一种基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法和系统

1.本发明涉及发电机功率控制技术领域，特别是涉及一种基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法和系统。


背景技术：

2.目前超大型风力发电机组已成为发电的主流机型。由于超大型风力机并网时，风力机发电频率和功率需要满足既定的要求，所以风力机在运行当中需要进行功率调节。而目前存在的主流功率控制方式是在低于额定风速时桨距角保持为零，通过控制电机转矩使风轮转速以最佳叶尖速比曲线旋转，在额定风速以后转速达到最大值。而由于风速的增大，风力机捕获的功率依旧增大，此时为了保证符合电网要求，需要通过变桨机构主动变桨使叶片失速，进而控制功率恒定。
3.上述功率调节方式，偏航动作的目的是为了对风，使风力机风轮最大程度的获得能量，而在额定风速以后就只靠变桨机构根据风速信息进行变桨调节功率。变桨机构变桨执行动作需要的信号虽然是经过处理的，但是实际风速是脉动的、不稳定的，为使功率恒定，则需要连续不规律的执行大幅变桨动作，这样就导致在额定风速以后的大风速阶段变桨机构和叶片的疲劳载荷增大，减少变桨机构和叶片的使用寿命。
4.当风力机处于高风速，由于风轮正对风，捕获的风能量最大，而此时风轮捕获的风能q＝q1+q2，其中q1是风轮提供给发电机用于发电的能量，q2是使风轮的旋转速度继续增大的能量，而这个使风轮转速增加的能量会使风轮出现过速飞车或过速停机的故障，而且高速旋转会增大机组的疲劳载荷，长期运行在较高的转速，会使机组损耗严重，降低使用寿命。目前，这部分加速能量是采取变桨控制策略进行控制，在变桨控制策略中，虽然限制了风轮的转速，但由于风轮依旧垂直于风速，这部分能量通过以推力的形式作用在风轮上而消耗，风力发电机组的风轮将会承受很大的风力载荷，这些风力载荷将会增大机组的疲劳载荷，会使机组损耗严重，降低使用寿命。
5.中国专利cn 102777322提出了一种能够通过风向角与风机转速的对应关系，控制风机适量偏航，在偏航与变桨的双重作用下，使机组长时间运行在稳定转速，防止机组过速停机。然而该文献仅仅考虑了方位角和风轮转速的关系，但是当原始桨距角不同时，方位角和风机转速并没有直接相关的关系，而且也没有给定具体的风速和风向角、桨距角对应的转速和功率，根本无法在小范围变桨内达到精确的控制。且该方法只考虑了在同一桨距角下的转速，该方法想要达到限制功率的目的，需要在偏航后进行多次的变桨控制动作，未考虑风力机的变桨机构和风力机叶片的疲劳载荷。再者，该方法在额定风速前后都采用偏航系统也参与了功率限制中，这无疑增加了偏航系统的使用次数，也增加了偏航机构的疲劳载荷。


技术实现要素：

6.基于以上现存的风力机功率控制中存在的载荷问题，本发明提供了一种基于偏航
变桨联动控制降载的功率控制方法和系统。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法，包括：
9.获取当前风速、风轮的当前方位角、风轮的当前桨距角、风轮的当前转矩、风轮的当前转速和初始量；所述初始量包括：额定功率、额定风速和额定转速；
10.根据所述当前风速、所述风轮的当前方位角、所述风轮的当前桨距角、所述风轮的当前转矩和所述风轮的当前转速确定待控制风力机的风轮功率；
11.根据所述风轮功率与所述额定功率间的关系确定待控制风力机的功率状态；所述功率状态包括：欠功率状态、功率过调状态和功率欠调状态；
12.根据所述功率状态生成控制指令，并根据所述控制指令完成功率控制。
13.优选地，所述根据所述风轮功率与所述额定功率间的关系确定待控制风力机的功率状态，具体包括：
14.当所述风轮功率小于所述额定功率时，判断所述当前风速与所述额定风速间的关系；
15.当所述当前风速小于所述额定风速时，确定待控制风力机处于欠功率状态；
16.当所述当前风速大于所述额定风速时，确定待控制风力机处于功率过调状态；
17.当所述风轮功率大于所述额定功率时，确定待控制风力机处于功率欠调状态。
