CN102536654A - 一种变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法，在切入阶段，风力机以正的桨距角切入，并逐渐减小桨距角，当达到最佳叶尖速比时，桨距角变为零度。采用上述变桨控制方法，风力机可转化更多的风能，并减小风力机运行载荷，从而提高风力机运行的安全可靠性。在不同海拔下，切入阶段变桨均可以有效提高风力机运行功率，并减小风轮推力和叶根挥舞弯矩。

Description

一种变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电设备运行变桨控制方法，具体地，涉及一种变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法。

背景技术

变桨距技术已在大型风力机组中广泛使用。变桨距风力机的功率调节不完全依靠叶片的气动性能，通常情况下，当功率在额定功率以下时，控制器将桨距角置于零度附近，不作变化；在额定功率以上时，变桨距机构开始工作，调整桨距角，使叶片攻角不变，将发电机的输出功率控制在额定值附近。适当的变桨控制方法可以使风力机叶片处于更好的流动状态获得更多的风能，从而在发电功率上得到可观的变桨距效益；另外一方面，它还可以有效地减小风轮推力及叶根弯矩等气动载荷，从而减小风机设计对强度、疲劳的要求，增加风机运行的可靠性。因此，变桨距控制技术引起了人们极大地重视。

变速恒频风力机组的运行状态根据风况不同可分为四种不同的阶段，它们分别是恒速并网(切入)阶段、最大Cp阶段，额定转速阶段和额定功率阶段。当到达切入风速时，发电机以最小转速切入，发电机保持最小转速。通常情况下，在切入阶段，风轮叶片桨距角保持为零度，风机运行偏离最佳功率系数Cp。因此采取合适的变桨控制方法，对于提高切入阶段运行功率，降低风轮载荷具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法，可以提高风力机切入阶段运行功率，实现功率最优化，同时可以降低风力机运行载荷。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法，在切入阶段，风力机以正的桨距角切入，并逐渐减小桨距角，当达到最佳叶尖速比时，桨距角变为零度。

进一步地，在切入阶段，风力机按不同桨距角下Cp-λ曲线族的外包络线运行，进行变桨控制。

进一步地，包括如下步骤：

(1)Cp-λ曲线族外包络线的获得

首先，要准确的求解出特定风力机在不同桨距角下对应的Cp-λ曲线，该求解可采用叶素-动量理论并考虑轮毂损失、叶尖损失、翼型失速、风剪切的影响；

然后，根据求解出的Cp-λ曲线族寻找出该曲线族Cp最大的外包络线及不同叶尖速比所对应的叶片桨距角；

(2)根据来流风速求解出风力机运行的叶尖速比，然后根据叶尖速比调整叶片桨距角，使得风力机在切入阶段运行在Cp-λ曲线族外包络线上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过在切入阶段采用变桨控制方法，相对于桨距角在切入阶段仅保持为零度而言，风力机可转化更多的风能，并减小风力机运行载荷，从而提高风力机运行的安全可靠性。在不同海拔下，切入阶段变桨均可以有效提高风力机运行功率，并减小风轮推力和叶根挥舞弯矩。

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为风力机在不同桨距角下的Cp-λ曲线图；

图2为切入阶段变桨控制方法下桨距角随风速的变化图；

图3a为切入阶段变桨风力机运行的Cp-λ曲线图；

图3b为切入阶段变桨风力机运行的C_T-λ曲线图；

图3c为切入阶段变桨风力机运行的C_My-λ曲线图；

图4为风力机切入阶段在不同海拔高度下的静态功率曲线图；

图5a为风力机在切入阶段风轮推力随风速的变化图；

图5b为风力机在切入阶段叶根挥舞弯矩随风速的变化图；

其中：图3a、3b、3c、4、5a及5b中，实线桨距角为零，点划线采用了本发明变桨控制方法。

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。

本发明的一种变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法，在切入阶段，风力机以正的桨距角切入，并逐渐减小桨距角，当达到最佳叶尖速比时，桨距角变为零度。通过在切入阶段实行变桨控制，可以提高风力机切入阶段运行功率，实现功率最优化，同时可以降低风力机运行载荷。

