本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種等效變槳微分控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有變槳控制多以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸入量，通過PI控制器(proportional integral controller)控制輸出變槳角度，經(jīng)過變槳執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。

傳統(tǒng)的PI控制結(jié)構(gòu)簡單，通常通過MATLAB等仿真軟件建模調(diào)整的方式獲取控制參數(shù)，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型的準(zhǔn)確度對(duì)控制參數(shù)的整定結(jié)果有較大影響，但對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這種非線性程度較高的大型結(jié)構(gòu)，建立準(zhǔn)確的模型有較大難度，因此通過MATLAB等仿真軟件建模調(diào)整的方式獲取的控制參數(shù)往往與實(shí)際機(jī)組運(yùn)行參數(shù)相差甚遠(yuǎn)。且通常采用的PI控制缺少對(duì)動(dòng)態(tài)偏差控制，在急劇變化的風(fēng)況下機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性降低。

綜上可知，如何獲取精確的控制參數(shù)以及提高變槳系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種等效變槳微分控制方法及裝置，用以獲取精確的控制參數(shù)以及提高變槳系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供了一種等效變槳微分控制方法，包括：

采用靜態(tài)能量偏差的PI控制方法分別獲取第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)；

采用動(dòng)態(tài)能量偏差獲取等效微分的第三控制參數(shù)；

將風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速作為輸入，比例-積分-等效微分PID控制器依據(jù)所述第一控制參數(shù)、所述第二控制參數(shù)和所述第三控制參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)所述風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速對(duì)所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的跟隨；

其中，按照下述公式獲取所述第一控制參數(shù)：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；

按照下述公式獲取所述第二控制參數(shù)：

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；

按照下述公式獲取所述第三控制參數(shù)：

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω為風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼。

優(yōu)選的，所述分別獲取第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)包括：

在變槳范圍內(nèi)，分別獲取風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、機(jī)械功率及所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的第一關(guān)系式和所述風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、所述變槳角度、所述機(jī)械功率及所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速間的第二關(guān)系式；

分別對(duì)所述第一關(guān)系式和所述第二關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開，并按照下述公式獲取所述變槳角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ為設(shè)定點(diǎn)附近的變槳角變化量，K_P為第一控制參數(shù)、K_I為第二控制參數(shù)，ΔΩ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化量，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，t為時(shí)間變量。

在所述變槳角度公式的基礎(chǔ)上，采用空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系式及控制理論，按照下式獲取所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的二階微分關(guān)系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)加速度，為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度變化量，φ為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度。

獲取所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的二階微分關(guān)系式的穩(wěn)定狀態(tài)，在所述穩(wěn)定狀態(tài)下，獲取所述第一控制參數(shù)和所述第二控制參數(shù)。

優(yōu)選的，所述對(duì)第二關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開包括：

通過葉片設(shè)計(jì)獲取變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的與所述變槳角度θ之間關(guān)系，根據(jù)獲取的所述關(guān)系對(duì)所述第二關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開。

優(yōu)選的，所述獲取所述第三控制參數(shù)包括：

采用空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系獲取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)總能量偏差與靜態(tài)能量偏差；

采用所述總能量偏差和所述靜態(tài)能量偏差獲取變槳吸收能量的變槳角度；

依據(jù)獲取的所述變槳角度獲取所述第三控制參數(shù)。

優(yōu)選的，所述采用所述總能量偏差和所述靜態(tài)能量偏差獲取變槳吸收能量的變槳角度包括：

消除所述靜態(tài)能量偏差，獲取剩余動(dòng)態(tài)能量偏差，依據(jù)所述剩余動(dòng)態(tài)能量偏差獲取變槳吸收能量的所述變槳角度。

另一方面，本發(fā)明提供了一種等效變槳微分控制裝置，包括：

第一獲取單元，用于采用靜態(tài)能量偏差的PI控制方法分別獲取第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)；

第二獲取單元，用于采用動(dòng)態(tài)能量偏差獲取等效微分的第三控制參數(shù)；

控制單元，用于將風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速作為輸入，比例-積分-等效微分PID控制器依據(jù)所述第一控制參數(shù)、所述第二控制參數(shù)和所述第三控制參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)所述風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速對(duì)所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的跟隨；

其中，按照下述公式獲取所述第一控制參數(shù)：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；

按照下述公式獲取所述第二控制參數(shù)：

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；

按照下述公式獲取所述第三控制參數(shù)：

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω為風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼。

優(yōu)選的，所述第一獲取單元包括：

第三獲取單元，用于在變槳范圍內(nèi)，分別獲取風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、機(jī)械功率及所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的第一關(guān)系式和所述風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與變槳角度、所述機(jī)械功率及所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速間的第二關(guān)系式；

