CN108005847B - 非发电运行时减小风力涡轮机载荷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，当风力涡轮机在并网系统、偏航系统和风向检测系统处于故障或暂时离线状态期间，调节处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在垂直于0至360度水平入流风平面上的投影面积变化幅度并满足变化幅度小于90%，从而降低叶片在不同入流风向下由于迎风面积大幅改变而带来的推力大幅波动，并防止在某一风向下出现极端载荷的情况，进而降低风力涡轮机的极限载荷和疲劳载荷。

Description

非发电运行时减小风力涡轮机载荷的方法
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机非发电运行状态的处理方法，特别涉及一种非发电运行时减小风力涡轮机载荷的方法。
背景技术
风力涡轮机在并网发电正常、偏航系统及风向检测系统正常状态下，风轮叶片的桨距角保持同一顺桨位置并通过偏航动作保持风轮面一直对风，此时可减少因风向变化引起的风力涡轮机的载荷波动。
风力涡轮机无法实现偏航或正确偏航主要有三种情况：一、并网系统故障或暂时离线，该情况下风力涡轮机无电力输入，偏航系统在没有电力输入的情况下无法实现偏航动作；二、偏航系统故障或暂时离线，该情况下风力涡轮机虽然存在电力输入，却无法偏航；三、风向检测系统故障或暂时离线，正常工作时风力涡轮机需要偏航到风轮旋转平面与入流风向垂直(即对风)状态，若风向检测系统故障，则无法获得正确的风向数据，或风向检测系统离线，不能获取风向数据，即使偏航系统无故障，风力涡轮机也无法通过偏航系统实现风轮面的正确对风。
一旦电网系统、偏航系统或风向检测系统出现故障或暂时离线，致使风力涡轮机不能实现一直对风功能，则入流风向角度的变化会造成风力涡轮机风轮平面的载荷波动增大，从而增加关键部件遭受结构破坏的风险。现有技术中还未有针对此情况的处理方法。
发明内容
本发明是针对风力涡轮机在并网系统、偏航系统和风向检测系统处于故障或暂时离线状态期间存在隐患的问题，提出了一种非发电运行时减小风力涡轮机载荷的方法，在并网系统、偏航系统或风向检测系统出现故障或暂时离线期间，通过调节不同叶片不同桨距角，降低风力涡轮机在不同入流风向下风轮平面的载荷波动，进而降低风力涡轮机的设计要求和相关成本。
本发明的技术方案为：一种非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，风力涡轮机包括可偏航的机舱，风力涡轮机的转子及轮毂安装于所述机舱，所述轮毂安装有至少两个可进行独立变桨的风轮叶片，方法具体包括：风力涡轮机处于非发电运行状态期间，调节处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在垂直于0至360度水平入流风向平面上的投影面积变化幅度并满足变化幅度小于90％，其中，处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片是指每个叶片沿风轮主轴轴线虚拟的旋转至各自叶片的变桨轴线与包含主轴轴线的竖直平面重合；0至360度入流风向是指风以360度风向变化范围水平吹向风力涡轮机；投影面积是指处于虚拟竖直集合状态的所有叶片在垂直于入流风向平面上的投影面积总和；变化幅度是指投影面积最大值与投影面积最小值之差占投影面积最大值的百分比。
所述调节处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在垂直于0至360度水平入流风向平面上的投影面积变化幅度并满足变化幅度小于90％的具体方法为：设定一个小于等于0.9的阀值，调节任意循序排列的两个风轮叶片的桨距角，使两风轮叶片方向向量的内积绝对值不大于设定阀值。
所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，所述阀值设定为大于等于0.5小于0.9。
