具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种风力发电机组可变刚度塔架，包括：风轮转速传感器、塔架振动加速度传感器、塔架变刚度执行机构和驱动控制器。

参见图1所示的风力发电机组可变刚度塔架的结构示意图，示出了风轮转速传感器11、塔架振动加速度传感器12、塔架变刚度执行机构13和驱动控制器14。其中，驱动控制器14与风轮转速传感器11、塔架振动加速度传感器12、塔架变刚度执行机构13分别连接，用于接收信号及控制塔架变刚度执行机构13改变塔架刚度。

具体地，风轮转速传感器11，用于采集风轮转速，并发送至驱动控制器14；塔架振动加速度传感器，用于采集塔架振动加速度，并发送至驱动控制器14；塔架变刚度执行机构固定设置于塔架内，塔架变刚度执行机构包括可移动部件，该可移动部件与塔架内壁接触；

驱动控制器14，用于执行预设的塔架刚度控制方法，以及控制可移动部件移动以改变可移动部件施加在塔架上的作用力。

驱动控制器14可以对上述信号进行处理，采用特定的塔架刚度控制算法控制塔架变刚度执行机构13的可移动部件移动，该可移动部件与塔架内壁接触，其移动会导致可移动部件施加在塔架内壁上的作用力，从而能够改变塔架刚度，避免塔架共振和减轻塔架振幅。

本实施例提供的风力发电机组可变刚度塔架，在风力发电机组塔架中增加风轮转速传感器、塔架振动加速度传感器、塔架变刚度执行机构和驱动控制器，能够根据各传感器信号动态调整塔架刚度，改变塔架固有频率，从而避免塔架与风轮共振和减轻塔架非固有频率的瞬态共振振幅，上述塔架变刚度执行机构结构简单，便于安装实施；在塔架设计时不用特别考虑塔架的固有频率是否与风轮的一倍频率共振，从而能极大减轻塔架的重量，节约塔架生产制造成本。

可选地，塔架变刚度执行机构还包括伺服电动缸，上述可移动部件可以是连接杆。该连接杆的一端通过安装座与塔架内壁连接，连接杆的另一端与伺服电动缸的丝杠顶端连接。伺服电动缸用于改变丝杠的伸出长度，以带动连接杆横向移动及改变连接杆施加在塔架内壁的作用力。

其中，安装座可以与塔架内壁的固定板连接，该安装座远离固定板的一端设置有开口式连接耳座。连接件的一端设置有不开口连接耳，开口式连接耳座与不开口连接耳相连接；连接件的另一端设置有开口连接耳，开口连接耳与丝杠顶端的不开口连接耳连接。可选地，安装座的开口式连接耳座与连接件的不开口连接耳之间通过连接销轴连接，连接件的开口连接耳与丝杠顶端的不开口连接耳通过连接销轴连接。

进一步，上述安装座可以在塔架内壁上左右对称设置，每个塔架变刚度执行机构分别由两个安装座固定。

进一步，上述风力发电机组可变刚度塔架可以包括第一连接杆及第二连接杆；上述第一连接杆、伺服电动、第二连接杆依次连接，且第一连接杆及第二连接杆均通过安装座与塔架内壁连接。可选地，第一连接杆及第二连接杆分别通过连接销轴与安装座连接。

可选地，上述塔架变刚度执行机构可以设置多个，均横向固定设置于塔架内。

参见图2所示的塔架变刚度执行机构的结构示意图，示出了安装座21、连接杆22、伺服电动缸23、丝杠24、连接销轴25。

安装座21可以焊接在塔架内壁上，每个塔架变刚度执行机构均通过两个对称布置安装座21固定。示例性地，每一个安装座21和塔架内壁有四块钢板连接，端部有开口式连接耳座。

