CN103244348B - 变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法。本发明提出的变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法分为9个步骤,最终根据计算容量系数确定针对确定风资源条件的最优功率曲线。本发明提出了一种针对变速变桨风力发电机组,当风力发电机组机型确定的情况下,通过优化机组控制参数实现变速变桨风力发电机组功率曲线与风资源条件的最优匹配,通过计算机枚举寻优实现基于容量系数最大的最优功率曲线优化设计方法。本发明的实质是通过优化变速变桨风力发电机组低于额定风速以下最大功率追踪风速段实现基于容量系数最大的风机最优功率曲线优化方法。本发明主要解决了针对确定的变速变桨风力发电机组机型,在不同风资源条件下最优功率曲线优化设计方法。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域,涉及变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法。
背景技术
风能是目前最具有经济价值的可再生能源,根据中国国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》,中国风电未来40年的发展目标:到2020年、2030年和2050年,风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦,到2050年,风电将满足17%的国内电力需求。
目前,风力发电已经逐步大规模广泛商业化应用,而变速变桨风力发电机组已经成为大规模风力发电的主要设备。
根据确定风场的风资源情况,在确定的风速威布尔分布参数后,可以通过优化变速变桨风力发电机组切入风速、额定风速和切出风速,优化平均功率,得到尽可能多的总发电量。
在不同风资源条件下,由于风频分布的不同、空气密度不同以及湍流强度不同即使同种型号的风力发电机组若采用相同的功率曲线年发电量也有可能存在较大的差异。
中国幅员辽阔,各地区间风资源条件可能有明显的差异,各地区间并网电价也可能并不相同。
通过调整变速变桨风力发电机组切入风速、额定风速、切出风速、启动转速、额定转速等相关控制参数可以实现变速变桨风力发电机组功率曲线调节。
发明内容
本发明提出一种针对风资源特性的变速变桨风力发电机组功率曲线优化设计方法。
本发明的技术方案是变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法,其特征是该方法包括以下步骤:
步骤1:获取风力发电机组相关机械参数及叶片翼型参数;
步骤2:绘制风力发电机组坎贝尔图,依据坎贝尔图确定变速变桨风力发电机组的安全转速范围;
步骤3:在安全转速范围内,依据发电机最大调速比,求取切入转速范围,额定转速范围,设迭代计数器,功率曲线寻优精度;
步骤4:令切入转速,则在此切入对应的额定转速为,根据风机在低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角©所对应的风轮最佳叶尖速比,依据计算对应的最大功率追踪最低风速和最大功率追踪最高风速;
步骤5:通过额定转速求取额定风速,通过切入转速确定风力发电机组切入风速,通过额定转速求取切出风速;
步骤6:通过风力发电机组的切入转速,额定转速,切入风速,最大功率追踪最低风速,最大功率追踪最高风速,额定风速,切出风速,考虑机械传动系统效率和电气系统转化效率计算求取风力发电机组功率曲线;
步骤7:依据功率曲线结合风资源区域风频分布模型估算风力发电机组在该风资源区域的容量系数;
步骤8:记录切入转速对应的功率曲线以及理论估算发电量,若,则,返回步骤4,否则结束循环;
步骤9:结束枚举计算,选取容量系数最大的功率曲线作为最优功率曲线。
步骤1中,风力发电系统机械参数包括传动系统一阶扭振固有频率、叶片一阶摆振固有频率、叶片一阶舞振固有频率和塔架一阶纵弯固有频率。
步骤1中,风力发电系统叶片翼型参数包括,叶片长度、轮毂半径、叶片各叶素展向位置、翼型厚度比、后缘厚度、弦长、扭角和翼型,以及各种翼型在不同攻角对应的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数等,确保通过相关叶片翼型参数可以计算风机在不同工况情况下的各种载荷。
步骤2中,坎贝尔图主要是依据传动系统一阶扭振固有频率,叶片一阶摆振固有频率,叶片一阶舞振固有频率、塔架一阶纵弯固有频率四条横线与转频(1n)、叶片通过频率(3n)、叶片通过频率二次谐波(6n)、叶片通过频率三次谐波(9n)四条斜线的交点,确定风力发电机组工作转速不会引起机械系统共振的安全转速范围,其中n表示风轮旋转频率,坎贝尔示意图如图2所示。
