获得风力发电机风速值的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力发电技术，通过建立风速估计的数学模型，采集可靠的测量信息， 由风速估计模型计算出轮毂中心高度处风速，从而可以替代风力发电机组传统的风速仪。
【背景技术】
[0002] 目前，是采用风速仪直接测量来流风的风速值，该风速仪具有一个机械式风杯，作 为一次检测元件，安装在机舱尾部，通过该风杯测得的风速并不是风轮正前方的风速，而是 受到了风轮旋转尾流影响的风速，与实际的未受扰动的风速存在较大偏差。另外，由于机械 式风杯具有转动惯量，而我国风力发电机组大部分安装在风沙大、气候寒冷的野外地区，容 易受风沙侵蚀和结冰影响，造成测量精度低，易损坏。为了提高测量的可靠性，通常会安装 两个及两个以上的风速仪进行冗余保护，一般将多个风速仪测量的值进行平均作为实测风 速。为了检测风速仪是否失效，保护风力发电机组安全运行，通常需设计相应的保护逻辑， 但也只能判断风速仪是否有故障，具体哪一个风速仪出现故障或全部风速仪是否故障，还 没有准确有效的判断方法，只能进行全部更换，给现场维护检修带来额外工作量。当风力发 电机组运行于切出风速附近时，若风速测量值有误，则风力发电机组的运行载荷可能会高 于设计值，给机组安全带来巨大隐患。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述问题，提出一种技术方案，在不增加硬件成本的基础上，利用风力发 电机组现有的测量信号计算出风轮正前方的风速，从而可以替代传统机械式风速仪。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种获得风力发电机风速值的方法，利用风力发电机中与风速有对应关系的参 数，建立起求解风速、风向的数学模型，通过该模型计算得到风速值。
[0006] 所述建立起求解风速的数学模型的步骤是：
[0007] 对风力发电机组的传动链模型进行折算，把低速轴的变量折算到高速轴，并认为 整个模型为刚性模型，得到简化传动链模型，并设风轮轮毂前面最高点为风速计算的采样 点，由刚性模型假设，列出风轮传动链力学模型如下：
[0008]
⑴
[0009] 其中：
[0010] Ta表示风轮上气动力矩（折算到高速轴侧）；
[0011] Te表示发电机电磁力矩；
[0012] ω表示高速轴转速；
[0013] J表示折算后转动惯量。
[0014] 在⑴等式两端同时乘以ω可得：
[0015]
(2)
[0016] 进一步对（2)式变形可得能量守恒方程：
[0017]
(3)
[0018] 其中：
[0019] ?&表示风轮上吸收的气动功率；
[0020] Pg表示发电入口电功率；
[0021]
表示加速度功率。
[0022] 风能利用率方程如下：
[0023] (4)：
[0024] (5)
[0025] 其中：
[0026] Pw表示风速中含有的能量；
[0027] Cp表不风能利用率；
[0028] P表示空气密度；
[0029] A表示风轮扫风面积；
[0030] U表示风速。
[0031] 叶尖速比的定义：
[0032]
(6)
[0033] 其中：
[0034] R表示风轮半径；
[0035] U表示风速；
[0036] Ω表不风轮转速。
[0037] 把（6)带入（5)可得：
[0038]
:(7+)
[0039] 式（7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系ω = GQ (G表示齿轮箱传动比） 得到，再把（7)带入（3)可得：
[0040]
(0):
[0041] 通过叶片气动性能计算，可以得到Cp与叶尖速比λ和叶片桨距角β之间的非线 性气动方程，可以用下面式子表示：
[0042]
(9)
[0043] 由公式⑶（9)可以得到以下等式：[0044]
(10)
[0045] 在公式（7)至（10)中，下列参数均为已知参数；
[0046] PG，ω，β通过传感器测量得到；
[0047] P通过气象站测得；
[0048] A，G，R，J是风机既定设计参数；
[0049] 可以通过叶片气动性能计算得到；
[0050] 在公式（10)中，仅有λ -个未知量，只能通过数值计算求解，具体求解方法如 下：
[0051] 1)通过风机的设计参数可以确定尖速比λ的取值范围；
[0052] 2)在λ的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，即A1J = 1，2, 3···
[0053] 3)设定数值计算误差限ε，并令
[0054] Cu)
[0055] 当fUJ < ε时，即可认为入为（10)式的解
[0056] 由上述计算过程，可以得到叶尖速比λ，进一步，由叶尖速比的定义（6)可以计算 出当前风速
[0057]
(12)
[0058] 本发明的有益效果：
[0059] 风速计算的采样点是风轮轮毂前面的最高点，选点正确，获得的风速值真实可 靠，且精度高，没有测量误差；无需使用风速测量装置，减少硬件成本，只需编写相应的软件 程序即可实现，不影响风机正常运行，不易受外界环境影响，不受风力发电机组容量限制， 可以扩展到大功率等级机组。
【附图说明】：
[0060] 图1是风力发电机组传动链模型示意图。
[0061] 图2是风力发电机组传动链简化模型示意图。
【具体实施方式】
[0062] 图1是风力发电机组的传动链模型示意图，把图1的模型进行折算，把低速轴的变 量折算到高速轴，并认为整个模型为刚性模型，得到图2的简化传动链模型。并设风轮轮毂 前面最高点为风速计算的采样点。由刚性模型假设，可以列出风轮传动链力学模型如下公 式：
[0063]
(1)
[0064] 其中：
[0065] Ta表示风轮上气动力矩（折算到高速轴侧）；
[0066] Te表示发电机电磁力矩；
[0067] ω表示高速轴转速；
[0068] J表示折算后转动惯量。
[0069] 在（1)等式两端同时乘以ω可得：
[0070]
(2)
[0071] 进一步对（2)式变形可得能量守恒方程：
[0072]
C3)
[0073] 其中：
[0074] ?&表示风轮上吸收的气动功率；
[0075] Pg表示发电入口电功率；
[0076]
表示加速度功率。
[0077] 风能利用率方程如下：
[0078] (?)
