CN111241708B - 一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法及选型方法 - Google Patents

Abstract

一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法及选型方法，属于风力发电技术领域。本发明通过建立风机仿真模型，计算变桨系统中变桨轴承承受的外载、倾覆力矩、轴向力、径向合力、转速和变桨过程中加速度；由以上参数确定变桨轴承滚道摩擦力矩；然后计算变桨轴承的驱动扭矩；根据机械转矩、功率、能量之间的关系，计算驱动变桨轴承所需的能量；根据所需能量，由超级电容能量计算方法推导出超级电容模组的等效电容值，根据计算出的等效电容量值选定超级电容。本发明原理简单、精度高，能够选择合理的超级电容，机组安全可靠性高，有利于降低系统故障率、降低风机的制造成本，延长变桨系统用超级电容的使用寿命，提高市场竞争力。

Description

一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法及选型方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法及选型方法。

背景技术

风力发电机变桨系统须配置一套备用电源，用来确保当电网电压瞬间中断时变桨系统能够可靠工作和当电网掉电时变桨系统能够可靠顺桨。特别是风机在正常发电过程中，叶片角度处于工作位置，若此时电网掉电，为了保证风机能够可靠停机，必须通过备用电源将叶片转至顺桨位置。电网掉电情况下风机若不及时收桨，会发生超速，超载，甚至会发生飞车事件，严重影响机组的安全性、可靠性。

后备电源的作用及其重要，常用的变桨用后备电源类型有超级电容、电池模块，目前应用较多的为超级电容。超级电容的选型是后备电源设计的首要任务，现有的后备电源超级电容在选取时常根据经验值进行估算，估算值偏大，且忽略变桨系统受力传递过程中的变桨轴承摩擦力，计算结果不够准确；根据风机在模拟工况下进行载荷计算得到的超级电容等效容值进行选型，能够减少变桨系统的故障率，提高机组的安全可靠性，同时降低机组的设计成本。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种大型风力发电机组变桨系统用超级电容的计算方法及选型方法，用以进行变桨系统用超级电容的计算及选型工作，以减少变桨系统的故障率，提高机组的安全可靠性，同时降低机组的设计成本。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法，包含以下步骤：

(1)根据风力发电机组的设计参数，建立风力发电机组仿真模型，求解出风力发电机组变桨系统各时间点对应的载荷，包括：叶根力矩M_z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、变桨过程中的变桨轴承加速度α_acc、风机功率P_r和变桨实际速率β′；

(2)根据变桨轴承所承受的外载、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy，计算变桨轴承摩擦力矩M_fric；

(3)根据变桨过程中的受力传递关系，计算变桨轴承的驱动转矩M_act；

(4)根据转动力矩、功率、能量之间的关系，计算驱动变桨轴承所需的能量E_backup，并进行统计分析得到驱动变桨轴承所需最大能量E_{backup_max}；

(5)根据超级电容能量计算方法，考虑损耗、超级电容衰减后，计算得到超级电容的等效电容值C。

进一步的，所述步骤(2)中变桨轴承摩擦力M_fric的计算公式为：

其中，μ为摩擦系数，M_xy为倾覆力矩，F_Z为轴向力，D_L为轴承座圈直径，F_xy为径向力，M_pre为轴承滚道预紧力。

进一步的，所述步骤(3)中变桨轴承驱动转矩M_act的计算公式为：

M_act＝(ABS(M_z)+M_{fric_max}+M_acc)·T₁

M_{fric_max}＝K_max·M_fric

M_acc＝J·α_acc

其中，ABS()为取绝对值函数；M_{fric_max}为变桨轴承最大摩擦转矩；K_max为摩擦力系数，取值范围为1～1.25；J为变桨轴承等效转动惯量；α_acc为变桨轴承加速度；

T₁为判断条件，当风机功率P_r＝0且变桨实际速率β′≥0时，T₁＝1；否则，T₁＝0。

进一步的，所述步骤(4)中驱动变桨轴承所需的功率P_backup、所需能量E_backup的计算公式分别为：

P_backup＝M_act·β′

E_backup＝∫P_backupdt

E_{backup_max}＝max(E_backup)

进一步的，所述步骤(5)超级电容能量Q计算公式为：

式中，U₁为超级电容等效额定电压；U₂为变桨驱动器最低工作截至电压；η为考虑损耗、衰减后的系数。

进一步的，所述步骤(5)中超级电容能量Q大于等于E_{backup_max}，即Q_{≥Ebackup_max}。

本发明的第二方面提供了一种大型风机变桨系统用超级电容容量的选型方法，根据如前任一项所述的计算方法计算得到串并联后的超级电容模组的等效电容值C，根据计算的超级电容的等效电容值C对超级电容进行单体选型。

