CN110005579A - 一种叶片根部力矩测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种叶片根部力矩测量方法,包括:采集风力发电机转速和风电场风速,计算风轮转速和叶尖速比;采集风力发电机电磁转矩,计算风轮的阻力矩;根据风轮转速、风轮的阻力矩,利用状态观测器计算风轮的旋转力矩;根据风轮的旋转力矩计算风轮旋转力矩系数,根据预存储的风轮旋转力矩系数、叶尖速比和风轮轴向推力系数的关系,得到风轮轴向推力系数,根据风轮轴向推力系数计算风对风轮的轴向推力矩;用风轮的旋转力矩和风对风轮的轴向推力矩合成叶片根部力矩。本发明通过计算风轮的旋转力矩和风对风轮的轴向推力矩,最终得到叶片根部力矩,整个测量过程简单可靠,有效解决了现有技术的力矩检测系统较脆弱的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种叶片根部力矩测量方法,属于风力发电状态监测技术领域。
背景技术
叶片是风力发电机组的核心部件,叶片的健康状况直接影响机组的效率,叶片的成本约占风机总成本的15%-20%左右。如果能够持续地监测叶片的运行状况,及早探测出微小损伤以及表面覆冰等不良情况,实现提前计划性维护,防微杜渐,不但能够延长叶片的寿命、降低维修费用,而且能提高机组的可利用率和发电效率,具有很大的经济效益。因此实时监测风机叶片的运行状况,对风电机组的健康运行具有重要意义。
叶片根部受力特征为:风力发电机风轮叶片安装于轮毂上,为了保证风轮旋转稳定,叶片在风轮平面上对称分布,受力大小基本一致,这样才能保证风轮平面受力平衡,从而避免风轮旋转时抖动。研究叶片根部力矩在不同风况下的变化规律,得到叶片根部力矩的时域和频率信号特征,进而可以确定传感器选型的技术参数和测量方法;结合风电机组运行的控制策略,分析叶片根部力矩在不同工况下的阈值范围,从而得到其故障数据特征的变化规律,进而达到叶片状态的在线监测功能。另外,由于叶片结冰后会引起叶片升力系数和阻力系数变化,同样风速下,叶片根部力矩会出现变化,因此通过检测叶片根部力矩变化可以发现叶片结冰现象。
现有技术中,检测叶片根部力矩最常用的方法是在叶片根部安装应力传感器,但是这种传感器安装困难,即使安装成功,传感器本身也容易损坏,造成整个力矩检测系统比较脆弱。
发明内容
本发明的目的是提供一种叶片根部力矩测量方法,用于解决现有技术的力矩检测系统较脆弱的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种叶片根部力矩测量方法,包括以下步骤:
采集风力发电机转速(ve)和风电场风速(v),从而计算风轮转速(vg)和叶尖速比(λ);
采集风力发电机电磁转矩(Te),从而计算风轮的阻力矩(Tr);
根据风轮转速(vg)、风轮的阻力矩(Tr),利用状态观测器计算风轮的旋转力矩(Trot);
根据所述风轮的旋转力矩(Trot)计算风轮旋转力矩系数(CM),根据预存储的风轮旋转力矩系数、叶尖速比和风轮轴向推力系数的关系,得到风轮轴向推力系数(CT),根据所述风轮轴向推力系数(CT)计算风对风轮的轴向推力矩(T);
用所述风轮的旋转力矩(Trot)和所述风对风轮的轴向推力矩(T)合成叶片根部力矩(Troot)。
本发明的有益效果是:通过计算风轮转速、叶尖速比和风轮的阻力矩,并利用状态观测器计算得到风轮的旋转力矩,进而得到风轮旋转力矩系数;根据预存储的风轮旋转力矩系数、叶尖速比和风轮轴向推力系数的关系,得到风轮轴向推力系数,进而得到风对风轮的轴向推力矩;将风轮的旋转力矩和风对风轮的轴向推力矩进行合成即可得到叶片根部力矩,整个检测过程简单可靠,有效解决了现有技术的力矩检测系统较脆弱的问题。
进一步的,为了可靠获取风轮轴向推力系数,所述预存储的风轮旋转力矩系数、叶尖速比和风轮轴向推力系数的关系通过表或者图进行存储,通过查表或者查图的方式得到所述风轮轴向推力系数(CT)。
进一步的,为了可靠获取风轮转速和叶尖速比,所述风轮转速(vg)和叶尖速比(λ)的计算公式为:
其中,vg为风轮转速,λ为叶尖速比,ve为风力发电机转速,v为风电场风速,K为齿轮箱减速比,R为风轮平面半径。
