WO2021203612A1 - 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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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to the field of wind power generation, in particular to a method and system for controlling the speed and resonance frequency of a flexible tower wind turbine.
  • the first-order natural frequency of the tower will have a resonance speed point with 1P of a certain operating speed. Resonance will cause a large load to the wind turbine and even endanger the safety of the wind turbine.
  • the commonly used solution is to control the speed of the wind wheel by jumping control, so that the wind wheel speed quickly crosses the tower resonance speed point.
  • this control method will lose a lot of power generation and cause greater economic losses, and it must be accurately measured in advance.
  • the first-order resonance frequency is not convenient for practical applications.
  • Chinese patent document CN104405581B discloses a "wind turbine speed control method and control system".
  • the method includes: obtaining the rotation speed of the wind turbine generator set, and obtaining the torque or power of the wind turbine generator set; If the torque value or power is less than the preset power reference value, the rotation speed of the wind turbine is controlled to jump to the lower limit of the rotation speed corresponding to the preset resonance frequency band of the wind turbine; if the rotation speed is less than the intermediate value of the rotation speed, and the torque is greater than or equal to the preset value If the second torque value or power is set to be greater than or equal to the power reference value, the rotation speed of the wind power generator is controlled to jump to the preset upper limit of the rotation speed corresponding to the resonance frequency band of the wind power generator.
  • the above technical solution loses more power generation and causes greater economic loss, and the first-order resonance frequency of the tower must be accurately measured in advance, which is not convenient for practical applications.
  • the present invention mainly solves the technical problem that the original flexible tower wind turbine speed control method will lose more power generation, and provides a flexible tower wind turbine speed resonant frequency crossing control method and system, and realizes the rotor speed jump deviation value and vibration
  • the adaptive control of amplitude and damping coefficient reduces the load of the flexible tower and ensures the safety of the unit.
  • the wind turbine is operated in the maximum energy tracking mode most of the time, which significantly reduces the loss of power generation and realizes the effective use of energy.
  • a method for controlling the speed resonant frequency crossing of a flexible tower wind turbine includes the following steps:
  • the basic calculation data of the step (1) includes the first-order modal frequency ⁇ 0 (n) and the damping ratio B 0 in the left and right direction of the tower in the nth control period obtained by the online tower modal identification system. (n), the horizontal movement acceleration a ss (n) of the tower top in the nth control period obtained by the tower vibration sensor , the wind wheel speed ⁇ r (n) in the nth control period measured by the encoder, And the operation mode flag bit A of the nth control cycle, the initial value of flag bit A is set to 0.
  • low-pass filtering and band-pass filtering are performed on the acceleration a ss of the movement in the left and right direction of the tower top , respectively, to obtain the acceleration a ss0 (n) of the movement in the left and right direction of the tower top after filtering.
  • the 30s root mean square a ss1 (n) and 600s root mean square a ss2 (n) of the left and right movement acceleration a ss0 of the tower top after the filter in the nth control period are obtained.
  • the rotor speed deviation ⁇ (n) in the nth control cycle is:
  • the rotor speed jump deviation value ⁇ (n) in the nth control cycle is:
  • ⁇ (n-1) is the rotor speed jump deviation value in the n-1th control cycle
  • k is the rotor speed jump deviation change limit value
  • T is the control period
  • the upper limit ⁇ 1 (n) of the rotor speed in the low-speed section is:
  • the lower limit ⁇ 2 (n) of the rotor speed in the high-speed section is:
  • the rotor speed jump deviation value ⁇ (n) in the nth control cycle is:
  • the upper limit ⁇ 1 (n) of the rotor speed in the low-speed section is:
  • the lower limit ⁇ 2 (n) of the rotor speed in the high-speed section is:
  • the wind turbine has reported a vibration failure and stopped.
  • step (4) Preferably, in the step (4):
  • ⁇ is a small positive number.
  • a flexible tower wind turbine speed resonance frequency crossing control system including a tower modal online identification system, a tower vibration sensor and a speed encoder.
