CN111255629B - 一种降低风力发电机组变桨系统疲劳载荷的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低风力发电机组变桨系统疲劳载荷的控制方法，该方法为风力发电机组运行在正常发电风速W_in～W_out范围内及机组处于正常发电条件下对机组采取的变桨距控制方法，在风速呈增加趋势时，由于每一个风速区间均对应一个与之相匹配的桨距角，避免了风速在很小范围内变化时，桨叶的频繁动作，而每当风速由一个区间增加跳出该区间，增加至另一个区间时，桨距角也将随之变化增加，因此保障了机组的运行安全。在风速呈减少趋势时，由于当前执行的叶片桨距角可满足机组的运行安全，对桨距角的变化增加风速变化时长限制条件，仅当风速持续减小跳出该设定区间且持续时长超过某一时长设定值后，才触发变桨距控制，保障了风速在减小时，桨叶不频繁动作。

Description

一种降低风力发电机组变桨系统疲劳载荷的控制方法

技术领域

本发明涉及变速变桨风力发电机组控制的技术领域，尤其是指一种降低风力发电机组变桨系统疲劳载荷的控制方法。

背景技术

随着陆上及海上风力发电机组均向更高单机功率、更大叶轮直径发展，在经典的变速变桨风力发电机组控制策略条件下(机组实时调整桨距角，以实现最佳的风能捕获效率)，机组的载荷将大幅增大，由此，为满足机组的设计强度要求，机组的设计尺寸、重量需要同步增加，进而造成了风力发电机组制造难度、运输难度、制造成本的显著增加。

当前，针对变速变桨风力发电机组的变桨距控制(指风力发电机组运行在正常发电风速W_in～W_out范围内，及机组处于正常发电条件下)，经典的控制方法为：参见图1所示，机组的风速(或发电功率，但本文以风速变化作为控制的判断条件)在达到某一设定值W₀前(该值通常低于额定风速W_Rated)，桨距角始终保持为某一固定桨距角A₀(通常为叶片气动性能最佳时的角度)，机组在外界风速达到W₀值以后，叶片的桨距角为满足机组载荷要求，或为适应风速变化追求理想的发电功率，或为限制机组发电功率不超过额定值，在此过程中，任何幅值的风速变化，机组桨叶的角度将实时动态变化。由于机组桨叶的变化调整，由变桨减速机、变桨轴承驱动完成，因此，变桨减速机、变桨轴承在此过程中将承受频繁的疲劳载荷。随着风力发电机组向更大功率、更高叶轮直径发展，变桨减速机、变桨轴承承担的疲劳载荷也将显著增加，为满足机组设计安全要求，变桨减速机、变桨轴承的尺寸、重量、成本、制造难度也将显著增加。

针对该问题，本文针对风力发电机组关键载荷之一的变桨系统疲劳载荷，提出一种有效降低该载荷的控制方法，旨在降低对变桨轴承、变桨减速机、轮毂的设计尺寸要求，进而降低该三大部件的制造要求、运输要求及制造成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种降低风力发电机组变桨系统疲劳载荷的控制方法，旨在降低对变桨轴承、变桨减速机、轮毂的设计尺寸要求，进而降低该三大部件的制造要求、运输要求及制造成本。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种降低风力发电机组变桨系统疲劳载荷的控制方法，该方法为风力发电机组运行在正常发电风速W_in～ W_out范围内及机组处于正常发电条件下对机组采取的变桨距控制方法，其包括风速呈增加趋势变化和风速呈减小趋势变化时两种控制策略，具体如下：

第一种，风速呈增加趋势变化：

当风速W增加，满足W_in≤W＜W₀范围时，叶片的桨距角被控制保持在最小桨距角A₀，即叶片气动性能最佳的桨距角；

当风速W增加，满足W₀≤W＜W₁时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A₁；

当风速W增加，满足W₁≤W＜W₂时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A₂；

当风速W增加，满足W₂≤W＜W₃时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A₃；

以此类推，……，

当风速W增加，W_n≤W＜W_rated时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_rated；

当风速W增加，W_n+x-2≤W＜W_n+x-1时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A_n+x-1；

当风速W增加，W_n+x-1≤W＜W_n+x时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A_n+x；

当风速W增加，若W_n+x≤W＜W_out时，为保障机组始终处于额定功率发电状态，叶片的桨距角采取随着风速变化而实时动态调整的控制策略，即：随着风速的增加，桨叶角度实时调整增加，直至桨距角增加至A_out；

当风速W由任意范围增加，变化至W_out≤W，且W_out≤W连续持续的时长达到T_out，为保障机组运行安全，叶片的桨距角调整至A_f，机组调整至切出模式；

第二种，风速呈减小趋势变化：

当风速W由范围W_n+x≤W，变化至W＜W_n+x，且W＜W_n+x持续的时长达到T_n+x，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x；