第一計(jì)算單元，用于分別對(duì)所述第一關(guān)系式和所述第二關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開，并按照下述公式獲取所述變槳角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ為設(shè)定點(diǎn)附近的變槳角變化量，K_P為第一控制參數(shù)、K_I為第二控制參數(shù)，ΔΩ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化量，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，t為時(shí)間變量。

第二計(jì)算單元，用于在所述變槳角度公式的基礎(chǔ)上，采用空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系式及控制理論，按照下式獲取所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的二階微分關(guān)系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)加速度，為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度變化量，φ為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度。

第四獲取單元，用于獲取所述風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的二階微分關(guān)系式的穩(wěn)定狀態(tài)，在所述穩(wěn)定狀態(tài)下，獲取所述第一控制參數(shù)和所述第二控制參數(shù)。

優(yōu)選的，所述第一計(jì)算單元包括：

第五獲取單元，用于通過葉片設(shè)計(jì)獲取變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的與所述變槳角度θ之間的關(guān)系，根據(jù)獲取的所述關(guān)系對(duì)所述第二關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開。

優(yōu)選的，所述第二獲取單元包括：

第六獲取單元，用于采用空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系獲取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)總能量偏差與靜態(tài)能量偏差；

第七獲取單元，用于采用所述總能量偏差和所述靜態(tài)能量偏差獲取變槳吸收能量的變槳角度；

第八獲取單元，用于依據(jù)獲取的所述變槳角度獲取所述第三控制參數(shù)。

優(yōu)選的，所述第七獲取單元包括：

第九獲取單元，用于消除所述靜態(tài)能量偏差，獲取剩余動(dòng)態(tài)能量偏差，依據(jù)所述剩余動(dòng)態(tài)能量偏差獲取變槳吸收能量的變槳角度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

本發(fā)明提供的一種等效變槳微分控制方法及裝置，將通過采用靜態(tài)能量偏差的PI控制方法獲取的第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)和通過動(dòng)態(tài)能量偏差獲取等效微分的第三控制參數(shù)相結(jié)合，作為到PID控制器的參數(shù)值對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的等效變槳微分控制方法即系統(tǒng)獲取的PID控制器的控制參數(shù)精確度較高，且在采用通過動(dòng)態(tài)能量偏差獲取的等效微分參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制時(shí)，更有效的提高了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速快速變化的風(fēng)況下變槳?jiǎng)幼鞯膭?dòng)態(tài)響應(yīng)能力，避免了機(jī)組超速、葉尖間隙過小以及產(chǎn)生極端載荷等情況的發(fā)生。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制方法的一種流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制方法的另一種流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制方法中的變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的與變槳角度θ之間關(guān)系示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制方法的一種子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制方法的另一種子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種風(fēng)況的示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的等效變槳微分控制方法與傳統(tǒng)控制方法控制轉(zhuǎn)速對(duì)比示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的等效變槳微分控制方法與傳統(tǒng)控制方法控制葉尖間隙對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參考圖1，其示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制方法，可以包括以下步驟：

步驟101：采用靜態(tài)能量偏差的PI控制方法分別獲取第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)。

步驟102：采用動(dòng)態(tài)能量偏差獲取等效微分的第三控制參數(shù)。

步驟103：將風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速作為輸入，比例-積分-等效微分PID控制器依據(jù)第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)和第三控制參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的跟隨。

其中，按照下述公式獲取第一控制參數(shù)：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；

按照下述公式獲取第二控制參數(shù)：

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；

按照下述公式獲取第三控制參數(shù)：

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|$

在上式中，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω為風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速，ω為頻率，ζ為阻尼。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例是將PI控制與動(dòng)態(tài)能量偏差推導(dǎo)的過程與PID(Proportion Integration Differentiation)控制相結(jié)合，依次獲取第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)和第三控制參數(shù)后，采用獲取的三個(gè)控制參數(shù)控制PID控制器，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不斷與風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速相等，即通過三個(gè)控制參數(shù) 根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差Ω-Ω_ref實(shí)時(shí)調(diào)整，以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在湍流風(fēng)況下對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。

本發(fā)明提供的一種等效變槳微分控制方法，將通過采用靜態(tài)能量偏差的PI控制方法獲取的第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)和通過動(dòng)態(tài)能量偏差獲取等效微分的第三控制參數(shù)相結(jié)合，作為到PID控制器的參數(shù)值對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的等效變槳微分控制方法即系統(tǒng)獲取的PID控制器的控制參數(shù)精確度較高，且在采用通過動(dòng)態(tài)能量偏差獲取的等效微分參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制時(shí)，更有效的提高了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速快速變化的風(fēng)況下變槳?jiǎng)幼鞯膭?dòng)態(tài)響應(yīng)能力，避免了機(jī)組超速、葉尖間隙過小以及產(chǎn)生極端載荷等情況的發(fā)生。