步骤3中,发电机调速比是指风力发电机的额定转速与切入转速的比值。
步骤3中,目前变速变桨风力发电系统采用的大功率发电机调速比一般都小于风力发电机组额定风速与切入风速的比值,故目前变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下不可能全风速范围进行最大功率追踪。
步骤4中,依据步骤1中获取的空气动力学数据可以计算低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角©所对应的风轮最佳叶尖速比,则此时对应的最大功率追踪最低风速,最大功率追踪最高风速,表示风轮半径。
步骤5中,额定风速©的求解方法可以采用求解非线性方程求得,该方程可以表述为下式:
表示时风力发电系统机械传动环节能量转化效率;
表示风力发电系统包括电机、变流器、传输线缆等电气环节的能量转化效率;
表示在风轮桨距角为,转速为,垂直于风轮平面均匀通过的风速为情况下的风轮风能利用系数;
表示风力发电机组额定功率;
步骤5中,通过切入转速确定风力发电机组切入风速可以采用求解非线性方程求得,该方程可以表述为下式:
表示在风轮桨距角为,转速为,垂直于风轮平面均匀通过的风速为情况下的风轮风能利用系数;
表示风力发电机组切入功率;
切出风速可以根据在风轮保持额定转速并且通过调整桨距角度保持额定功率输出时,风轮平面承受的最大推力来确定,该求解方法可以表述为以下方程组:
为在切出风速情况下,风轮保持额定转速和额定功率时所对应的桨距角;
表示风轮平面所受的推力,该推力可以表述为桨距角,风轮转速和风速的非线性函数。
步骤6中,风轮的功率曲线可以按照下式来确定:
表示当风速满足,风力发电系统叶尖速比时,风轮进行最大风能捕获。
步骤7中,风资源区域风频分布模型通常可以用威布尔来进行描述,其计算公式可以表述为:
为风速分布概率密度函数;
表示风速;
表示形状参数;
表示尺度参数。
步骤7中,容量系数可以按照下式计算:
表示容量系数;
表示功率曲线;
表示功率曲线对应的额定功率。
本发明提出了一种针对变速变桨风力发电机组,当风力发电机组机型和风资源条件确定的情况下,通过优化机组控制参数实现变速变桨风力发电机组功率曲线与风资源条件的最优匹配,通过计算机枚举寻优实现基于容量系数最大的最优功率曲线优化设计方法。
附图说明
图1功率曲线优化流程图
图2坎贝尔示意图
图3变速变桨风机运行工况示意图
具体实施方式
步骤1中,风力发电系统机械参数包括传动系统一阶扭振固有频率、叶片一阶摆振固有频率、叶片一阶舞振固有频率和塔架一阶纵弯固有频率的一般精度计算时可以通过材料力学中相关计算公式求取,在进行搞精度计算可以通过有限元计算求取或通过商业软件代入相关参数直接求取;
步骤1中,通过相关叶片翼型参数可以计算风机在不同工况情况下的各种载荷主要包括计算风轮及各叶片作用的主轴中心线的旋转扭矩、垂直于风轮平面的推力、叶片的俯仰力矩以及在风力发电机组不同机械部位产生的载荷强度,一般精度载荷计算可以按照叶素-动量定理进行,高精度计算可以通过有限元计算完成或通过商业软件代入相关参数直接求取;
步骤2中,风力发电机组可能产生具有实际考虑意义的共振主要为传动系统一阶扭振固有频率,叶片一阶摆振固有频率,叶片一阶舞振固有频率、塔架一阶纵弯固有频率四条横线与转频(1n)、叶片通过频率(3n)、叶片通过频率二次谐波(6n)、叶片通过频率三次谐波(9n)四条斜线的交点处产生的共振,理论上而言风力发电机组存在大量的其它的共振频率点,但仅限于理论分析讨论;
步骤2中,通过坎贝尔图分析往往在设计转速范围的过程中不能规避所有的共振频率点,因此在控制过程中需要通过控制手段避免风力发电机组长时间工作在可能引起的共振的旋转频率;
步骤4中,计算低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角所对应的风轮最佳叶尖速比一般精度载荷计算可以按照叶素-动量定理进行,高精度计算可以通过有限元计算完成或通过商业软件代入相关参数直接求取;
步骤5中,切入风速、额定风速和切出风速的求解非线性方程及方程组可以通过数值求解方法求取;
步骤5中,由于风资源在高于切出风速出现的频率极低,故切出风速在额定转速变化不大的情况下也可以按照确定值处理;
步骤6中,风力发电系统机械传动系统效率和电气系统转化效率可以通过对风力发电机组进行测试,基于测试数据进行估算。
