CN111749845A - 用于风电机组的降载控制方法和装置 - Google Patents

用于风电机组的降载控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于风电机组的降载控制方法和装置，该降载控制方法包括：实时监测风电机组的入流风速；确定预定时间段内的入流风速的平均值；当入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度时，控制风电机组在偏航降载控制模式下运行，其中，在偏航降载控制模式下，以通过控制风电机组执行偏航动作来降低叶根载荷，并使所述风电机组保持以额定功率运行。采用本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法和装置，在不影响风电机组最优功率输出的条件下，通过主动偏航控制方式来降低叶根载荷。

Description

用于风电机组的降载控制方法和装置
技术领域
本发明总体说来涉及风电技术领域，更具体地讲，涉及一种用于风电机组的降载控制方法。
背景技术
为了降低发电成本，提高风电场的风资源利用率，使得单台风电机组的容量越来越大，风轮半径的尺寸也显著增长。叶片大型化可以提高单台风电机组的风能捕获面积，增加其发电量，但是同样会导致风电机组的叶片的入流条件在时间、空间尺度上更具不确定性，叶片各截面的气动载荷更具非定常性。
典型地，在竖直风剪切条件下，大型风电机组的叶片在旋转过程中入流条件的周期性波动更为明显。为降低风电机组的气动载荷变化，减轻风电机组的疲劳损伤，以降载为目标的各种控制策略是当前风电技术研发的焦点之一。
传统的水平轴风电机组的控制系统采用各类传感器实时测量入流风速的大小与方向、风轮转速、发电机转速、转矩和电功率等，通过各类激励器或驱动机构调节发电接转矩、偏航角或者桨矩角，最终实现功率优化、载荷控制与安全运行。
目前，现有风电机组的偏航控制系统的主要功能在于实现额定风速以下的低风速入流条件时的风电机组功率优化。即，根据风速仪、风向仪等传感器的实时监测结果，降低风轮轴向与来流风向的角度以实现对风，从而提高风电机组的发电量。在均匀入流条件下，风电机组总是在正对风向的条件下能够获得最大风能捕获。
此外，目前主流兆瓦级风电机组的控制策略为变速变桨控制方式，其中桨叶调节控制策略一般为统一变桨或者整体变桨方法。变速变桨控制机构包含大量的传感器和执行机构以实现功率、速度调节。
上述变速变桨控制方式主要是依赖于发电机转矩控制单元和叶片桨矩角伺服控制单元来实现对发电机转矩和叶片桨距角的调节。上述控制策略的缺陷在于：基于发电机转矩的调节和整体变桨的控制策略无法有效缓解由不同叶片方位角下入流条件变动导致的载荷波动，例如，由于竖直风剪切效应导致的载荷波动。
除上述整体变桨的控制策略之外，还可以在各个叶片根部布置大量传感器，以实时测量叶根弯矩的变化，从而实现叶片独立变桨。采用叶片独立变桨控制方式可以有效降低气动载荷波动，但其代价是需要更快的变桨速率以及显著增加的桨叶调节需求，这就又对叶片控制机构的成本、维护以及运行安全提出了要求。因此，有必要研究其他无需增加桨叶调节等致动需求便可以实现有效降载的方法。
此外，现有的降载控制方式还可能会使得风电机组的非旋转部件(例如，机舱、塔架等)的气动载荷波动有不同程度的增加。
发明内容
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种用于风电机组的降载控制方法和装置，以克服上述至少一个缺陷。
在一个总体方面，提供一种用于风电机组的降载控制方法，包括：实时监测风电机组的入流风速；确定预定时间段内的入流风速的平均值；当入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度时，控制风电机组在偏航降载控制模式下运行，其中，在偏航降载控制模式下，以通过控制风电机组执行偏航动作来降低叶根载荷，并使所述风电机组保持以额定功率运行。
可选地，控制风电机组在偏航降载控制模式下运行的步骤可包括：确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，所述最优偏航角度值可为使得在叶片的一个旋转周期内叶根载荷变化最小的偏航角度值；控制风电机组的风轮旋转至所述最优偏航角度值，以降低叶根载荷。
可选地，叶根载荷可包括叶根在挥舞方向上的载荷，叶根载荷变化可指在叶片的一个旋转周期内叶根在挥舞方向上的载荷在不同叶片方位角下的载荷变化累积量。
可选地，所述载荷变化累积量可为叶片的翼型截面局部位置处所受到的局部推力变化量分别沿叶片的径向和叶片旋转的周向的积分。
可选地，所述局部推力变化量可为随叶片的翼型截面局部位置处的入流风速和入流角的变化而变化的推力增量。
可选地，可通过以下方式来确定所述入流角：根据叶轮转速、风轮半径、轮毂高度处的入流风速、当前的偏航角度值，确定叶尖速比；根据风剪切指数、叶片方位角、轮毂高度、当前偏航角度值、叶尖速比、风轮半径、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，确定翼型截面局部位置处的入流角。
可选地，可通过以下方式确定所述最优偏航角度值：确定使得所述载荷变化累积量为最小值的最优入流风速；根据入流风速与偏航角度值的物理关系式，通过对所述最优入流风速进行速度分解，来获得所述最优偏航角度值。
可选地，所述降载控制方法可还包括：获取关于偏航降载控制模式的反馈信息；根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式。
可选地，所述反馈信息可包括风电机组的输出功率，根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式的步骤可包括：如果确定在启动偏航降载控制模式之后风电机组的输出功率小于风电机组的额定功率，则通过控制桨叶调节，来使输出功率保持在风电机组的额定功率；如果确定在控制桨叶调节之后风电机组的输出功率仍小于额定功率，则控制风电机组停止执行偏航降载控制模式。