所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，调节所有任意组合循序排列的两个风轮叶片的桨距角，使每组风轮叶片组合的方向向量的内积绝对值都不大于设定阀值。
所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，设定固定阀值0.5，调节所有任意组合循序排列的两个风轮叶片的桨距角，使每组风轮叶片组合的方向向量的内积绝对值都等于设定阀值。
所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，依次或同时使每组风轮叶片组合的方向向量的内积绝对值都等于设定阀值。
本发明的有益效果在于：本发明非发电运行时减小风力涡轮机载荷的方法，当风力涡轮机在并网系统、偏航系统和风向检测系统处于故障或暂时离线状态期间，通过变桨控制器调节安装于风轮轮毂处转子叶片的桨距角，使风轮叶片在不同入流风向角度下的迎风面积尽量保持均衡，以减小风轮叶片在不同入流风向下迎风面积的波动范围，从而降低叶片在不同入流风向下由于迎风面积大幅改变而带来的推力大幅波动，并防止在某一风向下出现极端载荷的情况，进而降低风力涡轮机的极限载荷和疲劳载荷。
附图说明
图1为本发明风力涡轮机虚拟竖直集合状态示意图；
图2为本发明具有三个风轮叶片的风力涡轮机的正视图；
图3为本发明图1所示剖面图；
图4为本发明图1所示风力涡轮机的三个风轮叶片所对应的方向向量在同一坐标系下的示意图；
图5为内积绝对值计算示意图；
图6为本发明两种风力涡轮机顺桨方案处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在水平入流风向平面上的投影面积图。
具体实施方式
非发电运行状态包括：并网系统、偏航系统和风向检测系统处于故障或暂时离线状态。在此期间为了降低风力涡轮机载荷，经过大量实验和模拟测试，得到风力涡轮机处于非发电运行状态期间，调节处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在垂直于0至360度水平入流风向平面上的投影面积变化幅度并满足变化幅度小于90％的情况下，可大幅减小风力涡轮机载荷，如图1所示风力涡轮机虚拟竖直集合状态示意图，其中，处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片是指将每个叶片沿风轮主轴轴线虚拟的旋转至各自叶片的变桨轴线与包含主轴轴线的竖直平面重合；0至360度水平入流风向是指风以360度风向变化范围水平吹向风力涡轮机；投影面积是指处于虚拟竖直集合状态的所有叶片在垂直于入流风向平面上的投影面积总和；变化幅度是指投影面积最大值与投影面积最小值之差占投影面积最大值的百分比。
图2所示具有三个转子叶片的风力涡轮机的正视图，正常情况下，三个转子叶片在风力的推动下，以风力涡轮机主轴为中心轴旋转，机舱在偏航系统的控制下使风电机组的风轮始终处于对风状态工作，这里以三个转子叶片的风力涡轮机为例来阐述非发电运行状态时减小风力涡轮机载荷的方法，但所描述的非发电运行状态时减小风力涡轮机载荷的方法不限于具有三个转子叶片的风力涡轮机。
实现本发明实施例的风力涡轮机，包括可偏航的机舱，风力涡轮机的转子及轮毂安装于所述机舱，所述轮毂安装有至少两个可进行独立变桨的风轮叶片，控制系统为由风机控制器、变桨控制器和变频控制器构成的分布式控制系统；安装于风轮轮毂处具有可进行桨距角调节的风轮叶片；用于调节风轮叶片桨距角的桨距角驱动系统，每一个桨距角驱动器实现一个风轮叶片的桨距角调节动作。在风力涡轮机不能正常偏航，需要调节桨距角时，变桨控制器为每一个桨距角驱动器提供控制指令，使安装于风轮轮毂处的风轮叶片按照设定角度进行桨距角调节。
图3是图2所示风力涡轮机的处于垂直向上叶片的A-A剖面图。非发电运行时叶片根据变桨控制器发出的指令，改变叶片的桨距角。方向向量(单位向量)是指示风轮叶片由于桨距角的改变而形成的叶片相对于风轮的方向。
