风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法与系统，包括：获取叶根两个方向的叶根弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩，根据当前测量变桨角度，通过旋转变换获得叶根面外弯矩；获取当前叶片方位角，对叶根面外弯矩进行坐标变换，计算得到风轮摆振弯矩；基于风轮摆振弯矩和当前平均风速，计算得到水平风切变系数，当水平风切变系数超过预设阈值时，识别当前风况为极端水平风切变；当前风况识别为极端水平风切变时，计算输出附加独立变桨指令，叠加在变桨控制器输出的变桨指令上，在风轮上产生的附加弯矩与风轮摆振弯矩相消减。本发明专利技术基于测量的叶根载荷，识别当前是否为极端水平风切变，并通过附加独立变桨指令实现降低载荷。令实现降低载荷。令实现降低载荷。

【技术实现步骤摘要】
风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法与系统


[0001]本专利技术涉及风电机组控制的
，尤其是指一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法、系统、存储介质及计算设备。

技术介绍

[0002]风电机组在全生命运行过程中，不可避免地会遇到各种极端风况。其中，风电机组在极端风切变风况下运行是IEC设计规范中要求考虑的一类极端工况。极端风切变分为极端水平风切变和极端垂直风切变两类，极端水平风切变是指风轮平面的平均风速，在短时间内沿着水平方向产生速度梯度变化；极端垂直风切变是指风轮平面的平均风速，在短时间内沿着垂直方向产生速度梯度变化。极端风切变风况可引起叶轮平面较大不平衡载荷，叶根、轮毂、偏航轴承等部件产生极限载荷。对于大型风电机组，由于采用更大的风轮直径，极端风切变对部件的极限载荷影响更加显著。目前，现有的控制策略不能识别极端水平风切变风况，因此不能针对极端水平风切变进行有效降载。

