CN106884760B - 一种风力发电机组紧急顺桨控制方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机组紧急顺桨控制方法，在风力发电机组紧急停机后，采用变速率停机策略。紧急停机刚开始时快速顺桨，以减小正向的载荷，当桨距角达到限制角度或时间达到限制时间后须减小顺桨速度以减小负向极限载荷。所述方法包括以下步骤：(1)确定风力发电机组变速率停机分界点；(2)监测风力发电机组系统状态；(3)确定风力发电机组变桨执行系统模式；(4)风力发电机组按照变桨执行机构采用的变速率停机模式变桨。

Description

一种风力发电机组紧急顺桨控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组紧急顺桨控制方法。

背景技术

兆瓦级风电机组在紧急停机时，通常会采取直接断开变频器、并迅速顺桨的停机逻辑，但此逻辑将导致叶片根部以及塔筒底部承受巨大的载荷冲击，在GL2010规范的DLC1.5、DLC1.6工况中叶根挥舞方向弯矩、塔底前后方向弯矩就经常出现极限载荷，叶片越长该问题尤为突出。

从能量传递角度分析，由制动盘-动量理论知，正常发电过程中制动盘吸收风能使尾流速度降低，制动盘承受气动推力，紧急停机过程中制动盘释放能量使风轮转速降低，同时风获得能量，使得尾流速度增加，制动盘承受相反的推力。

塔筒倾覆弯矩My、叶根挥舞弯矩My的冲击载荷大于设计极限时，传统的做法是调节紧急停机时的顺桨速度，以减小冲击载荷。但当紧急停机的顺桨速度变慢时，又会导致叶片、塔筒正方向载荷的增加，同时风轮转速也会大幅上升带来其他隐性问题。

从气动特性角度分析，由原理可知，风轮的气动参数的C_p、C_T、C_f主要与桨距角、叶尖速比有关。紧急停机过程中，由于变频器断开机组负载迅速减小，风轮转速快速上升，导致叶尖速比增加，同时快速顺桨，导致桨距角增加过快，这使得推力系数C_f快速减小为零并继续下降接近甚至超过正向的C_f最大值，从而机组承受到很大的反向推力。

由此可知紧急停机后，由于发电机负载迅速降低为0、桨距角的过快增加导致冲击载荷过大。传统的做法是调节紧急停机时的顺桨速度，来减小冲击载荷。但当紧急停机的顺桨速度变慢时，又会导致叶片、塔筒正方向载荷的增加，同时风轮转速也会大幅上升带来其他隐性问题。因此简单调节紧急停机中顺桨速度的办法，只能起到平衡正向载荷和负向载荷的作用，同时减小顺桨速度会带来更高极限风轮转速，并没有从根本上解决问题。

《中国机电工程学报》文章“基于功率变化和模糊控制的风力发电机组变速变桨距控制”采用功率实时反馈，将功率偏差和功率偏差的变化率作为模糊控制算法的输入，输出变桨速度指令；《电力电子技术》文章“兆瓦级风电机组电动变桨距控制系统的研究与实现”对功率偏差信号的大小进行了限制，降低了风电机组输出功率的波动，功率发生变化是变桨距、机构能够快速响应，但在额定风速下，风机输出功率小于额定功率时，采用变速率变桨控制增加了算法的复杂性；中国发明专利201410640389.6“一种直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统及变桨方法”将风速纳入控制系统，对桨距角进行了限制，使不同风况下变桨执行机构都能够快速做出响应。以上所有方法都是在描述风力发电机组正常运行状态下的变桨控制，对于停机后如何有效降低叶根和塔底载荷没有涉及。

中国发明专利201310194005.8“在单个桨叶卡桨工况下的风力发电机停机方法”中介绍的变桨方法在单个桨叶卡桨工况下能有效降低载荷，但对于紧急停机时塔底和叶根极限载荷的形成及降低没有分析，所述方法仅适用于卡桨工况，不具通用性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种风力发电机组紧急顺桨变速率停机控制方法，以实现风电机组在紧急停机后通过变速率停机来解决冲击载荷过大的问题，从而降低风电机组的极限载荷，进而提高机组的安全性和经济性。

为实现上述发明目的，本发明风力发电机组紧急顺桨控制方法在风力发电机组紧急停机后，采用变速率停机策略。紧急停机刚开始时快速顺桨，以减小正向的载荷，当桨距角达到限制角度或时间达到限制时间后减小顺桨速度以减小负向极限载荷。

所述方法包括以下步骤：

1、确定风力发电机组变速率停机分界点；

2、监测风力发电机组系统状态；

3、确定风力发电机组变桨执行系统模式；

4、风力发电机组按照变桨执行机构采用的变速率停机模式变桨。

所述步骤1的风力发电机组变速率停机分界点根据风力发电机组的静态载荷曲线确定，具体步骤如下：

步骤1.1，得到机组桨距角为0°时的最大风速

从风电机组专业仿真软件bladed中得到机组在静态下的桨距角-风速曲线，找出桨距角为0°时的最大风速Vm/s，在该风速下塔底倾覆弯矩My、叶根挥舞弯矩My的值最大，叶轮承受的推力Fx最大。

