风机独立变桨控制个人读书笔记

风速高于额定风速的话，塔架会振动，随着风速高于额定风速，桨距角增加，叶轮受到的力会减小，这样塔架弯曲度就减小，塔架的顶端就会往前移动引起以叶轮为参照的相对风速的增加，空气动力产生的转矩进一步增加，引起更大的跳将动物，如果这个变桨距控制的增益太高们就会导致这个正反馈不玩顶，所以设计变桨距控制器的时候要考虑风力发电机组塔架的动态特性。
在额定风速以下时候，桨距角设定值应该设定在能够吸收最大功率的最优值，所以，按照这个原则，当风速超过额定风速时，增加或减小桨距角都会减小机组转矩。增大桨距角，叶片前缘转向迎风想，通过减小攻角来减小机组转矩，成为顺浆。减小桨距角，即浆叶片前缘转向背风侧，通过增大失速角来减小转矩，使升力减小，阻力增加，称为主动失速变桨。
顺桨常见。失速控制
偏航控制，不管使上风向型还是下风向型，都能平稳的偏航。主动偏航控制，通过风向标产生偏航误差信号计算出偏航执行机构的给定信号，偏航风向标应该取平均值，偏航系统响应慢，死区控制足矣。快速偏航使没有必要的，因为通常会导致较高的陀螺负荷
控制器对载荷的影响，控制系统的动作会对机组载荷产生主要的影响。所以，设计控制器，应该考虑到对载荷的影响，保证不会因为控制器的动作而导致过载。还应该考虑明确的减小某些载荷。
变桨距控制器设计目标：额定风速以下，优化功率输出额定风速以上，调整或限制空气动力转矩减小齿轮箱转矩的尖峰避免过多的变桨动作通过控制风力发电机组塔架的振动尽量减小塔架的基础载荷避免加剧轮毂和叶片根部载荷有效降低叶轮和其他系统的载荷
y=（Kp+Ki/s+Kds/1+s*Td），kp，ki，kd分别使比例，积分，微分增益，微分项的分母是一个低通滤波器，确保算法的增益不随着频率的增加而明显的增大，防止算法对噪声信号太敏感。
低于额定风速时，桨距角设定在最优值，基本就是在开桨的位置，在这种情况下，功率保持在额定值以下，pi和pid的积分项负值越来越大，当风速增大，功率超过额定功率时，积分项开始向零增加，直到接近0时，才开始补偿比例和微分项，因此，桨距角会停留在设定值一段时间，这段时间的长短取决于功率小于额定功率的时间，直到积分项增加到0的时候结束，这种现象叫做积分器失效，为了防止这种情况，可以在桨距角停止在设定值时候禁用积分器作用来实现，陈伟积分器退饱和
恒速变桨距风力发电机，感应发电机与交流电网直接连接，所以转速保持恒定，输出功率的变化与风速的立方成正比，根据功率误差来调整桨距角。通过依据测量功率的平均值改变桨距角的限定值可以获得良好的性能。
变速变桨距风力发电机，发电机通过变流器与电网频率相隔离，可以通过发电机直接控制负载转矩，so，风力发电机组叶轮转速允许在一定的范围内进行变化。额定风速以下，叶轮转速可以随风速成比例调节，所以风速变化时可以维持最佳叶尖速比不变，在该叶尖速比下，风能的利用系数Cp最大，叶轮可以实现最大的风能捕获。
为什么发电机的电磁转矩就是电动机的负载转矩在不考虑效率的前提可以这样认为，因为发电机的输出负荷就是就是输出电流，外面负载增加也就是电流增加，反映在发电机电磁转矩的增加。拖动发电机的电动机负载转矩当然也要增加，这就是能量在转换。考虑效率及机械损耗，电动机的负载转矩要稍微大于发电机的电磁转矩
一旦达到额定转矩，负载转矩就不会增加了，所以转速就开始增加。然后，应用变桨距控制来调节转速，并保持负载转矩恒定不变，pid就可以搞定。通常对转速误差应用陷频滤波器来处理，防止过度的变桨动作。
调节叶轮转速时变桨距控制不是保持转矩给定值恒定，而是通过以测量转速为依据反比例调节给定转矩，以实现保持输出功率恒定。
通过控制发电机转矩可以使叶轮转速在需要时候迅速变化，使机组工作在Cp曲线锋线值附近，方法有两个：1，与转速加速度成比例修改转矩给定值。2，根据可以测得的量对风速进行估算，计算出最优Cp所对应的转速，然后通过控制发电机转矩尽快达到所需转速。
还要继续研究，待续
转矩控制和变桨矩控制间的切换。风速进一步增大，为了捕获更多的风能需要增大转矩和功率使转速不在增大。转矩控制和变桨距控制都是去控制转矩，所以更合适的方法使运行两个控制器，引入转速误差和转矩误差，为了使他们能耦合在一块，平常的时候，让一个饱和，在接近额定点的时候，可以让他们相互作用。