可选地，所述反馈信息可还包括叶根载荷和塔底载荷，根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式的步骤可包括：如果在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷，且在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则确定所述偏航降载控制模式实现降低叶根载荷的目的；如果在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷和/或在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则返回确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值的步骤，以重新确定最优偏航角度值。
可选地，所述降载控制方法可还包括：当入流风速的平均值小于额定风速且持续预定时间长度时，控制风电机组在变速变桨控制模式下运行。
在另一总体方面，提供一种用于风电机组的降载控制装置，包括：风速监测单元，实时监测风电机组的入流风速；风速平均值确定单元，确定预定时间段内的入流风速的平均值；降载控制单元，当入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度时，控制风电机组在偏航降载控制模式下运行，其中，在偏航降载控制模式下，以通过控制风电机组执行偏航动作来降低叶根载荷，并使所述风电机组保持以额定功率运行。
可选地，降载控制单元可确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，控制风电机组的风轮旋转至所述最优偏航角度值，以降低叶根载荷，其中，所述最优偏航角度值可为使得在叶片的一个旋转周期内叶根载荷变化最小的偏航角度值。
可选地，叶根载荷可包括叶根在挥舞方向上的载荷，叶根载荷变化可指在叶片的一个旋转周期内叶根在挥舞方向上的载荷在不同叶片方位角下的载荷变化累积量。
可选地，所述载荷变化累积量可为叶片的翼型截面局部位置处所受到的局部推力变化量分别沿叶片的径向和叶片旋转的周向的积分。
可选地，所述局部推力变化量可为随叶片的翼型截面局部位置处的入流风速和入流角的变化而变化的推力增量。
可选地，降载控制单元可通过以下方式来确定所述入流角：根据叶轮转速、风轮半径、轮毂高度处的入流风速、当前的偏航角度值，确定叶尖速比；根据风剪切指数、叶片方位角、轮毂高度、当前偏航角度值、叶尖速比、风轮半径、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，确定翼型截面局部位置处的入流角。
可选地，降载控制单元可通过以下方式确定所述最优偏航角度值：确定使得所述载荷变化累积量为最小值的最优入流风速；根据入流风速与偏航角度值的物理关系式，通过对所述最优入流风速进行速度分解，来获得所述最优偏航角度值。
可选地，所述降载控制装置可还包括：反馈信息获取单元，获取关于偏航降载控制模式的反馈信息；校验和修正单元，根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式。
可选地，所述反馈信息可包括风电机组的输出功率，其中，如果校验和修正单元确定在启动偏航降载控制模式之后风电机组的输出功率小于风电机组的额定功率，则校验和修正单元可通过控制桨叶调节，来使输出功率保持在风电机组的额定功率；如果校验和修正单元确定在控制桨叶调节之后风电机组的输出功率仍小于额定功率，则校验和修正单元可控制风电机组停止执行偏航降载控制模式。
可选地，所述反馈信息可还包括叶根载荷和塔底载荷，如果校验和修正单元确定在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷，且在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则校验和修正单元可确定所述偏航降载控制模式实现降低叶根载荷的目的；如果校验和修正单元确定在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷和/或在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则降载控制单元可继续确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，以重新确定最优偏航角度值。
可选地，所述降载控制装置可还包括：变速变桨控制单元，当入流风速的平均值小于额定风速且持续预定时间长度时，控制风电机组在变速变桨控制模式下运行。
在另一总体方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的用于风电机组的降载控制方法。
在另一总体方面，提供一种计算装置，所述计算装置包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的用于风电机组的降载控制方法。
采用本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法和装置，在不影响风电机组最优功率输出的条件下，通过主动偏航控制方式来降低叶根载荷。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出根据本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法的流程图；
图2示出根据本发明示例性实施例的确定翼型截面局部位置处的入流角的步骤的流程图；
图3示出根据本发明示例性实施例的校验和修正偏航降载控制模式的步骤的流程图；
图4示出根据本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制装置的框图；
图5示出根据本发明示例性实施例的用于校正和修正偏航降载控制模式的装置的框图；
图6示出根据本发明示例性实施例的风电机组的整体控制模型示意图；