  • the tower modal online identification system, a tower vibration sensor and a speed encoder are respectively connected with
  • the rotating speed resonance frequency of the flexible tower wind turbine is connected to the cross-over control system, and the tower vibration sensor is installed on the top of the tower.
  • the beneficial effects of the invention are: to realize the adaptive control of the jumping deviation value of the wind wheel speed, the vibration amplitude, and the damping coefficient, reduce the load of the flexible tower, ensure the safety of the unit, and make the wind turbine run at the maximum energy most of the time
  • the tracking mode can significantly reduce the loss of power generation and effectively improve the power generation efficiency of wind turbines.
  • Fig. 1 is a control flow chart of the present invention.
  • Fig. 2 is a block diagram of a circuit principle connection structure of the present invention.
  • Fig. 3 is a wind wheel speed-generator torque curve of the present invention.
  • 1 tower modal online identification system 2 tower vibration sensor, 3 speed encoder, 4 flexible tower wind turbine speed resonance frequency crossing control system.
  • a method for controlling the speed and resonance frequency of a flexible tower wind turbine includes the following steps:
  • ⁇ (n-1) is the rotor speed jump deviation value in the n-1th control cycle
  • k is the rotor speed jump deviation change limit value
  • T is the control period
  • the upper limit ⁇ 1 (n) of the rotor speed in the low-speed section is:
  • the lower limit ⁇ 2 (n) of the rotor speed in the high-speed section is:
  • the rotor speed of the wind turbine is controlled to follow the optimal control curve in the low-speed section (upper limit is ⁇ 1 (n), and the lower limit is the minimum stable operating speed of the rotor ⁇ min ) or the optimal control curve in the high-speed section (the upper limit is the wind
  • the maximum stable running speed of the wheel is ⁇ max , the lower limit is ⁇ 2 (n))
  • the speed fast jump mode is adopted for switching control between the two modes.
  • the upper limit ⁇ 1 (n) of the rotor speed in the low-speed section is:
  • the lower limit ⁇ 2 (n) of the rotor speed in the high-speed section is:
  • the rotor speed of the wind turbine is controlled to follow the optimal control curve in the low-speed section (the upper limit is ⁇ 1 (n), and the lower limit is the minimum stable operating speed of the rotor ⁇ min ) or the optimal control curve in the high-speed section (the upper limit is the wind
  • the maximum stable running speed of the wheel is ⁇ max , the lower limit is ⁇ 2 (n))
  • the speed fast jump mode is adopted for switching control between the two modes.
  • flag A The value of flag A is determined according to the following rules:
  • ⁇ is a small positive number.
  • a flexible tower wind turbine speed resonance frequency crossing control system includes a tower modal online identification system 1, a tower vibration sensor 2 and a speed encoder 3, a tower modal online identification system 1,
  • the tower vibration sensor 2 and the speed measuring encoder 3 are respectively connected to the flexible tower wind turbine rotating speed resonance frequency crossing control system 4.
  • the tower vibration sensor 2 is installed on the top of the tower.

