本發(fā)明涉及雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法，尤其涉及風力發(fā)電機組變槳控制技術領域。

背景技術：
隨著空氣動力學、控制理論、電力電子技術、計算機控制技術等相關技術的發(fā)展與完善，風力發(fā)電技術得到突飛猛進的發(fā)展，發(fā)電質量提高，發(fā)電成本下降，風機尺寸和單機容量不斷增大。然而風力發(fā)電機組的大型化趨勢同時也帶來了一些復雜的技術問題。其中最突出的一項就是，風切變效應與塔影效應會造成風輪平面內有效風速的分布不均勻，葉片在轉動過程中會承受周期性變化的氣動力，根據葉素理論可知，葉片的氣動力又可分解為軸向力和周向力，而劇烈變化的軸向力會使得葉片甚至塔架發(fā)生揮舞擺振。由此帶來的振動和疲勞載荷問題不但影響風機工作的穩(wěn)定性，而且過大的疲勞應力容易造成風機相關部件的疲勞損傷，引起各種事故。機組的風輪直徑越大，此問題就顯得越嚴重。所以有效減少槳葉的氣動載荷疲勞已成為風力發(fā)電機組大型化研究的重要內容之一。顯然對風力發(fā)電機組各個葉片進行單獨控制能夠解決上述問題。獨立變槳距是指風力機的每個葉片根據各自的控制規(guī)律獨立地變化槳距角。獨立變槳距控制是近幾年在統一變槳距的基礎上發(fā)展起來的新型變槳距控制理論和方法。獨立變槳距控制不但以穩(wěn)定輸出功率為控制目的，而且還能有效地解決葉片和塔架等部件的載荷不均勻問題。獨立變槳距控制根據風力機葉片受到的實際風速大小調節(jié)槳距角，使風力機風輪葉片始終保持在最佳葉尖速比的狀態(tài)。在風力機工作時，可以減少風力機阻力、減少風力機葉片的內部應力、提高風力機的輸出功率，從而延長風力機葉片的使用壽命。雖然安裝相應的測量裝置會增加單臺風力機成本，但是整個風電場的發(fā)電能力有一定程度提高，風力發(fā)電機組的使用年限也有增加，這將會使風電場的經濟效益得到很大程度的提高。從空氣動力學角度考慮，當風速變化時，風力機槳葉的槳距角必須作相應的改變，使氣流對葉片的攻角保持最佳，才能使風能利用系數達到最高。變速變槳距型風力發(fā)電機組設計時所考慮的是在一定風速下風力機風輪葉片所要實現的槳距變化，進而改變葉片的攻角。風輪各葉片的改變是同步的，即每個葉片在任意時刻都保持相同的槳距角。但實際上風速與高度存在切變，風速會隨著高度的增加而增加，增加的程度取決于風切變系數。因為風力機風輪掃掠面內風速是不同的，所以風機的各個葉片在風輪掃掠面內任意位置的葉尖速比也是不同的。根據葉尖速比與風力機攻角的關系可知，風力機葉片在整個掃掠面內的攻角隨高度發(fā)生一個周期性的變化。按照升力系數和攻角、阻力系數和攻角的關系，可以知道各葉片在任意時刻得到的升力和阻力是不同的。這樣，對于采用統一變槳距控制的風力機就存在一個問題：風力機在運行中存在額外的阻力。風力機葉片要承受由于葉片的受力不均導致的額外內應力，造成葉片載荷隨風力機的轉動而時刻發(fā)生變化。理論上分析可知，從載荷角度對風力機實施控制得到修正變槳距控制可以削弱這部分風速波動對風力機的影響，既對每個葉片進行獨立變槳控制可一定程度上減小風輪上的不均衡載荷。一般都是利用發(fā)電機轉速偏差來生成協同變槳節(jié)距角和測量風輪方位角及葉片根部載荷My1、My2、My3的方式來生成偏差變槳節(jié)距角，專利公開號CN102102630A的中國專利是采用發(fā)電機功率偏差來生成協同節(jié)距角測量風輪方位角及葉片根部的y方向載荷My1、My2、My3與z方向載荷Mz1、Mz2、Mz3來生成偏差節(jié)距角。以上幾種方法都增加了變槳速率，同時也存在一些不足：(1)這將增加變槳軸承的疲勞載荷，因此，會降低變槳軸承的壽命；(2)變槳速率加快對電機的響應速度要求提高，可能需要更換性能更加可靠的變槳電機；(3)第三種方法需要測量兩個方向的葉根載荷，故需要更多的光纖傳感器，因此需要增加較多硬件成本；(4)由于變槳距控制具有一定的滯后性，測得的方位角作為輸入量對偏差節(jié)距角的計算會存在偏差。

技術實現要素：
