CN111828252B - 一种风力发电机组落冰风险控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组落冰风险控制方法,包括如下步骤：1)采集风机实时运行数据；2)对数据预处理；3)预测风机结冰状态；如果风机未结冰，则风机正常运行，如果风机结冰，进行下一步；4)计算落冰风险区域Ω；5)判断落冰风险区域与敏感区域Ψ是否有交集，若没有交集，则禁止人员和设备在风机附近逗留，若有交集，进行下一步；6)根据风机运行状态计算风机的允许运行转速区间Φ和允许偏航区间ξ；7)判断是否存在转速ω∈Φ且偏航角度β∈ξ使得

若不存在，则风机停机，禁止人员和设备在风机附近逗留；若存在，则禁止人员和设备在风机附近逗留。本发明操作方便，能有效地防止落冰造成人身伤害和运营事故。

Description

一种风力发电机组落冰风险控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组落冰风险控制方法。

背景技术

风电发电机组在寒冷季节容易形成叶片结冰现象，叶片结冰现象一方面会对风机发电量造成损失，另一方面，在风机运行过程中，旋转的风轮，在温度升高时覆冰的粘着力下降，极易发生甩冰、落冰现象，造成人身伤害和运营事故。在特殊天气情况下，比如温度接近零摄氏度又伴有高湿度，如冻雨或雨夹雪，风电机组叶片比较容易覆冰。覆冰后风电机组叶片继续旋转，覆冰可能被抛出一段距离，如果没有遇到阻碍物，甚至可能会被抛出数百米远。这些落冰可能会损害建筑物和车辆，甚至会伤害到风电场的工作人员或者普通公众，埋下安全隐患。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种操作简单，能实时判断风机的结冰状态并通过落冰区间计算模块计算出风机的落冰风险区域，通过落冰风险区域和敏感区域的关系来判断风机所处的落冰风险状态，有效防止落冰造成人身伤害和运营事故的风力发电机组的落冰风险控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种风力发电机组的落冰风险控制方法，包括如下步骤：

1)采集风机运行数据；

2)对采集的风机运行数据预处理；

3)通过基于神经网络的结冰预测模块预测风机结冰状态；如果风机未结冰，则风机处于无落冰风险状态，风机正常运行，如果风机结冰，进行下一步；

4)计算落冰风险区域Ω；

5)判断落冰风险区域Ω与敏感区域Ψ是否有交集，如果没有交集，则风机处于无敏感风险状态，禁止人员和设备在风机附近逗留，如果有交集，进行下一步；

6)根据风机运行状态计算风机的允许运行转速区间Φ和允许偏航区间ξ；

7)判断是否存在转速ω∈Φ且偏航角度β∈ξ使得

表示空集，如果不存在，则风机处于不能调敏感风险状态，风机停机，禁止人员和设备在风机附近逗留；如果存在，则风机处于能调敏感风险状态，禁止人员和设备在风机附近逗留。

上述的风力发电机组的落冰风险控制方法中，所述步骤4)具体步骤为：

4.1)建立坐标系O，

4.2)建立落冰轨迹数学模型，

4.3)计算落冰风险区域Ω。

上述的风力发电机组的落冰风险控制方法中，所述步骤4.1具体操作如下：

以风机塔筒地面中心为原点，以南北方向为X轴，北向为正；以东西方向为Y轴，东向为正；以高度方向为Z轴，向上为正建立坐标系O。

上述的风力发电机组的落冰风险控制方法中，所述步骤4.2具体步骤为：

4.2.1)分别建立冰块的X方向轨迹方程、Y方向轨迹方程和Z方向轨迹方程，X方向轨迹方程：

Y方向轨迹方程：

Z方向轨迹方程：

式中：x：为冰块x方向的坐标值；y：为冰块y方向的坐标值；z：为冰块z方向的坐标值；ρ：为空气密度；C_D：为阻力系数；A：为有效面积；g：为重力加速度；m：为冰块质量；|V|：代表冰块对地速度；V_x：为风速x方向分量；V_y：为风速y方向分量；V_z：为风速z方向分量；

4.2.2)计算冰块对地速度，其计算公式为：

4.2.3)确定冰块的速度初始边界条件：

冰块的X方向速度初始边界条件满足：U_x(0)＝V_t cosβ+V₀ cosθsinβ，

冰块的Y方向速度初始边界条件满足：U_y(0)＝-V₀ cosθcosβ+V_t sinβ，

冰块的Z方向速度初始边界条件满足：U_z(0)＝V₀ sinθ；

式中：U_x(0)冰块X方向初始的速度，U_y(0)冰块Y方向的初始速度；U_z(0)冰块Z方向的初始速度；V₀：冰块叶尖切向抛出速度；β：偏航角度；θ：计算角度；V_t：冰块风轮面法向抛出速度，由风机运行状态得出；