18.优选地，所述根据所述功率状态生成控制指令，并根据所述控制指令完成功率控制，具体包括：
19.当所述功率状态为欠功率状态时，生成第一控制指令；所述第一控制指令用于控制风轮的方位角和桨距角归零，并用于控制待控制风力机处于c
p
恒定区。
20.优选地，所述根据所述功率状态生成控制指令，并根据所述控制指令完成功率控制，具体包括：
21.当所述功率状态为功率过调状态时，确定当前风向角对应的功率增量和当前风向角下变桨变化角度所调控的功率变化量；所述变桨变化角度从源控制参数数据库中获取；
22.根据所述功率增量和所述功率变化量确定功率过调状态的成因；
23.根据所述功率过调状态的成因生成第二控制指令，并根据所述第二控制指令完成功率控制。
24.优选地，所述根据所述功率增量和所述功率变化量确定功率过调状态的成因，具体包括：
25.当所述功率增量小于所述功率变化量时，所述功率过调状态的成因为变桨过度；
26.当所述功率增量大于所述功率变化量时，所述功率过调状态的成因为偏航过度。
27.优选地，当所述功率过调状态的成因为变桨过度时，所述第二控制指令用于控制桨距角向0
°
旋转；
28.当所述功率过调状态的成因为偏航过度时，所述第二控制指令用于控制方位角向0
°
方向旋转特定角度。
29.优选地，所述根据所述功率状态生成控制指令，并根据所述控制指令完成功率控制，具体包括：
30.当所述功率状态为功率欠调状态时，确定功率欠调状态的成因；
31.根据所述功率欠调状态的成因生成第三控制指令，并根据所述第三控制指令完成功率控制。
32.优选地，当所述功率欠调状态的成因为偏航欠调时，所述第三控制指令用于控制偏航机构正偏特定角度；
33.当所述功率欠调状态的成因为变桨欠调时，所述第三控制指令用于控制变桨机构下俯特定角度，并在所述变桨机构下俯的过程中采集桨距角，根据前后桨距角的变化确定变桨范围，当所述变桨范围处于预设变桨范围内时，控制偏航机构正偏。
34.优选地，所述源控制参数数据库的构建过程为：
35.获取空气密度；
36.获取预设范围桨距角、预设范围风轮功率和预设范围方位角；所述预设范围桨距角为0
°‑
90
°
范围内风轮的方位角所对应的0
°‑
10
°
范围内的桨距角；所述预设范围风轮功率为与3m/s-25m/s风速范围对应的风轮功率；
37.依据所述空气密度、所述初始量、所述预设范围桨距角、所述预设范围方位角和所述预设范围风轮功率绘制功率曲线；
38.基于所述功率曲线获取偏航变化角度和变桨变化角度，以生成待控制风力机的源控制参数数据库。
39.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
40.本发明提供的基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法，根据获取的当前风速、风轮的当前方位角、风轮的当前桨距角、风轮的当前转矩和风轮的当前转速确定待控制风力机的风轮功率后，再根据风轮功率与额定功率间的关系确定待控制风力机的功率状态，接着根据功率状态生成控制指令，并根据控制指令完成功率控制，以能够有效解决现有技术存在的载荷问题，进而显著提高超大型风力发电机组的使用寿命。
41.此外，本发明还提供了一种基于偏航变桨联动控制降载的功率控制系统，该系统包括：数据检测采集器、主控计算机、偏航控制器和变桨控制器；
42.所述数据检测采集器、所述偏航控制器和所述变桨控制器均与所述主控计算机连接；所述主控计算机用于执行上述提供的基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明提供的基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法的流程图；
45.图2为本发明提供的基于偏航变桨联动控制降载的功率控制系统的结构示意图；
46.图3为本发明实施例提供的风力叶片与叶根间的距离γ为γ1时的示意图；
47.图4为本发明实施例提供的为本发明实施例提供的风力叶片与叶根间的距离γ为γ2时的示意图；
48.图5为本发明实施例提供的叶片所受推力和法向力分析图；