本發(fā)明的目的是針對上述背景技術存在的缺陷，提供一種控制精度高、響應速度快的雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法。為實現上述目的，本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法，包括：步驟A：統一變槳控制部分，即由統一變槳距控制算法計算出統一槳距角給定β，該步驟A進一步包括:步驟A1：測量風力發(fā)電機組的發(fā)電機轉速ωmea；步驟A2：將發(fā)電機轉速ωmea與設定轉速ωset進行差值運算得到轉速偏差Δω；步驟A3：PI控制，即PI控制器利用步驟A2中得到的轉速偏差Δω，并按照拉普拉斯關系式得出變槳控制期望輸出的槳距角β0，其中，KP為PI控制器的比例系數，TP為積分時間常數；步驟A4：前饋控制，即檢測出發(fā)電機轉速擾動Δω，等同于步驟A2所述的轉速偏差，再通過動態(tài)前饋控制器計算出期望的前饋擾動補償槳距角Δβ0；步驟A5：根據步驟A3中PI控制期望輸出的槳距角β0和步驟14中前饋控制期望輸出的前饋擾動補償槳距角Δβ0進行加法運算，即β0+Δβ0；步驟A6：由槳距角限制器對β0+Δβ0作限制處理后輸出相應的統一槳距角給定β；步驟B：獨立變槳控制部分，該步驟B進一步包括：步驟B1：通過載荷傳感器和絕對值編碼器分別測量出三個葉片根部y方向載荷My1、My2、My3和風輪方位角ψ；步驟B2：利用主控制器將三槳葉葉片根部的y方向載荷My1、My2、My3及風輪方位角ψ進行Coleman變換，變換為傾覆載荷分量Mtilt和偏航載荷分量Myaw；步驟B3：兩個載荷分量Mtilt、Myaw各由一個帶增益的積分器轉化成對應的槳距角分量，即得出d軸和q軸期望輸出的槳距角θ2、θ3，θ2、θ3分別為變換得到d-q軸下的傾斜方向和偏航方向的變槳角；步驟B4：給出風輪方位補償角Δψ并與風輪方位角ψ進行加法運算：ψ+Δψ，將運算后的結果連同期望槳距角θ2、θ3進行Coleman反變換，即可得出獨立變槳距控制期望輸出的獨立槳距角給定β1、β2、β3；步驟B5：對輸出的獨立槳距角給定β1、β2、β3分別進行低通濾波和槳距角大小限制處理后輸出；步驟C：將經步驟B5處理的獨立槳距角給定β1、β2、β3分別與統一槳距角給定β進行加法運算后，輸出葉片1的槳距角給定β+β1、葉片2的槳距角給定β+β2及葉片3的槳距角給定β+β3。綜上所述，本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法具有如下優(yōu)點：1.通過對轉速偏差采用前饋控制來補償風速測量誤差，無需測量多位置的風速變化，避免增加額外的成本；2.簡化了前饋控制系統，降低了對前饋控制精度的要求，為工程上實現簡單的前饋補償創(chuàng)造了條件；3.比純反饋控制具有控制精度高、響應速度快的特點；4.使用帶通濾波器對葉片根部載荷輸入量進行濾波處理，能同時將特定頻率范圍內的信號去除低頻漂移和抑制高頻擾動；5.可以產生一個反映風輪位置狀態(tài)的方位角補償信號，使風機在不同風速下保持期望輸出槳距角的準確性；6.相對于PI控制器，采用積分器處理變換后的載荷量能夠有效降低控制器的設計難度，使該技術更具實際應用價值。附圖說明圖1為本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法的統一槳距角給定基本控制策略示意圖。圖2為本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法的統一槳距角給定具體控制策略示意圖。圖3為本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法的統一槳距角給定基本控制策略示意圖圖4為本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法具體控制策略示意圖。圖5為本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法中風力發(fā)電機組槳葉葉片載荷坐標系的示意圖。圖6為本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法中風力發(fā)電機組輪轂載荷坐標系的示意圖。具體實施方式為詳細說明本發(fā)明的技術內容、構造特征、所達成目的及效果，以下茲例舉實施例并配合附圖詳予說明。