一种降低风力发电机组叶轮不平衡极限载荷的方法与流程

本发明涉及风力发电机组的控制策略领域，特别涉及一种降低风力发电机组叶轮不平衡极限载荷的方法。

背景技术：

为最大限度的吸收风能，目前的大型风力发电机组都具有偏航系统。偏航系统以风向仪测得的风向信号作为输入，通过自动调整机舱位置，实现自动对风。以机舱纵向中轴线与风向完全重合为0°，偏航系统启动条件为风向偏差大于15°。所以，正常风况下，风向变化不会很快，风向偏差在±15°。但是，在极限风况下，湍流度很大，风向会发生突变，同时伴随有风速突变。这种风况下，偏航系统无法跟随风向变化实时调整机舱位置，导致叶轮受到不平衡载荷的冲击。为免受不平衡载荷影响，风力发电机组启动停机策略，叶片按照设计停机速率旋转到顺桨位置。即使启动停机策略，在停机过程中，由于叶轮不平衡载荷很大，依然导致轮毂载荷及叶片载荷偏大。因此，如何降低极限风况下风力发电机组的载荷成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对风力发电机组在风向突变情况下，叶轮不平衡载荷偏大等问题，提供一种降低风力发电机组叶轮不平衡极限载荷的方法，从而降低极限风况下风力发电机组载荷。

为达上述目的，本发明提出以下技术方案：

一种降低风力发电机组叶轮不平衡极限载荷的方法，包括以下步骤：

S1：建立风力发电机组的模型；

S2：在所述风力发电机组的叶轮的每个叶片的叶根处安装载荷传感器；

S3：通过模拟仿真，使所述风力发电机组的叶轮分别处于正常风况和极限风况的条件下，采集两种模拟风况下所述载荷传感器的模拟输出载荷；

S4：结合模拟仿真的风况类型和载荷传感器的模拟输出载荷，确定触发阈值；

S5：采集实际风况下风力发电机组的测量参数以及所述载荷传感器的实际输出载荷，根据所述测量参数判断所述实际风况是否属于极限风况；若是，再比较所述实际输出载荷和所述触发阈值的大小，如所述实际输出载荷等于或大于所述触发阈值，启动独立变桨距控制停机模式进行停机。

根据本发明提出的降低风力发电机组叶轮不平衡极限载荷的方法，其中，所述风力发电机组的模型包括顺次连接的空气动力学模型、机械传动系统模型、发电机和变流器模型，电网模型，所述空气动力学模型与所述发电机和变流器模型之间还顺次连接有变桨控制系统、控制器和转矩控制系统。

根据本发明提出的降低风力发电机组叶轮不平衡极限载荷的方法，其中，所述测量参数包括桨距角、功率和发电机转速。

根据本发明提出的降低风力发电机组叶轮不平衡极限载荷的方法，其中，所述载荷传感器为四个，分别安装在叶根的吸力侧、压力侧、前缘和后缘，其中安装在吸力侧和压力侧的载荷传感器输出的为叶根垂直载荷，安装在前缘和后缘的载荷传感器输出的为叶根水平载荷。

根据本发明提出的降低风力发电机组叶轮不平衡极限载荷的方法，其中，所述步骤S4中是通过所述叶根垂直载荷来确定所述触发阈值的。

附图说明

图1为本发明中的风力发电机组模型的结构示意图；

图2为本发明中载荷传感器的安装位置示意图；

图3为本发明判断停机策略的流程图；

图4、图5为本发明中独立变桨控制停机和集中变桨停机结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的整体技术方案为，首选通过仿真模拟正常风况和极限风况，并将两种不同情形下的风速和风速输入风力发电机组模型，从而采集位于叶轮上的载荷传感器的输出数值，通过对不同风况下载荷传感器的输出数值进行分类比较，得出当处于极限风况下所述载荷传感器所输出的最小极限载荷值，这个最小极限载荷值就作为后续判断的触发阈值。当风力发电机组在在实际风况下运行时，先通过桨距角、功率和发电机转速等参数确定当前风力发电机组处于正常风况还是极限风况；若处于正常风况，当需要停机时仅采用常规的集中变桨正常停机方式即可；当处于极限风况并且载荷传感器的输出数值已超过之前确定的触发阈值，则需采用独立变桨控制停机方式。通过两种停机方式的灵活运用，可以在降低功耗的同时最大限度地减小发电机组载荷。

关于集中变桨距停机和独立变桨距停机，以下做一个简单说明：

目前用于极限风况下停机的方式主要有集中变桨距控制停机和独立变桨距停机。集中变桨距控制是最先发展起来的变桨距控制方法，也叫统一变桨距控制，目前应用最为成熟。统一变桨距控制是指风力发电机所有叶片的桨距角同时改变相同的角度。独立变桨控制是在统一变桨基础上发展起来的，它是指风力发电机每个叶片根据自身的控制规律单独地变化桨距角，使得三个叶片具有不同的空气动力性能，因此可以有效解决统一变桨中由于风切变效应、塔影效应、湍流效应等不可避免的干扰因素引起的载荷在时问和空间上不均匀的问题，从而减小叶片疲劳损伤的可能性，输出稳定的功率。

本发明中应用到的风力发电机组模型的结构示意图请参见图1。图1中各个输入参数代表的意义如下所示：

Ω_t-叶轮旋转角速度；β-桨距角；V_v-风速；D_v-风向；T_t-叶轮力矩；ω_m-发电机转子角速度；T_em-发电机转矩；T_{em ref}-发电机转矩；V_converter-变流器电压；V_grid-电网电压；β_ref-期望桨距角；β_measure-桨距角测量值；ω_measure-发电机转速测量值；P_measure-功率测量值；L_measure-叶片载荷测量值。

本发明中的风力发电机组模型不限于图1所示的具体结构，现有技术中其他类型的风力发电机组模型也同样适用于本发明。

本发明中载荷传感器的安装位置如图2所示，具体包括四个载荷传感器，分别安装在叶根的吸力侧(Suction Side)、压力侧(Pressure Side)、前缘(Leading Edge)和后缘(Trailing Edge)，其中安装在吸力侧和压力侧的载荷传感器输出的为叶根垂直载荷My，安装在前缘和后缘的载荷传感器输出的为叶根水平载荷Mx。

在安装好载荷传感器的基础上，收集仿真模拟正常风况停机和极限风况风剪切过大时停机的叶根载荷数据。分析载荷数据，结合仿真结果，确定叶根载荷My的触发阈值，作为独立变桨控制停机逻辑的切入条件。进一步地，将基于仿真设计的独立变桨控制停机策略移植到现场控制器进行现场测试，按照确定好的触发阈值，结合实际监测到的桨距角、功率和发电机转速等参数，在极限风况下载荷数据超过阈值的情况下启动独立变桨控制停机策略，其余情况下则启动集中变桨正常停机策略。具体流程如图3所示。

通过现场试验充分证明，本发明提出的方法可以有效降低极限风况下风力发电机组载荷。图4、图5为独立变桨控制停机和集中变桨停机结果对比。图4显示两种停机变桨角度，采取独立变桨控制停机方式，变桨角度有附加的纹波，该附加的纹波可有效抵消叶轮不平衡推力。如图5所示，采取独立变桨控制停机，轮毂载荷明显降低。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。