综上所述，本发明提供了一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法及选型方法，属于风力发电技术领域。本发明通过建立风机仿真模型，计算变桨系统中变桨轴承承受的外载、倾覆力矩、轴向力、径向合力、转速和变桨过程中加速度；由以上参数确定变桨轴承滚道摩擦力矩；然后计算变桨轴承的驱动扭矩；根据机械转矩、功率、能量之间的关系，计算驱动变桨轴承所需的能量；根据所需能量，由超级电容能量计算方法推导出超级电容模组的等效电容值，根据计算出的等效电容量值选定超级电容。本发明原理简单、精度高，能够选择合理的超级电容，机组安全可靠性高，有利于降低系统故障率、降低风机的制造成本，延长变桨系统用超级电容的使用寿命，提高市场竞争力。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明的变桨系统用超级电容容量计算方法原理简单，通过建立仿真模型，根据掉电工况下超级电容所需的能量，计算超级电容的等效电容值；该计算方法更加精确，在保证变桨系统安全可靠运行的前提下选择合理的超级电容，有效降低变桨系统故障情况，降低风电机组设计成本，提高市场竞争力。

附图说明

图1为具备后备电源的变桨系统结构原理图；

图2为本发明大型风机变桨系统用超级电容计算方法的流程示意图；

图3为本发明大型风机变桨系统用超级电容选型方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，大型风力发电机组包括风机主控系统、变桨系统和叶片。风力发电机组具有3个叶片，每个叶片对应设置有独立的变桨系统(即图1中的变桨执行机构)，每个变桨系统包括连接风机主控系统的伺服驱动器、变桨电机和减速机，编码器是信号采集器件，安装在变桨电机上，采集电信号。编码器主要用于拾取变桨系统转速或位置的数据，为伺服驱动器提供精确数据，从而实现了变桨系统对叶片的精确定位和复位控制。风电机组变桨系统中的电源可靠性对系统的稳定和风电机组的安全非常重要，电源一般考虑采用电网电源供电+紧急备用电源的结构方案。如果变桨系统出现故障，控制电源断电，伺服驱动器由连接的备用电源进行供电，保证叶片快速及时完成收桨。行业内采用的备用电源主要有超级电容，锂电池。目前应用较多的是超级电容，超级电容可短时大倍率放电，因此，本发明主要提出涉及超级电容作为备用电源的计算方法和选型方法。

本发明的第一方面提供了一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法，如图2所示，该计算方法包含以下步骤：

(1)根据风力发电机组的设计参数，建立风力发电机组仿真模型，求解出风力发电机组变桨系统各时间点对应的载荷，包括：叶根力矩M_z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、变桨过程中的变桨轴承加速度α_acc、风机功率P_r和变桨实际速率β′。具体的，建立风机Bladed仿真模型，按照规定工况进行仿真。

(2)根据变桨轴承所承受的外载、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy，计算变桨轴承摩擦力矩M_fric。

具体的，步骤(2)中变桨轴承摩擦力M_fric的计算公式为：

其中，μ为摩擦系数，M_xy为倾覆力矩，F_Z为轴向力，D_L为轴承座圈直径，F_xy为径向力，M_pre为轴承滚道预紧力。

(3)根据变桨过程中的受力传递关系，计算变桨轴承的驱动转矩M_act。

具体的，步骤(3)中变桨轴承驱动转矩M_act的计算公式为：

M_act＝(ABS(M_z)+M_{fric_max}+M_acc)·T₁ (2)

M_{fric_max}＝K_max·M_fric (3)

M_acc＝J·α_acc (4)

其中，ABS()为取绝对值函数；M_{fric_max}为变桨轴承最大摩擦转矩；K_max为摩擦力系数，取值范围为1～1.25；J为变桨轴承等效转动惯量；α_acc为变桨轴承加速度；

T₁为判断条件，当风机功率P_r＝0且变桨实际速率β′≥0时，T₁＝1；否则，T₁＝0。

(4)根据转动力矩、功率、能量之间的关系，计算驱动变桨轴承所需的能量E_backup，并进行统计分析得到驱动变桨轴承所需最大能量E_{backup_max}。

具体的，步骤(4)中驱动变桨轴承所需的功率P_backup、所需能量E_backup的计算公式分别为：

P_backup＝M_act·β′ (5)

E_backup＝∫P_backupdt (6)

E_{backup_max}＝max(E_backup) (7)

(5)根据超级电容能量计算方法，考虑损耗、超级电容衰减后，计算得到超级电容的等效电容值C。

具体的，所述步骤(5)超级电容能量Q计算公式为：

式中，U₁为超级电容等效额定电压；U₂为变桨驱动器最低工作截至电压；η为考虑损耗、衰减后的系数。

进一步的，所述步骤(5)中超级电容能量Q大于等于E_{backup_max}，即：

Q≥E_{backup_max} (9)

