CN109751187A - 一种风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法，在常规控制策略的基础上，增加了基于机舱前后加速度的变速率顺桨模块：当机组进入停机逻辑，首先判别机组触发的故障类型是否是软件超速停机警报，如果不是则采用对应的停机逻辑动作，如果是则采用基于机舱加速度的变速率停机逻辑，通过传感器实时测量机舱前后加速度，经过滤波器滤波之后，输出一个变桨速率值，与原控制器输出的变桨速率值叠加，再经过限幅，将最终的变桨速率值乘以控制器的循环时间，得到最终的桨距角给定值并输送给变桨系统，直至所有叶片桨距角都达到最大桨距角时，完成顺桨停机动作。本发明可以实现风力发电机组在特殊工况下的载荷优化控制。

Description

一种风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法。

背景技术

业内习知，随着风力发电技术的发展以及市场的需求，风力发电机组容量越来越大，叶片越来越长，而风机常常运行在相对较为恶劣的外部环境中，这就造成机组载荷越来越大，对机组的运行构成很大的安全隐患，给业主的经济效益带来负面影响。

当风速急剧增加，遭遇1年一遇的EOG阵风(Annual extreme operation gust，简称EOG1)和电网掉电故障。风速突变，以及电网掉电(脱负载)都极易造成发电机超速，从而造成大的塔底合弯矩。对应工况为dlc1.5(IEC-2nd)，针对这一问题，目前出现了很多解决方案，其中常见的有以下两种方案：

一、加强机组部件来提高机组安全性能；

二、优化控制策略，进行机组降载控制。

通过加强机组部件来提高机组安全性能，即增加机组部件的尺寸或者换用性能更好的材料，这势必会增加机组重量和成本，从而造成风力发电机组度电成本的增加，降低了竞争力。所以方案二是目前该领域常用方法和研究热点。目前采用的通过减小停机过程中桨叶的变桨速率来降低载荷，此方法在小容量、短叶片机组上是有效的，但对于目前市场需求的大容量长叶片机组却达不到预期的效果，因此现急需一种有效降低此极端风况下大容量长叶片风力发电机组载荷的方案。

针对目前特定极端风况下大容量长叶片机组存在的载荷偏大的问题，本发明提供了一种有效解决载荷偏大问题的方案。

首先，我们分析了在此工况机组运行时序情况，塔底合弯矩极限最大值发生在在停机过程中，此时对应高转速和大桨距角，即极限最大载荷发生在顺桨降低发电机转速、增加桨距角的过程中，高转速+大桨距角下叶片受力情况如图1所示，当高转速和大桨距角同时发生时，攻角为负，此时三个叶片均受到巨大的反向推力，从而造成了大的塔底极限载荷。

很明显，要想从根本上解决减小载荷，就必须优化机组停机逻辑，改变停机过程中机组运行状态，避免高转速与大桨距角同时出现。

发明内容

本发明针对目前风力发电机组在DLC1.5(IEC-2nd)载荷过大问题，提出了一种可靠的风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法，通过优化机组停机逻辑，改变停机过程中机组运行状态，避免高转速与大桨距角同时出现，减小了反向推力，降低了塔底极限载荷，有效地实现了风力发电机组在特殊工况下的载荷优化控制。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法，该方法是在常规控制策略的基础上，增加了基于机舱前后加速度的变速率顺桨模块：当机组进入停机逻辑，首先判别机组触发的故障类型是否是软件超速停机警报，如果不是则采用对应的停机逻辑动作，如果是则采用基于机舱加速度的变速率停机逻辑，通过传感器实时测量机舱前后加速度，经过滤波器滤波之后，输出一个变桨速率值，与原控制器输出的变桨速率值叠加，再经过限幅，将最终的变桨速率值乘以控制器的循环时间，得到最终的桨距角给定值并输送给风力发电机组的变桨系统，直至所有叶片桨距角都达到最大桨距角时，完成顺桨停机动作。