在图2中示出了两个连接杆22，上侧的连接杆22的一端设计有开口连接耳，另一端设计有不开口连接耳，该开口连接耳与伺服电动缸23的丝杠24连接，该不开口连接耳与固定座21的开口式连接耳座连接；类似地，下侧的连接杆22分别与伺服电动缸23、下侧的安装座21连接。

一个塔架内可安装有多个塔架变刚度执行机构，每个伺服电动缸通过伺服电机的转动改变电动缸中丝杠的伸出长度，从而改变塔架变刚度执行机构施加在塔架内壁上的作用力。

安装座21的形式不局限于图2中所示，可以采用类似的结构形式，满足件连接杆的安装要求即可。

图3是本发明的一个实施例中一种塔架刚度控制方法的流程示意图，应用于风力发电机组可变刚度塔架，该风力发电机组可变刚度塔架包括塔架变刚度执行机构，上述方法包括：

S302，获取风轮一倍频频率、塔架振动频率及塔架一阶固有频率。

可选地，通过风轮转速传感器获取风轮连续瞬态转速，以及对风轮连续瞬态转速进行数字滤波、稳态处理及带通滤波得到风轮一倍频频率。以及，通过塔架振动加速度传感器获取塔架振动加速度，以及根据塔架振动加速度进行数字滤波、时域-频域变换及带通滤波得到塔架振动频率。塔架一阶固有频率可由控制人员手动输入。

S304，当风轮一倍频率落入塔架一阶固有频率的第一临近区间内，控制塔架变刚度执行机构按照第一频率差与风轮一倍频率的比值改变塔架刚度。该第一频率差为风轮一倍频频率与塔架一阶固有频率的差值。

可选地，塔架变刚度执行机构可以包括伺服电机及移动件，该移动件横向安装于塔架内部。改变塔架刚度的控制过程，可按照以下方式执行：首先，根据第一频率差与风轮一倍频率的比值确定伺服电机的转动角度；然后，控制伺服电机按照上述转动角度转动，以带动移动件横向移动改变塔架刚度。以f′_r1表示风轮一倍频频率，以f′_t表示塔架振动频率，以f_t1表示塔架一阶固有频率，示例性地，上述伺服电机转动角度的确定方式如下：

(1)当f′_r1＜0.85f_t1或f′_r1＞1.15f_t1且伺服电动无输出时，不输出控制信号；当0.85f_t1≤f′_r1≤1.15f_t1时，按照|f′_r1-f_t1|/f′_r1输出控制信号；当风轮转速下降至f′_r1＜0.85f_t1时，在第一预设时长内将|f′_r1-f_t1|/f′_r1控制信号线性降至0；示例性地，该第一预设时长为5s；当风轮转速上升至f′_r1＞1.15f_t1时，在第二预设时长内将|f′_r1-f_t1|/f′_r1控制信号线性降至0；示例性地，该第二预设时长为5s。

(2)根据上述控制信号确定伺服电机的转动角度ω，该转动角度ω的控制函数为ω＝A*|f′_r1-f_t1|/f′_r1，其中A为增益系数。

根据风轮转速和塔架瞬时固有频率，实时动态改变伺服电机的转动角度，从而控制丝杠的伸出长度，改变连接杆作用在塔架内壁上的作用力，从而调整塔架刚度，改变塔架固有频率，避免塔架与风轮共振。

S306，当风轮一倍频率未落入第一临近区间内，且风轮一倍频率落入塔架振动频率的第二临近区间内，控制塔架变刚度执行机构按照第二频率差与风轮一倍频率的比值改变塔架刚度。该第二频率差为风轮一倍频频率与塔架振动频率的差值。

改变塔架刚度的控制过程，可按照以下方式执行：首先，根据第二频率差与风轮一倍频率的比值确定伺服电机的转动角度；然后，控制伺服电机按照转动角度转动，以带动移动件横向移动改变塔架刚度。示例性地，上述伺服电机转动角度的确定方式如下：

