风力发电机组基于叶根载荷与塔架载荷的降载控制方法与流程

本发明涉及风力发电机组降载控制的技术领域，尤其是指一种风力发电机组基于叶根载荷与塔架载荷的降载控制方法。

背景技术：

业内习知，随着风电技术的发展，风力发电机机组不断朝着大兆瓦机型、柔性高塔架、大叶轮、轻量化机组发展。风力发电机组的单机容量从之前的1MW、2MW，逐渐发展成3MW、5MW、7MW甚至达到10MW级。不仅如此，风力发电机组运行环境逐渐从平原到山地、从低湍流到高湍流高风切变、从陆地到海洋，风况越来越复杂，机组极限载荷和疲劳载荷也越来越大。对于大叶轮机组，叶轮直径显著增大，叶轮平面内任意一点风速变化都将被整个风轮平面感知，风湍流对叶片载荷的影响将越发显著。对于柔性高塔架机组来说，塔架载荷则是控制的主要载荷，塔架越高，极限载荷也越显著。

目前，在大兆瓦机组的桨叶叶根处、塔架顶端、塔架底端都有安装载荷传感器。通过叶根载荷传感器采集叶根载荷，通过塔顶和塔底载荷传感器采集的塔顶载荷与塔底载荷，主要用于机组安全运行状态的检测。当载荷超过安全保护值的时候，一般采取停机顺桨，保障机组的安全。然而，通过这些载荷信号，如何有效的降低机组的运行载荷，如何参与降载控制还没有更多探索。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种风力发电机组基于叶根载荷与塔架载荷的降载控制方法，该方法采用叶根载荷、塔顶载荷及塔底载荷作为反馈输入控制量，实现机组的降载控制，降低机组在极限工况下的载荷，保障机组的安全运行。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：风力发电机组基于叶根载荷与塔架载荷的降载控制方法，包括以下步骤：

1)在风力发电机组叶轮每一只叶片的根部贴装载荷传感器，通过传感器直接测量叶片叶根挥舞方向弯矩MFlap和摆振方向弯矩MEdge，计算得到叶根面外弯矩MOutPlane和叶根面内弯矩MInPlane，叶根面外弯矩MOutPlane体现叶片叶根在叶轮推力方向载荷，而叶根面内弯矩MInPlane体现叶片叶根在叶轮旋转方向载荷；

叶根挥舞方向弯矩MFlap和摆振方向弯矩MEdge是定义在叶片弦线坐标系中，叶片弦线坐标系定义为：Y轴沿弦线方向指向后缘，Z轴沿叶片矩轴指向叶尖，X轴与Y、Z轴垂直；叶根挥舞方向弯矩MFlap为叶片弦线坐标系中MYS方向，摆振方向弯矩MEdge为叶片弦线坐标系中MXS方向；叶片弦线坐标系是固定在叶片上，随变桨角度而旋转；

叶根面外弯矩MOutPlane和叶根面内弯矩MInPlane是定义在叶片叶根坐标系中；叶片叶根坐标系定义为：X轴沿轮毂旋转轴指向机尾，Y轴在叶轮旋转平面与Z轴垂直，Z轴沿叶片指向叶尖；叶根面外弯矩MOutPlane为叶根坐标系中MYB方向，叶根面内弯矩MInPlane为叶根坐标系中MXB方向；叶根坐标系是固定在轮毂上的，随轮毂的旋转而旋转；

叶根挥舞方向弯矩MFlap和摆振方向弯矩MEdge变换到叶根面外弯矩MOutPlane和叶根面内弯矩MInPlane的计算公式如下：

其中，β1、β2、β3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的桨距角，MFlap1、MFlap2、MFlap3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根挥舞弯矩，MEdge1、MEdge2、MEdge3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根摆振弯矩，MOutPlane1、MOutPlane2、MOutPlane3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根面外弯矩，MInPlane1、MInPlane2、MInPlane3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根面内弯矩；

在公式(1)(2)(3)中，叶根载荷MFlap1、MFlap2、MFlap3和MEdge1、MEdge2、MEdge3由载荷传感器测量得到，桨距角β1、β2、β3也为测量值，叶根载荷MOutPlane1、MOutPlane2、MOutPlane3和MInPlane1、MInPlane2、MInPlane3由公式计算得出；

