CN109469583B - 一种用于减缓漂浮式风力机风轮载荷波动的尾缘襟翼控制方法 - Google Patents

一种用于减缓漂浮式风力机风轮载荷波动的尾缘襟翼控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于减缓漂浮式风力机风轮载荷波动的尾缘襟翼控制方法，该方法用于减缓漂浮式风力机平台运动引起的功率波动，根据平台运动的六个自由度（包括纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、垂摇）及其他必要参数的测量数据确定风力机叶片襟翼偏转角。其中涉及六个自由度与尾缘襟翼处相对速度（包括轴向相对速度和切向相对速度）的对应关系、轴向相对速度和切向相对速度与襟翼偏转角的对应关系。使用该襟翼控制法能有效减小平台运动引起的风力机功率波动，在漂浮式海上风力机上有很好的应用前景。

Description

一种用于减缓漂浮式风力机风轮载荷波动的尾缘襟翼控制 方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种用于漂浮式风力机叶片尾缘襟翼的控制方法。
背景技术
在全球化石能源面临枯竭和环境问题不断恶化的背景下，风能作为最易获取的清洁能源得到广泛的关注，海上风电具有风能密度大，年利用小时数高，距离风电负荷中心区域近等特点，是未来风电发展的重要方向。现阶段近海风电技术已经成熟，但随着风电利用不断向深水区发展，固定式基础的经济性和可靠性显著下降，漂浮式基础的优势则显现出来。然而漂浮式风力机平台受到洋流和湍流风影响会在一定自由度方向做周期性摆动，这种现象会对风电机组的风轮载荷稳定产生较大负面影响。所以各种抑制漂浮式风力机载荷波动的方法也被提出来，风力机叶片尾缘襟翼作为一种能有效降低风轮载荷波动的结构也被深入研究。相应的襟翼控制方法也成为必要技术，有很好的应用前景。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于漂浮式风力机叶片尾缘襟翼的控制方法。该方法用于减缓漂浮式风力机平台运动引起的功率波动，有效降低风轮载荷波动。根据平台运动的六个自由度(包括纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、垂摇)及其他必要参数的测量数据确定风力机叶片襟翼偏转角。其中涉及六个自由度与尾缘襟翼处相对速度(包括轴向相对速度和切向相对速度)的对应关系、轴向相对速度和切向相对速度与襟翼偏转角的对应关系。使用该襟翼控制法能有效减小平台运动引起的风力机功率波动，在漂浮式海上风力机上有很好的应用前景。
一种用于减缓漂浮式风力机风轮载荷波动的尾缘襟翼控制方法，包括以下几个步骤：
步骤1：采集风力机中风轮和叶片以下参数：风力机叶轮襟翼距叶轮旋转中心的距离R、风轮旋转角速度ω、轮毂高度h、风轮处的当地风速V、叶片桨距角β、叶片方位角ψ、襟翼偏转角的初始值αf(i)；
步骤2：使用惯性测量单元测量漂浮式平台的以下数据：包括纵摇运动的角度、纵摇运动的角速度、横摇运动的角速度、垂摇运动的角度、垂摇运动的角速度、纵荡运动的速度、横荡运动的速度以及垂荡运动的速度；
步骤3：根据步骤1和步骤2测量的数据计算尾缘襟翼处叶片与气流的轴向相对速度；
步骤4：根据步骤1和步骤2测量的数据计算尾缘襟翼处叶片与气流的切向相对速度；
步骤5：根据轴向相对速度和切向相对速度计算尾缘襟翼的偏转角的值αf(i+1)；
步骤6：根据值αf(i)和αf(i+1)确定尾缘襟翼需要转动的角度。
进一步的，步骤3计算尾缘襟翼处叶片与气流的轴向相对速度的计算公式为：
VN＝V-Vsurge·cos(αpitch)·cos(ayaw)-ωpitch·(h-R·sinψ)-ωyaw·R