当风速W由范围W_n+x-1≤W＜W_n+x，变化至W＜W_n+x-1，且W＜W_n+x-1持续的时长达到T_n+x-1时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x-1；

当风速W由范围W_n+x-2≤W＜W_n+x-1，变化至W＜W_n+x-2，且W＜W_n+x-2持续的时长达到T_n+x-2时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x-2；

以此类推，……，

当风速W由范围W₁≤W＜W₂，变化至W＜W₁，且W＜W₁持续的时长达到T₁时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在A₁；

当风速W由范围W₀≤W＜W₁，变化至W_in≤W＜W₀，且W_in≤W＜W₀持续的时长达到T₀时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在最小桨距角A₀；

以上各种情况的风速W变化，若风速从任意风速区间降低超出该区间，持续时长达到设定值，且实时风速降低至W＜W_in区间，则先调整机组桨距角的角度为A₀，随后再根据W＜W_in持续的时长判断，若W＜W_in持续时长达到T_in时，叶片的桨距角变化至A_f，即：机组调整至待风模式；

上式中：W_in为机组的切入风速；W₀为机组在正常发电风速范围内，启动变桨距的临界风速；W_rated为机组的额定风速；W_out为机组的切出风速；A_rated为额定风速对应的桨距角；A_out为机组的切出桨距角；A_f为机组在待风及切出风速模式下执行的桨距角；{W₀，W₁，W₂，W₃……W_n-1，W_n，W_rated，W_n+1， W_n+2……W_n+x-2，W_n+x-1，W_n+x，Wout}为风速值序列，有W₀＜W₁＜W₂＜W₃……W_n-1＜W_n≤W_rated≤W_n+1＜W_n+2……＜W_n+x-2＜W_n+x-1＜W_n+x≤W_out，{A₀，A₁，A₂， A₃……A_n-1，A_n，A_rated，A_n+1，A_n+2……A_n+x-2，A_n+x-1，A_n+x，A_out}为桨距角序列，有A₀＜A₁＜A₂＜A₃……A_n-1＜A_n≤A_rated≤A_n+1＜A_n+2……＜A_n+x-2＜A_n+x-1＜A_n+x≤A_out，(0,1,2,3……n,n+1，n+2，n+x-2，n+x-1，n+x)为递增的等差数列，n取正整数，实际取值大小根据变桨系统疲劳载荷控制目标及发电功率最大综合考虑确定，x取任意≮(-n+2)的整数，亦需要根据控制载荷的目标值并考虑发电功率最大化综合确定；{T_out,T_n+x，T_n+x-1……T₁,T₀,T_in}为时间长度设定值序列，在实际应用过程中，该序列中的各数值也能够取相同值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、风力发电机组在正常发电风速范围内，在风速呈增加趋势时，由于每一个风速区间均对应一个与之相匹配的桨距角，因此，避免了风速在很小范围内变化时，桨叶的频繁动作。而每当风速由一个区间增加跳出该区间，增加至另一个区间时，桨距角也将随之变化增加，因此保障了机组的运行安全。

2、风力发电机组在正常发电风速范围内，在风速呈减少趋势时，由于当前执行的叶片桨距角可满足机组的运行安全，因此，对桨距角的变化增加风速变化时长限制条件，仅当风速持续减小跳出该设定区间且持续时长超过某一时长设定值后，才触发变桨距控制，而不是风速任何的降低，桨距角均实时作出变化适应，因此，保障了风速在减小时，桨叶不频繁动作。

总之，通过本发明方法可避免了叶片桨距角的频繁动作，实现了降低变桨系统疲劳载荷的目标。

附图说明

图1为经典的变桨控制策略所对应的风速-桨距角曲线图。

图2为本发明方法所对应的风速-桨距角曲线图。

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。

参见图2所示，本实施例所提供的降低风力发电机组变桨系统疲劳载荷的控制方法，实质是风力发电机组运行在正常发电风速W_in～W_out范围内及机组处于正常发电条件下对机组采取的变桨距控制方法，其包括风速呈增加趋势变化和风速呈减小趋势变化时两种控制策略，具体如下：

第一种，风速呈增加趋势变化：

当风速W增加，满足W_in≤W＜W₀范围时，叶片的桨距角被控制保持在最小桨距角A₀，即叶片气动性能最佳的桨距角；

当风速W增加，满足W₀≤W＜W₁时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A₁；

当风速W增加，满足W₁≤W＜W₂时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A₂；

当风速W增加，满足W₂≤W＜W₃时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A₃；

以此类推，……，

当风速W增加，W_n≤W＜W_rated时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_rated；