4.2.4)计算冰块叶尖切向抛出速度，公式为：V₀＝ωD/2，式中：D：风轮面的直径；ω：轮毂转速；

4.2.5)确定冰块的初始位移边界条件：

冰块X方向的初始位移边界条件满足：x(0)＝sinθ×D/2×sinβ，

冰块Y方向的初始位移边界条件满足：y(0)＝-sinθ×D/2×cosβ，

冰块Z方向的初始位移边界条件满足：z(0)＝H-cosθ×D/2；

式中：H：轮毂中心高度；x(0)：冰块X方向的初始位移；y(0)：冰块Y方向的初始位移；z(0)：冰块Z方向的初始位移。

上述的风力发电机组的落冰风险控制方法中，所述步骤4.3具体操作如下：

4.3.1)计算角度为θ时，Γ(θ)＝{(x,y,z)|点(x,y,z)满足轨迹方程及约束}，Γ(θ)：冰块落冰风险区域边界；

4.3.2)落冰风险区域Ω＝{所有Γ(θ)包裹形成的区域|θ∈[0,2π)}。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用基于神经网络的结冰预测方法，建立了风机落冰风险区域的数学模型，考虑了风险区域与敏感区域的空间交集关系，贴合实际情况，能起到风机落冰风险状态评估和控制作用；本发明操作方便，能有效地防止落冰造成人身伤害和运营事故。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的参考坐标系示意图。

图3为本发明的冰块空间轨迹的示意图。

图4为本发明的冰块轨迹的俯瞰示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括如下步骤：

1)采集风机运行数据；

2)对采集的风机运行数据预处理；

3)通过基于神经网络的结冰预测模块预测风机结冰状态；如果风机未结冰，则风机处于无落冰风险状态，风机正常运行，如果风机结冰，进行下一步；

4)计算落冰风险区域Ω；其具体操作步骤如下：

4.1)以风机塔筒地面中心为原点，以南北方向为X轴，北向为正；以东西方向为Y轴，东向为正；以高度方向为Z轴，向上为正建立坐标系O。

4.2)建立落冰轨迹数学模型：

4.2.1)分别建立冰块的X方向轨迹方程、Y方向轨迹方程和Z方向轨迹方程，X方向轨迹方程：

Y方向轨迹方程：

Z方向轨迹方程：

式中：x：为冰块x方向的坐标值；y：为冰块y方向的坐标值；z：为冰块z方向的坐标值；ρ：为空气密度；C_D：为阻力系数；A：为有效面积；g：为重力加速度；m：为冰块质量；|V|：为冰块与风速的相对速度；V_x：为风速x方向分量；V_y：为风速y方向分量；V_z：为风速z方向分量；

4.2.2)计算冰块对地速度，其计算公式为：

4.2.3)确定冰块的速度初始边界条件：

冰块的X方向速度初始边界条件满足：U_x(0)＝V_t cosβ+V₀ cosθsinβ，

冰块的Y方向速度初始边界条件满足：U_y(0)＝-V₀ cosθcosβ+V_t sinβ，

冰块的Z方向速度初始边界条件满足：U_z(0)＝V₀ sinθ；

式中：U_x(0)冰块X方向初始的速度，U_y(0)冰块Y方向的初始速度；U_z(0)冰块Z方向的初始速度；V₀：冰块叶尖切向抛出速度；β：偏航角度；θ：计算角度；V_t：冰块风轮面法向抛出速度，由风机运行状态得出；U_x：为冰块x方向的速度；U_y：为冰块y方向的速度；U_z：为冰块z方向的速度；

4.2.4)计算冰块叶尖切向抛出速度，公式为：V₀＝ωD/2，式中：D：风轮面的直径；ω：轮毂转速；

4.2.5)确定冰块的初始位移边界条件：

冰块X方向的初始位移边界条件满足：x(0)＝sinθ×D/2×sinβ，

冰块Y方向的初始位移边界条件满足：y(0)＝-sinθ×D/2×cosβ，

冰块Z方向的初始位移边界条件满足：z(0)＝H-cosθ×D/2；

式中：H：轮毂中心高度；x(0)：冰块X方向的初始位移；y(0)：冰块Y方向的初始位移；z(0)：冰块Z方向的初始位移。

4.3)计算落冰风险区域Ω：

4.3.1)计算角度为θ时，Γ(θ)＝{(x,y,z)|点(x,y,z)满足轨迹方程及约束}，Γ(θ)：冰块落冰风险区域边界；

4.3.2)落冰风险区域Ω＝{所有Γ(θ)包裹形成的区域|θ∈[0,2π)}。

5)判断落冰风险区域Ω与敏感区域Ψ是否有交集，所述的敏感区域是指遭遇落冰会造成损失的空间区域。如果没有交集，则风机处于无敏感风险状态，禁止人员和设备在风机附近逗留，如果有交集，进行下一步；