49.图6为本发明实施例提供的方位角和风轮推力曲线图；
50.图7为本发明实施例提供的控制系统的结构组成关系框图；
51.图8为本发明实施例提供的数据采集系统的结构组成关系框图；
52.图9为本发明实施例提供的主控计算机的结构组成关系框图；
53.图10为本发明实施例提供的偏航系统的结构组成关系框图；
54.图11为本发明实施例提供的变桨系统的结构组成关系框图；
55.图12为本发明实施例提供的方位角、桨距角、风速和功率间的关系曲线图；
56.图13为本发明实施例提供的基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法的实施原理图；
57.图14为本发明实施例提供的当风轮偏航一定角度时和风轮不偏航时的情况对比图；其中，图14的a部分为风轮不偏航时的情况图；图14的b部分为风轮偏航一定角度时的情况图；
58.图15为本发明实施例提供的风力叶片扭矩图；
59.图16为本发明实施例提供c
p
恒定区的区间示意图。
具体实施方式
60.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做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。
61.本发明的目的是提供一种基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法和系统，能够有效解决现有技术存在的载荷问题，进而显著提高超大型风力发电机组的使用寿命。
62.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
63.如图1所示，本发明提供的基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法，包括：
64.步骤100：获取当前风速、风轮的当前方位角、风轮的当前桨距角、风轮的当前转矩、风轮的当前转速和初始量。初始量包括：额定功率、额定风速和额定转速。
65.步骤101：根据当前风速、风轮的当前方位角、风轮的当前桨距角、风轮的当前转矩和风轮的当前转速确定待控制风力机的风轮功率。
66.步骤102：根据风轮功率与额定功率间的关系确定待控制风力机的功率状态。功率状态包括：欠功率状态、功率过调状态和功率欠调状态。其中，当风轮功率小于额定功率时，判断当前风速与额定风速间的关系。当当前风速小于额定风速时，确定待控制风力机处于欠功率状态。当当前风速大于额定风速时，确定待控制风力机处于功率过调状态。当风轮功率大于额定功率时，确定待控制风力机处于功率欠调状态。
67.步骤103：根据功率状态生成控制指令，并根据控制指令完成功率控制。
68.具体的，a当功率状态为欠功率状态时，进行以下操作：
69.生成第一控制指令，以用于控制风轮的方位角和桨距角归零，并用于控制待控制风力机处于c
p
恒定区，以捕获最大风能。其中，如图16在风速0-15m/s 这个区间就是c
p
恒定区。目前的大型风力机都采用在变速恒频风力机机型，变速恒频风力机设计时风速从启动风速(一般是3m/s)到额定风速(设计时给定风速)再到切出风速(一般是25m/s)和功率服从
一定的功率曲线。风轮叶片在设计时其功率曲线在启动风速到额定风速之间功率从零增大到额定功率，此时需要保持风能利用率c
p
达到最佳，争取捕获更多的风能，所以在这个阶段一直保持风能利用率为最佳值，c
p
处于恒定状态，即c
p
恒定区。而在额定风速之后，由于风速增大，风轮捕获的风功率会继续增大，但是目的是将功率保持为额定功率，所以就要通过变桨来减少风轮的风能利用系数，进而在大风速时也能时功率保持在恒定值，所以在额定风速之后，风能利用系数会慢慢减少。
70.b当功率状态为功率过调状态时，进行以下操作：
71.步骤1、确定当前风向角对应的功率增量和当前风向角下变桨变化角度所调控的功率变化量。变桨变化角度从源控制参数数据库中获取。其中，源控制参数数据库的构建过程为：
72.获取空气密度。
73.获取预设范围桨距角和预设范围风轮功率。预设范围桨距角为0
°‑
90
°