技术实现思路

[0003]本专利技术的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，基于测量的叶根载荷，识别当前是否为极端水平风切变，并通过附加独立变桨指令实现降低载荷。
[0004]本专利技术的第二目的在于提供一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制系统。
[0005]本专利技术的第三目的在于提供一种存储介质。
[0006]本专利技术的第四目的在于提供一种计算设备。
[0007]本专利技术的第一目的通过下述技术方案实现：风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，执行以下操作：
[0008]获取叶根两个方向的叶根弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩，根据当前测量变桨角度，通过旋转变换获得叶根面外弯矩；
[0009]获取当前叶片方位角，对叶片的叶根面外弯矩进行坐标变换，计算得到风轮摆振弯矩；
[0010]基于风轮摆振弯矩和当前平均风速，计算得到水平风切变系数，当水平风切变系数超过预设阈值时，识别当前风况为极端水平风切变；
[0011]当前风况识别为极端水平风切变时，计算输出附加独立变桨指令，叠加在变桨控制器输出的变桨指令上，在风轮上产生的附加弯矩与风轮摆振弯矩相消减。
[0012]进一步，每支叶片的叶根位置都需要安装载荷传感器，称为叶根载荷传感器；通过所述叶根载荷传感器能够实时测量叶根两个方向的弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩；所述叶根挥舞弯矩是指叶片从压力面向吸力面弯曲变形所产生的载荷，压力面受拉伸同时吸力面受压缩定义为叶根挥舞弯矩的正方向；所述叶根摆振弯矩是指叶片从尾缘向前
缘弯曲变形所产生的载荷，尾缘受拉伸同时前缘受压缩定义为叶根摆振弯矩正方向；
[0013]所述叶根面外弯矩是指叶片相对于风轮平面，与风轮平面相垂直方向上弯曲变形所产生的叶根弯矩；所述叶根面外弯矩的正方向定义为叶片垂直于风轮平面，沿着机舱尾部弯曲的方向；由于风电机组在运行过程中变桨持续动作，为获得叶根面外弯矩，需要对叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩作旋转变换；
[0014]所述叶根面外弯矩的计算公式如下：
[0015][0016]在上式中，M
out1
表示第一支叶片的叶根面外载荷；M
out2
表示第二支叶片的叶根面外载荷；M
out3
表示第三支叶片的叶根面外载荷；M
flap1
表示传感器测量的第一支叶片叶根挥舞弯矩；M
flap2
表示传感器测量的第二支叶片叶根挥舞弯矩；M
flap3
表示传感器测量的第三支叶片叶根挥舞弯矩；M
edge1
表示传感器测量的第一支叶片叶根摆振弯矩；M
edge2
表示传感器测量的第二支叶片叶根摆振弯矩；M
edge3
表示传感器测量的第三支叶片叶根摆振弯矩；表示滤波平均变桨角度；
[0017]其中，所述滤波平均变桨角度的计算公式如下：
[0018][0019]在上式中，F
β
(s)表示变桨角度滤波器，包含低通滤波器和带阻滤波器；表示传感器测量的第一支叶片变桨角度；表示传感器测量的第二支叶片变桨角度；表示传感器测量的第三支叶片变桨角度。
[0020]进一步，通过方位角传感器采集获得当前叶片方位角；所述风轮摆振弯矩反映了风轮平面在水平方向上的受力不平衡，由于水平风切变的存在，风轮左半平面的风速与右半平面的风速不相等，导致风轮左半平面与右半平面的推力不平衡，因此产生了风轮摆振弯矩；
[0021]所述风轮摆振弯矩的参考坐标系是固定坐标系，坐标系固定在轮毂中心，相对机舱静止，不随风轮共同旋转；所述叶根面外弯矩的参考坐标系是旋转坐标系，坐标系固定在风轮上，随风轮共同旋转；为获得风轮摆振弯矩，需要将旋转坐标系下的叶根面外弯矩变换到固定坐标系；
[0022]所述风轮摆振弯矩的计算公式如下：
[0023][0024]在上式中，M
Q
表示风轮摆振弯矩；M
out1
表示第一支叶片的叶根面外载荷；M
out2
表示第二支叶片的叶根面外载荷；M
out3
表示第三支叶片的叶根面外载荷；表示第一支叶片测量的方位角。
[0025]进一步，当风电机组遇到极端水平风切变，风轮左半平面风速与右半平面风速不相等，导致风轮左半平面推力与右半平面推力不平衡，因此在风轮上产生了大的风轮摆振弯矩；所述风轮摆振弯矩与水平风切变系数存在明显的线性关系，因此应用风轮摆振弯矩能够推导出水平风切变系数；
[0026]考虑偏航对风误差的存在，在风轮摆振弯矩中有一部分是偏航误差引起的弯矩，因此在水平风切变系数计算过程中，需扣除偏航误差的影响；所述水平风切变系数的计算公式如下：
[0027][0028]在上式中，表示水平风切变系数；表示平均风速，为测量风速进行滑动平均滤波得到；表示风轮摆振弯矩到水平风切变系数的比例因子，通过平均风速查表获得；表示风轮摆振弯矩到水平风切变系数的偏置因子，通过平均风速查表获得；Φ
yaw