图7示出根据本发明示例性实施例的风电机组的偏航降载控制模式的模型示意图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，一些示例性实施例在附图中示出。
本发明示例性实施例提供的是一种考虑风剪切效应的叶根载荷(即，叶根疲劳载荷)的降载控制方法，针对风电场中竖直风剪切造成的叶片在旋转过程中入流条件的周期性波动，根据高风速条件(即，风速大于额定风速的条件)下风电机组可以产生富余电量这一基础，在保持风电机组额定功率输出的前提下，通过主动偏航控制方式来实现对叶片的入流角以及入流风速的重构，从而缓解叶片在旋转过程中由入流条件的周期性波动造成的气动载荷的周期性变化，形成了高风速条件下基于主动偏航控制方式的叶根载荷降载控制方法。
下面参照图1来介绍根据本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法的步骤。
图1示出根据本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法的流程图。
参照图1，在步骤S10中，实时监测风电机组的入流风速。
例如，可利用风速仪和风向仪来实时监测风电机组的入流风速和入流风向，以从风速仪和风向仪来获取实时监测的入流风速和入流风向。但本发明不限于此，还可以通过其他方式来获得入流风速和入流风向。
在步骤S20中，确定预定时间段内的入流风速的平均值。这里，可根据历史经验来确定预定时间段的时间长度。
在步骤S30中，确定入流风速的平均值是否满足降载触发条件。这里，该降载触发条件指入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度。
如果入流风速的平均值不满足降载触发条件，则表明入流风速的平均值不大于(即，小于或者等于)额定风速，或者入流风速的平均值大于额定风速的持续时间未达到预定时间长度，此时，执行步骤S40：控制风电机组在变速变桨控制模式下运行。
也就是说，在不满足降载触发条件的情况下，可针对风电机组采用现有的常规控制方式。例如，可针对变速变桨型风电机组控制该风电机组在最优功率系数(即，最优叶尖速比)控制策略下运行。
在此情况下，风电机组的偏航控制系统仍执行传统的偏航对风控制策略，传统的偏航对风控制策略是以叶轮轴向与入流风向的夹角最小为目标来实现对风，以捕获最优风能。
也就是说，在入流风速的平均值不满足降载触发条件的情况下，风电机组的偏航控制系统以功率最优为目标，根据所监测的当前的入流风向，执行对风操作以降低偏航角度值，从而实现在低风速条件(即，风速不大于额定风速的条件)下获得最大风能捕获。
如果入流风速的平均值满足降载触发条件，则表明入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度，此时，执行步骤S50：控制风电机组在偏航降载控制模式下运行，在偏航降载控制模式下，通过控制风电机组执行偏航动作来降低叶根载荷，并使风电机组保持以额定功率运行。
也就是说，控制风电机组执行以降载为目的偏航动作。作为示例，上述叶根载荷可包括叶根挥舞方向的载荷和叶根摆振方向的载荷。
这里，应理解，偏航动作可以使不同叶片方位角下的叶片的入流风速(包括旋转平面的法向速度和叶片切向速度)重构，影响各翼型截面的实际入流风速和入流角，进而影响风电机组的输出功率和气动载荷。也就是说，合适的偏航角度值具有补偿风剪切等因素造成的叶片入流条件空间不均匀性的潜力。但是，以降载为目的的偏航动作会使风电机组偏离以叶片风能捕获最优下的偏航角度值，这将造成风电机组的功率损失。
为避免上述功率损失的问题，在本发明示例性实施例中在入流风速的平均值满足降载触发条件时才启动偏航降载控制模式。这是由于在入流风速的平均值满足降载触发条件时，风电机组具有产生富余输出功率的能力，此时启动偏航降载控制模式，可以使得风电机组维持额定功率输出不受影响，还可以减少变桨动作，避免了由于偏航降载而带来的功率损失。
也就是说，本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法，可以在不影响风电机组功率输出的前提(例如，满足风电机组最优功率输出的前提)下，利用偏航动作来对叶片的入流风速和入流角进行重构，以降低叶根载荷。
例如，控制风电机组在偏航降载控制模式下运行的步骤可包括：确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，控制风电机组的风轮旋转至所确定的最优偏航角度值，以降低叶根载荷。
在本发明示例性实施例中，考虑到叶片周期性旋转的特性，为减小叶片在旋转过程中由于风剪切入流不均匀性造成的载荷波动，优选地，以叶片在一个旋转周期内叶根载荷波动最小为目标来确定该最优偏航角度值。也就是说，该最优偏航角度值可指在叶片的一个旋转周期内使得叶根载荷波动最优的偏航角度值。
在一优选实施例中，最优偏航角度值可根据偏航降载参数来确定。作为示例，该偏航降载参数可包括风电机组的入流风速、入流风向、风剪切指数和叶片方位角。除此之外，该偏航降载参数可还包括叶轮转速、当前偏航角、升力系数理论曲线和阻力系数理论曲线。
作为示例，该最优偏航角度值可为使得在叶片的一个旋转周期内叶根载荷变化最小的偏航角度值。也就是说，该最优偏航角度值可为基于上述偏航降载参数来确定的使得在叶片的一个旋转周期内叶根载荷变化最小的偏航角度值。
在一优选实施例中，仅考虑叶根在挥舞方向上的载荷变化情况，此时叶根载荷变化可指在叶片的一个旋转周期内叶根在挥舞方向上的载荷在不同叶片方位角下的载荷变化累积量。
例如，可通过以下方式确定最优偏航角度值：确定使得载荷变化累积量为最小值的最优入流风速，根据入流风速与偏航角度值的物理关系式，通过对上述最优入流风速进行速度分解，来获得最优偏航角度值。这里，速度分解方法以及入流风速与偏航角度值的物理关系式为本领域的公知常识，本发明对此部分不再赘述。
作为示例，在叶片的一个旋转周期内叶根在挥舞方向上的载荷在不同叶片方位角下的载荷变化累积量可通过叶素动量理论与入流风速、风剪切指数、叶片方位角、当前偏航角度值、叶片展向位置等参量建立关系。
在一示例中，可构建一目标函数，该目标函数为用于描述上述载荷变化累积量的函数，基于所构建的目标函数来确定使得该目标函数最小的最优偏航角度值。
