一种风力发电机组偏航超限IPC变速率停机方法与流程

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种风力发电机组偏航超限ipc变速率停机方法。

背景技术：

业内习知，随着风力发电技术的发展以及市场的需求，风力发电机组容量越来越大，叶片越来越长，而风机常常运行在相对较为恶劣的外部环境中，这就造成机组载荷越来越大，对机组的运行构成很大的安全隐患，给业主的经济效益带来负面影响。

当风速急剧增加(10s内增加15m/s)且风向突变，对应工况为dlc1.4(iec-3rd)，风力发电机组承受的载荷很大，针对这一问题，目前出现了很多解决方案，其中常见的有以下两种方案：

一、加强机组部件来提高机组安全性能；

二、优化控制策略，进行机组降载控制。

通过加强机组部件来提高机组安全性能，即增加机组部件的尺寸或换用性能更好的材料，这势必会增加机组重量和成本，从而造成风力发电机组度电成本的增加，降低了竞争力。所以方案二是目前该领域常用方法和研究热点。目前采用的通过减小停机过程中桨叶的变桨速率来降低载荷，此方法在小容量、短叶片机组上是有效的，但对于目前市场需求的大容量长叶片机组却达不到预期的效果，因此现急需一种有效降低此极端风况下大容量长叶片风力发电机组载荷的方案。

针对目前特定极端风况下大容量长叶片机组存在的载荷偏大的问题，本发明提供了一种有效解决载荷偏大问题的方案。

首先，我们分析了在出现大偏航角状态下，叶片在不同方位角的受力情况：

1、当叶片在0°方位角(叶片位于垂直正上方)时，如图1所示，此时攻角为负，而且偏航误差越大，桨叶变桨角度越大，负攻角越大，此时叶片承受大的反向推力；

2、当叶片在180°方位角(叶片位于垂直正下方)时，如图2所示，此时攻角为正，叶片承受正向推力，而由于风速突然增加，造成叶片承受正向载荷大。

很明显，叶片在上下方位角下受力不均，造成气动不平衡，导致机组承受巨大倾覆弯矩。

技术实现要素：

本发明针对目前风力发电机组在dlc1.4(iec-3rd)载荷过大的问题，提出了一种可靠的风力发电机组偏航超限ipc变速率停机方法，通过减小气动不平衡，从根本上减小了载荷，根据叶片不同方位角来增加或减小桨距角，减小叶片受力不平衡，从而减小载荷，即在0度方位角，减小变桨角，增大攻角，减小反向推力，而在180度方位角，增大变桨角，减小攻角，减小正向推力，从而减小不平衡推力引入的倾覆弯矩，有效地实现了风力发电机组在特殊工况下的载荷优化控制。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组偏航超限ipc变速率停机方法，该方法是在常规控制策略的基础上，增加了风轮方位角的偏航超限独立变桨控制ipc变速率顺桨的降载控制模块：当机组进入停机逻辑，首先判别机组触发的故障类型是否是偏航超限停机警报，如果不是则采用对应的停机逻辑动作，如果是则采用ipc变速率停机；通过传感器实时测量风机叶轮的方位角；机组叶片采用基于方位角的ipc变速率顺桨逻辑进行变桨，桨距角逐渐增大，当3个叶片桨距角都增大到60°以上时，采用统一变桨控制cpc进行顺桨，直至3个叶片桨距角都达到最大桨距角时，完成顺桨停机动作。

当风力发电机组在极端风况下触发故障停机后，获取机组触发的故障警报编号，判断机组是否是因为超过偏航限定值而触发的停机，若机组是触发了偏航限定值而触发的停机时，机组进入ipc变速率顺桨停机模式，分别获取当前时刻3个叶片桨距角，此时3个叶片桨距角肯定均小于60°，并从机组现有的传感器采集数据中，读取叶片1的方位角为则叶片2和叶片3的方位角分别为根据方位角分别计算3个叶片的对应桨距角给定值，并将其输入到变桨系统，实现3个叶片桨距角的单独变桨控制，即ipc控制，桨距角逐渐增大；当3个叶片桨距角都增大到60°以上时，采用cpc进行顺桨，直至3个叶片桨距角都到达最大桨距角设定值，通常取90°，此时叶片顺桨完成，机组完成停机动作；

当3个叶片桨距角均小于或等于60°时，3个叶片桨距角给定值的计算如下：

叶片1的桨距角：

θ′1(k)＝θ′1(k-1)+v*t

叶片2的桨距角：

θ′2(k)＝θ′2(k-1)+v*t

叶片3的桨距角：

θ′3(k)＝θ′3(k-1)+v*t

当3个叶片桨距角均大于60°时，3个叶片桨距角给定值的计算如下：

叶片1的桨距角：

θ1(k)＝θ′1(k)＝θ′1(k-1)+v*t

叶片2的桨距角：

θ2(k)＝θ′2(k)＝θ′2(k-1)+v*t

叶片3的桨距角：

θ3(k)＝θ′3(k)＝θ′3(k-1)+v*t

上式中，θ′1(k)为叶片1在统一变速率下的当前时刻桨距角，θ′1(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ1(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ′2(k)为叶片2在统一变速率下的当前时刻桨距角，θ′2(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ2(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ′3(k)为叶片3在统一变速率下的当前时刻桨距角，θ′3(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ3(k)为叶片3当前时刻的桨距角，v为统一变桨速率，t为controllercycletime控制算法循环时间，a为幅值，b为叶轮方位角提前角度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过运用bladed软件，分别计算在dlc1.4(iec-3rd)极端工况下不采用和采用ipc变速率顺桨的偏航轴承、轮毂以及塔底载荷进行对比，时序如图4至图9所示，其中，图4、图5和图6分别为未采用ipc变速率顺桨策略下的偏航轴承合弯矩、轮毂定坐标系下的合弯矩以及塔架底部合弯矩，图7、图8和图9分别为采用ipc变速率顺桨策略下的偏航轴承合弯矩、轮毂定坐标系下的合弯矩以及塔架底部合弯矩，载荷对比结果请参见表1，很明显采用ipc变速率顺桨可以有效减小极限载荷。

