CN110259637A - 风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法、装置及设备 - Google Patents

风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法、装置及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法、装置及设备，该方法包括：获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部的挥舞方向弯矩值；计算每个所述挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值；根据所述偏差值，计算每个所述叶片各自对应的矫正桨距角；将每个所述矫正桨距角与各自对应的叶片的目标控制桨距角相加，对所述风力发电机组进行变桨控制；本发明利用叶根载荷测量，对叶片的桨距角进行在线矫正，降低叶片气动不平衡，从而降低受叶片加工精度、安装精度及叶片表面污损等情况导致的叶片气动不平衡，对机组运行安全及发电效率带来的影响，使风力发电机组能够稳定高效的运行。

Description

风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组的叶片气动 不平衡矫正方法、装置及设备。
背景技术
现阶段国内外大规模商业运营的风力发电机组通常采用上风向、水平轴、 3叶片的结构形式，通过3支叶片组合成的风轮吸收风能并转换为电能。叶片 作为吸收风能的最前端部件，其性能直接影响整机的发电性能和稳定性。受 叶片加工精度、安装精度及叶片表面污损等影响，机组运行过程中3支叶片易 出现气动不平衡现象，直接导致风轮受载不平衡、发电效率低，诱发风力发 电机组振动超限甚至破坏性倒塔等严重事故。
现有技术中，针对叶轮不平衡的检测与诊断已经被广泛提出。如CN201210396295.X“基于电流信号的风电机组的叶片不平衡故障诊断方法” 和CN201611256077.0“用于确定风力发电机组的叶片平衡状况的方法和系 统”等，通过发电机电流不平衡或叶片应力传感器测量值偏差判断等方法。 这些方法都可以较为准确的分析出叶轮不平衡现象，但叶轮不平衡如何改善， 是由哪只或哪些叶片引起，各自影响量有多少，如何对3支叶片进行独立调整、 调整量是多少才能使风轮(叶片)气动不平衡降低到可接受的范围均未有提 及。
因此，如何能够降低叶片气动不平衡，从而降低受叶片加工精度、安装 精度及叶片表面污损等情况导致的叶片气动不平衡，对机组运行安全及发电 效率带来的影响，使风力发电机组能够稳定高效的运行，是现今急需解决的 问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法、装 置及设备，以利用叶根载荷测量，对叶片的桨距角进行在线矫正，降低叶片 气动不平衡。
为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电机组的叶片气动不平衡 矫正方法，包括：
获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部的挥舞方向弯 矩值；
计算每个所述挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值；
根据所述偏差值，计算每个所述叶片各自对应的矫正桨距角；
将每个所述矫正桨距角与各自对应的叶片的目标控制桨距角相加，对所 述风力发电机组进行变桨控制。
可选的，所述基准载荷为所述挥舞方向弯矩值进行大小排序时居中的所 述挥舞方向弯矩值。
可选的，所述计算每个所述挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值，包括：
依次计算当前挥舞方向弯矩值与所述基准载荷的差值；其中，当前挥舞 方向弯矩值为任一所述挥舞方向弯矩值；
判断当前挥舞方向弯矩值对应的差值的绝对值是否大于阈值；
若是，则将当前挥舞方向弯矩值对应的差值作为当前挥舞方向弯矩值对 应的偏差值；
若否，则将预设数值作为当前挥舞方向弯矩值对应的偏差值。
可选的，所述阈值为所述基准载荷的1％，所述预设数值为0。
可选的，所述获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部 的挥舞方向弯矩值，包括：
获取所述载荷传感器采集的3支所述叶片各自根部的原始挥舞方向弯矩 值；
对所述原始挥舞方向弯矩值进行低通滤波和陷波滤波，得到所述挥舞方 向弯矩值。
可选的，所述根据所述偏差值，计算每个所述叶片各自对应的矫正桨距 角，包括：
根据叶片推力与叶根弯矩的近似关系和叶片推力与桨距角的非线性关 系，计算每个所述偏差值各自对应的桨距角偏差；
根据每支叶片各自对应的桨距角偏差和上一矫正桨距角，确定并存储每 个所述叶片各自对应的当前矫正桨距角。
可选的，所述根据叶片推力与叶根弯矩的近似关系和叶片推力与桨距角 的非线性关系，计算每个所述偏差值各自对应的桨距角偏差，包括：
利用计算每个所述偏差值各自对应的桨距角偏差；
其中，CPitch1、CPitch2和CPitch3为所述桨距角偏差，eMy1、eMy2和eMy3 为所述偏差值，R为叶片半径，β1、β2和β3为分别为每支叶片各自的测量角度， a、b和c为分别为预设拟合2次函数系数。
可选的，当前矫正桨距角存储在PLC断电保护存储器。
本发明还提供了一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正装置，包括：
获取模块，用于获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根 部的挥舞方向弯矩值；
第一计算模块，用于计算每个所述挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值；
第二计算模块，用于根据所述偏差值，计算每个所述叶片各自对应的矫 正桨距角；