塔架振动控制（略）
传动系统的扭矩振动控制（略）
独立变桨距控制：有效减少整个叶轮上的不对称气动载荷，特别是对于疲劳载荷有很大的作用。（1）智能型叶片，每个叶片浅实际测量入射的风流（2）使用每个叶片根部载荷测量使其成为一种载荷预测装置，通过它能够预测下一个叶片扫过原先那个位置时的情况。
独立变桨距控制的两轴解耦
独立变桨距控制载荷降低
独立变桨距控制的实现
独立变桨距控制的发展
使用激光雷达的前馈控制
多变量控制-风力发电机组控制回路的解耦：风力发电机组控制器具有多路输入和输出，输入：（1）发电机的转速（2）两个塔架加速度（3）三个叶根载荷。输出的信号：（1）发电机转矩（2）三个桨距角或着变桨速率。就是浆MIMO分成多个SISO
独立风力机控制回路可以总结为：（1）使用发动机转速误差来计算转矩需求（2）使用发动机转速来计算转矩需要的修正值（3）使用侧-侧机舱加速度来计算转矩需求进一步修正（4）使用发动机转速误差来计算统一变桨距控制要求（5）利用前-后机舱加速度来计算统一变桨距控制需求的修正值（6）使用叶根载荷计算独立桨距需求增量 ---分割线----闭环（3）一般用在海上，海浪作为激励；（1）（4）要抑制耦合；（4）（5）肯定耦合，但（5）可以在有限频率下用；（6）实际上使MIMO回路，但是利用叶片之间存在的对称性，我们开始把它解耦！
Coleman转换：将三个旋转叶片根部的载荷l1，l2，l3转换到非旋转的d-q轴上，分别称为倾斜力矩和偏航力矩.
风轮所受的空气动力学载荷主要分为两大部分：确定性载荷与随机性载荷，随机性载荷是由风湍流云趣的，而确定性载荷主要分为以下三种：（1）稳态载荷：由风轮向定常风作用而产生的载荷。（2）周期载荷：按一定周期重复的载荷。引起周期载荷的因素主要是叶片的重力影响，风剪切，塔影效应，偏航误差，主轴上的倾角，尾流速度分布等，对于三叶片风力发电机而言，对结构影响最大的是频率为风轮旋转频率（1p）以及该频率的3倍（3p）和该频率的6倍（6p）的周期载荷。（3）瞬态载荷，暂时性的载荷，如阵风和停机过程中所受的载荷。
一个较完整的风电机组控制系统除了保证高的发电效率和电能品质，还需要具备以下的优秀品质：1.减小传动链的转矩峰值2.通过动态阻尼来抑制传动链振动3.避免过量的变桨动作和发电机转矩调节。4.通过控制风电机组塔架的振动尽量减小塔架基础的负载，5.避免轮毂和叶片的突变负载。
基本控制逻辑：为了实现变速恒频运行，其控制参数是桨距角和发电机的电磁转矩。由于风速的不确定性，控制的输入量通常为发电机的转速和电功率。有两种方法：（1）根据叶片特性计算出最优的叶尖速比和最优功率系数，将他们作为固定值设定在控制器中，由转速就能算出电磁转矩.（2）时刻计算偏pem/偏w，以爬山法来追求最优工作点，使得偏pem/偏w=0，从而获得最大的功率输出。
滤波器：机组的转速具有随时波动的状态，所以对测量信号进行滤波，采用的是低通滤波。
转矩和变桨控制：转矩控制和变桨控制的基本方法都是PI，转矩PI控制器的Kp和Ki是固定值，变桨PI控制器的Kp则是随桨距角B变化的。
塔架前后振动的抑制：变桨控制对塔架振动和载荷的影响，使设计控制算法主要的限制因素。塔架的第一振动模态是弱阻尼震荡，展示了很强的谐振相应，即使来自自然风况很小的激励，也可以使振动达到很高的程度。设计变桨控制器时应该避免降低已经很小的阻尼，如果可能的话要让其增大，加带阻滤波器，带阻的中心频率我塔架前后一阶振动频率，用于限制叶片旋转频率，塔影效应和风剪切特性造成的叶片平面外振动激发塔架共振。
不均匀载荷的产生：（1）风剪切：风速的摩擦，与高度有关，越高越低（2）塔影效应，塔筒挡住风速了（3）风速湍流，短时间内风的变化，湍流风速基本上是一个高斯函数，风速变动相对于风速均值是服从正态分布的。
再重复一遍独立变桨控制器实现的两个功能：一是通过控制风轮转速，实现发电机输出的功率控制；二是减小风轮的不均匀载荷，即减小轮毂上的倾覆力矩和偏航力矩。
基于叶片根部载荷测量的独立变桨控制器设计：设计载荷控制器的时候，用Park坐标变换，把风轮旋转坐标系输出变量变换到轮毂固定坐标系上，作为控制器的输入；控制器的输出变量，经过park坐标变换，变换回到风轮旋转坐标系上，作为变桨执行机构的输入。