(1)当f′_r1＜0.85f_t1或f′_r1＞1.15f_t1，且0.95f′_t≤f′_r1≤1.05f′_t时，按照|f′_r1-f′_t|/f′_r1输出控制信号；当风轮转速下降至f′_r1＜0.95f′_t时，在第三预设时长内将|f′_r1-f′_t|/f′_r1控制信号线性将至0，示例性地，该第三预设时长为10s；当风轮转速上升至f′_r1＞1.15f′_t时，在第四预设时长内将|f′_r1-f′_t|/f′_r1控制信号线性将至0，示例性地，该第四预设时长为10s。

(2)根据上述控制信号确定伺服电机的转动角度ω，该转动角度ω的控制函数为ω＝A*|f′_r1-f_t1|/f′_r1，其中A为增益系数。

根据风轮转速和塔架瞬时固有频率，实时动态改变伺服电机的转动角度，从而控制丝杠的伸出长度，改变连接杆作用在塔架内壁上的作用力，从而调整塔架刚度，改变塔架固有频率，减轻塔架非固有频率的瞬态共振振幅。

本实施例根据风轮转速和塔架瞬时固有频率，实时动态调整塔架刚度，避免塔架与风轮共振和减轻塔架非固有频率的瞬态共振振幅，独立于风力发电机组主控之外，独立运行，不影响风力发电机组的主控，不会造成风轮的一倍频率对应的转速在共振转速附近频繁波动时的发电量损失。

在控制伺服电机转动时，为避免电动伺服缸的丝杠伸出长度过长，从而导致塔筒变形过大，增加屈曲风险，必须限制丝杠的伸出长度，该伸长长度的最大值为L_lim，L_lim的取值根据塔筒屈曲的安全裕度确定的。基于此，上述方法还包括：获取移动件横向移动的最大长度，以及确定最大长度对应的伺服电机的最大转动角度；若上述步骤确定的转动角度大于该最大转动角度，则控制伺服电机按照最大转动角度转动。

以下实施例详述塔架刚度控制方法的详细步骤。参见图4所示的塔架刚度控制方法的流程示意图，包括以下步骤：

S401，采集风轮转速传感器数据，得到风轮连续瞬态转速n_r。

S402，对风轮转速n_r进行数字滤波处理，消除噪声信号及其他干扰信号，得到风轮转速n′_r。

S403，对消除噪声和干扰信号后的风轮转速n′_r进行稳态化处理，得到稳态风轮频率f_r。稳态化处理可以对n′_r以0.25s～0.5s时间单位积分后取均值。

S404，对稳态风轮频率f_r进行带通滤波处理，去除风轮三倍频频率及其他高阶频率信号，只保留风轮一倍频频率f′_r1。

S405，采集安装在塔架顶部的塔架振动加速度传感器数据，得到塔架振动加速度a_t。a_t为连续时域信号。

S406，对塔架振动加速度a_t进行数字滤波处理，消除噪声信号及其他干扰信号，得到塔架振动加速度a′_t。

S407，对塔架振动加速度a′_t进行时域-频域变换，得到塔架振动频率f_t。时域-频域变换为对a′_t进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)。

S408，对塔架振动频率f_t进行带通滤波，去除风轮转动时叶片扫掠对塔架的振动激励频率，以及其他高阶频率，得到塔架振动频率f′_t。该振动激励频率为风轮三倍频(3P)频率。

