CN112128054A - 基于湍流识别的主动载荷控制方法 - Google Patents

基于湍流识别的主动载荷控制方法 Download PDF

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刘善超
文茂诗
宫伟
杨微
邓雨
钱权
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    • Y02E10/70—Wind energy
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Abstract

本发明提供一种基于湍流识别的主动载荷控制方法，包括如下步骤：获取有效风速时序；基于有效风速时序计算平均湍流强度和平均风速，获取湍流区间标志的值；基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；启动主动控制模式后，根据主动控制额定转速、主动控制额定转矩和主动控制额定功率调整机组运行状态。通过实时计算风速湍流和平均风速，并根据常规设计下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷敏感区，在不同湍流和不同风区下，引入湍流模态、转速和转矩调节系数，有效降低极端湍流工况下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷，保证机组关键部件受载安全。

Description

基于湍流识别的主动载荷控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种基于湍流识别的主动载荷控制方法。
背景技术
伴随着风电行业朝平价上网的过渡，为降低整机度电成本，大兆瓦、长叶片风电机组成为了中国风电的主流，带来的是对机组设计安全性和可靠性的更高要求和挑战。
另外，国内主流整机厂新机型开发基本按照IEC标准进行载荷设计，在长叶片机型的开发过程中，某些特定工况下(如极端湍流风)的极限载荷成为了机组设计瓶颈，主要表现在成本受限的情况下，风电机组某些关部件的极限承载能力不能满足要求。
长叶片机组在极端湍流工况下，若按照常规控制方式，在某些特定风速段易出现叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷，对机组安全性和可靠性造成影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于湍流识别的主动载荷控制方法，在不增加传感器成本的基础上，降低长叶片风电机组在极端湍流工况下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷，使得机组关键部件载荷满足安全性要求。
为现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：本发明提供一种基于湍流识别的主动载荷控制方法，包括如下步骤：
获取有效风速时序；
基于有效风速时序计算平均湍流强度和平均风速，获取湍流区间标志的值；
基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；
启动主动控制模式后，根据主动控制额定转速、主动控制额定转矩和主动控制额定功率调整机组运行状态。
进一步，所述基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值，还包括根据主动控制标志的值判断是否启动主动控制模式和/或是否保持主动模式，并记录主动控制启动时间。
进一步，所述启动主动控制模式后，根据主动控制额定转速、主动控制额定转矩和主动控制额定功率调整机组运行状态；还包括，将变桨和转矩目标转速调整为主动控制额定转速、额定转矩调整为主动控制额定转矩、额定功率调整为主动控制额定功率。
进一步，所述基于有效风速时序计算平均湍流强度和平均风速，获取湍流区间标志的值，包括：
计算预设时间段内的平均湍流强度和预设时间段内的平均风速：
Figure BDA0002696258270000021
Figure BDA0002696258270000022
其中Vi为风速时序；n为风速点数；Tura为实时湍流；Va为平均风速；
TurNTM＝IrefIEC*(0.75*Va+b)
Figure BDA0002696258270000023
其中TurNTM为正常湍流；TurETM为极端湍流；IrefIEC为IEC标准参考湍流；b＝5.6m/s；c＝2m/s；
湍流区间标志为FlagTur：
Figure BDA0002696258270000031
进一步，所述基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；还包括，
主动控制额定转速
RateSpeedReduce＝GenSpeedRate-KA*FixReduceSpeed；
主动控制额定转矩TorqueRateReduce＝KB*ToruqeRate；
主动控制额定功率PowerReduce＝RateSpeedReduce*TorqueRateReduce；
其中GenSpeedRate为正常模式下发电机额定转速，ToruqeRate为正常模式下发电机额定扭矩，FixReduceSpeed为最大转速调节量，KA为主动控制转速调节系数和KB为主动控制扭矩调节系数。
进一步，所述基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值，还包括，获取极限载荷所处的风速区间，基于所述风速区间和所述湍流区间标志的值获取主动控制标志的值。
进一步，所述基于所述风速区间获取主动控制标志的值；包括：
当平均风速处于极限载荷风速区间，且当FlagTur＝1或FlagTur＝2时，FlagReduceCapa＝1；
当平均风速不处于极限载荷风速区间，且当FlagTur＝2时，FlagReduceCapa＝1；
其余情况，FlagReduceCapa＝0；
其中FlagReduceCapa为主动控制标志的值。
进一步，当当前时间与启动时间的时间差大于主动控制保持时间时，基于湍流区间标志的值和实时平均风速实时计算主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；
若主动控制标志的值仍为1，则保持主动控制模式，并更新主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率，同时重新记录主动控制启动时间；
