CN104537200A - 延长特定风场风机工作时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种延长特定风场风机工作时间的方法，在保证风机运行安全和运行寿命前提下，延长风机切出风速，从而达到延长风机整个生命周期的工作时间，提高风机生命周期内发电量的目的。本发明的技术方案为：针对特定风场风速特性，通过疲劳载荷计算评估出风机生命周期内预留寿命，然后制定风机延长工作风速段的时间，使风机设计运行风速段得以延长；然后在延长风速段区间内，通过控制手段改进，如独立变桨技术、降功率运行手段等，使风机在不增加硬件成本或增加极小硬件成本(主要指部采集信号用分传感器)的情况下，保证风机扩大风速段平稳安全运行，并通过扩大风速段极限载荷计算评估这一保证是否有效。

Description

延长特定风场风机工作时间的方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别是一种延长特定风场风机工作时间的方法。

背景技术

风电产业经历多年的发展，目前中国优质风场已所剩无几，风电企业已经向平均风速较低的3类风场甚至更低平均风速风场开拓市场。但不同3类风场的风特性会存在较大的差异，如山地和丘陵地带风场，平均风速、斜流及湍流就有很大差异，整机厂商不可能针对特定风场研发不同匹配机型。新机型研发周期较长，研发费用较高，匹配机型不能很快推向市场，导致拿不到订单是其中的主要原因。加之单个规模较小，研发与特定风场相匹配的机型难以收回成本。故此，在安装现有机型的风机是解决这一矛盾的主要做法。

目前方法存在的问题及缺点：

1特定风场安装现有通用机型的风机，因设计抗疲劳载荷能力较高，在20年生命周期内，疲劳损伤距离报废程度会有较大余量，造成设计浪费。

2现有通用机型的风机，为减小疲劳载荷并保证极限载荷不超标，设计切出风速一般较低，当安装在特定风场后，正常发电时间相对于通用机型设计工作情况会显著缩小。这样的运行状况进一步降低了其疲劳损伤，造成整个生命周期的设计浪费。

目前在特定风场安装通用机型风机基本不做任何改进，风机能够正常工作，但风机设计寿命浪费严重。部分风机制造商推出低风速风场风机机型，以增加叶片长度为特点，以适应当前低风速等级风场。但研发成本和增加叶片长度成本较贵，且试运行周期长，整机稳定运行需要时间，市场容易被占领。

发明内容

本发明的目的是提供一种延长特定风场风机工作时间的方法，用以解决在特定风场使用通用机型风机无法充分发挥风机作用的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种延长特定风场风机工作时间的方法，步骤如下：

1)扩大风机运行风速运行区间；

2)计算扩大风机运行风速运行区间的极限载荷，根据计算结果，对超出相关部件极限载荷设计要求情况作出针对性处理；然后再次进行极限载荷计算和处理，直到极限载荷计算不超标；

3)根据应用风场风速分别，编制疲劳载荷工况，进行疲劳载荷计算；根据疲劳载荷计算结果对风速运行区间进行调整。

步骤1)中，通过增加风机切出风速来扩大风机运行风速运行区间。

步骤2)中，相关部件的极限载荷计算至少包括以下一种或几种：塔架振动、叶片载荷及轮毂、过功率及过速；

若塔架振动超标，则应用特定情况算法，在振动峰值达到确定的限值后，使能振动加阻算法、振动峰值消减算法中的一个或同时使能，以减缓振动，当振动值回到合理区间一定时间，退出算法使能；

若叶片载荷及轮毂超标，则通过在高风速段使能独立变桨算法、提高变桨功率容差算法及有限降功率运行等手段中的一种或几种可使相关载荷降到设计范围之内；

若过功率或过速，则应用过功率或过速控制方法。

步骤3)中，依据风场风速统计量分部及其湍流特性，编制与之相适用的疲劳载荷计算工况分布时间进行疲劳载荷计算。

本发明是一种延长低平均风速风场风机(较高风速等级风场相匹配的风机机型)工作时间的实现措施及评估方法。本发明提供方法不需新机型研发相关过程，从控制方面进行改进，从载荷评估方法上做可行性及安全性保证。改进周期短，所需费用可以忽略不计。本发明利用现有型号的风机，通过控制方法的改进来寻找与特定风速等级风场的最优匹配，在不增加新机型的研发成本及制造成本的情况下寻求发电量提高，及机型性能发挥的最大化。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明主要通过风机控制策略的局部微调来适应较宽的风速运行区间，通过极限载荷计算评估风机调整运行风速段后的风机运行安全性，通过疲劳载荷计算评估整个生命周期疲劳损伤是否接近设计值。从而达到设备的最大利用率。