表1加与不加ipc变速率停机策略的载荷对比(未加安全系数)

2、本发明方案基于风轮方位角，无需增加机组设备，只需在控制中增加相应的功能模块，就能实现降载控制，节省成本且安全可靠。

综上所述，本发明的ipc变速率顺桨策略可以有效减小机组在偏航超限停过程中的气动不平衡，从而降低轮毂、偏航轴承以及塔底载荷，降低度电成本，提高产品竞争力，具有十分广泛的应用前景。

附图说明

图1为叶片在0°方位角受力情况。

图2为叶片在180°方位角受力情况。

图3为本发明方法的流程框图。

图4为未采用ipc变速率顺桨下的偏航轴承合弯矩曲线图。

图5为未采用ipc变速率顺桨下的轮毂定坐标系下的合弯矩曲线图。

图6为未采用ipc变速率顺桨下的塔底合弯矩曲线图。

图7为采用ipc变速率顺桨下的偏航轴承合弯矩曲线图。

图8为采用ipc变速率顺桨下的轮毂定坐标系下的合弯矩曲线图。

图9为采用ipc变速率顺桨下的塔底合弯矩曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所提供的风力发电机组偏航超限ipc变速率停机方法，主要针对目前风力发电机组在dlc1.4(iec-3rd)载荷过大的问题，在常规控制策略的基础上，增加了风轮方位角的偏航超限ipc(独立变桨控制individualpitchcontrol，简称ipc)变速率顺桨的降载控制模块：当机组进入停机逻辑，首先判别机组触发的故障类型是否是偏航超限停机警报，如果不是则采用对应的停机逻辑动作，如果是则采用ipc变速率停机；通过传感器实时测量风机叶轮的方位角；机组叶片采用基于方位角的ipc变速率顺桨逻辑进行变桨，桨距角逐渐增大，当3个叶片桨距角都增大到60°以上时，采用cpc(统一变桨控制collectivepitchcontrol，简称cpc)进行顺桨，直至3个叶片桨距角都到达最大桨距角(一般取90°)时，完成顺桨停机动作。此方法通过减小气动不平衡有效地实现了风力发电机组在此工况下的载荷优化控制。

如图3所示，本实施例上述的风力发电机组偏航超限ipc变速率停机方法的主要步骤如下：

当风力发电机组在此极端风况下(15m/s阵风+大偏航角)触发故障停机后，获取机组触发的故障警报编号，判断机组是否是因为超过偏航限定值而触发的停机；若机组是触发了偏航限定值而触发的停机时，机组进入ipc变速率顺桨停机模式，分别获取当前时刻3个叶片桨距角(此时3个叶片桨距角肯定均小于60°)，并从机组现有的传感器采集数据中，读取叶片1的方位角为则叶片2和叶片3的方位角分别为根据方位角分别计算各个叶片的对应桨距角给定值，并将其输入到变桨系统，实现各个叶片桨距角的单独变桨控制，即ipc控制，桨距角逐渐增大；当3个叶片桨距角都增大到60°以上时，采用cpc进行顺桨，直至3个叶片桨距角都到达最大桨距角设定值，通常取90°，此时叶片顺桨完成，机组完成停机动作。

当3个叶片桨距角均小于或等于60°时，3个叶片桨距角给定值的计算如下：

叶片1的桨距角：

θ′1(k)＝θ′1(k-1)+v*t

叶片2的桨距角：

θ′2(k)＝θ′2(k-1)+v*t

叶片3的桨距角：

θ′3(k)＝θ′3(k-1)+v*t

当3个叶片桨距角均大于60°时，3个叶片桨距角给定值的计算如下：

叶片1的桨距角：

θ1(k)＝θ′1(k)＝θ′1(k-1)+v*t

叶片2的桨距角：

θ2(k)＝θ′2(k)＝θ′2(k-1)+v*t

叶片3的桨距角：

θ3(k)＝θ′3(k)＝θ′3(k-1)+v*t

上式中，θ′1(k)为叶片1在统一变速率下的当前时刻桨距角，θ′1(k-1)为前一时刻叶片1的桨距角，θ1(k)为叶片1当前时刻的桨距角，θ′2(k)为叶片2在统一变速率下的当前时刻桨距角，θ′2(k-1)为前一时刻叶片2的桨距角，θ2(k)为叶片2当前时刻的桨距角，θ′3(k)为叶片3在统一变速率下的当前时刻桨距角，θ′3(k-1)为前一时刻叶片3的桨距角，θ3(k)为叶片3当前时刻的桨距角，v为统一变桨速率，t为controllercycletime控制算法循环时间，a为幅值，b为叶轮方位角提前角度。

综上所述，本发明的基于风轮方位角的ipc变速率顺桨策略，可以有效减小机组在偏航超限停过程中的气动不平衡，从而降低轮毂、偏航轴承以及塔底载荷，降低度电成本，提高产品竞争力，且无需增加机组设备，只需在控制中增加相应的功能模块，就能实现降载控制，节省成本且安全可靠，具有十分广泛的应用前景，值得推广。

备注：本发明方案同时适用于一切由于气动不平衡造成载荷偏大的工况。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。