例如，可利用如下公式来表示最优偏航角度值与目标函数的关系：
θy,opt～MIN{∑ΔMout} (1)
公式(1)中，θy,opt表示最优偏航角度值，∑ΔMout表示在叶片的一个旋转周期内叶根在挥舞方向上的载荷在不同叶片方位角下的载荷变化累积量。
具体说来，载荷变化累积量可为叶片的翼型截面局部位置处所受到的局部推力变化量分别沿叶片的径向和叶片旋转的周向的积分。
例如，可利用如下公式来表示上述载荷变化累积量：
Figure BDA0002011657630000091
公式(2)中，∑ΔMout表示载荷变化累积量，R为风轮半径，ΔT为叶片的翼型截面局部位置处所受到的局部推力变化量，r为翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，ψ为叶片方位角。
作为示例，局部推力变化量ΔT为随叶片的翼型截面局部位置处的入流风速和翼型截面局部位置处的入流角的变化而变化的推力增量。也就是说，局部推力变化量ΔT为包含能够影响在叶片的一个旋转周期内由于风剪切入流不均匀性造成的载荷波动的变量(即，入流风速和入流角)的函数。
例如，可利用如下公式来计算局部推力变化量ΔT：
Figure BDA0002011657630000092
公式(3)中，ρ为空气密度，c为叶片展向翼型截面局部位置处的弦长，U0为稳态入流条件下的入流风速，U为翼型截面局部位置处的入流风速，φ为翼型截面局部位置处的入流角，φ0为稳态入流条件下的入流角，Cu为入流风速的不均匀性对载荷波动的影响系数，Cφ为入流角的不均匀性对载荷波动的影响系数。
这里，稳态入流条件可指风电机组无偏航且均匀入流(即，风剪切指数为0)的条件。作为示例，空气密度ρ可由温度传感器所测得的风电机组所在区域的温度和所在区域的海拔高度推导而来，弦长c为固有参数，翼型截面局部位置的高度可由叶片方位角、轮毂半径、翼型截面局部位置在叶片上的位置来确定。翼型截面局部位置处的入流角φ可根据入流风速的速度矢量三角形得到。这里，应理解，除上述所列举的获取方式之外，还可以通过其他方式来获得上述参量。
例如，可利用如下公式来计算入流风速的不均匀性对载荷波动的影响系数Cu：
Cu＝2[Cl,0cosφ0+Cd,0sinφ0] (4)
公式(4)中，Cl,0为稳态入流条件下的风电机组的升力系数，Cd,0为稳态入流条件下的风电机组的阻力系数。
例如，可利用如下公式来计算入流角的不均匀性对载荷波动的影响系数Cφ：
Cφ＝Cl,0′cosφ0-Cl,0sinφ0+Cd,0′sinφ0+Cd,0cosφ0 (5)
公式(5)中，Cl,0′表示稳态入流条件下的风电机组的升力系数对风速的导数，Cd,0′表示稳态入流条件下的风电机组的阻力系数对风速的导数。
也就是说，入流风速的不均匀性对载荷波动的影响系数Cu和入流角的不均匀性对载荷波动的影响系数Cφ均为稳态入流条件下的参数。
为计算在叶片的一个旋转周内由于风剪切入流不均匀性造成的载荷波动与入流角、入流风速之间的关系，可通过将翼型截面所受的垂直于风轮平面轴向的推力T对入流角、入流风速进行泰勒展开，通过分析不同入流风速下的升力特性和阻力特性，约去高阶展开项，来获得在稳态入流条件下的局部推力变化量ΔT以及上述的影响系数Cu和Cφ。
例如，可利用如下公式来表示翼型截面所受的垂直于风轮平面轴向推力T：
Figure BDA0002011657630000101
公式(6)中，θ为叶片扭角与桨矩角叠加后的翼型总扭转角，Cl,(φ-θ)为翼型截面局部位置处的升力系数，表示随翼型总扭转角和入流角变化的风电机组的升力系数，Cd,(φ-θ)为翼型截面局部位置处的阻力系数，表示随翼型总扭转角和入流角变化的风电机组的阻力系数。这里，翼型总扭转角θ、升力系数和阻力系数为固有参数。
在确定风电机组之后即可获取该风电机组的升力系数理论曲线和阻力系数理论曲线，基于所确定的升力系数理论曲线可查找获得随翼型总扭转角和入流角变化的风电机组的升力系数Cl,(φ-θ)，基于所确定的阻力系数理论曲线可查找获得随翼型总扭转角和入流角变化的风电机组的阻力系数Cd,(φ-θ)。
下面参照图2来介绍确定翼型截面局部位置处的入流角的步骤。应理解，图2示出的确定翼型截面局部位置处的入流角的方式仅为一优选示例，本发明不限于此，其他确定翼型截面局部位置处的入流角的方式也是可行的。
图2示出根据本发明示例性实施例的确定翼型截面局部位置处的入流角的步骤的流程图。
在本发明示例性实施例中，通过以下方式来对在不同叶片方位角下的入流角和入流风速进行重构，来减小由于风剪切入流不均匀性造成的载荷波动。也就是说，通过对在不同叶片方位角下的入流角和入流风速进行重构来获得最优偏航角度值，并通过偏航动作来控制风电机组的风轮旋转至该最优偏航角度值，以减小风剪切入流不均匀性造成的载荷波动。
参照图2，在步骤S201中，根据叶轮转速、风轮半径、轮毂高度处的入流风速、当前偏航角度值，确定叶尖速比。
例如，可利用如下公式来计算叶尖速比为λ：
Figure BDA0002011657630000111
公式(7)中，Vh为轮毂高度处的入流风速，R为风轮半径，Ω为叶轮转速，θy为当前偏航角度值。
这里，轮毂高度处的入流风速可根据翼型截面局部位置处的入流风速、风剪切指数、叶片方位角、轮毂高度、当前偏航角度值、叶尖速比、风轮半径、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置来确定。
例如，可利用如下公式来表示无量纲相对速度U/Vh：
Figure BDA0002011657630000112
公式(8)中，Vh为轮毂高度处的入流风速，U为翼型截面局部位置处的入流风速，zh为轮毂高度，r为翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，R为风轮半径，λ为叶尖速比，ψ为叶片方位角，θy为当前偏航角度值，即，在启动偏航降载控制模式之前的偏航角度值，α为风剪切指数。
基于上述的公式(7)和(8)可计算得到轮毂高度处的入流风速Vh和叶尖速比为λ。
