风电机组的载荷模型建立方法及载荷控制方法技术

本发明专利技术公开了一种风电机组的载荷模型建立方法及载荷控制方法，首先迭代获取每组叶尖速比和桨距角下对应的轴向诱导因子和周向诱导因子，然后计算挥舞系数和风能系数，通过若干组叶尖速比和桨距角对应的挥舞系数和风能系数，非线性拟合得到挥舞系数、风能系数关于叶尖速比和桨距角的计算公式，得到载荷模型；然后在载荷模型的基础上，求取每个风速下输出恒定时最小挥舞载荷对应的最优桨距角，非线性拟合得到最优桨距角关于风速的公式，在风电机组运行时根据风速计算得到最优桨距角，得到桨距角调整值，与基于PID的变桨控制方法得到的桨距角调整值叠加，进行桨距角控制。本发明专利技术综合考虑摆振载荷和挥舞载荷，实现更为准确的载荷模型和载荷控制方法。

Load modeling method and load control method for wind turbine

The invention discloses a wind turbine load model establishing method and load control method, the first iteration gets each tip speed and pitch angle under the corresponding axial and circumferential factors, and then calculate the wave coefficient and wind coefficient, through several groups of tip speed and pitch angle than the corresponding coefficient and wind wave coefficient formula, coefficient, coefficient of wind wave tip speed ratio and the pitch angle of the nonlinear fitting, get the load model; then based on the load model, the optimal pitch angle for each wind speed under constant load with minimum output corresponding to the optimal pitch angle on the velocity formula of nonlinear fitting, in the operation of wind turbine when the wind speed is calculated according to the obtained optimal pitch angle, pitch angle adjustment value, and pitch pitch control method based on PID Adjust the value of the pitch angle control. The invention takes into account the sway load and the waving load, and realizes a more accurate load model and a load control method.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风电
，更为具体地讲，涉及一种风电机组的载荷模型建立方法及载荷控制方法。
技术介绍
随着能源与环境问题的日益严峻，可再生能源的研究受到越来越多研究者的关注。其中，风电技术因其对环境冲击小，不产生有害气体，而且技术相对成熟，因此得到广泛应用。然而，随着风电技术的日益成熟，风力机的单机容量不断增大，风力机机械部件的尺寸和重量不断增加，从而导致风力机机械部件的柔性不断增大，系统的固有频率逐渐降低。因此，在具有随机性、波动性和突变性的风荷载作用下，机组的零部件将可能出现谐振，由此产生较大的疲劳载荷，最终使得机组的零部件出现严重的疲劳损害。风电机组依靠桨叶将风的动能转化为机械能。其中，桨叶是最主要的受力部件，桨叶上所受载荷是风电机组最主要的载荷。在桨叶上，气动载荷是主要载荷，主要由摆振载荷和挥舞载荷组成。