若主动控制标志的值为0，则恢复至正常控制模式，继续进行湍流监测。
进一步，所述获取有效风速时序，包括依托激光雷达测风获取有效风速时序。
进一步，所述主动控制转速调节系数
Figure BDA0002696258270000041
所述主动控制转矩调节系数
Figure BDA0002696258270000042
本发明的有益效果：本发明提供一种基于湍流识别的主动载荷控制方法，包括如下步骤：获取有效风速时序；基于有效风速时序计算平均湍流强度和平均风速，获取湍流区间标志的值；基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；启动主动控制模式后，根据主动控制额定转速、主动控制额定转矩和主动控制额定功率调整机组运行状态。本发明通过实时计算风速湍流和平均风速，并根据常规设计下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷敏感区，结合IEC标准对湍流等级的规定，在不同湍流和不同风区下，引入湍流模态、转速和转矩调节系数，有效降低极端湍流工况下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷，保证机组关键部件受载安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明提供的基于湍流识别的主动载荷控制方法的流程示意图；
图2为风速时序图；
图3为发电机转速时序图；
图4为变桨角度时序图；
图5为功率时序图；
图6为正常控制模式下和主动控制模式下叶根载荷时序图；
图7为正常控制模式下和主动控制模式下轮毂中心载荷时序图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
请参阅图1～7，本发明提供一种基于湍流识别的主动载荷控制方法，包括如下步骤：
S1、获取有效风速时序。
包括依托激光雷达测风获取有效风速时序Vi(i＝1、2、…n)。
S2、基于有效风速时序计算平均湍流强度和平均风速，获取湍流区间标志的值。
具体的，计算10min平均湍流强度Tura和10min平均风速Va；
Figure BDA0002696258270000051
Figure BDA0002696258270000052
其中Vi为风速时序；n为风速点数；Tura为实时湍流；Va为平均风速；
再根据机型设计等级，依据IEC-61400标准计算正常湍流值TurNTM和极端湍流值TurETM，
TurNTM＝IrefIEC*(0.75*Va+b)
Figure BDA0002696258270000061
其中TurNTM为正常湍流；TurETM为极端湍流；IrefIEC为IEC标准参考湍流；b＝5.6m/s；c＝2m/s；
根据正常湍流值和极端湍流值预设不同区间对应的湍流区间标志，将实时湍流与正常湍流和极端湍流进行比较，获取当前状态下的湍流区间标志：湍流区间标志为FlagTur：
Figure BDA0002696258270000062
S3、基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值。
具体的，根据常规状态下(即未使用湍流识别主控载荷控制方法)的载荷结果分析出极限载荷所处的风速区间Ve，根据湍流区间标志的值和平均风速所处风速区间确定主动控制额定转速、主动控制额定功率和主动控制额定转矩：
主动控制额定转速：
RateSpeedReduce＝GenSpeedRate-KA*FixReduceSpeed；
主动控制额定转矩：TorqueRateReduce＝KB*ToruqeRate；
主动控制额定功率：
PowerReduce＝RateSpeedReduce*TorqueRateReduce；
其中GenSpeedRate为正常模式下发电机额定转速，ToruqeRate为正常模式下发电机额定转矩，FixReduceSpeed为最大转速调节量，KA为主动控制转速调节系数和KB为主动控制扭矩调节系数；
所述主动控制转速调节系数
Figure BDA0002696258270000063
所述主动控制转矩调节系数
Figure BDA0002696258270000071
基于所述风速区间和所述湍流区间标志的值获取主动控制标志的值；主动控制标志FlagReduceCapa：
当平均风速处于极限载荷风速区间，且当FlagTur＝1或FlagTur＝2时，FlagReduceCapa＝1；
当平均风速不处于极限载荷风速区间，且当FlagTur＝2时，FlagReduceCapa＝1；
其余情况(即包括除以上范围之外的值时，当平均风速处于极限载荷风速区间且当FlagTur≠1或FlagTur≠2时或当平均风速不处于极限载荷风速区间且当FlagTur≠2时)，FlagReduceCapa＝0；
当主动控制标志的值为1则启动主动控制模式；若主动控制标志的值为0则保持或恢复至正常控制模式；正常控制模式即为正常模式下发电机额定转速、正常模式下发电机额定转矩和正常模式下额定功率；在启动主动控制模式时记录其启动时间Ts。
S4、启动主动控制模式后，根据主动控制额定转速、主动控制额定转矩和主动控制额定功率调整机组运行状态。
具体的，开启主动控制模式后，按照主动控制额定转速、主动控制额定转矩和主动控制额定功率调整机组运行状态，同时更新变桨控制和扭矩控制目标值(将变桨和转矩的目标转速调整为主动控制额定转速)、转矩限定值(将正常模式额定转矩调整为主动控制额定转矩)和功率限定值(正常模式额定功率调整为主动控制额定功率)。
当当前时间与启动时间的时间差大于主动控制保持时间时，基于湍流区间标志的值和实时平均风速实时计算主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；
若主动控制标志的值仍为1，则保持主动控制模式，并更新主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率，同时重新记录主动控制启动时间；
若主动控制标志的值为0，则恢复至正常控制模式，继续进行湍流监测。
如图2～图7所示，为主动控制模式和非主动控制模式(正常控制模式)下风速、发电机转速、轮毂中心载荷、变桨角度、功率、叶根载荷时序图，其中Withoutnewmethod为非主动控制模式下的图示，Withnewmethod为主动控制模式。
