CN111058995B - 风力发电机组基于机舱姿态的偏航轴承极限载荷降载方法 - Google Patents
风力发电机组基于机舱姿态的偏航轴承极限载荷降载方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机组基于机舱姿态的偏航轴承极限载荷降载方法，该方法基于倾角传感器测量的机舱的姿态，当极限阵风风况发生时，通过机舱内倾角传感器感受到的机舱姿态变化，施加降载控制，降低机组在极限工况下的偏航轴承极限载荷，从而保障机组的安全运行。本发明方法可以有效降低偏航轴承的极限载荷，降载效果稳定、可靠、适用面广，硬件成本低，其对于机组的整机设计、选型、制造及运行都将带来非常大的优势。
Description
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姿态的偏航轴承极限载荷降载方法。
背景技术
随着陆上风电的不断开发，优质风资源越来越少，平均风速逐步降低。为获得更多的风能捕获，风力发电机组逐渐向大兆瓦、大风轮直径发展。叶片加长，风轮直径扩大，由此带来的好处是扫风面积更大，可以捕获更多的风能；但是不利之处是带来更大的极限载荷，包括轮毂载荷、偏航载荷、塔架载荷。对于整机来说，偏航轴承的极限载荷成为其设计制造的最大瓶颈之一。按照IEC的设计规范，偏航轴承的极限载荷最常出现在ECD(极限相干阵风加风向变化)工况，为一年一遇的极限阵风工况。如果能够在极限阵风工况有效降低机组偏航轴承的极限载荷，那么对于机组的整机设计、选型、制造及运行都将带来非常大的优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种风力发电机组基于机舱姿态的偏航轴承极限载荷降载方法，该方法基于倾角传感器测量的机舱的姿态，当极限阵风风况发生时，通过机舱内倾角传感器感受到的机舱姿态变化，施加降载控制，降低机组在极限工况下的偏航轴承极限载荷，从而保障机组的安全运行。本发明方法可以有效的降低偏航轴承的极限载荷，降载效果稳定、可靠、适用面广。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：风力发电机组基于机舱姿态的偏航轴承极限载荷降载方法，包括以下步骤：
1)需要在机舱内安装一个倾角传感器，用于测量机舱的俯仰倾角；其中，在机舱坐标系中，俯仰角度的正方向定义为MYT旋转方向，即按右手定则，拇指与MYT平行且指向MYT正向，四指弯曲所指的方向角为俯仰角，用θd表示；
2)考虑机舱俯仰角度的变化会引起塔架顶部推力的变化，塔架顶部推力越大，机舱的俯仰角度也越大，机舱俯仰角度与塔架顶部推力成正向关系，因此，设定如下附加变桨角度控制：
其中，βT1、βT2、βT3是考虑推力项的附加变桨角度，分别对应桨叶1附加推力变桨角度、桨叶2附加推力变桨角度、桨叶3附加推力变桨角度；b1、b2、b3分别是推力控制因子；
推力控制因子有如下的关系式：
式中，ωg为发电机转速测量值，
为发电机转速的设定值，
为发电机转速对时间的变化率，m1、m2、m3分别是倾角推力控制增益；
从以上式子可知，倾角推力附加变桨角度控制，不仅与倾角的幅值有关，还引入了发电机转速与转速设定值的偏差及发电机转速的变化率，这能够保证叶轮转速无超速倾向，或机组遭遇阵风时，变桨控制器将快速响应，实现降载目标；其中，m1、m2、m3是可调参数，要根据模型及降载目标调节；
3)考虑塔架顶部附加弯矩的影响，机舱俯仰倾角与附加弯矩成正相关，引入如下的控制量：
其中，βM1、βM2、βM3是分别附加在桨叶1、桨叶2、桨叶3的变桨角度；k1、k2、k3是增益控制因子；
是叶轮方位角，定义的正方向为：正面面对叶轮时，顺时针旋转为正，起始点定义为桨叶1在12点钟方向；
4)设定安全因子
对于机舱的俯仰倾角，需定义如下的机舱俯仰倾角安全因子γ：
安全因子γ的取值范围是从0到1区间，机舱俯仰倾角的极限值θdMAX与安全因子γ的乘积作为触发附加变桨控制的阈值，当机舱倾角θd大于θdMAX与γ的乘积时，将触发倾角控制；其中，机舱俯仰倾角的极限值θdMAX应该根据仿真计算统计的结果，取最大值即可；
5)定义触发标志位
机组运行过程中，并不希望时刻都触发着倾角附加变桨控制，只有在机舱倾角超过某个阈值时，即此时机组的偏航载荷已达到某种程度，才希望触发机舱倾角变桨控制来降低极限载荷；因此，需要定义一个触发标志位Flag，其触发条件如下：
Flag＝θd>γ*θdMAX