当风力发电机组在极端风况下触发故障停机后，获取机组触发的故障警报编号，判断机组是否是因为软件超速而触发的停机；当机组是由于软件超速而触发的停机时，则机组进入基于机舱前后加速度的变速率顺桨停机模式：

通过传感器测量出机舱前后加速度，经过传递函数F(s)滤波得到一个小的变桨速率值ΔV(k)；

将得到的变桨速率值ΔV(k)与原控制器输出的变桨速率值Vo(k)进行叠加，经过限幅，再将限幅后的变桨速率值乘以控制器的循环时间，得到最终的桨距角给定值，输送给变桨系统，直至所有叶片桨距角都达到最大桨距角时，最大桨距角通常取90°，完成顺桨停机动作；

其中，两个变桨速率值叠加之后的变桨速率：

V(k)＝Vo(k)+ΔV(k)

对此变桨速率进行限幅后的最终变桨速率值为V_f(t)；

最终叶片桨距角为：

θ(k)＝V_f(k)*T

上式中，F(s)为传递函数，包括一个二阶低通滤波器，一个超前滞后滤波，以及P控制器k_p，ΔV(k)为当前时刻通过机舱前后加速度得到的变桨速率值，Vo(k)为原控制器输出的变桨速率值，V(k)两个变桨速率值叠加之后的变桨速率值，V_f(t)是将V(k)进行限幅后的最终变桨速率值，θ(k)为最终输出给变桨系统的桨距角值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过运用bladed软件，分别计算在DLC1.5(IEC-2nd)极端工况下不采用和采用基于机舱前后加速度变速率顺桨的塔底载荷并作对比，时序如图2至图5所示，其中，图2和图3分别为未采用基于机舱前后加速度变速率顺桨策略下的塔底合弯矩和变桨速率图，图4和图5分别为采用基于机舱前后加速度变速率顺桨策略下的塔底合弯矩和变桨速率图，载荷对比结果请参见表1，很明显采用基于机舱前后加速度变速率顺桨可以有效减小极限载荷。

表1控制策略前后塔底合弯矩Mxy对比(未加安全系数)

2、本发明方案无需增加机组设备，只需在控制算法中增加相应的功能模块，就能实现降载控制，节省成本且安全可靠。

综上所述，基于机舱前后加速度变速率顺桨策略可以通过减小反向推力，从而降低塔底载荷，降低度电成本，提高产品竞争力，具有十分广泛的应用前景。

附图说明

图1为高转速+大桨距角下叶片受力情况。

图2为原控制器下的塔底合弯矩曲线图。

图3为原控制器下的变桨速率曲线图。

图4为采用基于机舱前后加速度变速率顺桨下的塔底合弯矩曲线图。

图5为采用基于机舱前后加速度变速率顺桨下的变桨速率曲线图。

图6为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所提供的风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法，针对目前风力发电机组在DLC1.5(IEC-2nd)载荷过大问题，在常规控制策略的基础上，增加了基于机舱前后加速度的变速率顺桨模块：当机组进入停机逻辑，首先判别机组触发的故障类型是否是软件超速停机警报，如果不是则采用其他对应的停机逻辑动作，如果是则采用基于机舱加速度的变速率停机逻辑，通过传感器实时测量风机机舱前后加速度，经过滤波器滤波之后，输出一个变桨速率值，与原控制器输出的变桨速率值叠加，再经过限幅，将最终的变桨速率值乘以控制器的循环时间，得到最终的桨距角给定值，输送给变桨系统，直至所有叶片桨距角都达到最大桨距角(一般取90°)时，完成顺桨停机动作。此方法通过优化机组停机逻辑，改变停机过程中机组运行状态，避免高转速与大桨距角同时出现，减小了反向推力，有效地实现了风力发电机组在此工况下的载荷优化控制。

如图6所示，本实施例上述的风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法的主要步骤如下：

当风力发电机组在此极端风况下(EOG1阵风+电网掉电)触发故障停机后，获取机组触发的故障警报编号，判断机组是否是因为软件超速而触发的停机；当机组是由于软件超速而触发的停机时，则机组进入基于机舱前后加速度的变速率顺桨停机模式：