采用本发明通过主动识别极端湍流情况和极限载荷对应的风速敏感区，并通过主动控制降低风电机组在极端湍流情况下所承受的风载，避免叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷的出现。图2～5展示本发明应用于某机型后，平均风速10m/s极端湍流风况下，采用本发明前后的发电机转速、变桨角度、功率的时序图。图6～7展示对应的叶根和轮毂中心挥舞方向的载荷时序，在不增加额外硬件设备的情况下，通过获取实时湍流和实时平均风速，进一步根据湍流情况和风速区间针对叶根和轮毂中心极限载荷敏感区进行主控控制，有效降低极端湍流工况下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷，最终保证机组关键部件受载安全。
本发明通过实时计算风速湍流和平均风速，并根据常规设计下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷敏感区，结合IEC标准对湍流等级的规定，在不同湍流和不同风区下，引入湍流模态、转速和转矩调节系数，进一步实现基于湍流识别的主动载荷控制，最终达到降低极端湍流工况下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷的目的，从而有效降低极端湍流工况下叶根和轮毂中心挥舞方向极限载荷，保证机组关键部件受载安全。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取有效风速时序；
基于有效风速时序计算平均湍流强度和平均风速，获取湍流区间标志的值；
基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；
启动主动控制模式后，根据主动控制额定转速、主动控制额定转矩和主动控制额定功率调整机组运行状态。
2.根据权利要求1所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：所述基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值，还包括根据主动控制标志的值判断是否启动主动控制模式和/或是否保持主动模式，并记录主动控制启动时间。
3.根据权利要求2所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：所述启动主动控制模式后，根据主动控制额定转速、主动控制额定转矩和主动控制额定功率调整机组运行状态；还包括，将变桨和转矩目标转速调整为主动控制额定转速、额定转矩调整为主动控制额定转矩、额定功率调整为主动控制额定功率。
4.根据权利要求3所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：所述基于有效风速时序计算平均湍流强度和平均风速，获取湍流区间标志的值，包括：
计算预设时间段内的平均湍流强度和预设时间段内的平均风速：
Figure FDA0002696258260000011
Figure FDA0002696258260000012
其中Vi为风速时序；n为风速点数；Tura为实时湍流；Va为平均风速；
TurNTM＝IrefIEC*(0.75*Va+b)
Figure FDA0002696258260000021
其中TurNTM为正常湍流；TurETM为极端湍流；IrefIEC为IEC标准参考湍流；b＝5.6m/s；c＝2m/s；
湍流区间标志为FlagTur：
Figure FDA0002696258260000022
5.根据权利要求4所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：所述基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；还包括，
主动控制额定转速
RateSpeedReduce＝GenSpeedRate-KA*FixReduceSpeed；
主动控制额定转矩TorqueRateReduce＝KB*ToruqeRate；
主动控制额定功率PowerReduce＝RateSpeedReduce*TorqueRateReduce；
其中GenSpeedRate为正常模式下发电机额定转速，ToruqeRate为正常模式下发电机额定扭矩，FixReduceSpeed为最大转速调节量，KA为主动控制转速调节系数和KB为主动控制扭矩调节系数。
6.根据权利要求5所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：所述基于湍流区间标志的值和风速时序确定主动控制下的主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值，还包括，获取极限载荷所处的风速区间，基于所述风速区间和所述湍流区间标志的值获取主动控制标志的值。
7.根据权利要求6所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：所述基于所述风速区间获取主动控制标志的值；包括：
当平均风速处于极限载荷风速区间，且当FlagTur＝1或FlagTur＝2时，FlagReduceCapa＝1；
当平均风速不处于极限载荷风速区间，且当FlagTur＝2时，FlagReduceCapa＝1；
其余情况，FlagReduceCapa＝0；
其中FlagReduceCapa为主动控制标志的值。
8.根据权利要求7所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：当当前时间与启动时间的时间差大于主动控制保持时间时，基于湍流区间标志的值和实时平均风速实时计算主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率和主动控制标志的值；
若主动控制标志的值仍为1，则保持主动控制模式，并更新主动控制额定转速、主动控制额定转矩、主动控制额定功率，同时重新记录主动控制启动时间；
若主动控制标志的值为0，则恢复至正常控制模式，继续进行湍流监测。
9.根据权利要求1～8任一项所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：所述获取有效风速时序，包括依托激光雷达测风获取有效风速时序。
10.根据权利要求5所述的基于湍流识别的主动载荷控制方法，其特征在于：
所述主动控制转速调节系数
Figure FDA0002696258260000031
所述主动控制转矩调节系数
Figure FDA0002696258260000032
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