根据公式(9)限定的条件，求解得出超级电容的等效电容值C。

本发明的第二方面提供了一种大型风机变桨系统用超级电容容量的选型方法，如图3所示，包括如下步骤：

根据如前任一项所述的计算方法计算得到串并联后的超级电容模组的等效电容值C(计算方法参照前述，在此不再赘述)；

根据计算的超级电容的等效电容值C对超级电容进行单体选型。

根据该选型方法选出的超级电容单体经过串并联后形成超级电容模组用作为大型风力发电机组变桨系统的备用电源，以减少变桨系统的故障率，提高机组的安全可靠性。

综上所述，本发明提供了一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法及选型方法，属于风力发电技术领域。本发明通过建立风机仿真模型，计算变桨系统中变桨轴承承受的外载、倾覆力矩、轴向力、径向合力、转速和变桨过程中加速度；由以上参数确定变桨轴承滚道摩擦力矩；然后计算变桨轴承的驱动扭矩；根据机械转矩、功率、能量之间的关系，计算驱动变桨轴承所需的能量；根据所需能量，由超级电容能量计算方法推导出超级电容模组的等效电容值，根据计算出的等效电容量值选定超级电容。本发明的变桨系统用超级电容容量计算方法原理简单，通过建立仿真模型，根据掉电工况下超级电容所需的能量，计算超级电容的等效电容值；该计算方法更加精确，在保证变桨系统安全可靠运行的前提下选择合理的超级电容，有效降低变桨系统故障情况，机组安全可靠性高，降低风电机组设计成本，提高市场竞争力。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种大型风机变桨系统用超级电容的计算方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)根据风力发电机组的设计参数，建立风力发电机组仿真模型，求解出风力发电机组变桨系统各时间点对应的载荷，包括：叶根力矩M_z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、变桨过程中的变桨轴承加速度α_acc、风机功率P_r和变桨实际速率β′；

(2)根据变桨轴承所承受的外载、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy，计算变桨轴承摩擦力矩M_fric；

(3)根据变桨过程中的受力传递关系，计算变桨轴承的驱动转矩M_act；

(4)根据转动力矩、功率、能量之间的关系，计算驱动变桨轴承所需的能量E_backup，并进行统计分析得到驱动变桨轴承所需最大能量E_{backup_max}；

(5)根据超级电容能量计算方法，考虑损耗、超级电容衰减后，计算得到超级电容的等效电容值C。

2.根据权利要求1所述的大型风机变桨系统用超级电容的计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中变桨轴承摩擦力M_fric的计算公式为：

其中，μ为摩擦系数，M_xy为倾覆力矩，F_Z为轴向力，D_L为轴承座圈直径，F_xy为径向力，M_pre为轴承滚道预紧力。

3.根据权利要求1或2所述的大型风机变桨系统用超级电容的计算方法，其特征在于，所述步骤(3)中变桨轴承驱动转矩M_act的计算公式为：

M_act＝(ABS(M_z)+M_{fric_max}+M_acc)·T₁

M_{fric_max}＝K_max·M_fric

M_acc＝J·α_acc

其中，ABS()为取绝对值函数；M_{fric_max}为变桨轴承最大摩擦转矩；K_max为摩擦力系数，取值范围为1～1.25；J为变桨轴承等效转动惯量；α_acc为变桨轴承加速度；

T₁为判断条件，当风机功率P_r＝0且变桨实际速率β′≥0时，T₁＝1；否则，T₁＝0。

4.根据权利要求1-3任一项所述的大型风机变桨系统用超级电容的计算方法，其特征在于，所述步骤(4)中驱动变桨轴承所需的功率P_backup、所需能量E_backup的计算公式分别为：

P_backup＝M_act·β

E_backup＝∫P_backupdt

E_{backup_max}＝max(E_backup) 。

5.根据权利要求1-4任一项所述的大型风机变桨系统用超级电容的计算方法，其特征在于，所述步骤(5)超级电容能量Q计算公式为：

式中，U₁为超级电容等效额定电压；U₂为变桨驱动器最低工作截至电压；η为考虑损耗、衰减后的系数。

6.根据权利要求5所述的大型风机变桨系统用超级电容的计算方法，其特征在于，所述步骤(5)中超级电容能量Q大于等于E_{backup_max}，即Q≥E_{backup_max}。

7.一种大型风机变桨系统用超级电容的选型方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据权利要求1-6任一项所述的计算方法计算得到串并联后的超级电容模组的等效电容值C；

根据计算的超级电容的等效电容值C对超级电容进行单体选型。

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