当发生紧急停机时，风速Vm/s下的塔底和叶根载荷极值最大，该风速下得出的变速率最优分界点可以保证其他风速下的载荷满足要求。

步骤1.2，确定风速Vm/s的载荷零点

紧急停机发生后，塔底倾覆弯矩My、叶根挥舞弯矩My先正向增大，到达极大值然后迅速下降为0，并反向增至极小值。极大值和极小值的大小与变桨速率有关，变桨速率越大正向极大值越小，变桨速率越小负向极小值越小。

塔底倾覆弯矩My和叶根挥舞弯矩My的极大值与极小值的减小，对变桨速率的要求正好相反。风速Vm/s下，以塔底倾覆弯矩My和叶根挥舞弯矩My等于零的时刻，即载荷过零点，作为变桨速率发生变化的分界点。

步骤1.3，确定变速率的最优时间分界点或最优角度分界点

仿真中采用不同的桨距角对变桨速率进行分界，找到叶根挥舞弯矩My、塔底倾覆弯矩My过零点的时刻，变速率时间分界点在此取值，再根据实际情况进行微调，就可得出变速率时间分界t。

叶根挥舞弯矩My、塔底倾覆弯矩My过零点的时刻在桨距角曲线中对应的桨距角，变速率桨角分界点在此取值，再根据实际情况进行微调，就可得出变速率桨角分界点β。

所述步骤2，监测风力发电机组系统状态主要包括当前风速大小、风力发电机组的运行状态以及当前桨距角状态。

所述步骤3，确定风力发电机组变桨执行系统模式的具体步骤如下：

步骤3.1，风力发电机组触发紧急停机故障，并且故障触发原因是编码器失效，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式1；

步骤3.2，风力发电机组触发紧急停机故障，且当前风速为大风速，即风速3s均值大于切出风速，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式2；

步骤3.3，风力发电机组触发紧急停机故障，且不属于上述两种情况，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式3；

所述风力发电机组采用的变桨模式指风力发电机组紧急停机故障触发后变桨执行机构采用变速率停机的模式，包括三种方式：

变桨模式1：变速率以时间分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，t秒后按速率2执行慢速顺桨；

变桨模式2：变速率以桨距角分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，桨距角达到最优桨距角分界点β后按速率2执行慢速顺桨；

变桨模式3：变速率以桨距角和时间共同作用分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，当桨距角大于最优桨距角分界点β，且时间超过t秒后按速率2执行慢速顺桨。

本发明有益效果在于：根据紧急停机后塔筒倾覆弯矩My、叶根挥舞弯矩My的冲击载荷大的原因，制定出紧急顺桨方案，即紧急停机刚开始时快速顺桨，以减小正向的载荷，当桨距角达到限制角度或时间达到限制时间后须减小顺桨速度以减小负向极限载荷。在具体变桨控制时，对于紧急停机后风力发电机组的不同状态采用不同的变桨模式进行分类控制，有针对性的降低风力发电机组紧急停机后叶根和塔底的极限载荷。

附图说明

图1a风力发电机组停机控制方法的控制图；

图1b变桨执行系统模式选择器流程图；

图2a风力发电机组的塔底、叶根载荷曲线；

图2b风力发电机组的叶根Fx曲线；

图3a风力发电机组叶根载荷过零点；

图3b风力发电机组塔底载荷过零点；

图4风力发电机组时间分界点和桨距角分界点；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1a所示，本发明的风力发电机组紧急顺桨控制方法的实施例，包括以下步骤：

步骤1，确定风力发电机组变速率停机分界点；

步骤2，监测风力发电机组系统状态；

步骤3，确定风力发电机组变桨执行系统模式，具体流程见图1b；

步骤4，风力发电机组按照变桨执行机构采用的变速率停机模式变桨。

所述步骤1的风力发电机组变速率停机分界点根据风力发电机组的静态载荷曲线确定，具体步骤如下：

步骤1.1：机组桨距角为0°时的最大风速V

图2为实施例一风力发电机组的静态曲线。从风电机组专业仿真软件bladed中得到机组在静态下的桨距角-风速曲线，找出桨距角为0°时的最大风速V＝10.1m/s，如图2a所示.在10.1m/s风速下塔底倾覆弯矩My、叶根挥舞弯矩My的值最大，叶轮承受的推力Fx最大,，如图2b所示。

当发生紧急停机时，相同环境下V＝10.1m/s风速下的载荷极值最大，由该风速下确定出的变速率最优分界点可以保证其他风速下的载荷满足要求。

步骤1.2：确定桨距角为0°时的最大风速的载荷零点

从载荷上，希望发生紧急停机后，正向载荷小，负向冲击载荷也小。通过仿真已验证：变桨速率越大正向载荷越小，变桨速率越小负向冲击载荷也越小。故以载荷零点作为变速率的分界点，如图3a、3b所示。