本发明风机风速运行区间的风速原则为：依据特定风场风特性进行的风机寿命周期内风机疲劳寿命有较大余量，且扩宽范围也根据相应余量制定；扩宽原则的另外一条要求为通过控制手段改进能够满足风机扩宽区间内的风机稳定安全运行，并通过极限载荷计算的检验。

本发明以提高风机整个寿命周期的停机时间来增加发电量，达到设备利用的最大化；能明显缩短针对特定风场风机研发时间，并节约成本，可以满足特定风场业主的特殊要求，有利于快速响应市场需求。

本发明主要特点为：

1，本发明利用现有型号的风机，通过控制方法的改进来寻找与特定风速等级风场的最优匹配，在不增加新机型的研发成本及制造成本的情况下寻求发电量提高，及机型性能发挥的最大化。

2，本发明通过一整套的极限载荷计算评价体系保证被延长的运行风速段的风机运行安全，达到安全运行的目的。

3，本发明通过一整套的疲劳载荷计算评价体系保证风机整个生命周期的疲劳载荷在安全范围内，以达到风机设计抗疲劳能力的有效发挥，减小设计上的浪费。

本发明的主要方法步骤如下：

首先，扩大风机运行风速运行区间。

然后，计算扩大风速段的的极限载荷，根据计算结果，对超出相关部件极限载荷设计要求情况作出针对性处理。

最后，根据应用风场风速分别，编制疲劳载荷工况，进行疲劳载荷计算；根据疲劳载荷计算结果对风速运行区间进行调整。

具体的，如图1，第一步：扩大风机运行风速段到目标切出风速。如本发明第一次利用此方法的机组——93m叶片长度机组(为表述需要，下文以93机组代替，本方法以此机组数据为例陈述)，切出风速范围由20m/s扩大为28m/s。

第二步：扩大风速段的极限载荷计算评估，根据计算结果，对超出相关部件极限载荷设计要求情况作控制算法方面的针对性处理，当振动超标时使能相应的振动控制策略；当叶片根部及轮毂载荷超标时适当限功率运行或独立变桨运行以减小极限载荷；当过速，过功率时应用特殊PI增益值，阵风控制手段等策略进行控制，使风机极限载荷得以改善。所需控制算法调整并非整个风机运行状态下全部使能，相应的使能条件判断是关键技术，如振动控制算法，在风机振动值达到一定限值且有加大到接近振动报警限制值的趋势时使能，在振动峰值消减到正常值一定时间后及时退出使能。通过控制算法改进控制极限载荷之后，需重新进行扩大风速区间极限载荷计算，完成一次循环，直到扩大风速区间极限载荷符合要求为止。

第三步：根据应用风场风速分布，编制疲劳载荷工况，进行疲劳载荷计算。计算结果与此风机设计匹配风场的疲劳载荷计算结果进行比较。当疲劳计算结果各项等效疲劳载荷小于此风机设计匹配风场的等效疲劳载荷计算结果时，方法评估完成，风机可以胜任在低风速风场的扩大风速运行区间内运行；当等效疲劳计算结果某项疲劳数值大于于此风机设计匹配风场的等效疲劳载荷计算结果时，需适当缩短风场的扩大风速运行区间，如93机组扩大区间有28m/s切出调整为25m/s切出。然后重新编制疲劳载荷工况，进行疲劳载荷计算，循环第三步的评价过程，直到满足等效疲劳载荷结果各项疲劳数值小于此风机设计匹配风场的等效疲劳载荷计算结果为止，鉴于所扩大的风速段是在疲劳载荷计算的基础上选择的，故此很少出现多次编制疲劳载荷工况重新计算现象，一般一次即可满足疲劳要求。

第三步的评判也可变为疲劳计算结果各项累积疲劳损伤小于1，保证风机整个生命周期不因疲劳失效为止。扩大风速范围后。第三步的疲劳载荷计算结果除特殊情况很少超越疲劳极限，这个特性由平均风速变低对疲劳载荷的减小效果较明显决定。扩大风速范围选择合理，第三步不会出现第3次循环计算过程。

编制极限载荷计算工况只编制扩大风速区间段的极限载荷工况，因风机正常运行风速段工况已经在设计风机时的载荷计算保证安全。计算过程应用业界认可的bladed软件进行，但不限于bladed软件，所有经认证的，能保证所编工况计算输出极限载荷有效的软件都可在本方法中应用。