进一步的,为了可靠获取风轮的阻力矩,所述风轮的阻力矩(Tr)的计算公式为:
Tr=TeK
其中,Tr为风轮的阻力矩,Te为风力发电机电磁转矩。
进一步的,为了可靠获取风轮的旋转力矩,所述状态观测器的计算公式为:
其中,z1、z2、z3、z1new、z2new和z3new为风轮运动状态的估计值,初次运行前z1、z2和z3初始化为0,T0为数据采集周期,ζ为风轮生产商提供的风轮的转动惯量,sign()为符号函数,Trot为风轮的旋转力矩,e和η为变量。
进一步的,为了可靠获取风轮旋转力矩系数,所述风轮旋转力矩系数(CM)的计算公式为:
其中,CM为风轮旋转力矩系数,ρ为风电场空气密度,A是风轮平面面积,v为风电场风速。
进一步的,为了可靠获取风对风轮的轴向推力矩,所述风对风轮的轴向推力矩(T)计算公式为:
其中,T为风对风轮的轴向推力矩,CT为风轮轴向推力系数。
进一步的,为了可靠获取叶片根部力矩,所述叶片根部力矩(Troot)的计算公式为:
其中,Troot为叶片根部力矩,n为风轮叶片个数。
附图说明
图1是本发明叶片根部力矩测量方法对应的原理图;
图2是本发明叶片根部力矩测量方法的流程图;
图3是本发明桨距角为3°时的风轮受力系数曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本实施例提供了一种叶片根部力矩测量方法,其对应的测量原理如图1所示,通过计算风轮的旋转力矩和风对风轮的轴向推力矩,最终正交合成得到叶片根部力矩,整个检测过程简单可靠。其中,风轮的旋转力与风轮平面切向方向平行,风对风轮的轴向推力即为风轮平面圆轴线方向推力。具体的,该叶片根部力矩测量方法对应的流程图如图2所示,包括以下步骤:
(1)采集风力发电机转速ve和风电场风速v,从而计算风轮转速vg和叶尖速比λ。
具体的,风轮转速vg和叶尖速比λ的计算公式为:
其中,K为齿轮箱减速比,R为风轮平面半径。
在本实施例中,风力发电机转速ve的单位为转/分钟,风电场风速v可以通过风电场风杯测量得到。当然,风力发电机转速ve也可以取其他单位,此时需要对风轮转速vg和叶尖速比λ的计算公式进行相应的单位换算。
(2)采集风力发电机电磁转矩Te,从而计算风轮的阻力矩Tr。
其中,风轮的阻力矩Tr的计算公式为:
Tr=TeK
其中,K为齿轮箱减速比。
(3)根据风轮转速vg和风轮的阻力矩Tr,利用状态观测器计算风轮的旋转力矩Trot。
具体的,状态观测器的计算公式如下:
其中,z1、z2、z3、z1new、z2new和z3new为风轮运动状态的估计值,初次运行前z1、z2和z3初始化为0,T0为数据采集周期,ζ为风轮生产商提供的风轮的转动惯量,sign()为符号函数,e和η为变量。
利用上述公式(1)计算风轮的旋转力矩Trot的过程为:将当前的风轮运动状态的估计值z1、z2和z3以及当前的风轮转速vg带入公式(1),得到新的风轮运动状态的估计值:z1new、z2new和z3new。下次迭代时,用z1new、z2new和z3new分别替代z1、z2和z3,并将替代后得到的z1、z2和z3以及新的风轮转速vg带入公式(1)重新计算,如此迭代运行用以观测风轮的旋转力矩Trot。初次迭代时,风轮的旋转力矩Trot的估计值可能不准确,测试发现,迭代100次(测试系统用时10秒)后,风轮的旋转力矩Trot的估计值已接近实际值并与实际值同步变化。
(4)根据风轮的旋转力矩Trot计算风轮旋转力矩系数CM,根据预存储的风轮旋转力矩系数、叶尖速比和风轮轴向推力系数的关系,得到风轮轴向推力系数CT,根据风轮轴向推力系数CT计算风对风轮的轴向推力矩T。
具体的,风轮旋转力矩系数CM的计算公式为:
其中,ρ为风电场空气密度,A是风轮平面面积,v为风电场风速。
为了获取风轮轴向推力系数CT,可以将预存储的风轮旋转力矩系数、叶尖速比和风轮轴向推力系数的关系通过表或者图进行存储,然后通过查表或查图的方式,根据风轮旋转力矩系数CM和叶尖速比λ,得到对应的风轮轴向推力系数CT。例如,根据叶片生产商提供的blade模型(叶片模型),计算不同桨距角和叶尖速比下的风轮受力系数曲线,图3给出了桨距角为3°时的风轮受力系数曲线,并把风轮受力系数曲线以表格形式即将风轮受力系数列表存入状态检测系统的flash中以备系统查询。