结合图3,说明步骤6中风力发电机组功率曲线,图3中,虚线表示风轮桨距角最小时在不同风速不同转速的气动力矩特性,点实线表示最大功率追踪曲线,实线表示风机实际控制曲线,风机实际控制曲线AB段对应功率曲线,表示风机在高于切入风速低于最大功率追踪最低风速保持切入转速运行;BC段对应功率曲线,表示风机在高于最大功率追踪最低风速低于最大功率追踪最高风速之间进行最大功率追踪控制;CD段对应功率曲线,表示风机在高于最大功率追踪最高风速低于额定风速保持额定转速运行;D点对应功率曲线表示风机在高于额定风速低于切出风速保持额定转速、额定力矩运行,从而保持额定功率输出。
本发明的实质是针对确定风资源条件,通过优化变速变桨风力发电机组低于额定风速以下最大功率追踪风速段实现基于容量系数最大的风机最优功率曲线优化方法。
本发明主要解决的问题是:提出了一种针对确定的变速变桨风力发电机组机型,基于容量系数最大的最优功率曲线优化设计方法。
Claims (2)
1.变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法,其特征是包括以下步骤:
步骤1:获取风力发电机组相关机械参数及叶片翼型参数,其中,机械参数包括传动系统一阶扭振固有频率、叶片一阶摆振固有频率、叶片一阶舞振固有频率和塔架一阶纵弯固有频率,叶片翼型参数包括叶片长度、轮毂半径、叶片各叶素展向位置、翼型厚度比、后缘厚度、弦长、扭角和翼型,以及各种翼型在不同攻角对应的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数,确保通过相关叶片翼型参数可以计算风机在不同工况情况下的各种载荷;
步骤2:绘制风力发电机组坎贝尔图,依据坎贝尔图确定变速变桨风力发电机组的安全转速范围[ωmin,ωmax];
步骤3:在安全转速范围内,依据发电机最大调速比K,求取切入转速范围额定转速范围[Kωmin,ωmax],设迭代计数器N=0,功率曲线寻优精度Δω;
步骤4:令切入转速ωin=ωmin+NΔω,则在此切入转速ωin对应的额定转速为ωr=Kωin,根据风机在低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角β0所对应的风轮最佳叶尖速比依据λopt计算对应的最大功率追踪最低风速vmin和最大功率追踪最高风速vmax,其中:ω表示风轮转速,R表示风轮半径,v表示风速;
步骤5:通过额定转速ωr求取额定风速vr,通过求解非线性方程求得,该方程表述为下式:
ηt表示风力发电系统机械传动环节能量转化效率,ηe表示风力发电系统包括电机、变流器、传输线缆电气环节的能量转化效率,CP(β0,ωr,vr)表示在风轮桨距角为β0,转速为ωr,垂直于风轮平面均匀通过的风速为vr情况下的风轮风能利用系数;
通过切入转速ωin确定风力发电机组切入风速vin,通过求解非线性方程求得,该方程表述为下式:
CP(β0,ωin,vin)表示在风轮桨距角为β0,转速为ωin,垂直于风轮平面均匀通过的风速为vin情况下的风轮风能利用系数,Pin表示风力发电机组切入功率,Pr表示风力发电机组额定功率;
通过额定转速ωr求取切出风速vf,其特征是切出风速vf根据在风轮保持额定转速ωr并且通过调整桨距角度保持额定功率输出时,风轮平面承受的最大推力Fmax来确定,该求解方法表述为以下方程组:
βf为在切出风速vf情况下,风轮保持额定转速ωr和额定功率Pr时所对应的桨距角,F表示风轮平面所受的推力,该推力可以表述为桨距角β,风轮转速ω和风速v的非线性函数,Fmax表示风轮平面所受的最大推力;
步骤6:通过风力发电机组的切入转速ωin,额定转速ωr,切入风速vin,最大功率追踪最低风速vmin,最大功率追踪最高风速vmax,额定风速vr,切出风速vf,考虑机械传动系统效率和电气系统转化效率计算求取风力发电机组功率曲线Pw,功率曲线按照下式来确定:
CP(β0,λopt)=max(CP(β0)),表示当风速满足vmin<v<vmax,风力发电系统叶尖速比时,风轮进行最大风能捕获,其中:CP(β0)表示叶片桨距角为β0时,风轮的风能利用系数,max(CP(β0))表示求取风能利用系数的最大值;
步骤7:依据功率曲线结合风资源区域风频分布模型估算风力发电机组在该风资源区域的容量系数;
步骤8:记录切入转速ωin对应的功率曲线以及理论估算发电量,若则N=N+1,返回步骤4,否则结束循环;
步骤9:结束枚举计算,选取容量系数最大的功率曲线作为最优功率曲线。
2.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法,其特征是步骤4中,最大功率追踪最低风速vmin=ωinR/λopt,最大功率追踪最高风速vmax=ωrR/λopt,R表示风轮半径。
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