第二步中，当振动极限超标被时，应用特定情况算法，在振动峰值达到确定的限值后，使能振动加阻算法、振动峰值消减算法中的一个或同时使能，以减缓振动，当振动值回到合理区间一定时间(如5min)，退出算法使能。以保证振动极限不超标，同时改善塔架极限载荷及其他相关极限载荷。以上提到的算法为93机组应用且有效的算法，本方法不止局限于所提算法，能在上述情况下控制振动值不超标的算法都可在此应用。

叶片根部或轮毂载荷超标情况多由风速过高，变桨角度较大时的叶片推力增加所致。通过在高风速段使能独立变桨算法、提高变桨功率容差算法及有限降功率运行等手段中的一种或几种可使相关载荷降到设计范围之内。以上提到的算法为93机组应用过且有效的算法，本发明不止局限于所提算法，能在增加运行范围风速段，控制叶根及轮毂载荷不超标的算法都可在此应用。

风轮超速及风机过功率多因较强阵风引起。通过检测风轮转速加速度及功率当前值及其上升趋势，在适当时刻使能阵风控制算法或应用特殊增益PI控制方法，可解决此问题，并已在93机组应用且有效。本发明不止局限于所提算法，能在增加运行范围风速段，控制风轮超速及风机过功率不超标的算法都可在此应用。

第二步的算法修正及极限载荷评估之间是一种螺旋优化评估过程，直到极限载荷完全满足设计要求为止；或所有关键部件极限载荷不超过风机在原设计风场应用所提供的极限载荷为止。

在极限载荷评定合格后，开始进行等效疲劳载荷评定。等效疲劳载荷评价依据原理如下：

根据Miner假设计算疲劳应力，如式(1)所示；

$L_N=\sqrt[m]{\frac{\mathrm{\Σ}{L}_i^n{n}_i}{N}}---\left(1\right)$

其中：L_N——N次循环等效应力幅；

L_i——在第i个bin的应力；

n_i——在一个应力变化幅度恒定时段内的载荷循环数；

m——S—N曲线的斜率；

N——在机组寿命内允许的循环的次数。

假设应力与载荷是成比例的，因此在上述等式中，可以用载荷来代替应力。给出预定的20年机组寿命中各部件载荷循环次数，并计算每种编制工况风速段部件等效载荷，由每种风速段对应的等效载荷得出总等效载荷。

等效疲劳载荷工况编制必须根据风机所立风场的平均风速及风度分布编制。这一点是评估有效性的关键所在。

等效疲劳载荷评估93机组应用bladed软件进行，但本方法不局限于应用bladed软件，目前市场上经认证的能够进行疲劳载荷计算及分析的软件及自编软件都可胜任此项工作。

上述算法、控制方法均是指控制器所应用的功能模块，均属于现有技术，故不对其具体情况进行深入介绍。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种延长特定风场风机工作时间的方法，其特征在于，步骤如下：

1)扩大风机运行风速运行区间；

2)计算扩大风机运行风速运行区间的极限载荷，根据计算结果，对超出相关部件极限载荷设计要求情况作出针对性处理；然后再次进行极限载荷计算和处理，直到极限载荷计算不超标；

3)根据应用风场风速分别，编制疲劳载荷工况，进行疲劳载荷计算；根据疲劳载荷计算结果对风速运行区间进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种延长特定风场风机工作时间的方法，其特征在于，步骤1)中，通过增加风机切出风速来扩大风机运行风速运行区间。

3.根据权利要求1所述的一种延长特定风场风机工作时间的方法，其特征在于，步骤2)中，相关部件的极限载荷计算至少包括以下一种或几种：塔架振动、叶片载荷及轮毂、过功率及过速；

若塔架振动超标，则应用特定情况算法，在振动峰值达到确定的限值后，使能振动加阻算法、振动峰值消减算法中的一个或同时使能，以减缓振动，当振动值回到合理区间一定时间，退出算法使能；

若叶片载荷及轮毂超标，则通过在高风速段使能独立变桨算法、提高变桨功率容差算法及有限降功率运行等手段中的一种或几种可使相关载荷降到设计范围之内；

若过功率或过速，则应用过功率或过速控制方法。

4.根据权利要求1所述的一种延长特定风场风机工作时间的方法，其特征在于，步骤3)中，依据风场风速统计量分部及其湍流特性，编制与之相适用的疲劳载荷计算工况分布时间进行疲劳载荷计算。