CN105138845B - 获得风力发电机风速值的方法 - Google Patents
获得风力发电机风速值的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明共公开一种获得风力发电机风速值的方法，利用风力发电机中与风速有对应关系的参数，建立起求解风速的数学模型，通过该模型计算得到风速值。其优点是，风速采样选点正确，获得的风速值真实可靠，且精度高,没有测量误差；无需使用风速测量装置。
Description
技术领域：
本发明涉及风力发电技术，通过建立风速估计的数学模型，采集可靠的测量信息，由风速估计模型计算出轮毂中心高度处风速，从而可以替代风力发电机组传统的风速仪。
背景技术：
目前，是采用风速仪直接测量来流风的风速值，该风速仪具有一个机械式风杯，作为一次检测元件，安装在机舱尾部，通过该风杯测得的风速并不是风轮正前方的风速，而是受到了风轮旋转尾流影响的风速，与实际的未受扰动的风速存在较大偏差。另外，由于机械式风杯具有转动惯量，而我国风力发电机组大部分安装在风沙大、气候寒冷的野外地区，容易受风沙侵蚀和结冰影响，造成测量精度低，易损坏。为了提高测量的可靠性，通常会安装两个及两个以上的风速仪进行冗余保护，一般将多个风速仪测量的值进行平均作为实测风速。为了检测风速仪是否失效，保护风力发电机组安全运行，通常需设计相应的保护逻辑，但也只能判断风速仪是否有故障，具体哪一个风速仪出现故障或全部风速仪是否故障，还没有准确有效的判断方法，只能进行全部更换，给现场维护检修带来额外工作量。当风力发电机组运行于切出风速附近时，若风速测量值有误，则风力发电机组的运行载荷可能会高于设计值，给机组安全带来巨大隐患。
发明内容：
为了解决上述问题，提出一种技术方案，在不增加硬件成本的基础上，利用风力发电机组现有的测量信号计算出风轮正前方的风速，从而可以替代传统机械式风速仪。
本发明的技术方案是：
一种获得风力发电机风速值的方法，包括步骤：
(1)、利用风力发电机中与风速有对应关系的参数，建立起求解风速的数学模型；
(2)、依据该数学模型编写软件程序，写出代码，存入风力发电机自控系统；
(3)、由风力发电机自控系统运行该软件程序，通过风速数学模型计算得到风速值。
所述建立起求解风速的数学模型的步骤是：
对风力发电机组的传动链模型进行折算，把低速轴的变量折算到高速轴，并认为整个模型为刚性模型，得到简化传动链模型，并设风轮轮毂前面最高点为风速计算的采样点，由刚性模型假设，列出风轮传动链力学模型如下：
其中：
TA表示折算到高速轴侧上气动力矩；
TG表示发电机电磁力矩；
ω表示高速轴转速；
J表示折算后转动惯量。
在(1)等式两端同时乘以ω可得：
进一步对(2)式变形可得能量守恒方程：
其中：
PA表示风轮上吸收的气动功率；
PG表示发电入口电功率；
表示加速度功率。
风能利用率方程如下：
其中：
Pw表示风速中含有的能量；
Cp表示风能利用率；
ρ表示空气密度；
A表示风轮扫风面积；
U表示风速。
叶尖速比的定义：
其中：
R表示风轮半径；
U表示风速；
Ω表示风轮转速。
把(6)带入(5)可得：
式(7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系ω＝GΩ(G表示齿轮箱传动比)得到，再把(7)带入(3)可得：
通过叶片气动性能计算，可以得到风能利用率Cp与叶尖速比λ和叶片桨距角β之间的非线性气动方程，可以用下面式子表示：
由公式(8)(9)可以得到以下等式：
在公式(7)至(10)中，下列参数均为已知参数；
PG，ω，β通过传感器测量得到；
ρ通过气象站测得；
A，G，R，J是风机既定设计参数；
可以通过叶片气动性能计算得到；
在公式(10)中，仅有λ一个未知量，只能通过数值计算求解，具体求解方法如下：
1)通过风机的设计参数可以确定尖速比λ的取值范围；
2)在λ的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，即
λi,i＝1,2,3…
3)设定数值计算误差限ε，并令
当f(λi)<ε时，即可认为λi为(10)式的解
由上述计算过程，可以得到叶尖速比λ，进一步，由叶尖速比的定义(6)可以计算出当前风速
本发明的有益效果：
风速计算的采样点是风轮轮毂前面的最高点,选点正确，获得的风速值真实可靠，且精度高，没有测量误差；无需使用风速测量装置，减少硬件成本，只需编写相应的软件程序即可实现，不影响风机正常运行，不易受外界环境影响，不受风力发电机组容量限制，可以扩展到大功率等级机组。
附图说明：
图1是风力发电机组传动链模型示意图。
图2是风力发电机组传动链简化模型示意图。
具体实施方式：
图1是风力发电机组的传动链模型示意图，把图1的模型进行折算，把低速轴的变量折算到高速轴，并认为整个模型为刚性模型，得到图2的简化传动链模型。并设风轮轮毂前面最高点为风速计算的采样点。由刚性模型假设，可以列出风轮传动链力学模型如下公式：
其中：
TA表示折算到高速轴侧上气动力矩；
TG表示发电机电磁力矩；
ω表示高速轴转速；
J表示折算后转动惯量。
在(1)等式两端同时乘以ω可得：
进一步对(2)式变形可得能量守恒方程：
其中：
PA表示风轮上吸收的气动功率；
PG表示发电入口电功率；
表示加速度功率。
风能利用率方程如下：
其中：
Pw表示风速中含有的能量；
Cp表示风能利用率；
ρ表示空气密度；
A表示风轮扫风面积；
U表示风速。
叶尖速比的定义：
其中：
R表示风轮半径；
U表示风速；
Ω表示风轮转速。
把(6)带入(5)可得：
式(7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系ω＝GΩ(G表示齿轮箱传动比)得到，再把(7)带入(3)可得：
在公式(8)中：PG，ω可以同过传感器测量得到，ρ可以通过气象站测得，A，G，R，J是在风力发电机组设计时候就可以确定，均为易检测和确定的量，而Cp则为不易检测量。但是，通过叶片气动性能计算，可以得到风能利用率Cp与叶尖速比λ和叶片桨距角β之间的非线性气动方程，可以用下面式子表示：
由公式(8)(9)可以得到以下等式：
在公式(10)中：
PG，ω，β可以通过传感器测量得到；
ρ可以通过气象站测得；
A，G，R，J是在风机设计时候就可以确定；
可以通过叶片气动性能计算得到。