图3中,风轮旋转力矩系数与1~2个风轮轴向推力系数相对应,如果一个风轮旋转力矩系数映射出两个风轮轴向推力系数,则通过叶尖速比λ区分风轮旋转力矩系数,举例说明如下:
设根据当前风速和发电机信息计算的叶尖速比λ为λ0,风轮旋转力矩系数为Cm0,Cm0通过图3中的曲线映射出两个点(λ1,CT1)和(λ2,CT2)然后计算两点对应的风尖速比与λ0之差的绝对值,若|λ1-λ0|<|λ2-λ0|则CT1为当前旋转力矩系数Cm0对应的风轮轴向推力系数值,反之CT2为当前旋转力矩系数Cm0对应的风轮轴向推力系数值。
注意,把风机模型导入风机开发软件工具GH-Bladed(用于风轮运行性能和载荷计算的集成化软件,是风力发电机研究单位最常用的软件)中仿真运行,可以直接得到风轮旋转力矩系数和风轮轴向推力系数,也可以根据风力发电机叶素动量理论计算风轮受力系数。
根据风轮轴向推力系数CT,计算风对风轮的轴向推力矩T的公式为:
(5)用风轮的旋转力矩Trot和风对风轮的轴向推力矩T合成叶片根部力矩Troot。
具体的,设风轮叶片个数为n,则叶片根部力矩Troot的计算公式为:
其中,T为风对风轮的轴向推力矩,n为风轮叶片个数。
Claims (8)
1.一种叶片根部力矩测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
采集风力发电机转速(ve)和风电场风速(v),从而计算风轮转速(vg)和叶尖速比(λ);
采集风力发电机电磁转矩(Te),从而计算风轮的阻力矩(Tr);
根据风轮转速(vg)和风轮的阻力矩(Tr),利用状态观测器计算风轮的旋转力矩(Trot);
根据所述风轮的旋转力矩(Trot)计算风轮旋转力矩系数(CM),根据预存储的风轮旋转力矩系数、叶尖速比和风轮轴向推力系数的关系,得到风轮轴向推力系数(CT),根据所述风轮轴向推力系数(CT)计算风对风轮的轴向推力矩(T);
用所述风轮的旋转力矩(Trot)和所述风对风轮的轴向推力矩(T)合成叶片根部力矩(Troot)。
2.根据权利要求1所述的叶片根部力矩测量方法,其特征在于,所述预存储的风轮旋转力矩系数、叶尖速比和风轮轴向推力系数的关系通过表或者图进行存储,通过查表或者查图的方式得到所述风轮轴向推力系数(CT)。
3.根据权利要求1或2所述的叶片根部力矩测量方法,其特征在于,所述风轮转速(vg)和叶尖速比(λ)的计算公式为:
其中,vg为风轮转速,λ为叶尖速比,ve为风力发电机转速,v为风电场风速,K为齿轮箱减速比,R为风轮平面半径。
4.根据权利要求3所述的叶片根部力矩测量方法,其特征在于,所述风轮的阻力矩(Tr)的计算公式为:
Tr=TeK
其中,Tr为风轮的阻力矩,Te为风力发电机电磁转矩。
5.根据权利要求4所述的叶片根部力矩测量方法,其特征在于,所述状态观测器的计算公式为:
其中,z1、z2、z3、z1new、z2new和z3new为风轮运动状态的估计值,初次运行前z1、z2和z3初始化为0,T0为数据采集周期,ζ为风轮生产商提供的风轮的转动惯量,sign()为符号函数,Trot为风轮的旋转力矩,e和η为变量。
6.根据权利要求5所述的叶片根部力矩测量方法,其特征在于,所述风轮旋转力矩系数(CM)的计算公式为:
其中,CM为风轮旋转力矩系数,ρ为风电场空气密度,A是风轮平面面积,v为风电场风速。
7.根据权利要求6所述的叶片根部力矩测量方法,其特征在于,所述风对风轮的轴向推力矩(T)计算公式为:
其中,T为风对风轮的轴向推力矩,CT为风轮轴向推力系数。
8.根据权利要求7所述的叶片根部力矩测量方法,其特征在于,所述叶片根部力矩(Troot)的计算公式为:
其中,Troot为叶片根部力矩,n为风轮叶片个数。
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GR01 | Patent grant | ||
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