表示平均偏航误差角；表示偏航误差到水平风切变的影响因子，通过平均风速查表获得；
[0029]若水平风切变系数超过正常风切变系数，达到特定数值，则应识别当前风况为极端水平风切变；因此，设定极端水平风切变阈值，当监测到水平风切变系数超过极端水平风切变阈值，将极端水平风切变状态标志位设置为true，否则设置为false；所述极端水平风切变状态标志位定义如下：
[0030][0031]在上式中，表示极端水平风切变状态标志位；表示水平风切变系数；H
max
表示极端水平风切变阈值；if表示条件判断，or表示逻辑运算“或”，other表示其它情况。
[0032]进一步，若极端水平风切变状态标志位为true，表明当前为极端水平风切变风况，此时风电机组的叶片、轮毂、偏航轴承和塔顶都将受到大载荷；通过在风电机组的变桨角度上叠加附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，其特征在于，执行以下操作：获取叶根两个方向的叶根弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩，根据当前测量变桨角度，通过旋转变换获得叶根面外弯矩；获取当前叶片方位角，对叶片的叶根面外弯矩进行坐标变换，计算得到风轮摆振弯矩；基于风轮摆振弯矩和当前平均风速，计算得到水平风切变系数，当水平风切变系数超过预设阈值时，识别当前风况为极端水平风切变；当前风况识别为极端水平风切变时，计算输出附加独立变桨指令，叠加在变桨控制器输出的变桨指令上，在风轮上产生的附加弯矩与风轮摆振弯矩相消减。2.根据权利要求1所述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，其特征在于，每支叶片的叶根位置都需要安装载荷传感器，称为叶根载荷传感器；通过所述叶根载荷传感器能够实时测量叶根两个方向的弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩；所述叶根挥舞弯矩是指叶片从压力面向吸力面弯曲变形所产生的载荷，压力面受拉伸同时吸力面受压缩定义为叶根挥舞弯矩的正方向；所述叶根摆振弯矩是指叶片从尾缘向前缘弯曲变形所产生的载荷，尾缘受拉伸同时前缘受压缩定义为叶根摆振弯矩正方向；所述叶根面外弯矩是指叶片相对于风轮平面，与风轮平面相垂直方向上弯曲变形所产生的叶根弯矩；所述叶根面外弯矩的正方向定义为叶片垂直于风轮平面，沿着机舱尾部弯曲的方向；由于风电机组在运行过程中变桨持续动作，为获得叶根面外弯矩，需要对叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩作旋转变换；所述叶根面外弯矩的计算公式如下：在上式中，M
out1
表示第一支叶片的叶根面外载荷；M
out2
表示第二支叶片的叶根面外载荷；M
out3
表示第三支叶片的叶根面外载荷；M
flap1
表示传感器测量的第一支叶片叶根挥舞弯矩；M
flap2
表示传感器测量的第二支叶片叶根挥舞弯矩；M
flap3
表示传感器测量的第三支叶片叶根挥舞弯矩；M
edge1
表示传感器测量的第一支叶片叶根摆振弯矩；M
edge2
表示传感器测量的第二支叶片叶根摆振弯矩；M
edge3
表示传感器测量的第三支叶片叶根摆振弯矩；表示滤波平均变桨角度；其中，所述滤波平均变桨角度的计算公式如下：在上式中，F
β
(s)表示变桨角度滤波器，包含低通滤波器和带阻滤波器；表示传感器测量的第一支叶片变桨角度；表示传感器测量的第二支叶片变桨角度；表示传感器测量的第三支叶片变桨角度。3.根据权利要求2所述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，其特征在于，通过方位角传感器采集获得当前叶片方位角；所述风轮摆振弯矩反映了风轮平面在水平方向上的受力不平衡，由于水平风切变的存在，风轮左半平面的风速与右半平面的风速不相等，导致风轮左半平面与右半平面的推力不平衡，因此产生了风轮摆振弯矩；
所述风轮摆振弯矩的参考坐标系是固定坐标系，坐标系固定在轮毂中心，相对机舱静止，不随风轮共同旋转；所述叶根面外弯矩的参考坐标系是旋转坐标系，坐标系固定在风轮上，随风轮共同旋转；为获得风轮摆振弯矩，需要将旋转坐标系下的叶根面外弯矩变换到固定坐标系；所述风轮摆振弯矩的计算公式如下：在上式中，M
Q
表示风轮摆振弯矩；M
out1
表示第一支叶片的叶根面外载荷；M
out2
表示第二支叶片的叶根面外载荷；M
out3
表示第三支叶片的叶根面外载荷；表示第一支叶片测量的方位角。4.根据权利要求3所述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，其特征在于，当风电机组遇到极端水平风切变，风轮左半平面风速与右半平面风速不相等，导致风轮左半平面推力与右半平面推力不平衡，因此在风轮上产生了大的风轮摆振弯矩；所述风轮摆振...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，马冲，卢军，陈思范，
申请(专利权)人：明阳智慧能源集团股份公司，
类型：发明
国别省市：