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Abstract

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a ss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a ss0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（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，所述塔架振动传感器自上而下均匀安装在塔架上。该方法和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，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
本申请要求于2020年4月9日提交中国专利局、申请号为202010273840.0、发明名称为“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”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
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a ss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a ss0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ω 0(n)和阻尼比B 0(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a ss(n)，通过编码器测得的第n个控制周期的风轮转速ω r(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a ss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a ss0(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a ss0的30s均方根a ss1(n)和600s均方根a ss2(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 PCTCN2020112048-appb-000001
式中，C 0风轮转速跳跃偏差初值，D为常数；
且
Figure PCTCN2020112048-appb-000002
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ω 1(n)为：
Figure PCTCN2020112048-appb-000003
高速段风轮转速下限ω 2(n)为：
Figure PCTCN2020112048-appb-000004
控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线(上限为ω 1(n)，下限为风轮最小稳定运行转速ω min)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳定运行转速ω max，下限为ω 2(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 PCTCN2020112048-appb-000005
Figure PCTCN2020112048-appb-000006
低速段风轮转速上限ω 1(n)为：
Figure PCTCN2020112048-appb-000007
高速段风轮转速下限ω 2(n)为：
Figure PCTCN2020112048-appb-000008
控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线(上限为ω 1(n)，下限为风轮最小稳定运行转速ω min)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳定运行转速ω max，下限为ω 2(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a ss1(n)≤ε，则A设置为0；
如果ε＜a ss1(n)≤2ε，则A设置为1；
如果2ε＜a ss1(n)≤5ε，则A设置为2；
如果a ss1(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ω 0(n)和阻尼比B 0(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a ss(n)，通过编码器测得的第n个控制周期的风轮转速ω r(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a ss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a ss0(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a ss0的30s均方根a ss1(n)和600s均方根a ss2(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 PCTCN2020112048-appb-000009
式中，C 0风轮转速跳跃偏差初值，D为常数；
且
Figure PCTCN2020112048-appb-000010
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ω 1(n)为：
Figure PCTCN2020112048-appb-000011
高速段风轮转速下限ω 2(n)为：
Figure PCTCN2020112048-appb-000012
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ω 1(n)，下限为风轮最小稳定运行转速ω min)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳定运行转速ω max，下限为ω 2(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 PCTCN2020112048-appb-000013
Figure PCTCN2020112048-appb-000014
低速段风轮转速上限ω 1(n)为：
Figure PCTCN2020112048-appb-000015
高速段风轮转速下限ω 2(n)为：
Figure PCTCN2020112048-appb-000016
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ω 1(n)，下限为风轮最小稳定运行转速ω min)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳定运行转速ω max，下限为ω 2(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a ss1(n)≤ε，则A设置为0；
如果ε＜a ss1(n)≤2ε，则A设置为1；
如果2ε＜a ss1(n)≤5ε，则A设置为2；
如果a ss1(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 (10)

  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；
    (2)对塔顶左右方向运动的加速度a ss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a ss0的均方根；
    (4)根据运行标志位A进行不同运行状态。
  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(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ω 0(n)和阻尼比B 0(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a ss(n)，通过编码器测得的第n个控制周期的风轮转速ω r(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。
  3. 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a ss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a ss0(n)。
  4. 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(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a ss0的30s均方根a ss1(n)和600s均方根a ss2(n)。
  5. 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(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。
  6. 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(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 PCTCN2020112048-appb-100001
    式中，C 0风轮转速跳跃偏差初值，D为常数；
    且
    Figure PCTCN2020112048-appb-100002
    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ω 1(n)为：
    Figure PCTCN2020112048-appb-100003
    高速段风轮转速下限ω 2(n)为：
    Figure PCTCN2020112048-appb-100004
    控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线(上限为ω 1(n)，下限为风轮最小稳定运行转速ω min)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳定运行转速ω max，下限为ω 2(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。
  7. 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(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 PCTCN2020112048-appb-100005
    Figure PCTCN2020112048-appb-100006
    低速段风轮转速上限ω 1(n)为：
    Figure PCTCN2020112048-appb-100007
    高速段风轮转速下限ω 2(n)为：
    Figure PCTCN2020112048-appb-100008
    控制风电机组风轮转速沿低速段最优控制曲线(上限为ω 1(n)，下限为风轮最小稳定运行转速ω min)或高速段最优控制曲线(上限为风轮最大稳定运行转速ω max，下限为ω 2(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。
  8. 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(4)如果A＝3，则风电机组报过振动故障停机。
  9. 根据权利要求1或5或6或7或8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(4)中：
    如果a ss1(n)≤ε，则A设置为0；
    如果ε＜a ss1(n)≤2ε，则A设置为1；
    如果2ε＜a ss1(n)≤5ε，则A设置为2；
    如果a ss1(n)＞5ε，则A设置为3；
    式中，ε为较小正数。
  10. 一种柔性塔架风电机组转速共振频率穿越控制系统，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、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。
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