当风速W增加，W_n+x-2≤W＜W_n+x-1时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A_n+x-1；

当风速W增加，W_n+x-1≤W＜W_n+x时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角 A_n+x；

当风速W增加，若W_n+x≤W＜W_out时，为保障机组始终处于额定功率发电状态，叶片的桨距角采取随着风速变化而实时动态调整的控制策略(即：随着风速的增加，桨叶角度实时调整增加，直至桨距角增加至A_out)；

当风速W由任意范围增加，变化至W_out≤W，且W_out≤W连续持续的时长达到T_out，为保障机组运行安全，叶片的桨距角调整至A_f，机组调整至切出模式。

第二种，风速呈减小趋势变化：

当风速W由范围W_n+x≤W，变化至W＜W_n+x，且W＜W_n+x持续的时长达到T_n+x，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x；

当风速W由范围W_n+x-1≤W＜W_n+x，变化至W＜W_n+x-1，且W＜W_n+x-1持续的时长达到T_n+x-1时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x-1；

当风速W由范围W_n+x-2≤W＜W_n+x-1，变化至W＜W_n+x-2，且W＜W_n+x-2持续的时长达到T_n+x-2时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x-2；

以此类推，……，

当风速W由范围W₁≤W＜W₂，变化至W＜W₁，且W＜W₁持续的时长达到T₁时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在A₁；

当风速W由范围W₀≤W＜W₁，变化至W_in≤W＜W₀，且W_in≤W＜W₀持续的时长达到T₀时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在最小桨距角A₀；

以上各种情况的风速W变化，若风速从任意风速区间降低超出该区间，持续时长达到设定值，且实时风速降低至W＜W_in区间，则先调整机组桨距角的角度为A₀，随后再根据W＜W_in持续的时长判断，若W＜W_in持续时长达到T_in时，叶片的桨距角变化至A_f，即：机组调整至待风模式。

上式中：W_in为机组的切入风速；W₀为机组在正常发电风速范围内，启动变桨距的临界风速；W_rated为机组的额定风速；W_out为机组的切出风速；A_rated为额定风速对应的桨距角；A_out为机组的切出桨距角；A_f为机组在待风及切出风速模式下执行的桨距角；{W₀，W₁，W₂，W₃……W_n-1，W_n，W_rated，W_n+1， W_n+2……W_n+x-2，W_n+x-1，W_n+x，Wout}为风速值序列，有W₀＜W₁＜W₂＜W₃……W_n-1＜W_n≤W_rated≤W_n+1＜W_n+2……＜W_n+x-2＜W_n+x-1＜W_n+x≤W_out，{A₀，A₁，A₂， A₃……A_n-1，A_n，A_rated，A_n+1，A_n+2……A_n+x-2，A_n+x-1，A_n+x，A_out}为桨距角序列，有A₀＜A₁＜A₂＜A₃……A_n-1＜A_n≤A_rated≤A_n+1＜A_n+2……＜A_n+x-2＜A_n+x-1＜A_n+x≤A_out，(0,1,2,3……n,n+1，n+2，n+x-2，n+x-1，n+x)为递增的等差数列，n取正整数，实际取值大小根据变桨系统疲劳载荷控制目标及发电功率最大综合考虑确定，x取任意≮(-n+2)的整数，亦需要根据控制载荷的目标值并考虑发电功率最大化综合确定；{T_out,T_n+x，T_n+x-1……T₁,T₀,T_in}为时间长度设定值序列(实际应用过程中，该序列中的各数值也可取相同值)。

综上所述，本发明所提供的变桨距控制方法，旨在降低风力发电机组变桨系统的疲劳载荷，以此实现降低变桨减速机、变桨轴承、轮毂的尺寸、重量、成本、制造难度的目标。采用本发明创新的变桨距控制方法，可适用或推广适用的情况包括但不限于：

1、新研发风力发电机组的轮毂，或变桨减速机，或变桨轴承已为确定的成熟产品，或者轮毂，变桨减速机，变桨轴承的设计尺寸已被限制(如：新机组研发共用成熟平台的情况)，但新研发机组或因功率增加、叶轮直径增加、应用风场风资源条件变化，采用经典变桨距控制策略，变桨系统疲劳载荷显著增加，导致变桨减速机、变桨轴承疲劳强度无法满足要求的情况；

2、风力发电机组已为成熟产品，但由于风力发电机组需要被应用的风资源条件，超过风力发电机组原始设计边界条件，采用经典的变桨距控制策略，变桨系统的载荷将显著增加，已是成熟产品的变桨减速机、变桨系统疲劳载荷无法满足要求的情况；