2)在风力发电机组塔筒顶端和塔筒底端贴装载荷传感器，通过传感器直接测量塔顶弯矩MTopX和弯矩MTopY，根据转换公式计算得到塔顶俯仰方向弯矩MTopTilt和塔顶左右方向弯矩MTopSide；通过安装在塔底的传感器，直接测量塔底弯矩MBottomX和弯矩MBottomY，根据转换公式计算得到塔底俯仰方向弯矩MBottomTilt和塔底左右方向弯矩MBottomSide；

塔顶弯矩MTopX与弯矩MTopY是定义在塔架塔顶坐标系中，塔底弯矩MBottomX与弯矩MBottomY是定义在塔架塔底坐标系中；塔架塔顶坐标系与塔架塔底坐标系定义是相同的，只是坐标原点分别在塔顶和塔底；塔架坐标系X轴指向南，Y轴指向东，Z轴垂直向上；

塔顶俯仰方向弯矩MTopTilt和塔底俯仰方向弯矩MBottomTilt是考虑机舱偏航角度后的塔架前后方向的弯矩，塔顶左右方向弯矩MTopSide和塔底左右方向弯矩MBottomSide是考虑机舱偏航角度后的塔架左右方向的弯矩；由塔顶弯矩MTopX和弯矩MTopY转换到塔顶俯仰方向弯矩MTopTilt和塔顶左右方向弯矩MTopSide的公式如下：

由塔底弯矩MBottomX与弯矩MBottomY转换到塔底俯仰方向弯矩MBottomTilt和塔底左右方向弯矩MBottomSide的公式如下：

在公式(4)(5)中，是机舱偏航角度，塔顶弯矩MTopX、MTopY和塔底弯矩MBottomX、MBottomY是通过载荷传感器直接测量得到，而塔顶弯矩MTopTilt、MTopSide和塔底弯矩MBottomTilt、MBottomSide是通过公式计算得到；

3)定义极限载荷、安全因子、载荷触发标志

对于叶片，需要定义的极限载荷有：叶根面内极限载荷MInPlaneMax、叶根面外极限载荷MOutPlaneMax；对于塔顶，需定义的极限载荷有：塔顶俯仰极限载荷MTopTiltMax和塔顶左右极限载荷MTopSideMax；对于塔底，需定义的极限载荷有：塔底俯仰极限载荷MBottomTilt和塔底左右极限在MBottomSide；极限载荷为机组在各种工况下所允许的最大载荷，机组正常运行时是远离极限载荷的，极限载荷需要由设计人员给出；

对于叶片载荷，需要定义的安全因子有：叶根面内安全因子γ1和叶根面外安全因子γ2；对于塔顶载荷，需要定义的安全因子有：塔顶俯仰安全因子γ3和塔顶左右安全因子γ4；对于塔底载荷，需要定义的安全因子有：塔底俯仰安全因子γ5和塔底左右安全因子γ6；安全因子的取值范围是0到1，表示当载荷超过安全因子与极限载荷的成积，将采取控制；

对于叶片载荷，需要定义的载荷触发标志有：叶根面内载荷触发标志Flag1和叶根面外载荷触发标志Flag2；对于塔顶载荷，需要定义的载荷触发标志有：塔顶俯仰载荷触发标志Flag3和塔顶左右载荷触发标志Flag4；对于塔底载荷，需要定义的载荷触发标志有：塔底俯仰载荷触发标志Flag5和塔底左右载荷触发标志Flag6；载荷触发标志用来表示载荷是否触发超限，载荷触发标志为逻辑量，对于每一个载荷触发标志，触发条件如下：

Flag1＝

(MInPlane1>γ1*MInPlaneMax)OR(MInPlane2>γ1*MInPlaneMax)OR(MInPlane3>γ1*MInPlaneMax)

Flag2＝

(MOutPlane1>γ2*MOutPlaneMax)OR(MOutPlane2>γ2*MOutPlaneMax)OR(MOutPlane3>γ2*MOutPlaneMax)