控制模块，用于将每个所述矫正桨距角与各自对应的叶片的目标控制桨 距角相加，对所述风力发电机组进行变桨控制。
此外，本发明还提供了一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正设备， 包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的风力发电 机组的叶片气动不平衡矫正方法的步骤。
本发明所提供的一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，包括： 获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部的挥舞方向弯矩值； 计算每个所述挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值；根据所述偏差值，计算 每个所述叶片各自对应的矫正桨距角；将每个所述矫正桨距角与各自对应的 叶片的目标控制桨距角相加，对所述风力发电机组进行变桨控制；
可见，本发明通过获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根 部的挥舞方向弯矩值，利用叶根载荷测量，对叶片的桨距角进行在线矫正， 降低叶片气动不平衡，从而降低受叶片加工精度、安装精度及叶片表面污损 等情况导致的叶片气动不平衡，对机组运行安全及发电效率带来的影响，使 风力发电机组能够稳定高效的运行。此外，本发明还提供了一种风力发电机 组的叶片气动不平衡矫正装置及设备，同样具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正 方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的另一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫 正方法的示意框图；
图3为本发明实施例所提供的一种叶片推力与桨距角的变化率关系展示 图；
图4为叶片不平衡矫正过程的示意图；
图5为叶片最终矫正角度结果的展示图；
图6为3支叶片叶根的载荷值随矫正执行的变化时序图；
图7为固定轮毂载荷值随矫正执行的变化时序图；
图8为塔筒载荷值随矫正执行的变化时序图；
图9为本发明实施例所提供的一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正 装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种风力发电机组的叶片气动 不平衡矫正方法的流程图。该方法可以包括：
步骤101：获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部的挥 舞方向弯矩值。
其中，本步骤的目的可以为处理器获取安装在风力发电机组中3支叶片 的根部的载荷传感器采集的挥舞方向弯矩值。具体的，对于本步骤中的载荷 传感器的具体设置位置和设置数量，可以由设计人员根据实用场景和用户需 求自行设置，只要载荷传感器可以采集到风力发电机组中3支叶片各自根部 的挥舞方向弯矩值，本实施例对此不做任何限制。
对应的，对于本步骤中获取的挥舞方向弯矩值的具体方式，可以由设计 人员自行设置，如可以直接接收载荷传感器发送的原始挥舞方向弯矩值(如 图2中的My1、My2和My3)，即本步骤中的挥舞方向弯矩值可以为载荷传感 器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部的原始挥舞方向弯矩值；也可以 对载荷传感器发送的原始挥舞方向弯矩值进行滤波处理后，获取滤波后的原 始挥舞方向弯矩值，即本步骤中的挥舞方向弯矩值可以为滤波后的原始挥舞 方向弯矩值，如图2所示，利用电路或算法设置的低通滤波器和陷波滤波器， 滤除载荷传感器发送的原始挥舞方向弯矩值(My1、My2和My3)中的高频干 扰信号及周期性干扰信号，得到滤波后纯净的叶片根部的挥舞方向弯矩值 (FMy1、FMy2和FMy3)。也就是说，本步骤可以包括：获取载荷传感器采 集的风力发电机组的3支叶片各自根部的原始挥舞方向弯矩值；对原始挥舞 方向弯矩值进行低通滤波和陷波滤波，得到挥舞方向弯矩值。本实施例对此 不做任何限制。
步骤102：计算每个挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值。
其中，本步骤的目的可以为处理器计算3支叶片的挥舞方向弯矩值分别 与基准载荷之间的偏差值。对于本步骤中的基准载荷的具体选择，可以由设 计人员自行设置，如基准载荷可以为设计人员或用户预先设置的一个固定数 值；基准载荷也可以为3支叶片的挥舞方向弯矩值中的一个挥舞方向弯矩值， 例如基准载荷为挥舞方向弯矩值进行大小排序时居中的挥舞方向弯矩值，即 本步骤可以对滤波后得到的3支叶片的挥舞方向弯矩值进行排序，选择居中 值(居中的挥舞方向弯矩值)为基准载荷。只要处理器可以获取基准载荷，本实施例对此不做任何限制。
可以理解的是，对于本步骤中计算每个挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏 差值的具体方式，可以由设计人员自行设置，如可以直接将每个挥舞方向弯 矩值与基准载荷之间的差值作为偏差值。也可以在任一挥舞方向弯矩值与基 准载荷的差值大于阈值时，将该差值作为该挥舞方向弯矩值对应的偏差值； 在挥舞方向弯矩值与基准载荷的差值小于或等于阈值时，将预设数值作为该 挥舞方向弯矩值对应的偏差值。也就是说，本步骤可以包括依次计算当前挥 舞方向弯矩值与基准载荷的差值；其中，当前挥舞方向弯矩值为任一挥舞方 向弯矩值；判断当前挥舞方向弯矩值对应的差值的绝对值是否大于阈值；若 是，则将当前挥舞方向弯矩值对应的差值作为当前挥舞方向弯矩值对应的偏 差值；若否，则将预设数值作为当前挥舞方向弯矩值对应的偏差值。只要可 以计算得到3支叶片的挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值，本实施例对此 不做任何限制。