步骤1.3：确定变速率的最优时间分界点t或最优角度分界点β

仿真中采用不同的桨距角对变桨速率进行分界，找到叶根My、塔底My过零点的时刻t，变速率时间分界点在此取值，再根据实际情况进行微调，就可得出变速率时间分界t。

叶根My、塔底My过零点的时刻在桨距角曲线中对应的桨距角，变速率桨角分界点在此取值，再根据实际情况进行微调，便可得出变速率桨角分界点β，如图4所示。

所述步骤2监测风力发电机组系统状态主要包括当前风速大小，风力发电机组的运行状态以及当前桨距角状态。

所述步骤3，确定风力发电机组变桨执行系统模式的具体步骤如下：

步骤3.1：风力发电机组触发紧急停机故障，并且故障触发原因是编码器失效，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式1；

步骤3.2：风力发电机组触发紧急停机故障，且当前风速为大风速，即风速3s均值大于切出风速，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式2；

步骤3.3：风力发电机组触发紧急停机故障，且不属于上述两种情况，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式3；

所述步骤3.1，步骤3.2和步骤3.3中的风力发电机组变桨执行系统采用的变桨模式1、2、3风力发电机组紧急停机故障触发后变桨执行机构采用变速率停机的模式，包括三种方式：

变桨模式1：变速率以时间分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，t秒后按速率2执行慢速顺桨；

变桨模式2：变速率以桨距角分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，桨距角达到最优桨距角分界点β后按速率2执行慢速顺桨；

变桨模式3：变速率以桨距角和时间共同作用分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，当桨距角大于最优桨距角分界点β，且时间超过t秒后按速率2执行慢速顺桨。

Claims (3)

1.一种风力发电机组紧急顺桨控制方法，其特征在于：所述的控制方法在风力发电机组紧急停机后，采用变速率停机策略；紧急停机刚开始时快速顺桨，以减小正向的载荷，当桨距角达到限制角度或时间达到限制时间后减小顺桨速度以减小负向极限载荷；

所述方法包括以下步骤：

(1)确定风力发电机组变速率停机分界点，所述的风力发电机组变速率停机分界点根据风力发电机组的静态载荷曲线确定；

(2)监测风力发电机组系统状态；

(3)确定风力发电机组变桨执行系统模式；

(4)风力发电机组按照变桨执行机构采用的变速率停机模式变桨；

根据风力发电机组的静态载荷曲线确定风力发电机组变速率停机分界点的步骤如下：

步骤1.1，得到机组桨距角为0°时的最大风速V

从风电机组专业仿真软件bladed中得到机组在静态下的桨距角-风速曲线，找出桨距角为0°时的最大风速Vm/s，在该风速下塔底倾覆弯矩My、叶根挥舞弯矩My的值最大，叶轮承受的推力Fx最大；

当发生紧急停机时，风速Vm/s下的塔底和叶根载荷极值最大，该风速下得出的变速率最优分界点可以保证其他风速下的载荷满足要求；

步骤1.2，确定风速Vm/s的载荷过零点

紧急停机发生后，塔底倾覆弯矩My、叶根挥舞弯矩My先正向增大，到达极大值然后迅速下降为0，并反向增至极小值；塔底倾覆弯矩My和叶根挥舞弯矩My的极大值与极小值的减小，对变桨速率的要求正好相反；风速Vm/s下，以塔底倾覆弯矩My和叶根挥舞弯矩My等于零的时刻，即载荷过零点，作为变桨速率发生变化的分界点；

步骤1.3，确定变速率的最优时间分界点或最优角度分界点

在仿真中采用不同的桨距角对变桨速率进行分界，找到叶根载荷My、塔底载荷My过零点的时刻区间，变速率时间分界点在此间取值，再根据实际情况进行微调，得出变速率时间分界t；

叶根挥舞弯矩My、塔底倾覆弯矩My过零点的时刻区间在桨距角曲线中对应的桨距角区间，变速率桨角分界点在此间取值，再根据实际情况进行微调，得出变速率桨角分界点β。

2.按照权利要求1所述的风力发电机组紧急顺桨控制方法，其特征在于：所述的步骤3确定风力发电机组变桨执行系统模式的具体步骤如下：

步骤3.1，风力发电机组触发紧急停机故障，并且故障触发原因是编码器失效，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式1；

步骤3.2，风力发电机组触发紧急停机故障，且当前风速为大风速，即风速3s均值大于切出风速，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式2；

步骤3.3，风力发电机组触发紧急停机故障，且不属于上述两种情况，风力发电机组变桨执行系统采用变桨模式3。

3.按照权利要求2所述的风力发电机组紧急顺桨控制方法，其特征在于：所述的风力发电机组变桨执行系统采用的变桨模式指风力发电机组紧急停机故障触发后变桨执行机构采用变速率停机的模式，包括三种方式：

变桨模式1：变速率以时间分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，t秒后按速率2执行慢速顺桨；

变桨模式2：变速率以桨距角分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，桨距角达到最优桨距角分界点β后按速率2执行慢速顺桨；

变桨模式3：变速率以桨距角和时间共同作用分界，变桨执行机构先按速率1执行快速顺桨，当桨距角大于最优桨距角分界点β，且时间超过t秒后按速率2执行慢速顺桨。