通过以上分析，我们可以知道，在公式(10)中，仅有λ一个未知量，而其余物理量都可以通过一定方法得到，只不过公式(10)并不是一个可以求得解析解的初等方程，因此只能通过数值计算求解，具体求解方法如下：
4)通过风机的设计参数可以确定尖速比λ的取值范围
5)在λ的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，即λi,i＝1,2,3…
6)设定数值计算误差限ε，并令
当f(λi)<ε时，即可认为λi为(10)式的解
由上述计算过程，可以得到叶尖速比λ，进一步，由叶尖速比的定义(6)可以计算出当前风速
从而得到风速，也就可以替换传统机械式风速仪。
本方案具有易实现，对现有运行风机系统不需做硬件改造，同时具有广泛的适应性，能够在不同环境下使用。本方案不受风机容量限制，可以扩展到以后的大功率风力机组上，因此具有很好的可行性。
Claims (1)
1.一种获得风力发电机风速值的方法，包括步骤：
(1)、利用风力发电机中与风速有对应关系的参数，建立起求解风速的数学模型；
(2)、依据该数学模型编写软件程序，写出代码，存入风力发电机自控系统；
(3)、由风力发电机自控系统运行该软件程序，通过风速数学模型计算得到风速值；
其特征在于，所述建立起求解风速的数学模型的步骤是：
对风力发电机组的传动链模型进行折算，把低速轴的变量折算到高速轴，并认为整个模型为刚性模型，得到简化传动链模型，并设风轮轮毂前面最高点为风速计算的采样点，由刚性模型假设，列出风轮传动链力学模型如下：
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中：
TA表示折算到高速轴侧上气动力矩；
TG表示发电机电磁力矩；
ω表示高速轴转速；
J表示折算后转动惯量；
在(1)等式两端同时乘以ω可得：
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>A</mi>
</msub>
<mi>&omega;</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
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</mfrac>
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<mo>-</mo>
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进一步对(2)式变形可得能量守恒方程：
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</mfrac>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中：
PA表示风轮上吸收的气动功率；
PG表示发电入口电功率；
表示加速度功率；
风能利用率方程如下：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mi>C</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中：
Pw表示风速中含有的能量；
Cp表示风能利用率；
ρ表示空气密度；
A表示风轮扫风面积；
U表示风速；
叶尖速比的定义：
<mrow>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
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</mrow>
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<mo>-</mo>
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<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
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其中：
R表示风轮半径；
U表示风速；
Ω表示风轮转速；
把(6)带入(5)可得：
<mrow>
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<mi>P</mi>
<mi>A</mi>
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<mo>=</mo>
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<mo>-</mo>
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式(7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系ω＝GΩ得到，再把(7)带入(3)可得：
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</mrow>
其中：G表示齿轮箱传动比，
通过叶片气动性能计算，可以得到风能利用率Cp与叶尖速比λ和叶片桨距角β之间的非线性气动方程，可以用下面式子表示：
由公式(8)(9)可以得到以下等式：
在公式(7)至(10)中，下列参数均为已知参数；
PG，ω，β通过传感器测量得到；
ρ通过气象站测得；
A，G，R，J是风机既定设计参数；
可以通过叶片气动性能计算得到；
在公式(10)中，仅有λ一个未知量，只能通过数值计算求解，具体求解方法如下：
1)通过风机的设计参数可以确定尖速比λ的取值范围；
2)在λ的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，即λi,i＝1,2,3…
3)设定数值计算误差限ε，并令
当f(λi)<ε时，即可认为λi为(10)式的解
由上述计算过程，可以得到叶尖速比λ，进一步，由叶尖速比的定义(6)可以计算出当前风速
<mrow>
<mi>U</mi>
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