Flag3＝(MTopTilt>γ3*MTopTiltMax)

Flag4＝(MTopSide>γ4*MTopSideMax)

Flag5＝(MBottomTilt>γ5*MBottomTiltMax)

Flag6＝(MBottomSide>γ6*MBottomSideMax)

除此之外，还需定义一个总的触发标志位Flag，当任意一个触发标志被触发时，Flag都被触发，有以下逻辑表达式：

Flag＝(Flag1)OR(Flag2)OR(Flag3)OR(Flag4)OR(Flag5)OR(Flag6)

在此逻辑表达式中，OR代表逻辑或，只要有一个载荷被触发，Flag将被触发；

4)通过Flag标志位能够判断机组是否触发载荷限制，当载荷触发时，将采取相应的控制，载荷控制需要定义四个模式：模式-1、模式0、模式1和模式2，具体情况如下：

模式-1：当载荷触发标志Flag为TRUE的时候触发此模式，发电机转速设定值以设定好的速率降低，发电机扭矩最大值也以设定好的速率降低，因此功率设定值也在降低；

模式0：当载荷触发标志Flag从TRUEE变为FALS的时候触发此模式，在此模式中转速设定值和扭矩最大值保持不变，既不增加也不减小，此模式的持续时间为一个设定的时间，持续时间结束后进入模式1；

模式1：在此模式中，载荷触发标志位Flag需要一直保持在FALSE，发电机转速以一设定好的速率恢复，直到转速设定值恢复到额定转速；发电机扭矩最大值也以设定好的速率恢复，直到达到最初的扭矩最大值，当转速设定值和扭矩最大值都恢复到最初的值，模式将切换到模式2；

模式2：发电机转速设定值和发电机扭矩最大值都保持在最初的转速设定值和扭矩最大值；

当机组运行正常且没有载荷触发时，发电机转速设定值保持在最初的设定值上，为模式2；当有载荷触发标志位时，转速设定值将以设定的速率下降为模式-1，机组载荷也将不断降低；当载荷降低到不再触发载荷Flag标志位，发电机转速设定值将保持到当前值不变，直到保持时间用尽，为模式0；发电机转速设定值开始上升，直到达到最初的设定值，为模式1；在任何模式下，当载荷再次触发后，模式都将切换到模式-1。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、对于大叶轮机组、柔性高塔架机组，采用基于叶根载荷及塔架载荷，反馈控制发电机的转速及扭矩，降低机组运行极限载荷。

2、采用此种柔性的降载控制方法，可以在不停机的情况下，最大限度降低机组运行载荷。

附图说明

图1为叶片弦线坐标系。

图2为叶片叶根坐标系。

图3为塔架塔顶坐标系。

图4为塔架塔底坐标系。

图5为发电机转速设定值控制逻辑图。

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基于叶根载荷与塔架载荷的降载控制方法，包括以下步骤：

1)在风力发电机组叶轮每一只叶片的根部贴装载荷传感器，通过传感器直接测量叶片叶根挥舞方向弯矩MFlap和摆振方向弯矩MEdge，计算得到叶根面外弯矩MOutPlane和叶根面内弯矩MInPlane。叶根面外弯矩MOutPlane体现了叶片叶根在叶轮推力方向载荷，而叶根面内弯矩MInPlane体现了叶片叶根在叶轮旋转方向载荷。

叶根挥舞方向弯矩MFlap和摆振方向弯矩MEdge是定义在叶片弦线坐标系中，如图1所示。叶片弦线坐标系定义为：Y轴沿弦线方向指向后缘，Z轴沿叶片矩轴指向叶尖，X轴与Y、Z轴垂直。叶根挥舞方向弯矩MFlap为叶片弦线坐标系中MYS方向，摆振方向弯矩MEdge为叶片弦线坐标系中MXS方向。叶片弦线坐标系是固定在叶片上，随变桨角度而旋转。