式中，VN为轴向相对速度，V为风轮处的当地风速，Vsurge为纵荡运动的速度，αpitch为纵摇运动的角度，αyaw为垂摇运动的角度，ωpitch为纵摇运动的角速度，h为轮毂高度，R为风力机叶轮襟翼距叶轮旋转中心的距离，ψ为叶片方位角，ωyaw为垂摇运动的角速度。
进一步的，步骤4计算尾缘襟翼处叶片与气流的切向相对速度的计算公式为：
VT＝ω·R-Vsway·sinψ-ωroll·(h-R·sinψ)+Vheave·cosψ
式中，VT为切向相对速度，Vsway为横荡运动的速度，ωroll为横摇运动的角速度，Vheave为垂荡运动的速度，R为风力机叶轮襟翼距叶轮旋转中心的距离，ω为风轮旋转角速度，ψ为叶片方位角，h为轮毂高度。
进一步的，步骤5计算尾缘襟翼偏转角的值的方法采用一次函数，尾缘襟翼偏转角的计算公式为：
式中，αf(i+1)为尾缘襟翼的偏转角，a为尾缘襟翼控制系数，VN为轴向相对速度，VT为切向相对速度，V为风轮处的当地风速，β为叶片桨距角。
进一步的，步骤6根据值αf(i)和αf(i+1)确定尾缘襟翼需要转动的角度：
△αf＝αf(i+1)-αf(i)
进一步的，分别计算每个带有襟翼结构的叶片的尾缘襟翼需要转动的角度值，分别控制每个尾缘襟翼需要转动的角度。
本发明的有益效果为：通过采用惯性测量单元的结果进行上述计算，确定尾缘襟翼偏转角，能有效跟踪风力机平台的运动，控制精度更高；采用该尾缘襟翼控制方法，能有效减小风力机风轮载荷波动，减小相关部件的疲劳；采用该尾缘襟翼控制方法，能有效控制由平台运动引起的风力机功率波动，即能显著提高风力机输出电能的质量。
附图说明
图1为本发明的控制的功率结果与无控制时的功率结果比较图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本方法用于减缓漂浮式风力机平台运动引起的风轮载荷波动，所以控制程序的主要输入量为惯性测量单元测量得到的漂浮式平台的六个自由度(包括纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、垂摇)的运动数据，进而算出叶片襟翼位置的气流相对速度，包括轴向相对速度和切向相对速度，通过设襟翼偏转角与尾缘襟翼处的相对速度和迎角都成一次函数关系，求出尾缘襟翼偏转角的值。通过实验测出尾缘襟翼控制系数，可以得到准确的控制方程。
美国可再生能源实验室(NREL)的一个5MW的海上漂浮式风电机组有可靠的基础数据，以NREL的5MW海上漂浮式风电机组为研究对象，将该尾缘襟翼控制模型与漂浮式风力机自由涡尾迹(FVW)模型相结合，可以算出在漂浮式风力机平台运动的作用下风力机的功率波动情况，通过对比有无襟翼控制来验证该尾缘襟翼控制方法的有效性。
选择把占弦比为20％的简单襟翼安装在距叶尖1.2米到15.2米位置上，风力机的工作在风速为8m/s、转速为9.16rpm的工况下，输入漂浮式风力机平台运动负载状况(风速8m/s，浪高6m，周期为10s)。
在漂浮式风力机自由涡尾迹(FVW)模型计算叶轮推力和转矩的模块之前增加襟翼控制模块，模块计算的具体步骤如下：
步骤1：采集风力机中风轮和叶片以下参数：风力机叶轮襟翼距叶轮旋转中心的距离R、风轮旋转角速度ω、轮毂高度h、风轮处的当地风速V、叶片桨距角β、叶片方位角ψ、襟翼偏转角的初始值αf(i)。
步骤2：输入惯性测量单元测量漂浮式平台的六个自由度方向的数据，包括纵摇运动的角度αpitch、纵摇运动的角速度ωpitch、横摇运动的角速度ωroll、垂摇运动的角度αyaw、垂摇运动的角速度ωyaw、纵荡运动的速度Vsurge、横荡运动的速度Vsway、垂荡运动的速度Vheave。
步骤3：根据步骤1和步骤2输入的数据计算尾缘襟翼处叶片与气流的轴向相对速度：
VN＝V-Vsurge·cos(αpitch)·cos(αyaw)-ωpitch·(h-R·sinψ)-ωyaw·R
步骤4：根据步骤1和步骤2输入的数据计算尾缘襟翼处叶片与气流的切向相对速度：