請參閱圖1至圖6，本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法統一變槳控制部分：在背景技術的基礎之上主要增加并設計的變槳距控制方法可分為兩部分：第一部分是根據發(fā)電機轉速偏差計算槳距角的變化，即通過發(fā)動機轉速偏差計算槳距角的控制策略是在PI控制的基礎上加入前饋擾動補償控制；第二部分是通過塔筒前方振動方向的加速度來獲得槳距角補償值。這兩部分得到的槳距角再相加即是槳距角給定，再發(fā)送到變槳執(zhí)行結構。下面結合圖例對該關鍵技術進行詳細描述。本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法，包括：步驟A：統一變槳控制部分，即由統一變槳距控制算法計算出統一槳距角給定值β，該步驟A進一步包括:步驟A1：測量風力發(fā)電機組的發(fā)電機轉速ωmea；步驟A2：將發(fā)電機轉速ωmea與設定轉速ωset進行差值運算得到轉速偏差Δω；步驟A3：PI控制，即PI控制器利用步驟A2中得到的轉速偏差Δω，并按照拉普拉斯關系式得出變槳控制期望輸出的槳距角β0，其中，KP為PI控制器的比例系數，TP為積分時間常數；步驟A4：前饋控制，即檢測出發(fā)電機轉速擾動Δω，等同于步驟A2所述的轉速偏差，再通過動態(tài)前饋控制器計算出期望的前饋擾動補償槳距角Δβ0；步驟A5：根據步驟A3中PI控制期望輸出的槳距角β0和步驟A4中前饋控制期望輸出的前饋擾動補償槳距角Δβ0進行加法運算，即β0+Δβ0；步驟A6：由槳距角限制器對β0+Δβ0作限制處理后輸出相應的槳距角；步驟B：獨立變槳控制部分，該步驟B進一步包括：步驟B1：通過載荷傳感器和絕對值編碼器分別測量出三個葉片根部y方向載荷My1、My2、My3和風輪方位角ψ；步驟B2：利用主控制器將三槳葉葉片根部的y方向載荷My1、My2、My3及風輪方位角ψ進行Coleman變換，變換為傾覆載荷分量Mtilt和偏航載荷分量Myaw；步驟B3：兩個載荷分量Mtilt、Myaw各由一個帶增益的積分器轉化成對應的槳距角分量，即得出d軸和q軸期望輸出的槳距角θ2、θ3，θ2、θ3分別為變換得到d-q軸下的傾斜方向和偏航方向的變槳角；步驟B4：給出風輪方位補償角Δψ并與風輪方位角ψ進行加法運算：ψ+Δψ，將運算后的結果連同期望槳距角θ2、θ3進行Coleman反變換，即可得出獨立變槳距控制期望輸出的獨立槳距角給定β1、β2、β3；步驟B5：對輸出的獨立槳距角給定β1、β2、β3分別進行低通濾波和槳距角大小限制處理后輸出；步驟C：將經步驟5處理的獨立槳距角給定β1、β2、β3分別與統一槳距角給定β進行加法運算后，輸出葉片1的槳距角給定β+β1、葉片2的槳距角給定β+β2及葉片3的槳距角給定β+β3。所述步驟A4中的動態(tài)前饋控制器可采用如下拉普拉斯關系式其中，Kd是前饋系數，T1和T2為時間常數。所述步驟A4中的動態(tài)前饋控制器也可采用按如下拉普拉斯關系式得到期望的前饋擾動補償槳距角Δβ0：其中，Kd是前饋系數，T1、T1'、T2和T2'均為時間常數。所述步驟A4中的動態(tài)前饋控制器具有對時間超前和滯后進行補償的作用。由于風速儀一般位于風力發(fā)電機組的逆風區(qū)，塔影效應和尾流效應的影響會使得測量風速與風力發(fā)電機組槳葉迎風面的實際風速有一定誤差，如果通過在風力發(fā)電機組正前方的輪轂等高處安裝風速儀來減小與風力發(fā)電機組槳葉迎風面的風速差別，盡管能有效提高風速測量的準確性，但安裝風速儀增加了該方法的應用難度。因此，本發(fā)明利用轉速偏差的擾動來進行前饋補償的方法可大大簡化前饋控制系統，有利于工程上的實際應用。所述步驟A1中發(fā)電機轉速ωmea是通過增量式編碼器測量出。所述步驟A2中轉速偏差Δω是通過發(fā)電機轉速設定值ωset減去轉速測量值ωmea計算得到的。步驟A6中的槳距角限制器是為了滿足附加槳距角的輸出值在期望范圍內，避免輸出值過大使得變槳速率變大，增加變槳電機的負荷。