具体的，对于上述阈值和预设数值的具体数值设置，可以由设计人员或 用户自行设置，如可以将预设数值设置为0；如图2所示，将居中的挥舞方向 弯矩值为基准载荷时，若3支叶片的挥舞方向弯矩值为FMy1＞FMy2＞FMy3， 则当任一叶片的偏差值(eMy1、eMy2或eMy3)不大于 阈值(errorMy)时，可以认为两叶片气动基本相当，偏差值为0(预设数值)， 如其中，eMy1、eMy2和eMy3为3支 叶片的挥舞方向弯矩值对应的偏差值；errorMy为阈值，可以为基准载荷(如 FMy2)的1％。本实施例对此不做任何限制。
步骤103：根据偏差值，计算每支叶片各自对应的矫正桨距角。
可以理解的是，本步骤的目的可以为处理器利用每支叶片的偏差值，计 算每叶片各自对应变桨控制时需矫正调整的桨距角(矫正桨距角)。
具体的，对于本步骤中根据偏差值，计算每支叶片各自对应的矫正桨距 角，可以由设计人员自行设置，如图2所示，可以先根据叶片推力(叶片所 受推力)与叶根弯矩的近似关系和叶片推力与桨距角的非线性关系，通过下 式计算3个偏差值(eMy1、eMy2和eMy3)各自对应的矫正角度(桨距角偏差， CPitch1、CPitch2和CPitch3)：
其中，R为风力发电机组的叶片半径，a、b和c为分别为预设拟合2次 函数系数，β1、β2和β3为分别为每支叶片各自的测量角度，叶根弯矩偏差eMy与叶片推力偏差ΔF的近似关系可以如下：
利用通用商业软件GH-Bladed得到图3所示叶片气动非线性关系，可据 此拟合叶片推力偏差ΔF与桨距角偏差Δβ之间关系如下：
ΔF/Δβ＝a*β2+b*β+c
得到3个偏差值各自对应的桨距角偏差后，再根据3个桨距角偏差和上 一次变桨控制时需矫正调整的3个桨距角(上一矫正桨距角)，确定并存储 本次变桨控制时需矫正调整的3个桨距角(当前矫正桨距角)，例如可以采 用图下公式，将本次3支叶片的矫正桨距角(当前矫正桨距角)设置为3个 桨距角偏差与各自对应的上一矫正桨距角之和：
对应的，为了保证图2中矫正角度保持器存储的本次变桨控制时需矫正 调整的当前矫正桨距角可以在下一次变桨控制时得到使用，本步骤中可以将 当前矫正桨距角作为下一次变桨控制时的上一矫正桨距角，存储到PLC断电 保护存储器中，以在断电重启后叶片矫正可直接使用之前保存的矫正值(上 一矫正桨距角)，减少重复矫正的过程。
步骤104：将每个矫正桨距角与各自对应的叶片的目标控制桨距角相加， 对风力发电机组进行变桨控制。
可以理解的是，本步骤的目的可以为处理器将得到的3支叶片各自的矫 正桨距角分别与风力发电机组传统的变桨控制器得到的3支叶片的目标控制 角度(目标控制桨距角)相加，作为最终3支叶片的变桨控制目标(最终控 制桨距角)输入到风力发电机组变桨系统进行变桨控制，完成矫正。
具体的，如图2所示，可以采用如下公式，将每个矫正桨距角与各自对 应的叶片的目标控制桨距角相加，得到3支叶片的最终控制桨距角，对风力 发电机组进行变桨控制：
其中，KPitch1、KPitch2和KPitch3为3支叶片的 矫正桨距角，Pitch1、Pitch2和Pitch3为3支叶片的目标控制桨距角，TPitch1、 TPitch2和TPitch3为3支叶片的最终控制桨距角。
需要说明的是，以某2MW风力发电机组为例，在行业广泛使用的仿真软 件GH-Bladed中设置3叶片固定安装角度偏差分别为0°、-0.5°和1°，通 过本实施例所提供的方法仿真验证结果可以如图4～8所示，经过有限的几次 循环矫正后，3支叶片最终矫正角度(矫正桨距角)分别为0°、0.512°和 -1.046°，补偿设定固定偏差值后偏差角度分别为0°、0.012°和0.046°， 矫正后由叶片气动不平衡导致的风电机组载荷波动得到有效降低，实现了3 叶片之间气动平衡高精度自矫正。
本实施例中，本发明实施例通过获取载荷传感器采集的风力发电机组的3 支叶片各自根部的挥舞方向弯矩值，利用叶根载荷测量，对叶片的桨距角进 行在线矫正，降低叶片气动不平衡，从而降低受叶片加工精度、安装精度及 叶片表面污损等情况导致的叶片气动不平衡，对机组运行安全及发电效率带 来的影响，使风力发电机组能够稳定高效的运行。
请参考图9，图9为本发明实施例所提供的一种风力发电机组的叶片气动 不平衡矫正装置的结构框图。该装置可以包括：
获取模块10，用于获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自 根部的挥舞方向弯矩值；
第一计算模块20，用于计算每个挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值；
第二计算模块30，用于根据偏差值，计算每支叶片各自对应的矫正桨距 角；
控制模块40，用于将每个矫正桨距角与各自对应的叶片的目标控制桨距 角相加，对风力发电机组进行变桨控制。
本实施例中，本发明实施例通过获取模块10获取载荷传感器采集的风力 发电机组的3支叶片各自根部的挥舞方向弯矩值，利用叶根载荷测量，对叶 片的桨距角进行在线矫正，降低叶片气动不平衡，从而降低受叶片加工精度、 安装精度及叶片表面污损等情况导致的叶片气动不平衡，对机组运行安全及 发电效率带来的影响，使风力发电机组能够稳定高效的运行。