其中，触发标志位Flag是逻辑量，取值为0或1；当Flag＝0时表示不进行机舱倾角变桨控制，而当Flag＝1时表示触发机舱倾角变桨控制；
6)执行控制的逻辑
当机舱倾角触发标志位触发时，将采取相应的控制，具体如下：
其中，β1、β2、β3为机舱倾角控制输出的附加变桨指令，这三个角度将叠加到变桨控制器输出的统一变桨指令上，叠加后最终的指令送给变桨执行机构执行；
此外，为确保控制的稳定，附加变桨指令β1、β2、β3还需经过限幅环节；并且在计算βT1、βT2、βT3的过程中，使用的发电机转速信号需要经过一个低通和带阻滤波器，以滤除高频的噪声和3P的频率成分。
进一步，所述倾角传感器为基于电容式3D-MEMS技术的高精度倾角传感器，这种传感器能够抵抗外界加速度的干扰，还要具备全温度区的高可靠性和稳定性；为了准确测量塔架顶部的倾角变化，所述倾角传感器的采样频率需要达到至少50Hz，测量精度也应高于0.02度，且还应滤除振动引起的高频噪声，以保障通信可靠和判断准确。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明方法是基于倾角传感器测量的机舱的姿态，当极限阵风风况发生时，通过机舱内倾角传感器感受到的机舱姿态变化，施加降载控制，降低机组在极限工况下的偏航轴承极限载荷，从而保障机组的安全运行。本发明方法可以有效降低偏航轴承的极限载荷，降载效果稳定、可靠、适用面广，硬件成本低，其对于机组的整机设计、选型、制造及运行都将带来非常大的优势。
附图说明
图1为机舱坐标系。
图2为本发明方法的控制流程图。
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姿态的偏航轴承极限载荷降载方法，包括以下步骤：
1)需要在机舱内安装一个倾角传感器，此传感器用于测量机舱的俯仰倾角。在机舱坐标系中(见图1)，俯仰角度的正方向定义为MYT旋转方向，即按右手定则，拇指与MYT平行且指向MYT正向，四指弯曲所指的方向角为俯仰角，用θd表示。
倾角测量最好采用基于电容式3D-MEMS技术的高精度倾角传感器，这种传感器可以抵抗外界加速度的干扰，另外还要具备全温度区卓越的可靠性和超凡的稳定性。由于倾角传感器要测量塔架顶部的倾角变化，因此采样频率需要达到至少50Hz，测量精度也应高于0.02度。传感器还应滤除振动引起的高频噪声，保障通信可靠和判断准确。
2)考虑机舱俯仰角度的变化会引起塔架顶部推力的变化，塔架顶部推力越大，机舱的俯仰角度也越大。机舱俯仰角度与塔架顶部推力成正向关系，因此，设定如下附加变桨角度控制：
其中，βT1、βT2、βT3是考虑推力项的附加变桨角度，分别对应桨叶1附加推力变桨角度、桨叶2附加推力变桨角度、桨叶3附加推力变桨角度；b1、b2、b3分别是推力控制因子。
推力控制因子有如下的关系式：
式中，ωg为发电机转速测量值，
为发电机转速的设定值，
为发电机转速对时间的变化率，m1、m2、m3分别是倾角推力控制增益。
从以上式子可知，倾角推力附加变桨角度控制，不仅与倾角的幅值有关，还引入了发电机转速与转速设定值的偏差及发电机转速的变化率，这可以保证叶轮转速无超速倾向，或机组遭遇阵风时，变桨控制器将快速响应，实现降载目标。需要注意的是，m1、m2、m3是可调参数，要根据模型及降载目标调节。
3)考虑塔架顶部附加弯矩的影响，机舱俯仰倾角与附加弯矩成正相关，引入如下的控制量：
其中，βM1、βM2、βM3是分别附加在桨叶1、桨叶2、桨叶3的变桨角度；k1、k2、k3是增益控制因子；
是叶轮方位角，定义的正方向为：正面面对叶轮时，顺时针旋转为正，起始点定义为桨叶1在12点钟方向。
4)设定安全因子
对于机舱的俯仰倾角，需定义如下的机舱俯仰倾角安全因子γ：
安全因子γ的取值范围是从0到1区间，机舱俯仰倾角的极限值θdMAX与安全因子γ的乘积作为触发附加变桨控制的阈值，当机舱倾角θd大于θdMAX与γ的乘积时，将触发倾角控制。
安全因子应取的适中，取值太小将引起频繁控制，控制过于保守；取值太大趋近于1，将导致安全性降低。因此，机舱俯仰倾角的极限值θdMAX应该根据仿真计算统计的结果，取最大值即可。
5)定义触发标志位
机组运行过程中，并不希望时刻都触发着倾角附加变桨控制。只有在机舱倾角达到一定数值，超过某个阈值时，此时机组的偏航载荷处于较大时候，才希望触发机舱倾角变桨控制来降低极限载荷。因此，需要定义一个触发标志位Flag，其触发条件如下：
Flag＝θd>γ*θdMAX