本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法進一步包括塔筒振動控制步驟A110，該塔筒振動控制步驟A110進一步包括：步驟A111：測量出塔筒頂部前后方向的加速度GTFA；步驟A112：積分器按拉普拉斯關系式得到期望的補償槳距角Δβ1，補償槳距角Δβ1的主要作用是增大塔筒等效阻尼，其中，KG為積分器的放大系數，TG為時間常數；步驟A113：根據變速變槳控制過程期望輸出的槳距角β0+Δβ0和塔筒振動控制過程期望輸出的附加槳距角Δβ1得出統一變槳距控制期望輸出的槳距角β：β＝β0+Δβ0+Δβ1，并輸出給槳距角限制器。所述塔筒振動控制步驟A110中可進一步至少包括用陷波器對加速度GTFA進行濾波處理的步驟A1111。陷波器是用來阻止塔架加速度出現不希望的頻率，主要是葉片通過頻率。將振動加速度通過一個帶增益的積分器即可得到附加槳距角，在變槳控制過程中加入該附加槳距角，能有效降低塔筒的振動幅值。積分器中增益有助于消除靜差，加快響應速度，推遲截止頻率。所述塔筒振動控制步驟A110中在利用陷波器對加速度GTFA進行濾波處理的步驟A1111之前可再進一步用高通濾波器對加速度GTFA進行處理的步驟A1112。在附加槳距角的計算中，由于測量塔筒前后加速度比測量速度更容易，機艙底部的加速度傳感器能很方便得到塔架的前后振動加速度，積分后即得到塔架前后振動的速度。為了更好地避免加速度信號的漂移，有必要串聯個高通濾波器(其表達式為：其中，ω1為高通濾波器的固有頻率，ζ1為高通濾波器的阻尼比。具體實施中，本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法中所述塔筒頂部前后方向加速度GTFA按以下拉普拉斯關系式進行濾波：其中，GTFAf為濾波后的塔筒頂部前后方向加速度；ω1為高通濾波器的固有頻率；ζ1為高通濾波器的阻尼比；ω2和ω3為陷波器的固有頻率；ζ2和ζ3為陷波器的阻尼比。塔筒振動控制步驟A110通過塔架前后方向加速度計算附近槳距角是為增大系統等效阻尼，降低塔筒的載荷。本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法可再進一步包括由相位補償模塊進行相位補償的步驟A120。該相位補償模塊包含有增益Kc，低通濾波器和陷波器，主要作用是補償轉速測量值濾波后造成的相位偏差。具體實施例中，所述步驟A120期望輸出的槳距角給定β按以下拉普拉斯關系式進行相位補償，關系式為其中，βf為濾波后的輸出槳距角；Kc為增益系數；Ta為滯后校正器的時間常數；Tb為超前校正器的時間常數；a為網絡系數，決定相位角的超前量。所述發(fā)電機測量轉速ωmea按以下拉普拉斯關系式進行濾波，關系式為其中，ωmeaf為濾波后的發(fā)電機轉速；Kω為調整系數；ω4為低通濾波器的固有頻率；ζ4為低通濾波器的阻尼比；ω5和ω6為陷波器的固有頻率；ζ5和ζ6為陷波器的阻尼比。本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法又進一步包括利用增益表來實現PI控制器增益根據風況的變化而變化步驟。由于槳距角的變化對于風速而言是非線性的，在高風速時，槳距角的很小變化就會對氣動力矩產生很大的影響。因此，需要設置增益表來實現PI控制器增益根據風況的變化而變化，通過對增益的調整來保證變槳控制的動態(tài)響應和穩(wěn)定性。PI控制器是基于被控量的偏差及變化率進行控制的，屬于反饋控制。在風力發(fā)電機組系統呈現延遲和受干擾因素多、干擾頻率高的情況下，反饋系統的動態(tài)響應速度往往不夠理想，而動態(tài)前饋控制器可根據擾動的大小和方向，按照前饋調節(jié)規(guī)律，補償擾動對被控量的影響。由于變槳距系統慣性和滯后，擾動作用到系統上，被控量尚未發(fā)生變化，前饋控制器器就進行了補償，通過此可以使被控量因擾動而產生的偏差降低至最小，直至消失。因此在PI控制基礎上加入動態(tài)前饋控制，可以大大消除隨機性外擾對系統的影響，進一步提高控制品質。本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法包含獨立變槳距控制過程，獨立變槳距控制獲得三個葉片的獨立槳距角給定，然后在此基礎上分別加上統一槳距角給定值，可得到三個葉片的槳距角給定。下面結合圖1至圖6對該相關技術進行詳細描述。步驟B1中的載荷傳感器采用光纖載荷傳感器進行葉片根部y方向載荷My1、My2、My3的測量。