图1给出了风力机在不同桨距角下的Cp-λ曲线示意图。在切入阶段(高叶尖速比区域)，不同的Cp-λ曲线存在一个最优的包络线，当风力机运行在该包络线时，风力机可转化更多的风能。要得到该包络线，首先要准确的求解出特定风力机在不同桨距角下对应的Cp-λ曲线，该求解可采用叶素-动量理论并考虑轮毂损失、叶尖损失、翼型失速、风剪切等影响。然后，根据求解出的Cp-λ曲线族寻找出该曲线族Cp最大的外包络线及不同叶尖速比所对应的叶片桨距角。在本发明实施过程中，由于变速恒频风力机运行叶尖速比和来流风速一一对应

λ＝ΩR/U    (1)

其中U为来流风速，Ω为风轮转速，R为风轮半径。对于变速恒频风力机，在切入阶段，风轮转速为最小设计转速，因此可根据来流风速求解出风力机运行的叶尖速比，然后根据叶尖速比调整叶片桨距角，使得风力机在切入阶段运行在Cp-λ曲线族外包络线上。

下面以某1.5MW风力机为例，对该发明进行具体说明。

表1和图2给出了切入阶段变桨控制方法下的风速-桨距角对应关系。可以看出，在切入风速3m/s下，风力机应该以1.7°的桨距角切入，随后随着叶尖速比的不断增大而逐渐减小桨距角，当风速达到4.5m/s时，叶尖速比达到最佳叶尖速比，叶片桨距角变为零度，此时风力机进入最大Cp阶段并通过发电机转速转矩调节追踪最佳叶尖速比。

表1：切入阶段变桨风速-桨距角对照表

图3a、b、c显示了切入阶段变桨后风力机运行的Cp-λ曲线、C_T-λ曲线和C_My-λ曲线。在切入阶段，由于桨距角为正，风力机运行在更大的功率系数下，同时风轮推力系数和叶根挥舞弯矩系数也大幅减小。可见在切入阶段变桨将会有效地改善风力机的运行状况。

图4显示了风力机在切入阶段的静态功率曲线。从图中可以看出，切入阶段变桨可以有效地提高风机运行功率。在3m/s时，功率提高12.4％，随着桨距角的减小，功率提高幅度逐渐减小，在4.5m/s时，桨距角恢复为零，功率曲线和原功率曲线重合。因风机运行功率仅仅和叶尖速比有关，因此切入阶段变桨对功率的改善效果不随海拔变化。图5a、b显示了风力机在切入阶段风轮推力和叶根挥舞弯矩随风速的变化。从图中可以看出，由于风力机运行在较低的风轮推力和叶根挥舞弯矩系数下，风轮推力和叶根挥舞弯矩相应减小。在3m/s时，风轮推力和叶根挥舞弯矩下降最大，分别为16.93％和17.2％，随着叶尖速比的提高，桨距角逐渐变小，风轮静态载荷逐步提高至原有水平。同样，切入阶段变桨对风轮静态载荷的影响仅和叶尖速比有关，不随海拔变化。

由此可见，该发明可以有效地提高风力机在切入阶段的运行功率，并大幅减小风轮推力及叶根挥舞弯矩，具有重要的工程意义。

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 (3)

1.一种变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法，其特征在于，在切入阶段，风力机以正的桨距角切入，并逐渐减小桨距角，当达到最佳叶尖速比时，桨距角变为零度。

2.根据权利要求1所述的变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法，其特征在于，在切入阶段，风力机按不同桨距角下Cp-λ曲线族的外包络线运行，进行变桨控制。

3.根据权利要求2所述的变速恒频风力机切入阶段的变桨控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)Cp-λ曲线族外包络线的获得

首先，要准确的求解出特定风力机在不同桨距角下对应的Cp-λ曲线，该求解可采用叶素-动量理论并考虑轮毂损失、叶尖损失、翼型失速、风剪切的影响；

然后，根据求解出的Cp-λ曲线族寻找出该曲线族Cp最大的外包络线及不同叶尖速比所对应的叶片桨距角；

(2)根据来流风速求解出风力机运行的叶尖速比，然后根据叶尖速比调整叶片桨距角，使得风力机在切入阶段运行在Cp-λ曲线族外包络线上。

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