其中，触发标志位Flag是逻辑量，取值为0或1；当Flag＝0时表示不进行机舱倾角变桨控制，而当Flag＝1时表示触发机舱倾角变桨控制。
6)执行控制的逻辑
当机舱倾角触发标志位触发时，将采取相应的控制，具体如下：
其中，β1、β2、β3为机舱倾角控制输出的附加变桨指令，这三个角度将叠加到变桨控制器输出的统一变桨指令上，叠加后最终的指令送给变桨执行机构执行，控制流程见图2。
另外，为确保控制的稳定，附加变桨指令β1、β2、β3还需经过限幅环节；并且在计算βT1、βT2、βT3的过程中，使用的发电机转速信号需要经过一个低通和带阻滤波器，以滤除高频的噪声和3P的频率成分。
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.风力发电机组基于机舱姿态的偏航轴承极限载荷降载方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)需要在机舱内安装一个倾角传感器，用于测量机舱的俯仰倾角；其中，在机舱坐标系中，俯仰角度的正方向定义为MYT旋转方向，即按右手定则，拇指与MYT平行且指向MYT正向，四指弯曲所指的方向角为俯仰角，用θd表示；
2)考虑机舱俯仰角度的变化会引起塔架顶部推力的变化，塔架顶部推力越大，机舱的俯仰角度也越大，机舱俯仰角度与塔架顶部推力成正向关系，因此，设定如下附加变桨角度控制：
其中，βT1、βT2、βT3是考虑推力项的附加变桨角度，分别对应桨叶1附加推力变桨角度、桨叶2附加推力变桨角度、桨叶3附加推力变桨角度；b1、b2、b3分别是推力控制因子；
推力控制因子有如下的关系式：
式中，ωg为发电机转速测量值，
为发电机转速的设定值，
为发电机转速对时间的变化率，m1、m2、m3分别是倾角推力控制增益；
从以上式子可知，倾角推力附加变桨角度控制，不仅与倾角的幅值有关，还引入了发电机转速与转速设定值的偏差及发电机转速的变化率，这能够保证叶轮转速无超速倾向，或机组遭遇阵风时，变桨控制器将快速响应，实现降载目标；其中，m1、m2、m3是可调参数，要根据模型及降载目标调节；
3)考虑塔架顶部附加弯矩的影响，机舱俯仰倾角与附加弯矩成正相关，引入如下的控制量：
其中，βM1、βM2、βM3是分别附加在桨叶1、桨叶2、桨叶3的变桨角度；k1、k2、k3是增益控制因子；
是叶轮方位角，定义的正方向为：正面面对叶轮时，顺时针旋转为正，起始点定义为桨叶1在12点钟方向；
4)设定安全因子
对于机舱的俯仰倾角，需定义如下的机舱俯仰倾角安全因子γ：
安全因子γ的取值范围是从0到1区间，机舱俯仰倾角的极限值θdMAX与安全因子γ的乘积作为触发附加变桨控制的阈值，当机舱倾角θd大于θdMAX与γ的乘积时，将触发倾角控制；其中，机舱俯仰倾角的极限值θdMAX应该根据仿真计算统计的结果，取最大值即可；
5)定义触发标志位
机组运行过程中，并不希望时刻都触发着倾角附加变桨控制，只有在机舱倾角超过某个阈值时，即此时机组的偏航载荷已达到某种程度，才希望触发机舱倾角变桨控制来降低极限载荷；因此，需要定义一个触发标志位Flag，其触发条件如下：
Flag＝θd>γ*θdMAX
其中，触发标志位Flag是逻辑量，取值为0或1；当Flag＝0时表示不进行机舱倾角变桨控制，而当Flag＝1时表示触发机舱倾角变桨控制；
6)执行控制的逻辑
当机舱倾角触发标志位触发时，将采取相应的控制，具体如下：
其中，β1、β2、β3为机舱倾角控制输出的附加变桨指令，这三个角度将叠加到变桨控制器输出的统一变桨指令上，叠加后最终的指令送给变桨执行机构执行；
此外，为确保控制的稳定，附加变桨指令β1、β2、β3还需经过限幅环节；并且在计算βT1、βT2、βT3的过程中，使用的发电机转速信号需要经过一个低通和带阻滤波器，以滤除高频的噪声和3P的频率成分。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组基于机舱姿态的偏航轴承极限载荷降载方法，其特征在于：所述倾角传感器为基于电容式3D-MEMS技术的高精度倾角传感器；所述倾角传感器的采样频率需要达到至少50Hz，测量精度也应高于0.02度，且还应滤除振动引起的高频噪声。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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