在整個控制過程中，為了避免信號漂移和高頻干擾，槳葉葉片根部載荷My1、My2、My3在坐標變換之前，即在步驟B2之前，先要經過一個帶通濾波器進行濾波處理，其表達式為其中，Knd是增益，ω0為帶通濾波器的固有頻率，通常取葉片通過頻率的整數倍，ζ0為帶通濾波器的阻尼比。步驟B2中Coleman變換的作用是把輸入量從混合坐標系轉換到非旋轉坐標系中，實現槳葉葉輪旋轉坐標系與輪轂固定坐標系之間的變量變換。其公式為：其中：為風輪轉速；My1、My2、My3為葉片根部上的測得的載荷力矩；Mtilt、Myaw為變換到二相垂直的d-q軸上的傾覆力矩和偏航力矩，再由傾覆力矩和偏航力矩轉化成槳距角分量θ2、θ3，經過坐標變換后，系統被模擬為線性時不變系統，可以采用常用的線性時不變系統的分析方法進行特征值計算；混合坐標系包括旋轉坐標系和非旋轉坐標系。步驟B3中，積分器用于將載荷分量轉化成槳距角分量θ2、θ3，其表達式為：其中，KI是積分增益，TI是積分時間常數。Coleman反變換是為了把槳距角分量變換成期望輸出的獨立槳距角β1、β2、β3。Coleman反變換的表達式為其中：β1、β2、β3為計算得到的三個葉片的微調變槳角，也即三個葉片的獨立變槳距控制期望輸出的獨立槳距角；θ2、θ3為變換得到d-q軸下的傾斜方向和偏航方向的變槳角。因風力發(fā)電機組變槳距控制系統的變槳距控制具有一定的滯后性，則輸入和輸出時的風輪方位角會有偏差，風速變化越大，偏差值越大，往往容易影響獨立槳距角的給定。為了使獨立槳距角給定輸出值更加準確，在步驟B4中進行Coleman反變換時增加了方位角補償Δψ。該補償值Δψ可以是固定值，也可以根據變槳控制的動態(tài)特性來計算的任意一種方式，當采用根據變槳控制的動態(tài)特性來計算方位補償值Δψ時，采用的計算公式為：Δψ＝ωR*T，其中，ωR是風輪旋轉的角速度，T為變槳控制器的運行周期。本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法步驟B5的低通濾波器是用來阻止槳距角輸出量中出現不希望的頻率，降低在高頻擾動時變槳控制器的靈敏度，其傳遞函數為其中，ω7為低通濾波器的固有頻率，ζ7為低通濾波器的阻尼比。本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法的步驟C進一步包括一期望輸出槳距角的大小限制步驟，該步驟可有效抑制變槳速率的增加。在實際運行過程中，變槳角因受到執(zhí)行元件機械和物理性能的約束而需要控制在有限范圍內，故步驟C中，輸出三個葉片(1、2、3)的槳距角給定β+β1、β+β2、β+β3之前，進一步利用槳距角限制器限制期望輸出槳距角的幅值和變槳速率的大小,以便將變槳角限制在βmin≤β(t)≤βmax，其變化率也有一定的限制范圍，即利用槳距角限制器可以有效抑制獨立變槳控制變槳速率的增加。第二較佳實施例的雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法與第一較佳實施例的唯一區(qū)別在于：步驟B4中未給出風輪方位補償角Δψ，即直接將風輪方位角ψ連同期望槳距角θ2、θ3進行Coleman反變換，即可得出獨立變槳距控制期望輸出的獨立槳距角β1、β2、β3。綜上所述，本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法具有如下優(yōu)點：1.通過對轉速偏差采用前饋控制來補償風速測量誤差，無需測量多位置的風速變化，避免增加額外的成本；2.簡化了前饋控制系統，降低了對前饋控制精度的要求，為工程上實現簡單的前饋補償創(chuàng)造了條件；3.比純反饋控制具有控制精度高、響應速度快的特點；4.使用帶通濾波器對葉片根部載荷輸入量進行濾波處理，能同時將特定頻率范圍內的信號去除低頻漂移和抑制高頻擾動；5.可以產生一個反映風輪位置狀態(tài)的方位角補償信號，使風機在不同風速下保持期望輸出槳距角的準確性；6.相對于PI控制器，采用積分器處理變換后的載荷量能夠有效降低控制器的設計難度，使該技術更具實際應用價值。以上所述的技術方案僅為本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法的較佳實施例，任何在本發(fā)明雙饋式變速變槳風力發(fā)電機組的獨立變槳距控制方法基礎上所作的等效變換或替換都包含在本專利的權利要求的范圍之內。