請(qǐng)參考圖2，其示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制方法的另一種流程圖，可以包括以下步驟：

步驟201：在變槳范圍內(nèi)，分別獲取風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、機(jī)械功率及轉(zhuǎn)速的第一關(guān)系式和氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、變槳角度、機(jī)械功率及風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速間的第二關(guān)系式。

步驟202：通過葉片設(shè)計(jì)獲取變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的與變槳角度θ之間的關(guān)系，根據(jù)獲取的關(guān)系對(duì)第二關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開，及對(duì)第一關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開。

步驟203：按照下述公式獲取變槳角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ為設(shè)定點(diǎn)附近的變槳角變化量，K_P為第一控制參數(shù)、K_I為第二控制參數(shù)，ΔΩ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化量，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，t為時(shí)間變量。

步驟204：在變槳角度公式的基礎(chǔ)上，采用空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系式及控制理論，按照下式獲取風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的二階微分關(guān)系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)加速度，為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度變化量，φ為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度。

步驟205：獲取風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的二階微分關(guān)系式的穩(wěn)定狀態(tài)，在穩(wěn)定狀態(tài)下，獲取第一控制參數(shù)和第二控制參數(shù)。

步驟206：采用空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系獲取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)總能量偏差與靜態(tài)能量偏差。

步驟207：消除靜態(tài)能量偏差，獲取剩余動(dòng)態(tài)能量偏差，依據(jù)剩余動(dòng)態(tài)能量偏差獲取變槳吸收能量的變槳角度。

步驟208：依據(jù)獲取的變槳角度獲取第三控制參數(shù)。

步驟209：將獲取的第三控制參數(shù)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)在高風(fēng)速環(huán)境下，通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片變槳角度限制風(fēng)能吸收，從而維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在額定功率設(shè)定區(qū)域。由于受到風(fēng)輪葉片氣動(dòng)性能的影響，葉片變槳角度調(diào)整隨風(fēng)速變化呈非線性關(guān)系。因此，為獲得更佳的變槳控制效果，變槳控制器參數(shù)值需要根據(jù)風(fēng)輪葉片氣動(dòng)特性進(jìn)行整定。為減少M(fèi)ATLAB等軟件建模不準(zhǔn)確對(duì)控制參數(shù)值的影響，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種等效變槳微分控制方法，即直接通過動(dòng)力學(xué)關(guān)系對(duì)PI控制參數(shù)進(jìn)行整定。

首先，獲取變槳范圍內(nèi)風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與機(jī)械功率及轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

$T_{gen}=\frac{P_0}{G_{gearbox}{\mathrm{\Ω}}_{ref}}---\left(1\right)$

其中，T_gen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，Ω_ref為風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速。

類似的，獲取氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與變槳角度、機(jī)械功率及風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速之間關(guān)系：

$T_{aero}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{P(\mathrm{\θ},{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}---\left(2\right)$

將上式(1)(2)進(jìn)行一階泰勒展開，得到下式：

$T_{gen}\≈\frac{P_0}{G_{gearbox}{\mathrm{\Ω}}_{ref}}-\frac{P_0}{G_{gearbox}{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}---\left(3\right)$

$T_{aero}=\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}+\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}\left(\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}\right)\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中，Δθ為設(shè)定點(diǎn)附近的變槳角變化量。

其中，采用PI控制器可以獲取到變槳角度調(diào)整表達(dá)式為：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_p{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt---\left(5\right)$

再由空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系式：

$T_{aero}-G_{gearbox}{T}_{gen}=(I_{rotor}+G_{gearbox}^2{I}_{gen})\frac{d}{dt}({\mathrm{\Ω}}_{ref}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω})=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(6\right)$

其中，T_aero為低速軸氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，I_rotor，I_gen分別為風(fēng)輪慣性矩和發(fā)電機(jī)慣性矩，ΔΩ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化量，為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)加速度。

根據(jù)經(jīng)典PI控制理論，典型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速二階微分關(guān)系可表達(dá)為：

$I\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+D\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+K\mathrm{\φ}=0---\left(7\right)$

設(shè)結(jié)合式(3)～(6)，式(7)可改寫為：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0---\left(8\right)$