图4是图2所示风力涡轮机的三个风轮叶片所对应的方向向量在同一坐标系下的示意图。图4所示的坐标系的y轴是将每个叶片沿风轮主轴轴线虚拟的旋转至各自叶片的变桨轴线与包含主轴轴线的竖直平面重合后，叶片根部平面与包含主轴轴线的竖直平面的相交线，x轴与地平面平行并与y轴垂直，原点为叶片的变桨轴线与叶片根部平面的相交点。将每个叶片沿风轮主轴轴线虚拟的旋转至各自叶片的变桨轴线与包含主轴轴线的竖直平面重合，之后将处于虚拟竖直集合状态的所有风轮叶片相对应的方向向量平移至XOY坐标系。
风力涡轮机在电网、偏航系统或风向检测系统出现故障时，风轮面不能根据入流风的方向一直对风，会造成风力涡轮机的载荷随入流风向角度的改变而大幅度变化，增大关键结构件遭受破坏的风险。风力涡轮机的并网系统若出现故障，则整个风力机失去了电力来源，无法通过偏航系统根据风向实时对风。若并网系统工作正常，但风力涡轮机的偏航系统由于机械或电气故障导致不能正常偏航，同样会使风力涡轮机不能根据风向实现实时对风。若并网系统和偏航系统都工作正常，但风向检测系统出现故障，不能获得正确的风向数据，使得风力涡轮机的风轮面偏航到错误的角度，则不能实现正确对风。在上述情况下，可以通过本发明方法通过对安装于风轮轮毂处的风轮叶片进行桨距角调节，使得风轮叶片的迎风面积在不同入流风向角度下尽量保持均衡，从而降低不同入流风向角度的变化引起的推力大幅波动，并防止风力涡轮机在某一风向下出现极端载荷的情况，进而降低风力涡轮机的整体载荷。降低的载荷包括有叶片部件及其相连部件、轮毂部件及其相连部件、机舱部分及其内部部件、偏航部件及其相连部件的载荷，载荷类型包括极限载荷及疲劳载荷。
在调节处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在垂直于0至360度水平入流风向平面上的投影面积变化幅度并满足变化幅度小于90％的要求下，结合实际情况，基于对图2、图3、图4所示的风轮叶片方向向量的定义及处理方式，用于非发电运行状态时降低风力涡轮机载荷的具体方法为：选定任意组合循序排列的两个风轮叶片，设定一个小于等于0.9的阀值，进行风轮叶片的桨距角调节，如两风轮叶片的方向向量的内积绝对值小于等于阀值，则不调节任何桨距角，如大于阀值，则分别调节选定的两风轮叶片的桨距角，使调节后的两叶片的方向向量的内积绝对值不大于阀值。
如图5所示内积绝对值计算示意图，内积的代数定义：设二维空间内有两个向量和定义它们的内积为以下实数：
内积绝对值的定义：二维空间内两个向量和定义它们的内积绝对值为以下实数：
风力涡轮机正常工作时，三个叶片的桨距角是同时变化的，三个叶片的桨距角相等，两两叶片之间对应的内积绝对值等于1。只要两个叶片之间的桨距角不相等，对应的内积绝对值就会小于1，如果两个叶片桨距角相差90度，则内积绝对值等于0。
如本发明三个转子叶片的风力涡轮机，以阀值取0.9为例，可以调节风轮转子的第一转子叶片的桨距角和第二转子叶片的桨距角，使第一转子叶片的第一方向向量和第二转子叶片的第二方向向量的内积绝对值不大于阀值；同时可以调节第三转子叶片的桨距角使第三转子叶片的第三方向向量与第一转子叶片的第一方向向量的内积绝对值不大于阀值；并且保证调节第三转子叶片的第三方向向量与第二转子叶片的第二方向向量的内积绝对值不大于阀值，此方式可以基本解决故障时风轮叶片对不同入流风向角度的迎风问题。
若使风轮叶片在0至360度水平入流风向角度下对不同入流风向角度的迎风面积达到更好的均衡效果，可调节所有任意循序排列的两个风轮叶片的桨距角，使每对叶片的方向向量的内积绝对值都不大于0.7。
根据本发明的优选实施例，对安装于所述风力涡轮机的风轮轮毂处的三个风轮叶片均进行调节，调节风轮叶片的桨距角使第一风轮叶片的第一方向向量与第二风轮叶片的第二方向向量的内积绝对值等于0.5、第二风轮叶片的第二方向向量与第三风轮叶片的第三方向向量的内积绝对值等于0.5、第一风轮叶片的第一方向向量与第三风轮叶片的第三方向向量的内积绝对值等于0.5。此调节方法可使风轮叶片在不同入流风向角度下的迎风面积尽可能达到均衡，降低了推力的大幅波动，进而降低了风力涡轮机的载荷。
