Δω(n)为：
Figure FDA0003109337060000011
式中，C0风轮转速跳跃偏差初值，D为常数，ass2(n)为第n个控制周期的滤波器后塔顶左右方向运动加速度ass0的600s均方根，B0(n)为第n个控制周期的塔架左右方向一阶模态阻尼比；
且
Figure FDA0003109337060000021
式中：Δω(n-1)为第n-1个控制周期的风轮转速跳跃偏差值，k为风轮转速跳跃偏差变化限制值，T为控制周期；
低速段风轮转速上限ω1(n)为：
Figure FDA0003109337060000022
高速段风轮转速下限ω2(n)为：
Figure FDA0003109337060000023
控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线，即上限为ω1(n)，下限为风轮最小稳定运行转速ωmin，或高速段最优控制曲线，上限为风轮最大稳定运行转速ωmax，下限为ω2(n)，运行，两种模式之间采用转速快速跳跃方式进行切换控制；
如果A＝2，则第n个控制周期的风轮转速跳跃偏差值Δω(n)为：
Figure FDA0003109337060000024
Figure FDA0003109337060000025
低速段风轮转速上限ω1(n)为：
Figure FDA0003109337060000026
高速段风轮转速下限ω2(n)为：
Figure FDA0003109337060000031
控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线，上限为ω1(n)，下限为风轮最小稳定运行转速ωmin，或高速段最优控制曲线，上限为风轮最大稳定运行转速ωmax，下限为ω2(n)，运行，两种模式之间采用转速快速跳跃方式进行切换控制；
如果A＝3，则风电机组报过振动故障停机。
2.根据权利要求1所述的一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法，其特征在于，所述步骤(2)对塔顶左右方向运动的加速度ass分别进行低通滤波和带通滤波，得到滤波后塔顶左右方向运动的加速度ass0(n)。
3.一种用于实现权利要求1所述的柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制方法的系统，其特征在于，包括塔架模态在线辨识系统、塔架振动传感器和测速编码器，塔架模态在线辨识系统分别与塔架振动传感器、测速编码器相连，所述塔架振动传感器安装在塔架顶部。
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