在二階微分表達(dá)式中，頻率ω及阻尼ζ分別為：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{K}{I}},\mathrm{\ζ}=\frac{D}{2\sqrt{KI}}=\frac{D}{2I\mathrm{\ω}}---\left(9\right)$

根據(jù)經(jīng)典控制理論，裝置頻率在ω＝0.6及阻尼ζ＝0.6～0.7時(shí)二階裝置可以達(dá)到較為滿意的穩(wěn)定狀態(tài)。為此可得到變槳PI參數(shù)值與之間關(guān)系式如下：

$K_P=\frac{2I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}---\left(10\right)$

$K_I=\frac{I_{drivetrain}{\mathrm{\Ω}}_{ref}{\mathrm{\ω}}^2}{G_{gearbox}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})}---\left(11\right)$

其中，圖3所示的變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的與變槳角度θ之間關(guān)系均可近似為一階線性關(guān)系，其可容易通過葉片設(shè)計(jì)方獲得，需要說明的是，幾乎所有的變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的與變槳角度θ之間關(guān)系均可近似為一階線性關(guān)系。

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系式(6)可以得到風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)總能量偏差與靜態(tài)能量偏差為：

$T_{aero}\mathrm{\Ω}-G_{gearbox}{T}_{gen}\mathrm{\Ω}=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}\mathrm{\Ω}---\left(12\right)$

即總能量偏差為：

${\mathrm{\ΔP}}_a=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}\mathrm{\Ω}---\left(13\right)$

$T_{aero}{\mathrm{\Ω}}_{ref}-G_{gearbox}{T}_{gen}{\mathrm{\Ω}}_{ref}=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Ω}}_{ref}---\left(14\right)$

即靜態(tài)能量偏差為：

${\mathrm{\ΔP}}_s=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Ω}}_{ref}---\left(15\right)$

由于靜態(tài)能量偏差已經(jīng)通過PI控制消除，因此剩余動(dòng)態(tài)能量偏差可表示為：

${\mathrm{\ΔP}}_a-{\mathrm{\ΔP}}_s=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})---\left(16\right)$

將式(16)與變槳角度相關(guān)聯(lián)，可得到下式：

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_a-{\mathrm{\ΔP}}_s}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}}\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=I_{drivetrain}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})---\left(17\right)$

結(jié)合圖3所示變槳角度與間的關(guān)系，動(dòng)態(tài)能量偏差所需通過變槳吸收能量的角度為：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}}\right|\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(18\right)$

結(jié)合PID控制原理，將動(dòng)態(tài)偏差調(diào)整視為PID控制器的微分項(xiàng)(D部分)即有：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=K_d\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(19\right)$

$K_d=\left|\frac{I_{drivetrain}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_{ref})}{G_{gearbox}\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\β}}\right)}\right|---\left(20\right)$

通過式(20)得到的控制參數(shù)K_d根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差Ω-Ω_ref實(shí)時(shí)調(diào)整，是作為PI控制的補(bǔ)充可有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在湍流風(fēng)況下對(duì)風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速的控制效果。

其中，PID控制計(jì)算如下式所示：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_p{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt+K_D{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(21\right)$

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制方法，將通過PI控制獲取的第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)和通過動(dòng)態(tài)能量偏差獲取的第三控制參數(shù)相結(jié)合，作為到PID控制器的參數(shù)值對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)?zhí)峁┑牡刃ё儤⒎挚刂品椒ㄖ蝎@取的第一控制參數(shù)、第二控 制參數(shù)和第三控制參數(shù)相對(duì)比較準(zhǔn)確，且三個(gè)控制參數(shù)可以直接應(yīng)用到PID控制中，而不需要像現(xiàn)有技術(shù)在建模過程中需要逐一調(diào)試，進(jìn)而減少了獲取準(zhǔn)確參數(shù)過程中的調(diào)試時(shí)間，避免帶來不必要的使用風(fēng)險(xiǎn)。

與上述方法的實(shí)施例相對(duì)應(yīng)，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種等效變槳微分控制裝置，請(qǐng)參考圖4，其示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種的等效變槳微分控制裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖，包括：第一獲取單元11、第二獲取單元12和控制單元13，其中：

第一獲取單元11，用于采用靜態(tài)能量偏差的PI控制方法分別獲取第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)。

其中，請(qǐng)參考圖5，其示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制裝置的一種子結(jié)構(gòu)示意圖，包括：第三獲取單元21、第一計(jì)算單元22、第二計(jì)算單元23和第四獲取單元24，其中：

第三獲取單元21，用于在變槳范圍內(nèi)，分別獲取風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、機(jī)械功率及轉(zhuǎn)速的第一關(guān)系式和風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、變槳角度、機(jī)械功率及風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速間的第二關(guān)系式。