范围内风轮的方位角所对应的0
°‑
10
°
范围内的桨距角。预设范围风轮功率为与3m/s-25m/s风速范围对应的风轮功率。
74.依据空气密度、初始量、预设范围桨距角和预设范围风轮功率绘制功率曲线。
75.基于功率曲线获取偏航变化角度和变桨变化角度，以生成待控制风力机的源控制参数数据库。
76.步骤2、根据当前参数下风轮功率增量和当前参数下0-10
°
变桨角度内功率变化量的关系确定功率过调状态的成因。其中，当功率增量小于功率变化量时，功率过调状态的成因为变桨过度。当功率增量大于功率变化量时，功率过调状态的成因为偏航过度。
77.根据功率过调状态的成因生成第二控制指令，并根据第二控制指令完成功率控制。其中，当功率过调状态的成因为变桨过度时，第二控制指令用于控制桨距角向0
°
旋转，以增大功率。当功率过调状态的成因为偏航过度时，第二控制指令用于控制方位角向0
°
方向旋转特定角度，以增大风轮捕获的功率。
78.c当功率状态为功率欠调状态时，进行以下操作：
79.步骤1、确定功率欠调状态的成因。例如，判断当前是功率大过度还是小过度。大过度说明功率欠调是由偏航欠调引起的，如果是小过度说明是变桨欠调引起的。如果当前功率超过额定功率的则是功率大过度状态。如果当前风轮功率在此时是小过度状态。
80.步骤2、根据功率欠调状态的成因生成第三控制指令，并根据第三控制指令完成功率控制。其中，当功率欠调状态的成因为偏航欠调时，第三控制指令用于控制偏航机构正偏特定角度。当功率欠调状态的成因为变桨欠调时，第三控制指令用于控制变桨机构下俯特定角度，并在变桨机构下俯的过程中采集桨距角，根据前后桨距角的变化确定变桨范围，当变桨范围处于预设变桨范围(即非理想变桨范围)内时，控制偏航机构正偏。其中，若桨距角0
°
≤β≤10
°
，则处于理想变桨范围，若β≥10
°
，则处于非理想变桨范围，此时给偏航控制器传递正偏信号，使偏航机构正偏，降低功率。
81.此外，本发明还提供了一种基于偏航变桨联动控制降载的功率控制系统，如图2所示，该系统包括：数据检测采集器200、主控计算机201、偏航控制器202和变桨控制器203。
82.数据检测采集器200、偏航控制器202和变桨控制器203均与主控计算机 201连接。主控计算机201用于执行上述提供的基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法。
83.基于上述公开的内容，本发明根据风向角、桨距角、风速、功率的对应关系进行功率控制，在额定风速后的大风速阶段，通过偏航和变桨一定的角度，减少风轮捕获的能量，以减少风轮叶片所受到的风力载荷，进而减少叶片和变桨机构的疲劳载荷，增加使用寿命。
84.并且，在本发明中引入低频偏航和小范围变桨的思想，然后将两者进行联动控制，使偏航和变桨都参与在额定风速后的功率控制过程中。其中，引入低频偏航来控制功率，是因为当来流风速增大时，风轮偏航一定的角度，风轮捕获的风能会减少。风轮捕获的功率和方位角呈余弦关系，基于此可以使得风轮在大风速时减少捕获的功率，且偏航一定角度会减少入流速度，气动力与来流速度直接相关，从而相对于风轮在相同风速下正对来流的状态，降低了捕获功率的同时，减少风轮叶片承受的风力载荷和叶根处变桨机构的疲劳载荷。采用低频偏航动作来调节功率，使得变桨动作调节功率的压力减少，而且低频动作也不会引起偏航机构的磨损。由于偏航功率调节分担了一部风的功率调节压力，所以只需要进行小范围变桨就可以使功率稳定在额定功率附近。0
°
到10
°
范围的小变桨调节相对于当前大范围变桨调节避免了在大桨距角时的叶片剧烈失速引起叶片震颤，而且减少了叶片桨距角大范围变化时引起的风力载荷变化幅值，进而在实现功率调节的情况下，减少风轮叶片和变桨机构的疲劳载荷。
85.下面基于上述提供的控制系统的设计框架，结合上述基于偏航变桨联动控制降载的功率控制方法的具体实施过程，对本发明的优点进行具体说明。
86.实施例一
87.步骤1.获取要控制的风力机的额定功率p0、额定风速v0、额定转速n0和当地空气密度ρ等参数并输入到主控计算机中，形成初始量。
88.步骤2.获取0到90
°