S409，输入塔架的一阶固有频率值f_t1。

至此，所有的信号采集步骤全部完成，反馈至驱动控制器的三组信号为：一倍频频率f′_r1、塔架振动频率f′_r、塔架的一阶固有频率值f_t1。

S410，执行避免塔架共振逻辑及减轻塔架振幅逻辑，输出控制信号。

对反馈至驱动控制器的三组信号进行逻辑处理，共有两种逻辑，分别为避免塔架共振和减轻塔架振幅，具体方法详述如下：

避免塔架共振逻辑：当f′_r1＜0.85f_t1或f′_r1＞1.15f_t1且伺服电动缸无输出时，驱动控制器不动作，不输出控制信号；当0.85f_t1≤f′_r1≤1.15f_t1时，驱动控制器动作，按照|f′_r1-f_t1|/f′_r1输出控制信号，当风轮转速下降，f′_r1＜0.85f_t1时，驱动控制器在5s内将|f′_r1-f_t1|/f′_r1信号线性将至0，当风轮转速上升，f′_r1＞1.15f_t1时，驱动控制器在5s内将|f′_r1-f_t1|/f′_r1信号线性将至0。

减轻塔架振幅逻辑：当f′_r1＜0.85f_t1或f′_r1＞1.15f_t1，且0.95f′_r≤f′_r1≤1.05f′_t时，减轻塔架振幅逻辑才工作，此时，驱动控制器动作，按照|f′_r1-f′_t|/f′_r1输出控制信号，当风轮转速下降，f′_r1＜0.95f′_t时，驱动控制器在10s内将|f′_r1-f′_t|/f′_r1信号线性将至0，当风轮转速上升，f′_r1＞1.15f′_t时，驱动控制器在10s内将|f′_r1-f′_t|/f′_r1信号线性将至0。

S411，伺服电动缸驱动回路按照上述控制信号，调整伺服电机的转动角度ω，以及将角度ω数值反馈至伺服电动缸驱动回路进行闭环控制。

角度ω的控制函数为ω＝A*|f′_r1-f_t1|/f′_r1，其中A为增益系数，角度ω总体误差不大于0.1％。驱动控制器有输出信号时，当输出信号增大，电动伺服缸的丝杠处于伸出状态，当输出信号减小，电动伺服缸的丝杠处于伸出长度逐渐减小状态。

S412，伺服电动缸通过丝杠的伸出长度，改变塔架变刚度执行机构施加在塔架上的作用力，提高塔架刚度，改变塔架的固有频率。

本发明在风力发电机组中增加风轮转速传感器、塔架振动加速度传感器、塔架变刚度执行机构和驱动控制器，根据风轮转速和塔架瞬时固有频率，实时动态调整塔架刚度，避免塔架与风轮共振和减轻塔架非固有频率的瞬态共振振幅。

本发明提供的上述风力发电机组可变刚度塔架，其塔架变刚度执行机构结构简单，便于安装实施。塔架设计时不用特别考虑塔架的固有频率是否与风轮的一倍频率共振，从而能极大减轻塔架的重量，节约塔架生产制造成本。

现有控制塔架共振的传统方法是：控制变桨偏航刹车和调整发电机电磁力矩，快速穿越共振区间，如果风轮的一倍频率对应的转速在共振转速附近频繁波动时，会很大程度上影响风力发电机组的发电量。本发明的控制方法独立于风力发电机组主控之外，独立运行，不影响风力发电机组的主控，因此不会造成风轮的一倍频率对应的转速在共振转速附近频繁波动时的发电量损失。

图5是本发明的一个实施例中一种塔架刚度控制装置的结构示意图，该塔架刚度控制装置应用于风力发电机组可变刚度塔架，所述风力发电机组可变刚度塔架包括塔架变刚度执行机构，所述装置包括：

获取模块501，用于获取风轮一倍频频率、塔架振动频率及塔架一阶固有频率；

第一控制模块502，用于当所述风轮一倍频率落入所述塔架一阶固有频率的第一临近区间内，控制所述塔架变刚度执行机构按照第一频率差与所述风轮一倍频率的比值改变塔架刚度；所述第一频率差为所述风轮一倍频频率与所述塔架一阶固有频率的差值；

第二控制模块503，用于当所述风轮一倍频率未落入所述第一临近区间内，且所述风轮一倍频率落入所述塔架振动频率的第二临近区间内，控制所述塔架变刚度执行机构按照第二频率差与所述风轮一倍频率的比值改变塔架刚度；所述第二频率差为所述风轮一倍频频率与所述塔架振动频率的差值。