3、当制造成本对风力发电机组的研发提出要求，或研发机组的轮毂系统、叶片的设计尺寸受制于对道路运输尺寸要求时，或机组的研发受制于叶片、变桨轴承、轮毂、变桨减速机制造设备条件、工艺条件时，均可采用本发明创新的变桨距控制方法。

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 (1)

1.一种降低风力发电机组变桨系统疲劳载荷的控制方法，其特征在于：该方法为风力发电机组运行在正常发电风速W_in～W_out范围内及机组处于正常发电条件下对机组采取的变桨距控制方法，其包括风速呈增加趋势变化和风速呈减小趋势变化时两种控制策略，具体如下：

第一种，风速呈增加趋势变化：

当风速W增加，满足W_in≤W＜W₀范围时，叶片的桨距角被控制保持在最小桨距角A₀，即叶片气动性能最佳的桨距角；

当风速W增加，满足W₀≤W＜W₁时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A₁；

当风速W增加，满足W₁≤W＜W₂时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A₂；

当风速W增加，满足W₂≤W＜W₃时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A₃；

以此类推，……，

当风速W增加，W_n≤W＜W_rated时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_rated；

当风速W增加，W_n+x-2≤W＜W_n+x-1时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x-1；

当风速W增加，W_n+x-1≤W＜W_n+x时，叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x；

当风速W增加，若W_n+x≤W＜W_out时，为保障机组始终处于额定功率发电状态，叶片的桨距角采取随着风速变化而实时动态调整的控制策略，即：随着风速的增加，桨叶角度实时调整增加，直至桨距角增加至A_out；

当风速W由任意范围增加，变化至W_out≤W，且W_out≤W连续持续的时长达到T_out，为保障机组运行安全，叶片的桨距角调整至A_f，机组调整至切出模式；

第二种，风速呈减小趋势变化：

当风速W由范围W_n+x≤W，变化至W＜W_n+x，且W＜W_n+x持续的时长达到T_n+x，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x；

当风速W由范围W_n+x-1≤W＜W_n+x，变化至W＜W_n+x-1，且W＜W_n+x-1持续的时长达到T_n+x-1时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x-1；

当风速W由范围W_n+x-2≤W＜W_n+x-1，变化至W＜W_n+x-2，且W＜W_n+x-2持续的时长达到T_n+x-2时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在桨距角A_n+x-2；

以此类推，……，

当风速W由范围W₁≤W＜W₂，变化至W＜W₁，且W＜W₁持续的时长达到T₁时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在A₁；

当风速W由范围W₀≤W＜W₁，变化至W_in≤W＜W₀，且W_in≤W＜W₀持续的时长达到T₀时，叶片的桨距角则根据实时风速W所处的风速区间确定，即叶片的桨距角被控制保持在最小桨距角A₀；

以上各种情况的风速W变化，若风速从任意风速区间降低超出该区间，持续时长达到设定值，且实时风速降低至W＜W_in区间，则先调整机组桨距角的角度为A₀，随后再根据W＜W_in持续的时长判断，若W＜W_in持续时长达到T_in时，叶片的桨距角变化至A_f，即：机组调整至待风模式；

上式中：W_in为机组的切入风速；W₀为机组在正常发电风速范围内，启动变桨距的临界风速；W_rated为机组的额定风速；W_out为机组的切出风速；A_rated为额定风速对应的桨距角；A_out为机组的切出桨距角；A_f为机组在待风及切出风速模式下执行的桨距角；{W₀，W₁，W₂，W₃……W_n-1，W_n，W_rated，W_n+1，W_n+2……W_n+x-2，W_n+x-1，W_n+x，Wout}为风速值序列，有W₀＜W₁＜W₂＜W₃……W_n-1＜W_n≤W_rated≤W_n+1＜W_n+2……＜W_n+x-2＜W_n+x-1＜W_n+x≤W_out，{A₀，A₁，A₂，A₃……A_n-1，A_n，A_rated，A_n+1，A_n+2……A_n+x-2，A_n+x-1，A_n+x，A_out}为桨距角序列，有A₀＜A₁＜A₂＜A₃……A_n-1＜A_n≤A_rated≤A_n+1＜A_n+2……＜A_n+x-2＜A_n+x-1＜A_n+x≤A_out，(0,1,2,3……n,n+1，n+2，n+x-2，n+x-1，n+x)为递增的等差数列，n取正整数，实际取值大小根据变桨系统疲劳载荷控制目标及发电功率最大综合考虑确定，x取任意≮(-n+2)的整数，亦需要根据控制载荷的目标值并考虑发电功率最大化综合确定；{T_out,T_n+x，T_n+x-1……T₁,T₀,T_in}为时间长度设定值序列，在实际应用过程中，该序列中的各数值也能够取相同值。

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