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CN111980869B - 漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法 - Google Patents

漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，设定θave为叶轮1桨叶角度均值θmean1和叶轮2桨叶角度均值θmean2的加权平均值，Wave为叶轮1发电机转速W1和叶轮2发电机转速W2的加权平均值，并为变桨控制器配置两套PID控制参数，分别为PIDfast参数和PIDslow参数，PIDfast参数是用于控制转速波动，PIDslow参数是用于抑制浮台运动，当θave经过一阶低通滤波器滤波后的值大于20°或滤波后的值大于10°且Wave大于额定转速的9％之后，变桨参数由PIDslow切换到PIDfast，而由PIDfast切换回PIDslow的条件则是当上述要求不满足且延迟预设时间之后，通过两套PID控制参数的切换，实现了转速控制与浮台运动控制的平稳过渡。

Description

漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法
技术领域
本发明涉及漂浮式双叶轮风电机组浮台的技术领域，尤其是指一种漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法。
背景技术
目前，风电机组逐步向深远海发展，海上漂浮式风电机组是其重点研发方向。对于漂浮式风电机组来说，对机组运行状态的控制较固定式机组要求更高，控制更精准，且需要控制的自由度更多，比如对浮台的运动控制。漂浮式风电机组的浮台有六个方向的运动自由度，为了抑制浮台的运动或者为了不激励浮台的负阻尼运动(浮台的俯仰方向)，通常采用的比较简便的方法是变桨控制器的设计带宽要小于浮台运动的频率，这样，变桨动作不会响应浮台运动频率也就不会激起浮台负阻尼的运动；但同时这又带来了新问题，即：额定风速以上变桨系统采用这样的控制策略会导致叶轮转速和功率波动很大，极易超速或过功率且由叶轮转速驱动的部件载荷会增加。这就需要设计一套控制逻辑来切换浮台运动控制和转速控制，对于漂浮式双叶轮风电机组来说，这种策略尤为重要，即保证不会激励浮台负阻尼运动，又能在转速波动过大时能够通过变桨很好地抑制转速。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，可实现转速控制与浮台运动控制的平稳过渡，确保能够不激励浮台负阻尼运动的同时，还能有效控制叶轮转速的波动，达到衰减由浮台运动造成的塔底低频载荷。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，所述漂浮式双叶轮风电机组为两台风机通过Y形塔架共用一个浮台，两台风机通过各自偏航驱动系统分别装于Y形塔架的两个端部上，Y形塔架的底部固定于浮台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力；该方法为了协调两个叶轮的桨叶动作共同抑制浮台运动，设定θave为叶轮1桨叶角度均值θmean1和叶轮2桨叶角度均值θmean2的加权平均值，它表征为两个叶轮各自轮毂中心处风速的加权平均值，设定Wave为叶轮1发电机转速W1和叶轮2发电机转速W2的加权平均值，并为机组的变桨控制器配置两套PID控制参数，分别为PIDfast参数和PIDslow参数，其中PIDfast参数是用于控制转速波动，PIDslow参数是用于抑制浮台运动，以使变桨控制器带宽小于浮台运动频率，该两套PID控制参数切换逻辑是：当θave经过一阶低通滤波器滤波后的值大于20°或滤波后的值大于10°且Wave大于额定转速的9％之后，变桨参数由PIDslow切换到PIDfast，即变桨参数由浮台运动控制切换到转速控制，而由PIDfast切换回PIDslow的条件则是当上述要求不满足且延迟预设时间之后，再由转速控制切回到浮台运动控制，通过两套PID控制参数的切换，实现了转速控制与浮台运动控制的平稳过渡，确保能够不激励浮台负阻尼运动的同时，还能够有效控制叶轮转速的波动。
进一步，所述变桨控制器的控制逻辑为测量转速与转速设定值的差值经过一系列滤波之后送到PID控制器并输出变桨指令值。
进一步，所述θave为由机组的主控系统采集叶轮1、2的桨叶角度均值θmean1、θmean2进行加权平均处理后得到的两个叶轮平均变桨角度均值。
进一步，所述Wave为由机组的主控系统采集叶轮1、2的发电机测量转速值进行加权平均处理后得到的速度平均值。
进一步，所述一阶低通滤波器的一阶传递函数为：
Figure GDA0002961836710000031
式中，T为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、在漂浮式双叶轮风电机组应用本发明的解耦方法，即保证了在高风速下和大湍流工况下对叶轮转速的控制，又确保了浮台运动不被激励且运动平稳。
2、由于PIDfast主要用来抑制浮台运动，对于转速控制来说变桨平稳反而降低了塔架的低频载荷。
3、本发明的解耦方法兼顾了转速控制和浮台运动控制，对系泊系统低频疲劳载荷也衰减明显。
附图说明
图1为漂浮式双叶轮风电机组示意图。
图2为本发明解耦逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
漂浮式风电机组在额定风速以上运行时，特别是在额定风速附近，其叶轮推力达到峰值，随着风速增加推力减小，推力对风速的偏导数为负数，即气动阻尼为负；在额定风速附近负阻尼绝对值最大，随风速增加负阻尼绝对值减小，所以在额定风速附近时浮台极易失稳，如果此时变桨动作又耦合上浮台运动，则加剧浮台俯仰(pitch rotation)方向的波动。随着风速增加到接近切出风速时候气动阻尼接近零值或为正值，此时的浮台运动趋于平稳，变桨控制器则可侧重于对叶轮转速的波动控制。
对于一阶非对称风速场可以被线性化，桨叶角度与风速变化紧密相关，即在任一瞬时的风速均可在桨距作用场找到对应的桨叶角度，所以变桨角度的变化也可近似描述风速的变化。
在本实施例中，应用对象为漂浮式双叶轮风电机组，如图1所示，这款机组具体是两台风机通过Y形塔架共用一个浮台，两台风机通过各自偏航驱动系统分别装于Y形塔架的两个端部上，Y形塔架的底部固定于浮台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力。
对于两台风机共用一个浮台，本实施例所提供的漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，为了协调两个叶轮的桨叶动作共同抑制浮台运动，设定θave为叶轮1桨叶角度均值θmean1和叶轮2桨叶角度均值θmean2的加权平均值，它表征为两个叶轮各自轮毂中心处风速的加权平均值，设定Wave为叶轮1发电机转速W1和叶轮2发电机转速W2的加权平均值，并为机组的变桨控制器配置两套PID控制参数，分别为PIDfast参数和PIDslow参数，其中PIDfast参数是用于控制转速波动，PIDslow参数是用于抑制浮台运动，以使变桨控制器带宽小于浮台运动频率，该两套PID控制参数切换逻辑是：当θave经过一阶低通滤波器滤波后的值大于20°或滤波后的值大于10°且Wave大于额定转速的9％之后，变桨参数由PIDslow切换到PIDfast，即变桨参数由浮台运动控制切换到转速控制，而由PIDfast切换回PIDslow的条件则是当上述要求不满足且延迟5s之后，再由转速控制切回到浮台运动控制。其中，一阶低通滤波器的一阶传递函数为：
Figure GDA0002961836710000041
式中，T为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。
上述解耦方法通过两套PID控制参数的切换，实现了转速控制与浮台运动控制的平稳过渡，确保能够不激励浮台负阻尼运动的同时，还能够有效控制叶轮转速的波动。
如图2所示，为转速控制(亦可称为：变桨控制)与浮台运动控制的解耦逻辑框图。
变桨控制器的简单控制逻辑为测量转速与转速设定值的差值经过一系列滤波之后送到PID控制器并输出变桨指令值。
θave为由机组的主控系统采集叶轮1、2的桨叶角度均值θmean1、θmean2进行加权平均处理后得到的两个叶轮平均变桨角度均值。
Wave为由机组的主控系统采集叶轮1、2的发电机测量转速值进行加权平均处理后得到的速度平均值。
由机组的主控系统将计算得到的Wave和θave下发到叶轮1和叶轮2的变桨控制器中再做如下解耦：
当θave大于20°时，变桨参数由浮台运动控制切换到转速控制即：PIDslow→PIDfast；当θave大于10°并且Wave大于额定转速的9％时，变桨参数由浮台运动控制切换到转速控制即：PIDslow→PIDfast；
当以上条件不满足时，延迟5秒的时间再由转速控制切回到浮台运动控制，即：PIDfast→PIDslow。
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。