图6是在两种风力涡轮机顺桨方案下处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在垂直于水平入流风向平面上的投影面积。本图以优选实施例的其中一个方案与传统方案的对比说明其优势。所述实施例中的风力涡轮机风轮轮毂上具有三个可独立变桨的风轮叶片。其中实施例方案为，处于非发电运行状态期间，调节三个风轮叶片的桨距角，使得三个风轮叶片对应的方向向量在图4所示坐标系XOY下分别表示为(0,-1)、与上述两两方向向量之间的内积绝对值均为0.5，传统方案为，处于非发电运行状态期间，调节三个风轮叶片的桨距角，使得三个风轮叶片对应的方向向量在图3所示坐标系XOY下分别表示为(0,1)、(0,1)与(0,1)，上述方向向量之间的内积绝对值均为1。由图6所示的结果可知，风轮叶片的桨距角调节为本发明实施例方案情形下，处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在水平风向入流风向平面上的投影面积总和随风向入流角度的变化呈现小幅波动，其峰值投影面积相较于传统方案大幅降低，因此，本发明实施例方案的峰值迎风面积小于传统方案的峰值迎风面积，相应的本发明实施例方案下由入流风带来的塔底峰值载荷相比传统方案存在较大优势。从另一角度，传统方案情形下叶片投影面积随入流风角度的变化呈现大幅度波动，也就意味着相应的塔底载荷的波动加大，不利于疲劳载荷的降低。总之，本发明实施例方案下，风力涡轮机的塔桶随入流风角度变化所受到的极限载荷和疲劳载荷都存在较大程度的降低。

Claims (6)

1.一种非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，风力涡轮机包括可偏航的机舱，风力涡轮机的转子及轮毂安装于所述机舱，所述轮毂安装有至少两个可进行独立变桨的风轮叶片，其特征在于，方法具体包括：
风力涡轮机处于非发电运行状态期间，调节处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在垂直于0至360度水平入流风向平面上的投影面积变化幅度并满足变化幅度小于90％，其中，处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片是指将风力涡轮机的每个叶片虚拟地沿风轮主轴轴线旋转至各叶片的变桨轴线与包含主轴轴线的竖直平面重合的位置，并处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片的方位角相同；0至360度入流风向是指风以360度风向变化范围水平吹向风力涡轮机；投影面积是指处于虚拟竖直集合状态的所有虚拟风轮叶片在垂直于入流风向平面上的投影面积总和；变化幅度是指投影面积最大值与投影面积最小值之差占投影面积最大值的百分比。
2.根据权利要求1所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，其特征在于，所述调节处于虚拟竖直集合状态的风轮叶片在垂直于0至360度水平入流风向平面上的投影面积变化幅度并满足变化幅度小于90％的具体方法为：设定一个小于等于0.9的阈值，调节任意循序排列的两个风轮叶片的桨距角，使两风轮叶片方向向量的内积绝对值不大于阈值。
3.根据权利要求2所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，其特征在于，所述阈值设定为大于等于0.5小于0.9。
4.根据权利要求3所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，其特征在于，调节所有任意组合循序排列的两个风轮叶片的桨距角，使每组风轮叶片组合的方向向量的内积绝对值都不大于阈值。
5.根据权利要求4所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，其特征在于，设定固定阈值0.5，调节所有任意组合循序排列的两个风轮叶片的桨距角，使每组风轮叶片组合的方向向量的内积绝对值都等于固定阈值。
6.根据权利要求5所述非发电运行时减小水平轴风力涡轮机载荷的方法，其特征在于，依次或同时使每组风轮叶片组合的方向向量的内积绝对值都等于固定阈值。
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