在步骤S202中，根据风剪切指数、叶片方位角、轮毂高度、当前偏航角度值、叶尖速比、风轮半径、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，确定翼型截面局部位置处的入流角。
例如，可利用如下公式来计算翼型截面局部位置处的入流角φ：
Figure BDA0002011657630000121
从公式(9)可以看出，翼型截面局部位置处的入流角可由轴向速度分量(分子部分)和切向速度分量(分母部分)获得，例如，可为轴向速度分量与切向速度分量比值的反正切值。在当前偏航角度值为θy、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置为r的情况下，轴向速度分量和切向速度分量均是关于叶片方位角ψ、风剪切指数α、叶轮半径R、轮毂高度zh的函数。
作为示例，风剪切指数可由风电场的长期测风数据拟合得到，优选地，可由位于该风电机组上游的测风塔数据拟合得到。例如，可通过对测风塔的不同高度处测量的风速进行反演来获得风剪切指数，但本发明不限于此，其他确定风剪切指数的方式也是可行的，例如，也可利用其他传感器装置，如通过对前向雷达所测量得到的不同高度处的风速繁衍而来。
例如，当前偏航角度值可由旋转编码器所测量得到的风电机组的风轮角度(或机舱角度)和风向标所测量得到的风向计算而来。
这里，在以降载为目标的偏航动作执行之前，偏航控制系统是以风能捕获最大化为目标的对风模式，因此在执行以降载为目的的偏航动作时，风轮平面的偏航角一般从接近功率最优位置的0度偏航角(即，当前偏航角度值)位置开始启动。
从局部推力变化量ΔT的表达式可以看出，在竖直风剪切条件下叶根载荷变化由两个方面的因素贡献，一方面是旋转周期内入流风速大小不均匀性的贡献(即，U-U0)，另一方面是由于旋转周期内入流角不均匀性的贡献。两者对叶根载荷变化大小的敏感性可以由Cu和Cφ两个影响系数表征。
在低风速条件下，升力系数的量级足够高，入流风速大小的不均匀性的贡献也足够大。但是在额定风速以上时，通过桨叶调节，叶片外侧翼型截面的升力系数Cl,0已经足够低，处于小攻角的线性区，而升力系数的斜率则近似于2π。此时入流风速大小的不均匀性的贡献，远不如入流角不均匀性对叶根载荷变化的贡献大(即，Cφ>>Cu)。基于此，可以通过偏航动作对入流角的变化进行重构，选择合适的偏航角度值尽可能降低旋转周期内入流角相对于稳态入流条件的变化，来降低叶根疲劳载荷。
通过叶片模拟表明，负向偏航角度值可以大幅度降低旋转周期内叶片的入流角的变动，由此可以推测在不同入流风速和叶片方位角下存在最优偏航角度值，以使得入流角的变化最小，从而大幅度降低叶根弯矩变化。
应理解，在启动偏航降载控制模式之后，还需对风电机组进行实时监控，以基于监控结果来确定是否达到降低叶根载荷的目的。下面参照图3来介绍基于反馈信息来校验和修正偏航降载控制模式的步骤。
图3示出根据本发明示例性实施例的校验和修正偏航降载控制模式的步骤的流程图。
参照图3，在步骤S301中，获取关于偏航降载控制模式的反馈信息。
作为示例，关于偏航降载控制模式的反馈信息可包括但不限于叶根载荷、塔底载荷和风电机组的输出功率。
例如，可在叶片根部和塔底根部分别安装载荷传感器，以通过所安装的载荷传感器来监测叶根载荷和塔底载荷。这里，通过安装在叶片根部的载荷传感器可获得摆振方向的叶根载荷以及挥舞方向的叶根载荷，优选地，选取挥舞方向的叶根载荷作为反馈信息，用以评估、校验偏航降载控制模式是否达到降低叶根载荷的目的。
在步骤S302中，根据获取的反馈信息，来校验和修正偏航降载控制模式。
针对反馈信息为风电机组的输出功率的情况，可通过如下方式来校验和修正偏航降载控制模式。
如果确定在启动偏航降载控制模式之后风电机组的输出功率小于风电机组的额定功率，则通过控制桨叶调节，来使输出功率保持在风电机组的额定功率。如果确定在控制桨叶调节之后风电机组的输出功率仍小于额定功率，则控制风电机组停止执行偏航降载控制模式。在此情况下，可控制风电机组恢复为在变速变桨控制模式下运行。
针对反馈信息为叶根载荷和塔底载荷的情况，可通过如下方式来校验和修正偏航降载控制模式。
如果确定在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷，且在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则确定偏航降载控制模式实现了降低叶根载荷的目的。
如果确定在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷不小于(大于或者等于)在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷和/或在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则返回确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值的步骤，以重新确定最优偏航角度值。
此外，还可基于所监测的风电机组的塔底载荷，来确定是否终止偏航降载控制模式。这是由于在风轮偏航时一般会造成风电机组的非旋转部件的载荷波动增加，例如，可造成相对于入流方向的塔底前后向弯矩和塔底侧向弯矩的增加。为了避免偏航降载控制模式下的偏航动作造成的塔底载荷波动影响塔架安全运行，可将所监测的风电机组的塔底载荷与塔底载荷波动设定阈值进行比较，该塔底载荷波动设定阈值可为在满足塔架安全运行要求的前提下在叶片的一个旋转周期内的塔底载荷波动的最大允许值。当塔底载荷大于塔底载荷波动设定阈值时，控制风电机组停止偏航降载控制模式，并控制风电机组恢复为在变速变桨控制模式下运行。
也就是说，当在启动偏航降载控制模式之后所监测的风电机组的塔底载荷大于或者等于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，且小于或者等于塔底载荷波动设定阈值时，可重新确定最优偏航角度值。当在启动偏航降载控制模式之后所监测的风电机组的塔底载荷大于塔底载荷波动设定阈值时，可控制风电机组由偏航降载控制模式切换至变速变桨控制模式。
