CN102410140B - 风力发电机组冰载运行优化控制系统及方法 - Google Patents

风力发电机组冰载运行优化控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了风力发电机组冰载运行优化控制系统及方法，包括气象条件检测模块、结冰风险等级计算模块及冰载运行优化控制模块；所述气象条件检测模块检测到的气象条件信号输入结冰风险等级计算模块，结冰风险等级计算模块根据气象条件信号计算得到的结冰风险等级信号输入冰载运行优化控制模块，冰载运行优化控制模块根据结冰风险等级信号输出变桨控制信号及扭矩控制信号。本发明的风力发电机组冰载运行优化控制系统和方法，使风电机组能自动检测判断叶片是否结冰及结冰的风险等级，并优化冰载运行过程中的控制策略，根据叶片结冰的程度制定不同的控制方案，可避免冰载运行带来的大疲劳载荷，防止叶片损坏，提高机组的安全性能，保证风机设计寿命。

Description

风力发电机组冰载运行优化控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组冰载运行优化控制系统及方法。主要应用于大型风力发电机组，可以改善结冰地区风场内机组的运行条件，降低结冰时整机运行载荷，提高风机在恶劣环境下的生存能力，保证风机的设计使用寿命。 
背景技术
我国大部分风场冬季都有结冰现象，尤其是风资源比较丰富的东北、华北和西北地区，风力发电机组在运行过程中经常会叶片结冰，出现冰载运行的情况。叶片上出现结冰时通常集中在翼型的前沿，导致翼型几何形状改变，叶片性能下降，叶轮升力减小。当冰层变得越来越厚的时候，会进一步导致叶轮重量不均衡，造成整机运行疲劳载荷过大，发电效率降低，甚至叶片断裂，严重的影响风力发电机组的性能及使用寿命。 
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种可降低冰载运行疲劳载荷的风力发电机组冰载运行优化控制系统及方法。 
实现上述目的的技术方案如下： 
风力发电机组冰载运行优化控制系统，包括气象条件检测模块及主控制器PLC，所述主控制器PLC包括结冰风险等级计算模块及冰载运行优化控制模块；所述气象条件检测模块检测到的气象条件信号输入结冰风险等级计算模块，结冰风险等级计算模块根据气象条件信号计算得到的结冰风险等级信号输入冰载运行优化控制模块，冰载运行优化控制模块根据结冰风险等级信号输出变桨控制信号及扭矩控制信号。 
进一步地，所述气象条件检测模块包括大气温度传感器、大气压强传 感器、空气湿度传感器、机组表面湿度传感器及风速传感器。 
进一步地，所述气象条件检测模块安装在风力发电机组机舱后部外侧。 
进一步地，所述结冰风险等级计算模块包括：根据大气压强和风速计算冰冻点的冰冻点计算模块；根据冰冻点和大气温度判断结冰温度条件的结冰温度条件判断模块；在符合结冰温度条件下根据空气湿度判断结冰水分条件的结冰水分条件判断模块；在符合结冰水分条件下根据机组表面湿度计算结冰厚度的结冰厚度计算模块；根据结冰厚度和机组叶片的类型、强度判断结冰风险等级的结冰风险等级判断模块。 
风力发电机组冰载运行优化控制方法，包括如下步骤： 
(1)气象条件检测模块将其检测到的气象条件信号输入结冰风险等级计算模块； 
(2)结冰风险等级计算模块将根据气象条件信号计算得到的结冰风险等级输入冰载运行优化控制模块； 
(3)冰载运行优化控制模块将根据结冰风险等级信号切换不同的运行控制方案，改变变桨控制和发电机电磁扭矩控制的相关参数。 
进一步地，所述步骤(1)中的气象条件信号包括大气温度、大气压强、空气湿度、机组表面湿度及风速信号。 
进一步地，所述步骤(2)中的结冰风险等级计算方法为： 
(a)根据检测到的大气压强以及风速条件计算当前下的冰冻点； 
(b)将步骤(a)中的冰冻点与当前的大气温度进行比较，判断是否符合结冰温度条件，在不符合结冰温度条件下不进入结冰状态； 
(c)在符合结冰温度条件下根据空气湿度判断是否符合结冰水分条件，在不符合结冰水分条件下不进入结冰状态； 
(d)在符合结冰水分条件下根据机组表面湿度计算结冰厚度； 
(e)根据结冰厚度和机组叶片的类型、强度判断结冰风险等级。 
进一步地，所述步骤(3)中的冰载运行优化控制模块将根据结冰风险等级切换不同的运行控制方案，主要是选取不同于正常运行情况的、与结冰风险等级对应的最小桨距角，在风力发电机组运行在额定风速以下时，保证桨距角不低于当前结冰风险等级对应的最小桨距角值，在叶片结冰风险等级较高时停止运行。 
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 
本发明的风力发电机组冰载运行优化控制系统及方法，使风力发电机组能自动检测判断叶片是否结冰以及结冰的风险等级，并优化冰载运行过程中的控制策略，根据叶片结冰的程度制定不同的控制方案，可避免冰载运行带来的大疲劳载荷，防止叶片损坏，提高机组的安全性能，保证风机设计寿命。 
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 
附图说明
图1为本发明风力发电机组冰载运行优化控制系统结构框图； 
图2为结冰风险等级计算模块示意图。 
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。 
本发明的风力发电机组冰载运行优化控制系统如图1所示，主要包括气象条件检测模块、主控制器PLC(结冰等级计算模块和冰载运行优化控制模块)。气象条件检测模块检测到的气象条件信号输入结冰风险等级计算模块，结冰风险等级计算模块根据气象条件信号计算得到的结冰风险等级信号输入冰载运行优化控制模块，冰载运行优化控制模块根据结冰风险等级信号输出变桨控制信号及扭矩控制信号。 