摆振载荷是风轮旋转平面内振动的载荷，风能系数对其起决定性作用。挥舞载荷是垂直于旋转平面振动的载荷，挥舞系数是挥舞载荷的主要决定因素。风能系数与风电机组的桨叶结构密切相关，每一种不同类型的风力机组对应的风能系数不同。然而，目前国内外众多的研究者针对不同的风力机组类型却大多引用同一个风能系数经验公式，因此虽然具有一定的普适性，却丧失了描述风电机组气动性能的准确性，而桨叶上的挥舞载荷目前还少有研究者对其进行详细讨论。由于挥舞载荷是影响风机叶片、传动链甚至塔架振动、疲劳和动力稳定性的关键因素。因此，需要研究出能同时对风电机组风能系数和挥舞系数进行综合计算和分析的载荷模型。随着风电机组尺寸变大，载荷控制变得越来越迫切。目前众多研究者针对额定风速以上，主要采取基于PID(Proportional-Integral-Differential，比例-积分-微分)的变桨控制方法进行额定风速以上的恒功率控制，以功率波动和发电机转速波动减少作为风电机组载荷减少，但是缺少对风电机组所受载荷建立数学模型。变桨机构大多采用液压执行机构，具有一定的时间延迟，同时风电机组是一个强非线性系统，采用基于PID的线性变桨控制器稳定性较差，达不到较好的控制效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风电机组的载荷模型建立方法及载荷控制方法，建立综合考虑摆能载荷和挥舞载荷的载荷模型，并基于此提出载荷控制方法，提高载荷控制的性能。为实现上述专利技术目的，本专利技术风电机组的载荷模型建立方法包括以下步骤：S1：根据风电机组的实际情况设置其叶尖速比λ的取值范围[λmin,λmax]及桨距角β的取值范围[0,βmax]；对风力发电机组的桨叶进行叶素划分，记叶素数量为D；令数据组序号i＝1；S2：在叶尖速比λ的取值范围[λmin,λmax]和桨距角β的取值范围[0,βmax]内随机取得第i组叶尖速比λi和桨距角βi；S3：初始化每个叶素的轴向诱导因子aj和周向诱导因子bj，j＝1,2,…,D；S4：计算每个叶素的入流角φj： φ j = arctan ( 1 - a j ) v 1 ( 1 + b j ) Ωr j ]]>其中，v1表示为风轮前来流速度，v1＝ΩR/λi，Ω表示风轮的转动角速度，R表示桨叶半径，rj表示叶素的半径；S5：计算每个叶素的风攻角αj＝φj-βi；S6：基于风攻角α和翼型空气动力学特性曲线计算每个叶素的升力系数Cl,j和阻力系数Cd,j，然后计算叶素的切向力系数Ct,j＝Cl,jsinφj-Cd,jcosφj与叶素的法向力系数Cn,j＝Cl,jcosφj+Cd,jsinφj；S7：更新轴向诱导因子aj′： a j ′ = 1 4 K sin 2 φ j σ j C n , j + 1 ]]>其中，B表示桨叶数目，cj表示叶素的弦长；K＝K1K2，K1表示叶尖修正系数，K2表示轮毂修正系数，其计算公式分别为： K 1 = 2 π cos - 1 [ exp ( - B ( R - r j ) 2 r j sinφ j ) ] ]]> K 2 = 2 π cos - 1 [ exp ( - B ( r j - r 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电机组的载荷模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据风电机组的实际情况设置其叶尖速比λ的取值范围[λmin,λmax]及桨距角β的取值范围[0,βmax]；对风力发电机组的桨叶进行叶素划分，记叶素数量为D；令数据组序号i＝1；S2：在叶尖速比λ的取值范围[λmin,λmax]和桨距角β的取值范围[0,βmax]内随机取得第i组叶尖速比λi和桨距角βi；S3：初始化每个叶素的轴向诱导因子aj和周向诱导因子bj，j＝1,2,…,D；S4：计算每个叶素的入流角φj：φj=arctan(1-aj)v1(1+bj)Ωrj]]>其中，v1表示为风轮前来流速度，v1＝ΩR/λi，Ω表示风轮的转动角速度，rj表示叶素的半径；S5：计算每个叶素的风攻角αj＝φj‑βi；S6：基于风攻角α和翼型空气动力学特性曲线计算每个叶素的升力系数Cl,j和阻力系数Cd,j，然后计算叶素的切向力系数Ct,j＝Cl,jsinφj‑Cd,jcosφj与叶素的法向力系数Cn,j＝Cl,jcosφj+Cd,jsinφj；S7：更新轴向诱导因子a′j：aj′=14K