VT＝ω·R-Vsway·sinψ-ωroll·(h-R·sinψ)+Vheave·cosψ
步骤5：根据轴向相对速度和切向相对速度计算尾缘襟翼的偏转角的值αf(i+1)：
步骤6：根据值αf(i)和αf(i+1)确定尾缘襟翼需要转动的角度：
△αf＝af(i+1)-af(i)
步骤7：分别计算每个带有襟翼结构的叶片的尾缘襟翼需要转动的角度值，分别控制每个尾缘襟翼需要转动的角度，确定风轮的气动载荷数据。
程序运行模拟60s，可以得到如图1所示的功率波动对比图。从图中可以看出漂浮式风力机平台运动造成的风力机功率波动很大，而通过增加本发明提出的襟翼控制方法能有效减小因漂浮式平台造成的风力机功率波动。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于减缓漂浮式风力机风轮载荷波动的尾缘襟翼控制方法，其特征在于包括以下几个步骤：
步骤1：采集风力机中风轮和叶片以下参数：风力机叶轮襟翼距叶轮旋转中心的距离R、风轮旋转角速度ω、轮毂高度h、风轮处的当地风速V、叶片桨距角β、叶片方位角ψ、襟翼偏转角的初始值αf(i)；
步骤2：使用惯性测量单元测量漂浮式平台的以下数据：包括纵摇运动的角度、纵摇运动的角速度、横摇运动的角速度、垂摇运动的角度、垂摇运动的角速度、纵荡运动的速度、横荡运动的速度以及垂荡运动的速度；
步骤3：根据步骤1和步骤2测量的数据计算尾缘襟翼处叶片与气流的轴向相对速度；
步骤4：根据步骤1和步骤2测量的数据计算尾缘襟翼处叶片与气流的切向相对速度；
步骤5：根据轴向相对速度和切向相对速度计算尾缘襟翼的偏转角的值αf(i+1)；
步骤6：根据值αf(i)和αf(i+1)确定尾缘襟翼需要转动的角度。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述步骤3计算尾缘襟翼处叶片与气流的轴向相对速度的计算公式为：
VN＝V-Vsurge·cos(αpitch)·cos(αyaw)-ωpitch·(h-R·sinψ)-ωyaw·R
式中，VN为轴向相对速度，V为风轮处的当地风速，Vsurge为纵荡运动的速度，αpitch为纵摇运动的角度，αyaw为垂摇运动的角度，ωpitch为纵摇运动的角速度，h为轮毂高度，R为风力机叶轮襟翼距叶轮旋转中心的距离，ψ为叶片方位角，ωyaw为垂摇运动的角速度。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述步骤4计算尾缘襟翼处叶片与气流的切向相对速度的计算公式为：
VT＝ω·R-Vsway·sinψ-ωroll·(h-R·sinψ)+Vheave·cosψ
式中，VT为切向相对速度，Vsway为横荡运动的速度，ωroll为横摇运动的角速度，Vheave为垂荡运动的速度，R为风力机叶轮襟翼距叶轮旋转中心的距离，ω为风轮旋转角速度，ψ为叶片方位角，h为轮毂高度。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述步骤5计算尾缘襟翼偏转角的值的方法采用一次函数，尾缘襟翼偏转角的计算公式为：
式中，αf(i+1)为尾缘襟翼的偏转角，a为尾缘襟翼控制系数，VN为轴向相对速度，VT为切向相对速度，V为风轮处的当地风速，β为叶片桨距角。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述步骤6根据值αf(i)和αf(i+1)确定尾缘襟翼需要转动的角度：
Δαf＝αf(i+1)-αf(i)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的控制方法，其特征在于分别计算每个带有襟翼结构的叶片的尾缘襟翼需要转动的角度值，分别控制每个尾缘襟翼需要转动的角度。
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