风力发电机组独立变桨四象限运行控制方法技术

提出了一种风力发电机组独立变桨四象限运行控制方法，属于风力发电技术领域，所述方法包括：步骤一，确定当前变桨的三个叶片的统一最佳变桨角度；步骤二，根据当前风速确定叶轮直径最高点风速和最低点风速，并确定最高点风速和最低点风速对应的变桨角度；步骤三，根据叶轮转速确定叶片在第一象限时旋转90°所需时间；步骤四，根据所述时间确定叶片在第一象限至第四象限的实时变桨角度；步骤五，根据叶轮位置传感器确定各叶片所处的象限，根据步骤四确定的叶片在第一象限至第四象限的实时变桨角度对各叶片进行分别控制。本方案提出的控制方法可减小风力发电机组载荷，同时获取更多的发电量。

Four quadrant operation control method of wind turbine independent pitch

【技术实现步骤摘要】
风力发电机组独立变桨四象限运行控制方法
本专利技术专利属于风力发电
，具体地涉及一种风力发电机组独立变桨四象限运行控制方法。
技术介绍
风能是一种取之不尽、用之不竭的绿色清洁能源，近年发展非常迅速。现代风电机组的单机容量越来越大，叶轮直径也越来越大，最新研制机型的叶轮直径已大于120米。随着风电机组单机容量的增大和风能技术的成熟，目前大型风电机组研究重点是降低制造和运行成本。通过减小风电机组各关键部件的载荷，以减轻这些关键部件的重量，并提高设备的可靠性和延长使用寿命，是降低风电机组成本的有效途径。风湍流、风剪切、塔影效应、偏航偏差等因素会对大型风电机组的叶轮产生不均衡载荷，且风轮直径也越大，整个风轮面受力的不均衡度就越强，叶轮上不均衡载荷也就越明显。叶轮上的不均衡载荷会给变桨轴承、轮毂、主轴、偏航轴承、塔架等风机关键部件造成很大疲劳载荷。理论上分析，根据叶片具体情况对每个叶片进行独立变桨控制有可能减小叶轮上的不均衡载荷。目前国内外对于独立变桨控制技术全部是使用叶片根部载荷测量的独立变桨控制，而且全部采用的方案是电动变桨技术。叶片根部载荷的测量需要时间，但风力发电机组在发电过程中叶片处于旋转运行中，且转速比较高，风速是一个无法预测的立体三维能源，并不能保证前一时段某一位置的风速，在现一阶段是相同的，所以导致目前独立变桨控制技术在具体实施过程中效果并不理想。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的上述问题，本专利技术根据风剪切原理，简化风速三维空间概念，成为二维四象限模型，针对四象限模型进行独立变桨控制，控制方式简单且高效，即可使风力发电机组减小载荷，同时可获取更多的发电量。根据本专利技术的一个方面，提出了一种风力发电机组独立变桨四象限运行控制方法，所述方法包括：步骤一，确定当前变桨的三个叶片的统一最佳变桨角度；步骤二，根据当前风速确定叶轮直径最高点风速和最低点风速，并确定最高点风速和最低点风速对应的变桨角度；步骤三，根据叶轮转速确定叶片在第一象限时旋转90°所需时间；步骤四，根据所述时间确定叶片在第一象限至第四象限的实时变桨角度；步骤五，根据叶轮位置传感器确定各叶片所处的象限，根据步骤四确定的叶片在第一象限至第四象限的实时变桨角度对各叶片进行分别控制。根据本专利技术的一个方面，所述步骤一包括：根据以下公式确定统一最佳变桨角度：βest＝β(λ,Cp,est)(12)βest为变桨角度评估值；Cp,est为风能利用系数Cp的评估值，λ为叶尖比；在Cp曲线反向时也会使用Cp的要求值获得一个与Cp要求值匹配的新的变桨角度：βnew＝β(λ,Cp,demand)(13)βnew为新变桨角度，Cp,demand为风能利用系数Cp的要求值。根据本专利技术的一个方面，所述步骤二包括：通过风机内部传感器测量得出风机实际的转速、实际的转矩与实际的功率，根据当前的实际的转速与功率值确定实际叶轮侧的风速值νest，从机舱顶部测风位置获取风速测量值νmea，确定风轮侧风速变化的湍流度与实际测量风速变化的湍流度，并将两个湍流度进行实时对比进行加权平均，得出湍流度，进而通过所述湍流度确定下一阶段的风速ν；根据当前风速ν得出叶轮直径最高点风速ν1与最低点风速ν2，当获得最高点风速ν1与最低点风速ν2后，确定出新的最高点风速ν1的变桨角度βnew1与最低点风速ν2的变桨角度βnew2。根据本专利技术的一个方面，所述步骤三包括：当叶片处于第一象限时根据当前叶轮转速n计算出叶轮旋转90°所需时间S,转速的单位是r/min,角速度用rad/s表示，根据转速与角速度的对应关系式确定叶轮旋转90°的所需时间，叶轮的实时的角速度ω即：ω＝n·π/30(14)所需时间S为：S＝90/ω(15)根据本专利技术的一个方面，所述步骤四包括：采取线性方程的方式确定变桨角度在每个象限运行轨迹：在第一象限中，线性变桨角度运行位置斜率为叶片的实时给定变桨角度βA：Td为预定周期；在第二象限中，线性变桨角度运行位置斜率为叶片的实时给定变桨角度βA：在第三象限中，线性变桨角度运行位置斜率为仍采用公式18计算得出叶片实时给定角度βA采用公式19计算得出。在第四象限中，线性变桨角度运行位置斜率为仍采用公式16计算得出叶片实时给定角度βA采用公式17计算得出。根据本专利技术的一个方面，所述步骤五包括：通过双输出的编码器进行转速测量和位置测量，转速输出采用增量型输出，位置测量采用绝对值输出，位置输出信号采用模拟量输出。