本实施例根据风轮转速和塔架瞬时固有频率，实时动态调整塔架刚度，避免塔架与风轮共振和减轻塔架非固有频率的瞬态共振振幅，独立于风力发电机组主控之外，独立运行，不影响风力发电机组的主控，不会造成风轮的一倍频率对应的转速在共振转速附近频繁波动时的发电量损失。

可选地，作为一个实施例，所述塔架变刚度执行机构包括伺服电机及移动件，所述移动件横向安装于所述塔架内部；所述第一控制模块502，具体用于：根据第一频率差与所述风轮一倍频率的比值确定所述伺服电机的转动角度；控制所述伺服电机按照所述转动角度转动，以带动所述移动件横向移动改变塔架刚度。

可选地，作为一个实施例，所述风轮一倍频频率为f′_r1及所述塔架一阶固有频率为f_t1，所述第一控制模块502，具体用于：

当f′_r1＜0.85f_t1或f′_r1＞1.15f_t1且伺服电动无输出时，不输出控制信号；或者，

当0.85f_t1≤f′_r1≤1.15f_t1时，按照|f′_r1-f_t1|/f′_r1输出控制信号；或者，

当风轮转速下降至f′_r1＜0.85f_t1时，在第一预设时长内将|f′_r1-f_t1|/f′_r1控制信号线性降至0；或者，

当风轮转速上升至f′_r1＞1.15f_t1时，在第二预设时长内将|f′_r1-f_t1|/f′_r1控制信号线性降至0；

根据所述控制信号确定伺服电机的转动角度ω，所述转动角度ω的控制函数为ω＝A*|f′_r1-f_t1|/f′_r1，其中A为增益系数。

可选地，作为一个实施例，所述塔架变刚度执行机构包括伺服电机及移动件，所述移动件横向安装于所述塔架内部，所述第二控制模块503，具体用于：根据第二频率差与所述风轮一倍频率的比值确定所述伺服电机的转动角度；控制所述伺服电机按照所述转动角度转动，以带动所述移动件横向移动改变塔架刚度。

可选地，作为一个实施例，所述风轮一倍频频率为f′_r1及所述塔架一阶固有频率为f_t1，所述第二控制模块503，具体用于：

当f′_r1＜0.85f_t1或f′_r1＞1.15f_t1，且0.95f′_t≤f′_r1≤1.05f′_t时，按照|f′_r1-f′_t|/f′_r1输出控制信号；或者，

当风轮转速下降至f′_r1＜0.95f′_t时，在第三预设时长内将|f′_r1-f′_t|/f′_r1控制信号线性将至0；或者，

当风轮转速上升至f′_r1＞1.15f′_t时，在第四预设时长内将|f′_r1-f′_t|/f′_r1控制信号线性将至0；

根据所述控制信号确定伺服电机的转动角度ω，所述转动角度ω的控制函数为ω＝A*|f′_r1-f_t1|/f′_r1，其中A为增益系数。

可选地，作为一个实施例，所述装置还包括限制模块，用于：获取所述移动件横向移动的最大长度，以及确定所述最大长度对应的伺服电机的最大转动角度；所述控制所述伺服电机按照所述转动角度转动，包括：若所述转动角度大于所述最大转动角度，则控制所述伺服电机按照所述最大转动角度转动。

可选地，作为一个实施例，所述获取模块501，具体用于：通过风轮转速传感器获取风轮连续瞬态转速，以及对所述风轮连续瞬态转速进行数字滤波、稳态处理及带通滤波得到风轮一倍频频率；通过塔架振动加速度传感器获取塔架振动加速度，以及根据所述塔架振动加速度进行数字滤波、时域-频域变换及带通滤波得到塔架振动频率。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述塔架刚度控制方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，所述的计算机可读存储介质，如只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等。

当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。