sin2φjσjCn,j+1]]>其中，B表示桨叶数目，cj表示叶素的弦长；K＝K1K2，K1表示叶尖修正系数，K2表示轮毂修正系数，其计算公式分别为：K1=2πcos-1[exp(-B(R-rj)2rjsinφj)]]]>K2=2πcos-1[exp(-B(rj-r0)2r0sinφj)]]]>其中，R表示桨叶半径，r0表示轮毂半径，exp表示指数函数；如果计算得到的轴向诱导因子a′j＞0.4，采用以下计算公式修正：aj′=18K-20-3CF,j(50-36K)+12K(3K-4)36K-50]]>其中，CF,j表示叶素的推力系数，其计算公式为：CF,j=(1-aj)2σjsin2φj(Cl,jcosφj+Cd,jsinφj)]]>更新周向诱导因子b′j：bj′=14K sinφjcosφjσjCt,j-1]]>S8：判断是否每个叶素的诱导因子均满足|a′j‑aj|≤Ta且|b′j‑bj|≤Tb，Ta、Tb分别表示预设的误差阈值，如果是，进入步骤S9，否则令aj＝a′j、bj＝b′j，返回步骤S4；S9：计算第i组叶尖速比λi和桨距角βi对应的挥舞系数CM,i和风能系数CP,i：CM,i=BπR3∫(1-a)2sin2φcCnrdr]]>CP,i=BπR2∫(1-a)3(1+b)cosφsin3φcCtdr]]>S10：如果i＜N，N表示非线性拟合需要的数据组数，令i＝i+1，返回步骤S2，否则根据N组叶尖速比λi、桨距角βi和对应的挥舞系数CM,i、风能系数CP,i，采用非线性拟合得到挥舞系数CM和风能系数CP的计算公式CM＝f1(λ,β)、CP＝f2(λ,β)，得到载荷模型。...

【技术特征摘要】
1.一种风电机组的载荷模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据风电机组的实际情况设置其叶尖速比λ的取值范围[λmin,λmax]及桨距角β的取值范围[0,βmax]；对风力发电机组的桨叶进行叶素划分，记叶素数量为D；令数据组序号i＝1；S2：在叶尖速比λ的取值范围[λmin,λmax]和桨距角β的取值范围[0,βmax]内随机取得第i组叶尖速比λi和桨距角βi；S3：初始化每个叶素的轴向诱导因子aj和周向诱导因子bj，j＝1,2,…,D；S4：计算每个叶素的入流角φj： φ j = arctan ( 1 - a j ) v 1 ( 1 + b j ) Ωr j ]]>其中，v1表示为风轮前来流速度，v1＝ΩR/λi，Ω表示风轮的转动角速度，rj表示叶素的半径；S5：计算每个叶素的风攻角αj＝φj-βi；S6：基于风攻角α和翼型空气动力学特性曲线计算每个叶素的升力系数Cl,j和阻力系数Cd,j，然后计算叶素的切向力系数Ct,j＝Cl,jsinφj-Cd,jcosφj与叶素的法向力系数Cn,j＝Cl,jcosφj+Cd,jsinφj；S7：更新轴向诱导因子a′j： a j ′ = 1 4 K sin 2 φ j σ j C n , j + 1 ]]>其中，B表示桨叶数目，cj表示叶素的弦长；K＝K1K2，K1表示叶尖修正系数，K2表示轮毂修正系数，其计算公式分别为： K 1 = 2 π cos - 1 [ exp ( - B ( R - r j ) 2 r j sinφ j ) ] ]]> K 2 = 2 π cos - 1 [ exp ( - B ( r j - r 0 ) 2 r 0 sinφ j ) ] ]]>其中，R表示桨叶半径，r0表示轮毂半径，exp表示指数函数；如果计算得到的轴向诱导因子a′j＞0.4，采用以下计算公式修正： a j ′ = 18 K - 20 - 3 C F , j ( 50 - 36 K ) + 12 K ( 3 K - 4 ) 36 K - 50 ]]>其中，CF,j表示叶素的推力系数，其计算公式为： C F , j = ( 1 - a j ) 2 σ j sin 2 φ j ( C l , j cosφ j + C d , j sinφ j ) ]]>更新周向诱导因子b′j： b j ′ = 1 4 K sinφ j cosφ j σ j C t ...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭超，邹见效，李艳，徐红兵，李立英，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51