范围内方位角θ对应的0
°
到10
°
桨距角β，以及3-25m/s 风速v对应的风轮功率p。
89.步骤3.根据上述步骤1和2获得的数据绘制功率曲线，得到确定参数风力机组和确定风况下的最优功率曲线。由该功率曲线获得偏航变化角度和变桨变化角度，将该数据储存于主控计算机当中，形成该参数风力机的源控制参数数据库。
90.步骤4.数据检测采集器的检测元件检测当前风轮的方位角θ和风速v、桨距角β、转矩m、风轮转速n，并将检测到的信号传送到主控计算机中进行相应功率计算。
91.步骤5.判断当前功率与额定功率的大小，若风力机风轮功率小于额定功率时，主控计算机判断当前风速与额定风速的大小关系。
92.步骤6.若当前风速小于额定风速时，此时处于欠功率状态，主控计算机给偏航控制器、变桨控制器和电机控制器传递执行信号，偏航机构和变桨机构动作，使风轮的方位角θ和桨距角β直接归零，电机进行转矩控制，使风力机处于 c
p
恒定区，捕获最大风能。若当前风速大于额定风速，则此时处于功率过调状态，主控计算机判断当前风向角对应的功率增量δp和当前风向角对应的10
°
变桨所能调节的功率变化量p
β
间的关系，并依据这一关系判断功率过调是过度偏航引起的还是过度变桨引起的。如果是变桨过度引起的，则给变桨控制器传递上调信号，使叶片上仰，增大功率；如果是偏航过度引起的，则给偏航控制器传递负偏信号，使偏航回转一定的角度，增大风轮捕获的功率。
93.步骤7.当风轮功率大于风力机额定功率时，即功率过度，此时处于功率欠调状态，执行下面操作：
94.1)判断当前是功率大过度还是小过度。大过度说明功率欠调是由偏航欠调引起的，如果是小过度说明是变桨欠调引起的。如果当前功率超过额定功率的则是功率大过度状态，主控计算机给偏航控制器转递正偏执行信号，使偏航机构正偏一定的角度，使功率减少；如果当前风轮功率在此时是小过度状态，如果处于小过度状态，主控计算机给变桨控制器传递下俯执行信号，使变桨机构下俯一定的角度，使功率减少。变桨下附过程中随时检测桨距角，并传递给主控计算机，主控计算机进行桨距角比较。
95.2)主控计算机获取桨距角比较信号，然后采集当前桨距角β，判断变桨状态，若桨距角0
°
≤β≤10
°
，则处于理想变桨范围，若β≥10
°
，则处于非理想变桨范围，此时给偏航控制器传递正偏信号，使偏航机构正偏，降低功率。
96.在该实施例中，控制系统也可以设置成包括数据检测采集器、逻辑分析控制系统和执行系统的装置。其中数据检测采集器包括检测当前风机方位角θ、来流风速v、桨距角β，风轮转速n等参数的传感器。逻辑分析控制系统包括主控计算机、偏航控制器、变桨控制器、电机控制器，执行机构包括变桨执行机构、偏航执行机构、电机转矩控制机构等。
97.实施例二
98.该实施例中，数据检测采集器随时检测各个机构动作之后的参数，并传递给主控计算机，主控计算机根据已有的程序进行逻辑和算数的分析运算，得到当前检测到的参数对应的风轮功率，并与源控制参数数据库里的已有参数进行对比，并得到相应的控制量并传递给偏航控制器、变桨控制器和电机控制器；各个控制器将从主控计算机传递来的信号进行分析计算，得到执行机构能够直接识别并执行的模拟量信号；执行机构得到来自控制系统的模拟量命令信号之后，执行一定的动作。
99.具体的，如图3所示，是风力机叶片专用翼型du系列的一种翼型，该翼型是处于风力机叶片距离叶根r1处的翼型。其中，φ是入流角，入流速度和风轮旋转平面的夹角；α是攻角，入流速度和叶片弦线的夹角。β是桨距角，叶片弦线和风轮旋转平面的夹角。v是来流风速，w是入流速度，f
l
是叶片升力， fd是叶片所受的气动阻力，f是升力和阻力的合力，将f分解到垂直于旋转平面的y方向和平行于旋转平面的x方向得到fy和f
x
，其中fy是风作用在轴向的推力，f
x
是作用在风轮切向使风轮旋转的周向力。为了研究叶片表面所受到的载荷，可以将力f分解为弦线方向的分量fe和垂直于弦线方向的分量fn，其中，fn和fy的夹角为γ1，γ1＝β。
100.轴向力
[0101][0102]fn
＝f cosα
[0103]
其中，fn也是作用叶片上沿外法线方向上的力在气动中心处的合力。