根据本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法可还包括：如果在启动偏航降载控制模式之后确定入流风速的平均值小于额定风速且持续预定时间长度，则控制风电机组由偏航降载控制模式切换至变速变桨控制模式，即，控制风电机组恢复为在变速变桨控制模式下运行。
图4示出根据本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制装置的框图。
如图4所示，根据本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制装置包括风速监测单元10、风速平均值确定单元20和降载控制单元30。优选地，该降载控制装置除包括上述单元之外，可还包括判断单元40和变速变桨控制单元50。
具体说来，风速监测单元10实时监测风电机组的入流风速。
例如，可利用风速仪和风向仪来实时监测风电机组的入流风速和入流风向，风速监测单元10从风速仪和风向仪来获取实时监测的入流风速和入流风向。
风速平均值确定单元20确定预定时间段内的入流风速的平均值。
判断单元40确定入流风速的平均值是否满足降载触发条件。这里，该降载触发条件指入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度。
如果判断单元40确定入流风速的平均值不满足降载触发条件，则表明入流风速的平均值不大于额定风速，或者入流风速的平均值大于额定风速的持续时间未达到预定时间长度，此时变速变桨控制单元50控制风电机组在变速变桨控制模式下运行。
在此情况下，风电机组的偏航控制单元仍执行传统的偏航对风控制策略，传统的偏航对风控制策略是以叶轮轴向与入流风向的角度最小为目标来实现对风，以捕获最优风能。
如果判断单元40确定入流风速的平均值满足降载触发条件，则表明入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度，此时降载控制单元30控制风电机组在偏航降载控制模式下运行，在偏航降载控制模式下，通过控制风电机组执行偏航动作来降低叶根载荷，并使风电机组保持以额定功率运行。
也就是说，降载控制单元30控制风电机组执行以降载为目的偏航动作。作为示例，上述叶根载荷可包括叶根挥舞方向的载荷和叶根摆振方向的载荷。
例如，降载控制单元30可确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，控制风电机组的风轮旋转至所确定的最优偏航角度值，以降低叶根载荷。
作为示例，该最优偏航角度值可为使得在叶片的一个旋转周期内叶根载荷变化最小的偏航角度值。在一优选实施例中，仅考虑叶根在挥舞方向上的载荷变化情况，此时叶根载荷变化指在叶片的一个旋转周期内叶根在挥舞方向上的载荷在不同方位角下的载荷变化累积量。
例如，降载控制单元30可通过以下方式确定最优偏航角度值：确定使得载荷变化累积量为最小值的最优入流风速，根据入流风速与偏航角度值的物理关系式，通过对上述最优入流风速进行速度分解，来获得最优偏航角度值。
在一优选实施例中，载荷变化累积量可为叶片的翼型截面局部位置处所受到的局部推力变化量分别沿叶片的径向和叶片旋转的周向的积分。作为示例，局部推力变化量可为随叶片的翼型截面局部位置处的入流风速和入流角的变化而变化的推力增量。
在一优选实施例中，可通过以下方式来确定叶片的翼型截面局部位置处的入流角。
根据翼型截面局部位置处的入流风速、风剪切指数、叶片方位角、轮毂高度、当前偏航角度值、叶尖速比、风轮半径、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，确定轮毂高度处的入流风速；根据叶轮转速、风轮半径、轮毂高度处的入流风速、当前偏航角度值，确定叶尖速比；根据风剪切指数、叶片方位角、轮毂高度、当前偏航角度值、叶尖速比、风轮半径、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，确定翼型截面局部位置处的入流角。
图5示出根据本发明示例性实施例的用于校正和修正偏航降载控制模式的装置的框图。
如图5所示，根据本发明示例性实施例的用于校正和修正偏航降载控制模式的装置可包括反馈信息获取单元301和校验和修正单元302。
具体说来，反馈信息获取单元301获取关于偏航降载控制模式的反馈信息。
作为示例，关于偏航降载控制模式的反馈信息可包括但不限于叶根载荷、塔底载荷和风电机组的输出功率。
例如，可在叶片根部和塔底根部分别安装载荷传感器，反馈信息获取单元301从所安装的载荷传感器来获取叶根载荷和塔底载荷。
此外，根据本发明示例性实施例的降载控制装置可还包括功率监测单元，用于实时监测风电机组的输出功率。在此情况下，反馈信息获取单元301从功率监测单元获取风电机组的输出功率。
校验和修正单元302根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式。
针对反馈信息为风电机组的输出功率的情况，校验和修正单元302可通过如下方式来校验和修正偏航降载控制模式。
如果校验和修正单元302确定在启动偏航降载控制模式之后风电机组的输出功率小于风电机组的额定功率，则校验和修正单元302通过控制桨叶调节，来使输出功率保持在风电机组的额定功率。如果校验和修正单元302确定在控制桨叶调节之后风电机组的输出功率仍小于额定功率，则校验和修正单元302控制风电机组停止执行偏航降载控制模式。在此情况下，校验和修正单元302可控制风电机组恢复为在变速变桨控制模式下运行。
针对反馈信息为叶根载荷和塔底载荷的情况，校验和修正单元302可通过如下方式来校验和修正偏航降载控制模式。
如果校验和修正单元302确定在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷，且在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则校验和修正单元302确定偏航降载控制模式实现降低叶根载荷的目的。