根据式子分别设计出3个控制环：风轮转速控制环；减小轮毂倾覆力矩的载荷控制环；减小轮毂偏航力矩的；偏航力矩环已经完全解耦出来了，不会耦合了。倾覆力矩控制环和转速控制环之间存在塔架前后运动速度的耦合。因此设计倾覆力矩控制器的时候要考虑对转速控制环的影响。（相同说法：速度调节回路与塔架阻尼之间的耦合，可以通过一两次迭代进行处理）
简化模型，把通过Park坐标变换把塔架前后运动方程和载荷输出方程所代表的线性时变系统解耦为线性时不变系统。
1P谐波控制理论分析：下面在频域上对独立变桨控制策略进行分析。1p谐波分量转换为0p谐波分量，与方位角无关，1p谐波分量主要是风剪切，塔影效应等因素引起的，2p，3p谐波分量变换为某某的3p分量（待完善）
2p谐波控制理论分析：1p控制策略只能减小叶片载荷的1p谐波分量和轮毂载荷的0p谐波分量，如果轮毂载荷中3p的谐波分量还是比较大，那还需要采用高谐波控制策略。
基于不同载荷测量的独立变桨控制实现方案：测量叶片根部载荷，主轴载荷，轮毂载荷，塔顶载荷，然后设计出独立变桨控制器。
基于测量叶根载荷的独立变桨控制系统设计：根据独立变桨控制理论分析可知，独立变桨控制过程包括协同变桨控制过程和偏差变桨控制过程。独立变桨控制各浆叶期望节距角=协同变桨的期望节距角+偏差变桨的期望节距角
协同变桨：协同变桨控制过程分为低于额定风速和高于额定风速两种工况：低于额定风速--桨页节距角为0时，Cp最大，所以协同变桨控制过程就是始终保持浆叶节距角为0.当叶尖速比最大时，风能利用系数最大。因此通过变速恒频技术，跟苏风速相应的控制风轮转速，使风力机始终运行在最佳叶尖速比附近，这样就可以使发电机工作在最佳功率状态。高于额定风速--调小桨距角，降低功率到额定功率附近
偏差变桨过程：偏差变桨控制的控制目标是减小风轮上的不平衡载荷，即减小轮毂中心倾覆力矩和偏航力矩。风速和方位角作为控制器的干扰量，节距角作为控制量，倾覆力矩和载荷力矩作为输出量（反馈量），所以是一个多变量输入输出的系统，不能用经典的PID控制了，用现代控制理论来解决
先进控制器设计：（1）自调整控制器（2）LQG模式基于最优化反馈和H infinite 控制方法（3）模糊控制器（4）神经网络控制器
自调整控制器：对传感器的测量进行预测，并且预测的误差被用来对模拟和反馈定律的因子进行修正。
（1）观测器（2）状态估计器（3）最优化反馈）---观测器：已知动态过程的子集可以用来估计一个特定的变量。eg，使用风速观测器来估计由功率和转速及桨距角测量得到的叶轮处的风速。这个估算的风速可以用来定义近似期望的桨距角。状态估计器：使用一个动态过程的全部模型，通过卡尔曼滤波器可以从预测误差中对系统所有的状态量进行估算，这种方法可以明确地利用动态特性的任何随机变化的信息，如测量信号中的噪声，并通过数学上的最优化方法来得到最好的状态估计。这种随机输入信号的高斯特性是相关的。因此，可以在高斯输入的基础上建立风速模型，这样就有可能详细地研究输入风力的随机特性。最优化反馈：在状态估计器已知之后，就可以定义一个成本函数，这是一个系统状态和控制行为的函数。
LQC控制器：要求一个线性化的模型，并且具有一个二次形式的成本函数和高斯分布。
LQG控制器的结构
抗积分饱和：当变桨距达到了限定的值得时候，积分必须停止积分。
变桨距控制技术不完全现代控制策略综述：1，最优控制，最优控制是基于变分法而发展起来的，通过状态空间分析法建立起描述的风电系统运动方程，并选出一个性能指标来评价运动品质的优劣，采用了动态规划和极值原理在约束范围内对给定的性能指标进行最优求解。2，滑模变结构控制（sliding mode control）也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性变现为控制的不连续性。具有极强的鲁棒性，对变化的参数不敏感，可快速切换系统控制状态。3，H正无穷控制 4，自适应控制 5，模糊控制，对于风电机组这种非线性，多变量系统，模糊控制能达到令人满意的效果，if a and b then c。5，神经网络控制

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