[0104]
图4展示的是风力机叶片距离叶根r2处的翼型，因为现在风力机叶片在设计时从叶根到叶尖有一点扭角，在r1处的翼型和r2处的翼型的扭角为δβ，在相同叶片上不同翼型
处沿旋转平面方向的速度相同，风速也相同，但是由于存在一个扭角，导致入流角不变，攻角减小，叶片表面的受力也发生变化，其中fn和fy的夹角为γ2，γ2＝δβ+β，由此可知风力机叶片不同位置处沿叶片外法线方向上的合力之间有一定的夹角，如图5所示。这种情况会产生一个扭矩使叶片产生一个绕叶根旋转的趋势，给变桨机构施加额外的载荷。其中轴向力fy会给叶片施加一个轴向力，使叶片发生弯曲，以上描述的两种情况的载荷在小风速时可以忽略，但是在大风速时会使风力机叶片承受很大的载荷，而且在由于风速的不规律性，使风力机叶片所承受的载荷也在不规律的变化，这使得叶片本身的疲劳载荷增加，减少叶片寿命。而且由图6可知，当来流垂直于风轮平面时风轮承受的轴向推力最大。
[0105]
基于上述情况，本发明提出了上述能够减少在额定功率阶段运行时的风力机叶片、变桨机构疲劳载荷的低频偏航和小范围变桨的联动功率控制的方法以及与此控制方式匹配的控制系统。
[0106]
例如，如图7所示，组成该控制系统的器件有数据检测采集器、主控计算机、偏航控制器、偏航驱动器、偏航电机、变桨控制器、变桨驱动器、变桨电机、偏航角度检测元件和变桨角度检测元件。其中，参数检测元件包括风速风向检测元件、扭矩检测元件、转速检测元件、密度检测元件、偏航角度检测元件和变桨角度检测元件。图8展示的是数据检测采集器，数据检测采集器的主要作用是收集检测元件的模拟量信号，并将该模拟量信号转换成数字量信号好传递给主控计算机。图9展示的是主控计算机，主控计算机收集各类检测到的参数，并进行计算得出当前检测到的各个参数对应的风力机功率，并根据源控制参数数据库里面储存已有的功率所对应的参数进行对比，得到输入参数与当前参数得偏差量，然后通过模数转化器将信号转递给变桨控制器和偏航控制器，进而控制整个风轮捕获的功率。图10和图11展示的是偏航系统和变桨系统，因为偏航和变桨电机需要精确的控制，变桨和偏航采用pid控制器，系统响应快，滞后量小，系统超调量小。
[0107]
图12展示的是方位角θ、桨距角β、风速v、功率p之间的关系曲线。方位角θ不变时，当桨距角β增大时，风轮获取的功率减少。当桨距角不变时，方位角角增大，风轮获取的功率减少。桨距角和方位角与风轮获取的功率变化趋势呈余弦关系。但是由于实际风况复杂，三者之间的关系并非呈简单的线性关系，还是需要根据实际风况进行分析记录。在实际风况中获取源控制数据时，首先使方位角不变，将桨距角每次增加一度，获取风轮的功率曲线并记录，总共采集0
°
到10
°
桨距角范围之内的功率曲线，并将该方位角下不同风速对应的桨距角变化10
°
的功率变化值记为p
β
。然后重复上述方法遍历0
°
到90
°
的方位角，获取0
°
到90
°
范围的方位角对应的不同桨距角和风速对应的对应的功率。在遍历不同方位角时，为了避免偏航机构根据功率信号的不规律连续动作的情况，此处将偏航角度的变化设置为等增量值变化，即每次偏航角度变化5
°
。当风速增大时，只靠0
°
到10
°
范围的调降不能减少或增大功率时，方位角减少或增大5
°
，以此来减少变桨调功压力，使变桨机构在小范围内变化。此动作不但可以在大风速时使风轮所获取的能量减少起到调功的效果，而且能减少风轮承受的风力载荷和使变桨在小范围内动作，降低风轮叶片的和变桨机构的疲劳载荷，提高疲劳寿命。
[0108]
图13展示的是基于低频偏航和小范围变桨联动控制降低风力机叶片和变桨机构疲劳载荷的功率控制方法的原理流程。具体如下：
[0109]
(1)给主控计算机输入要控制的风力机的额定功率p0、额定风速v0、当地空气密度
ρ，最大转速n
max
和额定转速n0和已经测得的如附图图12所示的控制源数据并保存在源控制参数数据库中。
[0110]
(2)检测元件检测风力机当前的桨距角β、方位角θ、风速v、转速n和转矩m，并经过数据检测采集器传递给主控计算机进行计算。
[0111]