如果校验和修正单元302确定在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷和/或在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则降载控制单元30继续确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，以重新确定最优偏航角度值。
此外，校验和修正单元302还可基于所监测的风电机组的塔底载荷，来确定是否终止偏航降载控制模式。例如，校验和修正单元302可将所监测的风电机组的塔底载荷与塔底载荷波动设定阈值进行比较，该塔底载荷波动设定阈值可为在满足塔架安全运行要求的前提下在叶片的一个旋转周期内的塔底载荷波动的最大允许值。当塔底载荷大于塔底载荷波动设定阈值时，校验和修正单元302控制风电机组停止偏航降载控制模式，并控制风电机组恢复为在变速变桨控制模式下运行。
在一优选实施例中，根据本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制装置可还包括控制模式切换单元(图中未示出)。
如果在启动偏航降载控制模式之后确定入流风速的平均值小于额定风速且持续预定时间长度，则控制模式切换单元控制风电机组由偏航降载控制模式切换至变速变桨控制模式。
图6示出根据本发明示例性实施例的风电机组的整体控制模型示意图。
传统的风电机组的主控制单元一般可实现用于控制发电机转矩的转矩控制以及用于桨叶调节的变桨控制，分别实现额定风速以下工况的最优功率追踪和额定风速以上条件下的额定功率控制。传统的偏航控制单元主要实现低风速条件下的对风，但在本发明示例性实施例中，通过在高风速条件下的偏航动作来实现偏航降载功能。
图7示出根据本发明示例性实施例的风电机组的偏航降载控制模式的模型示意图。
如图7所示，在不同条件下偏航控制单元可实现两种控制方式。当入流风速的平均值小于风电机组的额定风速时，偏航控制单元以叶轮轴向与风向的角度最小为目标实现对风，获得低风速条件下最优风能捕获。当入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度时，偏航控制单元以叶根载荷波动最小为目标，来预测最优偏航角度值，以实现降低叶根载荷。
应理解，图7仅示出偏航控制单元用于偏航降载控制时的部分输入量(例如，风速、风向、风剪切指数、方位角)，其他输入量(例如，叶轮转速、当前偏航角、风电机组的升力系数理论曲线和阻力系数理论曲线)未在图中示出。
根据本发明的示例性实施例还提供一种计算装置。该计算装置包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行上述的用于风电机组的降载控制方法的计算机程序。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述用于风电机组的降载控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法和装置，为一种考虑了风剪切效应的偏航降载控制方法，以实现针对额定风速以上的高风速段进行主动偏航的降载控制。
此外，采用本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法和装置，可以在不影响风电机组最优功率输出的条件下，大幅度降低旋转周期内叶片根部的挥舞弯矩和摆振弯矩的变化，进而降低叶片疲劳载荷。
此外，采用本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法和装置，能够有效缓解叶片在旋转过程中由于入流条件的波动造成的气动载荷的周期性变化。
此外，采用本发明示例性实施例的用于风电机组的降载控制方法和装置，无需增加桨叶调节等制动需求便可以实现有效降载。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (24)

1.一种用于风电机组的降载控制方法，其特征在于，包括：
实时监测风电机组的入流风速；
确定预定时间段内的入流风速的平均值；
当入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度时，控制风电机组在偏航降载控制模式下运行，其中，在偏航降载控制模式下，以通过控制风电机组执行偏航动作来降低叶根载荷，并使所述风电机组保持以额定功率运行。
2.如权利要求1所述的降载控制方法，其特征在于，控制风电机组在偏航降载控制模式下运行的步骤包括：
确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，所述最优偏航角度值为使得在叶片的一个旋转周期内叶根载荷变化最小的偏航角度值；
控制风电机组的风轮旋转至所述最优偏航角度值。
3.如权利要求2所述的降载控制方法，其特征在于，叶根载荷包括叶根在挥舞方向上的载荷，叶根载荷变化指在叶片的一个旋转周期内叶根在挥舞方向上的载荷在不同叶片方位角下的载荷变化累积量。
4.如权利要求3所述的降载控制方法，其特征在于，所述载荷变化累积量为叶片的翼型截面局部位置处所受到的局部推力变化量分别沿叶片的径向和叶片旋转的周向的积分。
5.如权利要求4所述的降载控制方法，其特征在于，所述局部推力变化量为随叶片的翼型截面局部位置处的入流风速和入流角的变化而变化的推力增量。
6.如权利要求5所述的降载控制方法，其特征在于，通过以下方式来确定所述入流角：
根据叶轮转速、风轮半径、轮毂高度处的入流风速、当前的偏航角度值，确定叶尖速比；
根据风剪切指数、叶片方位角、轮毂高度、当前偏航角度值、叶尖速比、风轮半径、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，确定翼型截面局部位置处的入流角。
7.如权利要求5所述的降载控制方法，其特征在于，通过以下方式确定所述最优偏航角度值：
确定使得所述载荷变化累积量为最小值的最优入流风速；
根据入流风速与偏航角度值的物理关系式，通过对所述最优入流风速进行速度分解，来获得所述最优偏航角度值。
8.如权利要求2所述的降载控制方法，其特征在于，所述降载控制方法还包括：
获取关于偏航降载控制模式的反馈信息；
根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式。