第一計(jì)算單元22，用于分別對(duì)第一關(guān)系式和第二關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開，并按照下述公式獲取變槳角度：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=K_P{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{G}_{gearbox}\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}dt$

其中，Δθ為設(shè)定點(diǎn)附近的變槳角變化量，K_P為第一控制參數(shù)、K_I為第二控制參數(shù)，ΔΩ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化量，G_gearbox為齒輪箱傳動(dòng)比，t為時(shí)間變量。

第一計(jì)算單元22還可以包括：第五獲取單元221，其中：

第五獲取單元221，用于通過葉片設(shè)計(jì)獲取變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的與變槳角度θ之間的關(guān)系，根據(jù)獲取的關(guān)系對(duì)所述第二關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開。

需要說明的是，第五獲取單元221用于獲取第二控制參數(shù)表達(dá)式中的值，且其是在葉片設(shè)計(jì)過程中獲取的。

第二計(jì)算單元23，用于在變槳角度公式的基礎(chǔ)上，采用空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系式及控制理論，按照下式獲取風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的二階微分關(guān)系式：

$I_{drivetrain}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_P-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}^2}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\[\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_{ref}}(-\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}})G_{gearbox}{K}_I\]\mathrm{\φ}=0$

其中，I_drivetrain為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，P為風(fēng)輪吸收功率，θ為變槳角度；為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)加速度，為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度變化量，φ為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度。

第四獲取單元24，用于獲取風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的二階微分關(guān)系式的穩(wěn)定狀態(tài)，在穩(wěn)定狀態(tài)下，獲取第一控制參數(shù)和第二控制參數(shù)。

第二獲取單元12，用于采用動(dòng)態(tài)能量偏差獲取等效微分的第三控制參數(shù)K_D。

其中，請(qǐng)參考圖6，其示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等效變槳微分控制裝置的另一種子結(jié)構(gòu)示意圖，第二獲取單元12可以包括：第六獲取單元31、第七獲取單元32和第八獲取單元33，其中：

第六獲取單元31，用于采用空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩關(guān)系獲取風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)總能量偏差與靜態(tài)能量偏差。

第七獲取單元32，用于采用總能量偏差和靜態(tài)能量偏差獲取變槳吸收能量的變槳角度。

其中，第七獲取單元32還可以包括：第九獲取單元321，其中：

第九獲取單元321，用于消除靜態(tài)能量偏差，獲取剩余動(dòng)態(tài)能量偏差，依據(jù)剩余動(dòng)態(tài)能量偏差獲取變槳吸收能量的變槳角度。

第八獲取單元33，用于依據(jù)獲取的變槳角度獲取第三控制參數(shù)。

控制單元13，用于將風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速作為輸入，比例-積分-等效微分PID控制器依據(jù)第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)和第三控制參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)輪參考轉(zhuǎn)速的跟隨。

在本發(fā)明實(shí)施例提供的等效變槳微分控制裝置中，對(duì)2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在如圖7所示的風(fēng)況下進(jìn)行了控制，其中圖8和圖9示出了采用傳統(tǒng)控制方法和采用本發(fā)明實(shí)施例提供的控制方法的效果對(duì)比圖，需要說明的是，深色粗線為采用本發(fā)明實(shí)施例提供的控制方法獲取的控制結(jié)果，淺色細(xì)線為傳統(tǒng)PI控制方法獲取的控制結(jié)果。對(duì)比兩幅圖可知，在本發(fā)明實(shí)施例提供的等效變槳微分控制方法下，獲取的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速波動(dòng)相對(duì)傳統(tǒng)PI控制方法獲取的風(fēng)輪測(cè)量轉(zhuǎn)速波動(dòng)更小，且葉尖間隙更大。

本發(fā)明提供的一種等效變槳微分控制裝置，將通過采用靜態(tài)能量偏差的PI控制方法獲取的第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)和通過動(dòng)態(tài)能量偏差獲取等效微分的第三控制參數(shù)相結(jié)合，作為到PID控制器的參數(shù)值對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的等效變槳微分控制方法即系統(tǒng)獲取的PID控制器的控制參數(shù)精確度較高，且在采用通過動(dòng)態(tài)能量偏差獲取的等效微分參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制時(shí)，更有效的提高了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速快速變化的風(fēng)況下變槳?jiǎng)幼鞯膭?dòng)態(tài)響應(yīng)能力，避免了機(jī)組超速、葉尖間隙過小以及產(chǎn)生極端載荷等情況的發(fā)生。

最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。