根据本专利技术的一个方面，将所述模拟量变换为角度，具体方式为：其中所述模拟量为4-20mA，θ1为叶片在最顶端位置0°时的编码器输出的位置信号值，θset为转换后的角度值。通过本专利技术提出的技术方案，能够显著提升风力发电机组的整体发电量，同时显著降低风力发电机组的载荷，载荷降低后，机组的整体制造结构重量会进而减轻，节约造价成本。附图说明图1为风力发电机组示意图；图2为叶轮运行示意图；图3是以单个叶片运行轨迹进行风剪切四象限运行控制的示意图；图4示出了本专利技术所述控制方法的示意流程图。具体实施方式图1示出了风力发电机组的示意图，其中101和102分别标识机组测风位置与机组运行叶片最高位置。图2示出了叶轮运行的示意图，其中201表示叶片以顺时针方向旋转，D为叶轮直径。图3示出了以叶片A的运行轨迹为例风剪切四象限运行控制的示意图如图4所示，所述方法包括如下步骤。1、确定当前变桨的三个叶片的统一最佳变桨角度。风剪切是指风吹过地面时，由于地面上各种粗糙元(草、庄稼、森林、建筑物等)的摩擦作用，使风的能量减少而使风速减小，风速减小的程度随离地面的高度增加而降低。这样风速随高度变化而变化，这个现象称为风剪切。风速沿高度的变化规律称为风速廓线。本专利技术用指数律表示风速廓线公式：ν＝ν1(h/h1)γ(1)式中ν为高度为h处的风速，ν1为高度为h1处的风速，γ为风速廓线指数，它与地面粗糙度有关。我国规范中将地面粗糙度分为A、B、C三类，国际IEC标准取了个标准值γ＝0.20。另外风剪切同时可以根据风电场所在位置测风数据进行推理计算，风电场测风数据一般测量高度为80米，测风点为每10米一个高度，通过每个测风点代入公式1，得出风速廓线指数γ。风力发电机组一般为三叶片结构，机组本身自带的测风装置安装在风力发电机组轮毂中心高度附近，进行风力发电机组正常运行测量实时风速，根据测得的实时风速，依据IEC标准的风速廓线指数或者风电场当地的风速廓线指数，得出叶轮在运行轨迹上的叶片最高位置风速，如图1所示。如图2所示，当风力推动叶轮旋转时，最顶端的叶片A经过180°旋转到叶片A1位置即最低位置，叶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力发电机组独立变桨四象限运行控制方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤一，确定当前变桨的三个叶片的统一最佳变桨角度；/n步骤二，根据当前风速确定叶轮直径最高点风速和最低点风速，并确定最高点风速和最低点风速对应的变桨角度；/n步骤三，根据叶轮转速确定叶片在第一象限时旋转90°所需时间；/n步骤四，根据所述时间确定叶片在第一象限至第四象限的实时变桨角度；/n步骤五，根据叶轮位置传感器确定各叶片所处的象限，根据步骤4确定的叶片在第一象限至第四象限的实时变桨角度对各叶片进行分别控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种风力发电机组独立变桨四象限运行控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一，确定当前变桨的三个叶片的统一最佳变桨角度；
步骤二，根据当前风速确定叶轮直径最高点风速和最低点风速，并确定最高点风速和最低点风速对应的变桨角度；
步骤三，根据叶轮转速确定叶片在第一象限时旋转90°所需时间；
步骤四，根据所述时间确定叶片在第一象限至第四象限的实时变桨角度；
步骤五，根据叶轮位置传感器确定各叶片所处的象限，根据步骤4确定的叶片在第一象限至第四象限的实时变桨角度对各叶片进行分别控制。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一包括：
根据以下公式确定统一最佳变桨角度：
βest＝β(λ,Cp,est)(12)
βest为变桨角度评估值；Cp,est为风能利用系数Cp的评估值，λ为叶尖比；
在Cp曲线反向时也会使用Cp的要求值获得一个与Cp要求值匹配的新的变桨角度：
βnew＝β(λ,Cp,demand)(13)
βnew为新变桨角度，Cp,demand为风能利用系数Cp的要求值。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二包括：
通过风机内部传感器测量得出风机实际的转速、实际的转矩与实际的功率，根据当前的实际的转速与功率值确定实际叶轮侧的风速值νest，从机舱顶部测风位置获取风速测量值νmea，确定风轮侧风速变化的湍流度与实际测量风速变化的湍流度，并将两个湍流度进行实时对比进行加权平均，得出湍流度，进而通过所述湍流度确定下一阶段的风速ν；
根据当前风速ν得出叶轮直径最高点风速ν1与最低点风速ν2，当获得最高点风速ν1与最低点风速ν2后，确定出新的最高点风速ν1的变桨角度...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵重阳，苗继春，吴立东，高伟，程学文，李致尧，张舒翔，刘洋广，
申请(专利权)人：大唐可再生能源试验研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11