9.如权利要求8所述的降载控制方法，其特征在于，所述反馈信息包括风电机组的输出功率，根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式的步骤包括：
如果确定在启动偏航降载控制模式之后风电机组的输出功率小于风电机组的额定功率，则通过控制桨叶调节，来使输出功率保持在风电机组的额定功率；
如果确定在控制桨叶调节之后风电机组的输出功率仍小于额定功率，则控制风电机组停止执行偏航降载控制模式。
10.如权利要求9所述的降载控制方法，其特征在于，所述反馈信息还包括叶根载荷和塔底载荷，根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式的步骤包括：
如果在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷，且在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则确定所述偏航降载控制模式实现降低叶根载荷的目的；
如果在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷和/或在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则返回确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值的步骤，以重新确定最优偏航角度值。
11.如权利要求1所述的降载控制方法，其特征在于，所述降载控制方法还包括：
如果入流风速的平均值小于额定风速且持续预定时间长度，则控制风电机组在变速变桨控制模式下运行。
12.一种用于风电机组的降载控制装置，其特征在于，包括：
风速监测单元，实时监测风电机组的入流风速；
风速平均值确定单元，确定预定时间段内的入流风速的平均值；
降载控制单元，当入流风速的平均值大于额定风速且持续预定时间长度时，控制风电机组在偏航降载控制模式下运行，其中，在偏航降载控制模式下，以通过控制风电机组执行偏航动作来降低叶根载荷，并使所述风电机组保持以额定功率运行。
13.如权利要求12所述的降载控制装置，其特征在于，降载控制单元确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，控制风电机组的风轮旋转至所述最优偏航角度值，以降低叶根载荷，其中，所述最优偏航角度值为使得在叶片的一个旋转周期内叶根载荷变化最小的偏航角度值。
14.如权利要求13所述的降载控制装置，其特征在于，叶根载荷包括叶根在挥舞方向上的载荷，叶根载荷变化指在叶片的一个旋转周期内叶根在挥舞方向上的载荷在不同叶片方位角下的载荷变化累积量。
15.如权利要求14所述的降载控制装置，其特征在于，所述载荷变化累积量为叶片的翼型截面局部位置处所受到的局部推力变化量分别沿叶片的径向和叶片旋转的周向的积分。
16.如权利要求15所述的降载控制装置，其特征在于，所述局部推力变化量为随叶片的翼型截面局部位置处的入流风速和入流角的变化而变化的推力增量。
17.如权利要求16所述的降载控制装置，其特征在于，降载控制单元通过以下方式来确定所述入流角：
根据叶轮转速、风轮半径、轮毂高度处的入流风速、当前的偏航角度值，确定叶尖速比；
根据风剪切指数、叶片方位角、轮毂高度、当前偏航角度值、叶尖速比、风轮半径、翼型截面局部位置所处的叶片展向位置，确定翼型截面局部位置处的入流角。
18.如权利要求16所述的降载控制装置，其特征在于，降载控制单元通过以下方式确定所述最优偏航角度值：
确定使得所述载荷变化累积量为最小值的最优入流风速；
根据入流风速与偏航角度值的物理关系式，通过对所述最优入流风速进行速度分解，来获得所述最优偏航角度值。
19.如权利要求13所述的降载控制装置，其特征在于，所述降载控制装置还包括：
反馈信息获取单元，获取关于偏航降载控制模式的反馈信息；
校验和修正单元，根据获取的反馈信息，来校验和修正所述偏航降载控制模式。
20.如权利要求19所述的降载控制装置，其特征在于，所述反馈信息包括风电机组的输出功率，
其中，如果校验和修正单元确定在启动偏航降载控制模式之后风电机组的输出功率小于风电机组的额定功率，则校验和修正单元通过控制桨叶调节，来使输出功率保持在风电机组的额定功率；
如果校验和修正单元确定在控制桨叶调节之后风电机组的输出功率仍小于额定功率，则校验和修正单元控制风电机组停止执行偏航降载控制模式。
21.如权利要求20所述的降载控制装置，其特征在于，所述反馈信息还包括叶根载荷和塔底载荷，
如果校验和修正单元确定在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷，且在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则校验和修正单元确定所述偏航降载控制模式实现降低叶根载荷的目的；
如果校验和修正单元确定在启动偏航降载控制模式之后获取到的叶根载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的叶根载荷和/或在启动偏航降载控制模式之后获取到的塔底载荷不小于在启动偏航降载控制模式之前获取到的塔底载荷，则降载控制单元继续确定偏航降载控制模式下的最优偏航角度值，以重新确定最优偏航角度值。
22.如权利要求12所述的降载控制装置，其特征在于，所述降载控制装置还包括：变速变桨控制单元，当入流风速的平均值小于额定风速且持续预定时间长度时，控制风电机组在变速变桨控制模式下运行。
23.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1至11中任意一项所述的用于风电机组的降载控制方法。
24.一种计算装置，其特征在于，所述计算装置包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至11中任意一项所述的用于风电机组的降载控制方法。
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