(3)主控计算机根据数据检测采集器传递来的转速和转矩信号，根据p＝ mω计算出此时风轮的获取的功率，然后根据此功率调用出源控制参数数据库里与此功率对应的桨距角、方位角和风速，然后将调用出来的参数和当前检测元件检测到的参数进行对比计算，得到偏差量并传递给变桨控制器和偏航控制器。根据p＝mω方法获得的风轮功率相比于直接测发电机功率而言，没有各种损耗，精度高，所以使得对风轮的控制比较精确。
[0112]
(4)上述主控计算机计算过程还包括判断当前功率与额定功率的大小，若风力机风轮功率小于额定功率时，判断当前风速与额定风速的大小关系。
[0113]
(5)若当前风速小于额定风速，此时风力机处于欠功率状态，主控计算机给偏航控制器、变桨控制器和电机控制器传递执行信号，偏航机构和变桨机构动作，使风轮的方位角θ和桨距角β直接归零，使风力机处于c
p
恒定区，捕获最大风能。若当前风速大于额定风速，则此时处于功率过调状态，主控计算机得到当前功率变化量δp＝p-p0，并将当前功率变化量δp与当前风向角下 10
°
变桨角度所能调控的功率变化值p
β
进行比较，判断功率过调是过度偏航引起的还是过度变桨引起的。如果δp≤p
β
说明是变桨过度引起的，则主控计算机根据当前的参数计算出相应的上调控制量并传递给变桨控制器，使叶片桨距角向0
°
旋转，增大功率；如果δp≥p
β
，说明是偏航过度引起的，则由主控计算机计算并给偏航控制器传递负偏信号，使偏航机构向方位角为零的方向回传一定的角度，增大风轮捕获的能量。
[0114]
(6)若风轮功率大于风力机额定功率时，即此时属于功率过度，属于功率欠调状态，执行下面操作。
[0115]
(7)判断δp≥p
β
。即判断功率欠调时功率将由偏航调节还是变桨调节。如果δp≥p
β
，此时属于大过度功率状态，需要偏航机构动作调节功率，主控计算机根据当前参数计算出正偏控制量并给偏航控制器传递正偏执行信号，使偏航机构正偏一定的角度，使功率减少；如果当前风轮功率δp≤p
β
，此时属于小过度功率状态，需要变桨机构动作调节功率，主控计算机给变桨控制器传递下俯执行信号，使变桨机构下俯一定的角度，使功率减少。变桨下俯过程中随时检测桨距角，并传递给主控计算机，主控计算机进行桨距角比较。
[0116]
(8)主控计算机获取桨距角比较信号后，采集当前桨距角β，判断变桨状态，若桨距角0
°
≤β≤10
°
，则处于理想变桨范围，若β≥10
°
，则处于非理想变桨范围，说明此时理想变桨范围内光靠变桨不能继续调节功率，此时主控计算机给偏航控制器传递正偏信号，使偏航机构正偏，降低功率。
[0117]
图14展示的是当风轮偏航一定角度时和风轮不偏航时的情况对比。由图 14可以看出，当风向不变，风速增大时，风轮偏航一定的角度，可以减少入 流速度，从而减少风轮获取的能量，达到控制风轮获取的功率的大小，由翼型 升力公式和阻力公式可以看出当入流速度减少时，翼 型的升力和阻力减少。由此可知，当偏航一定角度时作用在叶片上的力也会随 之减少。结合图5和图15可知，在弦长线性减少具有
一定扭角的叶片所受的 扭矩和弯矩在使用本发明的降载荷功率控制方法后，在大风速时明显变小。其 中附图8的点o扭转中心，h是力臂长度。
[0118]
由上可知，本发明提出的基于偏航和变桨联动控制降低载荷的功率控制方法，在低频率偏航和小范围变桨的情况下使风轮获取相同功率同时大幅减少风轮承受的风力载荷和载荷变化幅值，而且避免了风力机叶片的大失速带来的震颤载荷，减少叶片和变桨机构的疲劳载荷也降低了塔筒承受的载荷。而且由于偏航系统实行的是阈值增量偏转，不会因为参数的不规律变化而引起多次不规律偏航对偏航机构带来的磨损。
[0119]
本发明不光能够实现很好的风力机功率控制，而且能大幅减少风力发电机组的疲劳载荷，增加使用寿命。
[0120]
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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0121]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。