叶根面外弯矩MOutPlane和叶根面内弯矩MInPlane是定义在叶片叶根坐标系中，如图2所示。叶片叶根坐标系定义为：X轴沿轮毂旋转轴指向机尾，Y轴在叶轮旋转平面与Z轴垂直，Z轴沿叶片指向叶尖。叶根面外弯矩MOutPlane为叶根坐标系中MYB方向，叶根面内弯矩MInPlane为叶根坐标系中MXB方向。叶根坐标系是固定在轮毂上的，随轮毂的旋转而旋转。

叶根挥舞方向弯矩MFlap和摆振方向弯矩MEdge变换到叶根面外弯矩MOutPlane和叶根面内弯矩MInPlane计算公式如下：

其中，β1、β2、β3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的桨距角，MFlap1、MFlap2、MFlap3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根挥舞弯矩，MEdge1、MEdge2、MEdge3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根摆振弯矩，MOutPlane1、MOutPlane2、MOutPlane3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根面外弯矩，MInPlane1、MInPlane2、MInPlane3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根面内弯矩。

在公式(1)(2)(3)中，叶根载荷MFlap1、MFlap2、MFlap3和MEdge1、MEdge2、MEdge3由载荷传感器测量得到，桨距角β1、β2、β3也为测量值，叶根载荷MOutPlane1、MOutPlane2、MOutPlane3和MInPlane1、MInPlane2、MInPlane3由公式计算得出。

2)在风力发电机组塔筒顶端和塔筒底端贴装载荷传感器，通过传感器直接测量塔筒顶端弯矩MTopX和弯矩MTopY，根据转换公式计算得到塔顶俯仰方向弯矩MTopTilt和塔顶左右方向弯矩MTopSide。另外，通过安装在塔底的传感器，直接测量塔筒底端弯矩MBottomX和弯矩MBottomY，根据转换公式计算得到塔底俯仰方向弯矩MBottomTilt和塔底左右方向弯矩MBottomSide。

塔顶弯矩MTopX与弯矩MTopY是定义在塔架塔顶坐标系中(如图3所示)，塔底弯矩MBottomX与弯矩MBottomY是定义在塔架塔底坐标系中(如图4所示)。塔架塔顶坐标系与塔架塔底坐标系定义是相同的，只是坐标原点分别在塔顶和塔底；塔架坐标系X轴指向南，Y轴指向东，Z轴垂直向上。

塔顶俯仰方向弯矩MTopTilt和塔底俯仰方向弯矩MBottomTilt是考虑机舱偏航角度后的塔架前后方向的弯矩，塔顶左右方向弯矩MTopSide和塔底左右方向弯矩MBottomSide是考虑机舱偏航角度后的塔架左右方向的弯矩。由塔顶弯矩MTopX和弯矩MTopY转换到塔顶俯仰方向弯矩MTopTilt和塔顶左右方向弯矩MTopSide的公式如下：

由塔底弯矩MBottomX与弯矩MBottomY转换到塔底俯仰方向弯矩MBottomTilt和塔底左右方向弯矩MBottomSide的公式如下：

在公式(4)(5)中，是机舱偏航角度，塔顶弯矩MTopX、MTopY和塔底弯矩MBottomX、MBottomY是通过载荷传感器直接测量得到，而塔顶弯矩MTopTilt、MTopSide和塔底弯矩MBottomTilt、MBottomSide是通过公式计算得到。

3)定义极限载荷、安全因子、载荷触发标志

对于叶片，需要定义的极限载荷有：叶根面内极限载荷MInPlaneMax、叶根面外极限载荷MOutPlaneMax。对于塔顶，需要定义的极限载荷有：塔顶俯仰极限载荷MTopTiltMax和塔顶左右极限载荷MTopSideMax。对于塔底，需要定义的极限载荷有：塔底俯仰极限载荷MBottomTilt和塔底左右极限在MBottomSide。极限载荷为机组在各种工况下所允许的最大载荷，机组正常运行时是远离极限载荷的。极限载荷需要由设计人员给出。