[0079] (5)
[0080] 其中：
[0081] Pw表示风速中含有的能量；
[0082] Cp表不风能利用率；
[0083] P表不空气密度；
[0084] A表示风轮扫风面积；
[0085] U表示风速。
[0086] 叶尖速比的定义：
[0087]
(b)
[0088] 其中：
[0089] R表示风轮半径；
[0090] U表示风速；
[0091] Ω表示风轮转速。
[0092] 把（6)带入（5)可得：
[0093]
(.7)
[0094] 式（7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系ω = GQ (G表示齿轮箱传动比） 得到，再把（7)带入（3)可得：
[0095]
(8)
[0096] 在公式⑶中：Pp ω可以同过传感器测量得到，ρ可以通过气象站测得，A，G，R， J是在风力发电机组设计时候就可以确定，均为易检测和确定的量，而Cp则为不易检测量。 但是，通过叶片气动性能计算，可以得到Cp与叶尖速比λ和叶片桨距角β之间的非线性 气动方程，可以用下面式子表示：
[0097] CN 105138845 A m ~P 5/5 页
(9)
[0098] 由公式⑶（9)可以得到以下等式：[0099]
(10)
[0100] 在公式（10)中：
[0101] PG，ω，β可以通过传感器测量得到；
[0102] P可以通过气象站测得；
[0103] A，G，R，J是在风机设计时候就可以确定；
[0104] 可以通过叶片气动性能计算得到。
[0105] 通过以上分析，我们可以知道，在公式（10)中，仅有λ -个未知量，而其余物理量 都可以通过一定方法得到，只不过公式（10)并不是一个可以求得解析解的初等方程，因此 只能通过数值计算求解，具体求解方法如下：
[0106] 4)通过风机的设计参数可以确定尖速比λ的取值范围
[0107] 5)在λ的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，g卩A1J = 1，2, 3···
[0108] 6)设定数值计算误差限ε，并令
[0109] (11)
[0110] 当fUJ < ε时，即可认为入为（10)式的解
[0111] 由上述计算过程，可以得到叶尖速比λ，进一步，由叶尖速比的定义（6)可以计算 出当前风速
[0112]
(12)
[0113] 从而得到风速，也就可以替换传统机械式风速仪。
[0114] 本方案具有易实现，对现有运行风机系统不需做硬件改造，同时具有广泛的适应 性，能够在不同环境下使用。本方案不受风机容量限制，可以扩展到以后的大功率风力机组 上，因此具有很好的可行性。
【主权项】
1. 一种获得风力发电机风速值的方法，利用风力发电机中与风速有对应关系的参数， 建立起求解风速的数学模型，通过该模型计算得到风速值。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立起求解风速的数学模型的步骤是： 对风力发电机组的传动链模型进行折算，把低速轴的变量折算到高速轴，并认为整个 模型为刚性模型，得到简化传动链模型，并设风轮轮毂前面最高点为风速计算的采样点，由 刚性模型假设，列出风轮传动链力学模型如下：其中： Ta表示风轮上气动力矩（折算到高速轴侧）； Te表示发电机电磁力矩； ?表示高速轴转速； J表示折算后转动惯量； 在⑴等式两端同时乘以《可得：其中： 卩$表示风轮上吸收的气动功率； Pti表示发电入口电功率；其中： Pw表示风速中含有的能量； Cp表示风能利用率； P表示空气密度； A表示风轮扫风面积； U表示风速； 叶尖速比的定义：其中： R表示风轮半径； U表示风速； Q表示风轮转速； 把（6)带入（5)可得：式（7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系co = GQ得到，再把（7)带入（3)可 得：其中：G表示齿轮箱传动比， 通过叶片气动性能计算，可以得到Cp与叶尖速比A和叶片桨距角0之间的非线性气 动方程，可以用下面式子表示：在公式（7)至（10)中，下列参数均为已知参数； Pp ?，P通过传感器测量得到； P通过气象站测得； A，G，R，J是风机既定设计参数； 可以通过叶片气动性能计算得到； 在公式（10)中，仅有X -个未知量，只能通过数值计算求解，具体求解方法如下： 1) 通过风机的设计参数可以确定尖速比A的取值范围； 2) 在A的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，g卩A i = 1，2, 3… 3) 设定数值计算误差限e，并令当f U1) < e时，即可认为人$ (10)式的解 由上述计算过程，可以得到叶尖速比X，进一步，由叶尖速比的定义（6)可以计算出当 前风速
【专利摘要】本发明共公开一种获得风力发电机风速值的方法，利用风力发电机中与风速有对应关系的参数，建立起求解风速的数学模型，通过该模型计算得到风速值。其优点是，风速采样选点正确，获得的风速值真实可靠，且精度高,没有测量误差；无需使用风速测量装置。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105138845
【申请号】CN201510543225
【发明人】兰杰, 莫尔兵, 林志明, 王其君, 尹景勋, 林淑
【申请人】东方电气风电有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月28日