通过传感器测量出机舱前后加速度，经过传递函数F(s)滤波得到一个小的变桨速率值ΔV(k)；

将得到的变桨速率值ΔV(k)与原控制器输出的变桨速率值Vo(k)进行叠加，经过限幅，再将限幅后的变桨速率值乘以控制器的循环时间，得到最终的桨距角给定值，输送给变桨系统，直至所有叶片桨距角都到达最大桨距角(一般取90°)时，完成顺桨停机动作。

两个变桨速率值叠加之后的变桨速率：

V(k)＝Vo(k)+ΔV(k)

对此变桨速率进行限幅后的最终变桨速率值为V_f(t)

最终叶片桨距角：

θ(k)＝V_f(k)*T

式中，F(s)为传递函数，包括一个二阶低通滤波器，一个超前滞后滤波，以及P控制器k_p，ΔV(k)为当前时刻通过机舱前后加速度得到的变桨速率值，Vo(k)为原控制器输出的变桨速率值，V(k)两个变桨速率值叠加之后的变桨速率值，V_f(t)是将V(k)进行限幅后的最终变桨速率值，θ(k)为最终输出给变桨系统的桨距角值。

综上所述，本发明的基于机舱前后加速度变速率顺桨策略可以通过减小反向推力，从而降低塔底载荷，降低度电成本，提高产品竞争力，且整个方案无需增加机组设备，只需在控制算法中增加相应的功能模块，就能实现降载控制，节省成本且安全可靠，具有十分广泛的应用前景，值得推广。

备注：本发明方案同时适用于电网掉电停机、超功率等一系列变桨速率可控的停机过程。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法，其特征在于：该方法是在常规控制策略的基础上，增加了基于机舱前后加速度的变速率顺桨模块：当机组进入停机逻辑，首先判别机组触发的故障类型是否是软件超速停机警报，如果不是则采用对应的停机逻辑动作，如果是则采用基于机舱加速度的变速率停机逻辑，通过传感器实时测量机舱前后加速度，经过滤波器滤波之后，输出一个变桨速率值，与原控制器输出的变桨速率值叠加，再经过限幅，将最终的变桨速率值乘以控制器的循环时间，得到最终的桨距角给定值并输送给风力发电机组的变桨系统，直至所有叶片桨距角都达到最大桨距角时，完成顺桨停机动作。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组基于机舱加速度的变速率顺桨停机方法，其特征在于：

当风力发电机组在极端风况下触发故障停机后，获取机组触发的故障警报编号，判断机组是否是因为软件超速而触发的停机；当机组是由于软件超速而触发的停机时，则机组进入基于机舱前后加速度的变速率顺桨停机模式：

通过传感器测量出机舱前后加速度，经过传递函数F(s)滤波得到一个小的变桨速率值ΔV(k)；

将得到的变桨速率值ΔV(k)与原控制器输出的变桨速率值Vo(k)进行叠加，经过限幅，再将限幅后的变桨速率值乘以控制器的循环时间，得到最终的桨距角给定值，输送给变桨系统，直至所有叶片桨距角都达到最大桨距角时，最大桨距角通常取90°，完成顺桨停机动作；

其中，两个变桨速率值叠加之后的变桨速率：

V(k)＝Vo(k)+ΔV(k)

对此变桨速率进行限幅后的最终变桨速率值为V_f(t)；

最终叶片桨距角为：

θ(k)＝V_f(k)*T

上式中，F(s)为传递函数，包括一个二阶低通滤波器，一个超前滞后滤波，以及P控制器k_p，ΔV(k)为当前时刻通过机舱前后加速度得到的变桨速率值，Vo(k)为原控制器输出的变桨速率值，V(k)两个变桨速率值叠加之后的变桨速率值，V_f(t)是将V(k)进行限幅后的最终变桨速率值，θ(k)为最终输出给变桨系统的桨距角值。