其中，气象条件检测模块在安装在风力发电机组机舱后部外侧，由大气温度传感器，大气压强传感器，空气湿度传感器，机组表面湿度传感器 和风速传感器组成，分别检测风机运行期间的气温、气压、空气湿度，机舱高度处的机组表面湿度和风速，其中风速也可以直接引用现有风速仪的测量数据。这些测量数据经过信号传输通路进入风力发电机组主控制器PLC中，用来进行结冰等级计算。 
如图2所示，结冰风险等级计算模块包括：根据大气压强和风速计算冰冻点的冰冻点计算模块；根据冰冻点和大气温度判断结冰温度条件的结冰温度条件判断模块；在符合结冰温度条件下根据空气湿度判断结冰水分条件的结冰水分条件判断模块；在符合结冰水分条件下根据机组表面湿度计算结冰厚度的结冰厚度计算模块；根据结冰厚度和机组叶片的类型、强度判断结冰风险等级的结冰风险等级判断模块。 
结冰风险等级计算方法为：根据检测到的大气压强以及风速条件计算当前下的冰冻点；将冰冻点与当前的大气温度进行比较，判断是否符合结冰温度条件，在不符合结冰温度条件下不进入结冰状态；在符合结冰温度条件下根据空气湿度判断是否符合结冰水分条件，在不符合结冰水分条件下不进入结冰状态；符合结冰水分条件下，预报风机进入结冰状态，并根据当前的机组表面湿度计算结冰厚度，再根据结冰厚度和机组叶片的类型、强度判断结冰风险等级。由于不同的风力发电机组的叶片类型和强度不同，同样的结冰厚度风险值不同，表1列出了某1.5MW风力发电机组叶片冰层厚度风险等级。 
表1.1.5MW风力发电机组叶片冰层厚度风险等级(叶片长度40.3m) 
  风险等级   叶片积冰厚度(mm)   等级描述
  1   0～10   轻度
  2   10～25   中度
  3   25～40   重度
  4   ＞40   特重
冰载运行优化控制模块根据叶片结冰的风险等级切换不同的运行控 制方案，主要是选取与正常运行情况不同的最小桨距角，见表2，以及相应的变桨距控制和发电机电磁扭矩控制方案。在风机运行在额定风速以下时，保证桨距角不低于当前结冰风险等级对应的最小桨距角值，从而有效降低风机冰载运行带来的高疲劳载荷，保护叶片不被破坏。同时，在叶片结冰的情况比较严重时停止运行，提高风力发电机组在恶劣环境下的生存能力，保证机组的设计寿命。
表2.结冰风险等级对应最小桨距角数值列表 
  结冰风险等级   最小桨距角
  1   2°
  2   5°
  3   7°
  4   停机
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.风力发电机组冰载运行优化控制系统，其特征在于，包括气象条件检测模块及主控制器PLC,所述主控制器PLC包括结冰风险等级计算模块及冰载运行优化控制模块；
所述气象条件检测模块检测到的气象条件信号输入结冰风险等级计算模块，结冰风险等级计算模块根据气象条件信号计算得到的结冰风险等级信号输入冰载运行优化控制模块，冰载运行优化控制模块根据结冰风险等级信号输出变桨控制信号及扭矩控制信号；
所述气象条件检测模块包括大气温度传感器、大气压强传感器、空气湿度传感器、机组表面湿度传感器及风速传感器；
所述结冰风险等级计算模块包括：
根据大气压强和风速计算冰冻点的冰冻点计算模块；
根据冰冻点和大气温度判断结冰温度条件的结冰温度条件判断模块；
在符合结冰温度条件下根据空气湿度判断结冰水分条件的结冰水分条件判断模块；
在符合结冰水分条件下根据机组表面湿度计算结冰厚度的结冰厚度计算模块；
根据结冰厚度和机组叶片的类型、强度判断结冰风险等级的结冰风险等级判断模块。
2.根据权利要求1所述的冰载运行优化控制系统，其特征在于，所述气象条件检测模块安装在风力发电机组机舱后部外侧。
3.风力发电机组冰载运行优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）气象条件检测模块将其检测到的气象条件信号输入结冰风险等级计算模块；
（2）结冰风险等级计算模块将根据气象条件信号计算得到的结冰风险等级输入冰载运行优化控制模块；
（3）冰载运行优化控制模块将根据结冰风险等级信号切换不同的运行控制方案，改变变桨控制和发电机电磁扭矩控制的相关参数；
所述步骤（1）中的气象条件信号包括大气温度、大气压强、空气湿度、机组表面湿度及风速信号；
所述步骤（2）中的结冰风险等级计算方法为：
（a）根据检测到的大气压强以及风速条件计算当前下的冰冻点；
（b）将步骤（a）中的冰冻点与当前的大气温度进行比较，判断是否符合结冰温度条件，在不符合结冰温度条件下不进入结冰状态；
（c）在符合结冰温度条件下根据空气湿度判断是否符合结冰水分条件，在不符合结冰水分条件下不进入结冰状态；
（d）在符合结冰水分条件下根据机组表面湿度计算结冰厚度；
（e）根据结冰厚度和机组叶片的类型、强度判断结冰风险等级。
4.根据权利要求3所述的冰载运行优化控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中的冰载运行优化控制模块将根据结冰风险等级切换不同的运行控制方案，包括选取不同于正常运行情况的、与结冰风险等级对应的最小桨距角，在风力发电机组运行在额定风速以下时，保证桨距角不低于当前结冰风险等级对应的最小桨距角值，在叶片结冰风险等级较高时停止运行。
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