此外，本发明实施例还提供了一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正 设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序 时实现如上述实施例所提供的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法的步 骤。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对 于实施例公开的装置及设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以 描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示 例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现， 为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性 地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行， 取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定 的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本 发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、 处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存 储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编 程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任 意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法、 装置及设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施 方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核 心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明 原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落 入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，其特征在于，包括：
获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部的挥舞方向弯矩值；
计算每个所述挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值；
根据所述偏差值，计算每个所述叶片各自对应的矫正桨距角；
将每个所述矫正桨距角与各自对应的叶片的目标控制桨距角相加，对所述风力发电机组进行变桨控制。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，其特征在于，所述基准载荷为所述挥舞方向弯矩值进行大小排序时居中的所述挥舞方向弯矩值。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，其特征在于，所述计算每个所述挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值，包括：
依次计算当前挥舞方向弯矩值与所述基准载荷的差值；其中，当前挥舞方向弯矩值为任一所述挥舞方向弯矩值；
判断当前挥舞方向弯矩值对应的差值的绝对值是否大于阈值；
若是，则将当前挥舞方向弯矩值对应的差值作为当前挥舞方向弯矩值对应的偏差值；
若否，则将预设数值作为当前挥舞方向弯矩值对应的偏差值。
4.根据权利要求2所述的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，其特征在于，所述阈值为所述基准载荷的1％，所述预设数值为0。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，其特征在于，所述获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部的挥舞方向弯矩值，包括：
获取所述载荷传感器采集的3支所述叶片各自根部的原始挥舞方向弯矩值；
对所述原始挥舞方向弯矩值进行低通滤波和陷波滤波，得到所述挥舞方向弯矩值。
6.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，其特征在于，所述根据所述偏差值，计算每个所述叶片各自对应的矫正桨距角，包括：
根据叶片推力与叶根弯矩的近似关系和叶片推力与桨距角的非线性关系，计算每个所述偏差值各自对应的桨距角偏差；
根据每支叶片各自对应的桨距角偏差和上一矫正桨距角，确定并存储每个所述叶片各自对应的当前矫正桨距角。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，其特征在于，所述根据叶片推力与叶根弯矩的近似关系和叶片推力与桨距角的非线性关系，计算每个所述偏差值各自对应的桨距角偏差，包括：
利用计算每个所述偏差值各自对应的桨距角偏差；
其中，CPitch1、CPitch2和CPitch3为所述桨距角偏差，eMy1、eMy2和eMy3为所述偏差值，R为叶片半径，β1、β2和β3为分别为每支叶片各自的测量角度，a、b和c为分别为预设拟合2次函数系数。
8.根据权利要求6所述的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法，其特征在于，当前矫正桨距角存储在PLC断电保护存储器。
9.一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取载荷传感器采集的风力发电机组的3支叶片各自根部的挥舞方向弯矩值；
第一计算模块，用于计算每个所述挥舞方向弯矩值与基准载荷的偏差值；
第二计算模块，用于根据所述偏差值，计算每个所述叶片各自对应的矫正桨距角；
控制模块，用于将每个所述矫正桨距角与各自对应的叶片的目标控制桨距角相加，对所述风力发电机组进行变桨控制。
10.一种风力发电机组的叶片气动不平衡矫正设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的风力发电机组的叶片气动不平衡矫正方法的步骤。
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