对于叶片载荷，需要定义的安全因子有：叶根面内安全因子γ1和叶根面外安全因子γ2；对于塔顶载荷，需要定义的安全因子有：塔顶俯仰安全因子γ3和塔顶左右安全因子γ4；对于塔底载荷，需要定义的安全因子有：塔底俯仰安全因子γ5和塔底左右安全因子γ6。安全因子的取值范围是0到1，表示当载荷超过安全因子与极限载荷的成积，将采取控制。

对于叶片载荷，需要定义的载荷触发标志有：叶根面内载荷触发标志Flag1和叶根面外载荷触发标志Flag2；对于塔顶载荷，需要定义的载荷触发标志有：塔顶俯仰载荷触发标志Flag3和塔顶左右载荷触发标志Flag4；对于塔底载荷，需要定义的载荷触发标志有：塔底俯仰载荷触发标志Flag5和塔底左右载荷触发标志Flag6。

载荷触发标志用来表示载荷是否触发超限，载荷触发标志为逻辑量。对于每一个载荷触发标志，触发条件如下：

Flag1＝

(MInPlane1>γ1*MInPlaneMax)OR(MInPlane2>γ1*MInPlaneMax)OR(MInPlane3>γ1*MInPlaneMax)

Flag2＝

(MOutPlane1>γ2*MOutPlaneMax)OR(MOutPlane2>γ2*MOutPlaneMax)OR(MOutPlane3>γ2*MOutPlaneMax)

Flag3＝(MTopTilt>γ3*MTopTiltMax)

Flag4＝(MTopSide>γ4*MTopSideMax)

Flag5＝(MBottomTilt>γ5*MBottomTiltMax)

Flag6＝(MBottomSide>γ6*MBottomSideMax)

除此之外，还需定义一个总的触发标志位Flag，当任意一个触发标志被触发时，Flag都被触发，有以下逻辑表达式：

Flag＝(Flag1)OR(Flag2)OR(Flag3)OR(Flag4)OR(Flag5)OR(Flag6)

在此逻辑表达式中，OR代表逻辑或，只要有一个载荷被触发，Flag将被触发。

4)通过Flag标志位可以判断机组是否触发载荷限制，当载荷触发时，将采取相应的控制。载荷控制需要定义四个模式：模式-1、模式0、模式1和模式2。具体情况如下：

模式-1：当载荷触发标志Flag为TRUE的时候触发此模式。发电机转速设定值以设定好的速率(P_GenSpeedRateDown)降低，发电机扭矩最大值也以设定好的速率(P_GenTorqueRateDown)降低，因此功率设定值也在降低。

模式0：当载荷触发标志Flag从TRUEE变为FALS的时候触发此模式。在此模式中转速设定值和扭矩最大值保持不变，既不增加也不减小。此模式的持续时间为一个设定的时间(P_HoldOnTime)，持续时间结束后进入模式1。

模式1：在此模式中，载荷触发标志位Flag需要一直保持在FALSE。发电机转速以一设定好的速率(P_GenSpeedRateUp)恢复，直到转速设定值恢复到额定转速；发电机扭矩最大值也以设定好的速率(P_GenTorqueRateUp)恢复，直到达到最初的扭矩最大值。当转速设定值和扭矩最大值都恢复到最初的值，模式将切换到模式2.

模式2：发电机转速设定值和发电机扭矩最大值都保持在最初的转速设定值和扭矩最大值。

发电机转速设定值的变化规律如图5所示，当机组运行正常且没有载荷触发时，发电机转速设定值保持在最初的设定值上，为模式2；当有载荷触发标志位时候，转速设定值将以一定的速率下降(图5中AB段)，为模式-1，机组载荷也将不断降低；当载荷降低到不再触发载荷Flag标志位，发电机转速设定值将保持到当前值不变，直到保持时间用尽(图5中BC段)，为模式0；发电机转速设定值开始缓慢上升，直到达到最初的设定值(图5中CD段)，为模式1。在任何模式下，当载荷再次触发后，模式都将切换到模式-1。

综上所述，本发明方法通过将机组的叶根载荷、塔顶载荷和塔底载荷作为载荷控制输入信号，柔性控制发电机转速变化，可有效的降低机组运行过程中载荷，避免机组极限工况的运行风险，具有实际推广价值，值得推广。

以上所述之实施例子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。