Claims (5)

1.漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，所述漂浮式双叶轮风电机组为两台风机通过Y形塔架共用一个浮台，两台风机通过各自偏航驱动系统分别装于Y形塔架的两个端部上，Y形塔架的底部固定于浮台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力；其特征在于：该方法为了协调两个叶轮的桨叶动作共同抑制浮台运动，设定θave为叶轮1桨叶角度均值θmean1和叶轮2桨叶角度均值θmean2的加权平均值，它表征为两个叶轮各自轮毂中心处风速的加权平均值，设定Wave为叶轮1发电机转速W1和叶轮2发电机转速W2的加权平均值，并为机组的变桨控制器配置两套PID控制参数，分别为PIDfast参数和PIDslow参数，其中PIDfast参数是用于控制转速波动，PIDslow参数是用于抑制浮台运动，以使变桨控制器带宽小于浮台运动频率，该两套PID控制参数切换逻辑是：当θave经过一阶低通滤波器滤波后的值大于20°或滤波后的值大于10°且Wave大于额定转速的9％之后，变桨参数由PIDslow切换到PIDfast，即变桨参数由浮台运动控制切换到转速控制，而由PIDfast切换回PIDslow的条件则是当上述要求不满足且延迟预设时间之后，再由转速控制切回到浮台运动控制，通过两套PID控制参数的切换，实现了转速控制与浮台运动控制的平稳过渡，确保能够不激励浮台负阻尼运动的同时，还能够有效控制叶轮转速的波动。
2.根据权利要求1所述的漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，其特征在于：所述变桨控制器的控制逻辑为测量转速与转速设定值的差值经过一系列滤波之后送到PID控制器并输出变桨指令值。
3.根据权利要求1所述的漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，其特征在于：所述θave为由机组的主控系统采集叶轮1、2的桨叶角度均值θmean1、θmean2进行加权平均处理后得到的两个叶轮平均变桨角度均值。
4.根据权利要求1所述的漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，其特征在于：所述Wave为由机组的主控系统采集叶轮1、2的发电机测量转速值进行加权平均处理后得到的速度平均值。
5.根据权利要求1所述的漂浮式双叶轮风电机组转速与浮台运动控制的解耦方法，其特征在于：所述一阶低通滤波器的一阶传递函数为：
Figure FDA0002665011820000021
式中，T为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。
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