6)根据风机运行状态计算风机的允许运行转速区间Φ和允许偏航区间ξ；

7)判断是否存在转速ω∈Φ且偏航角度β∈ξ使得

表示空集，如果不存在，则风机处于不能调敏感风险状态，风机停机，禁止人员和设备在风机附近逗留；如果存在，则风机处于能调敏感风险状态，禁止人员和设备在风机附近逗留。

Claims (5)

1.一种风力发电机组的落冰风险控制方法，包括如下步骤：

1)采集风机运行数据；

2)对采集的风机运行数据预处理；

3)通过基于神经网络的结冰预测模块预测风机结冰状态；如果风机未结冰，则风机处于无落冰风险状态，风机正常运行，如果风机结冰，进行下一步；

4)计算落冰风险区域Ω；

5)判断落冰风险区域Ω与敏感区域Ψ是否有交集，如果没有交集，则风机处于无敏感风险状态，禁止人员和设备在风机附近逗留，如果有交集，进行下一步；

6)根据风机运行状态计算风机的允许运行转速区间Φ和允许偏航区间ξ；

7)判断是否存在转速ω∈Φ且偏航角度β∈ξ使得

表示空集，如果不存在，则风机处于不能调敏感风险状态，风机停机，禁止人员和设备在风机附近逗留；如果存在，则风机处于能调敏感风险状态，禁止人员和设备在风机附近逗留。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的落冰风险控制方法，所述步骤4)具体步骤为：

4.1)建立坐标系O，

4.2)建立落冰轨迹数学模型，

4.3)计算落冰风险区域Ω。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组的落冰风险控制方法，所述步骤4.1具体操作如下：

以风机塔筒地面中心为原点，以南北方向为X轴，北向为正；以东西方向为Y轴，东向为正；以高度方向为Z轴，向上为正建立坐标系O。

4.根据权利要求2所述的风力发电机组的落冰风险控制方法，所述步骤4.2具体步骤为：

4.2.1)分别建立冰块的X方向轨迹方程、Y方向轨迹方程和Z方向轨迹方程，X方向轨迹方程：

Y方向轨迹方程：

Z方向轨迹方程：

式中：x：为冰块x方向的坐标值；y：为冰块y方向的坐标值；z：为冰块z方向的坐标值；ρ：为空气密度；C_D：为阻力系数；A：为有效面积；g：为重力加速度；m：为冰块质量；|V|：为冰块与风的相对速度；V_x：为风速x方向分量；V_y：为风速y方向分量；V_z：为风速z方向分量；

4.2.2)计算冰块对地速度，其计算公式为：

4.2.3)确定冰块的速度初始边界条件：

冰块的X方向速度初始边界条件满足：U_x(0)＝V_t cosβ+V₀ cosθsinβ，

冰块的Y方向速度初始边界条件满足：U_y(0)＝-V₀ cosθcosβ+V_t sinβ，

冰块的Z方向速度初始边界条件满足：U_z(0)＝V₀ sinθ；

式中：U_x(0)冰块X方向初始的速度，U_y(0)冰块Y方向的初始速度；U_z(0)冰块Z方向的初始速度；V₀：冰块叶尖切向抛出速度；β：偏航角度；θ：计算角度；V_t：冰块风轮面法向抛出速度，由风机运行状态得出；

4.2.4)计算冰块叶尖切向抛出速度，公式为：V₀＝ωD/2，式中：D：风轮面的直径；ω：轮毂转速；

4.2.5)确定冰块的初始位移边界条件：

冰块X方向的初始位移边界条件满足：x(0)＝sinθ×D/2×sinβ，

冰块Y方向的初始位移边界条件满足：y(0)＝-sinθ×D/2×cosβ，

冰块Z方向的初始位移边界条件满足：z(0)＝H-cosθ×D/2；

式中：H：轮毂中心高度；x(0)：冰块X方向的初始位移；y(0)：冰块Y方向的初始位移；z(0)：冰块Z方向的初始位移。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组的落冰风险控制方法，所述步骤4.3具体操作如下：

4.3.1)计算角度为θ时，Γ(θ)＝{(x,y,z)|点(x,y,z)满足轨迹方程及约束}，Γ(θ)：冰块落冰风险区域边界；

4.3.2)落冰风险区域Ω＝{所有Γ(θ)包裹形成的区域|θ∈[0,2π)}。

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