CN112610412B - 一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，涉及风电机组调控领域，选取风电机组结构关键部位检测点，对关键部位进行载荷检测；依据获取的风轮、机舱偏航的方位角度，将所检测关键部位载荷转化为静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的载荷；通过风电机组仿真软件并依据设计规范，得出机舱俯仰载荷负向阈值，并确定变桨保护角度；使用风电机组叶根、主轴、塔筒顶部、塔筒底部等关键部位载荷，识别风轮所承受负向俯仰载荷，并伴随负风剪切特定运行工况特点，并结合针对性的桨距角度控制方法，实现增加叶片净空的目的。

Description

一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法
技术领域
本公开涉及风电机组调控领域，特别涉及一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
随着风力发电行业的发展，为了提高风电机组的年发电量和经济收益，风电机组朝着更长的叶片和更高塔架的方向发展。同时为了满足风电平价并网，对风电机组单位千瓦造价提出的新要求，其中叶片成本约占整机成本的30％，在大功率长叶片风电机组设计过程中，如何有效控制叶片设计重量，是影响一款叶片设计成功与否的重要因素。为满足大功率机组长叶片重量设计要求，风电机组叶片设计与制造商多采用柔性设计方案，可有效降低叶片重量，但会增加叶片的柔性。柔性设计叶片在运行过程中会产生更大的变形，增加了叶片扫掠塔筒的风险，引起了极大的安全隐患。因此，在大功率风电机组叶片柔性增加的情况下，如何降低叶片扫掠塔筒风险是急需解决的问题。
山地风电场环境复杂性相对于平原风电场大为增加，特定风电场湍流强度能够达到甚至超过IEC A类湍流水平，并伴随负风剪切运行工况的发生。在大环境湍流强度风况条件下，风轮承受的不平衡载荷大为增加，由于风速波动的随机性，导致风轮承受的不平衡载荷会出现正负交替变化，当风轮不平衡载荷为正值时，将增加叶片净空，降低叶片扫塔的风险；当风轮不平衡载荷为负值时，将降低叶片净空，此时伴随发生负剪切风况，将进一步降低叶片净空余量，提高了叶片扫掠塔筒的风险，影响风电机组的设计和运行安全。
发明人发现，风电机组控制系统针对叶片净空的控制方法为增加叶片的变桨角度，但由于无法精确识别风轮承受负向不平衡载荷，并伴随负风剪切运行工况的发生，导致需采用针对所有工况均采用增加叶片变桨角度的方法，以实现增加叶片净空的目的。在所有工况下增加变桨角度，势必会带来风电机组发电性能降低，将对风电机组的发电收益水平产生不利影响，对于风轮承受负向不平衡载荷，并伴随负风剪切特定运行工况特点，目前还没有针对性的叶片净空控制方法，能够避免现有控制方法带来的发电量损失。
发明内容
本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，使用风电机组叶根、主轴、塔顶等关键部位载荷，识别风轮承受负向不平衡载荷，并伴随负风剪切特定运行工况特点，并结合针对性的桨距角度控制方法，实现增加叶片净空的目的。
为了实现上述目的，采用以下技术方案：
一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，包括以下步骤：
选取风电机组结构关键部位检测点，对关键部位进行载荷检测；
依据获取的风轮、机舱偏航的方位角度，将所有关键部位载荷转化为静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的载荷；
通过风电机组仿真软件并依据设计规范，得出负向载荷阈值，并确定变桨保护角度；
对叶片进行变桨调节，实现叶片净空变桨控制。
进一步地，选取每个叶片的叶根、主轴、塔筒顶部垂直方向、塔筒底部垂直方向部位作为载荷检测点。
进一步地，采用传感设备检测获取风轮、机舱偏航的方位角度。
进一步地，通过采集到的风轮方位角将每个叶片旋转的叶根载荷转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的载荷。
进一步地，通过采集到的风轮方位角将主轴载荷转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的载荷。
进一步地，通过采集到的机舱偏航方位角度将塔筒顶部载荷转化为机舱俯仰方向的载荷。
进一步地，塔筒底部载荷及塔筒不同截面的载荷，并结合载荷估计算法，通过采集到的机舱偏航方位角度将其转化为机舱俯仰方向的载荷。
进一步地，通过寻优计算获得静态轮毂俯仰方向载荷阈值与桨距角的对应关系，确定变桨保护角度。
进一步地，对叶片进行统一变桨控制，检测到负向静态轮毂载荷超出阈值时，所有叶片以相同的角度进行变桨。
或，对风轮下方向叶片独立变桨，为通过风轮方位角度检测识别位于风轮下方向的叶片，独立的进行单叶片变桨控制。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
(1)使用风电机组叶根、主轴、塔顶等关键部位载荷，识别风轮承受负向不平衡载荷，并伴随负风剪切特定运行工况特点，并结合针对性的桨距角度控制方法，实现增加叶片净空的目的。
(2)针对叶片净空裕量不足运行工况的特点，通过制定基于载荷检测的叶片净空控制策略，在避免现有控制方法带来的发电量损失的前提下，增加风电机组运行过程中的叶片净空幅度，提升机组运行的安全性。
(3)能够提升风电机组运行安全性和风电机组设计平台的扩展能力，降低叶片净空不足问题对柔性长叶片在大功率风电机组中的应用限制。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1、2中风电机组叶片净空控制流程示意图；
图2为本公开实施例1、2中静态轮毂坐标系示意图；
图3为本公开实施例1、2中塔顶机舱坐标系示意图；
图4是本公开实施例1、2中净空控制桨距角调节表计算流程示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中采用针对所有工况均采用增加叶片变桨角度的方法，以实现增加叶片净空的目的，在所有工况下增加变桨角度，势必会带来风电机组发电性能降低，将对风电机组的发电收益水平产生不利影响；针对上述问题，本公开提出了一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法。
实施例1
本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提出了一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法。
以三叶片风电机组为例，包括以下步骤：
选取三个叶片叶根、主轴、塔筒顶部垂直方向、塔筒底部垂直方向等部位载荷检测点，建立关键部位载荷检测方法；
采用传感设备检测风轮、机舱偏航的方位角度；
将关键部位载荷转化为静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的载荷；
通过风电机组仿真软件并依据设计规范，得出负向载荷阈值，并确定变桨保护角度；
采用三叶片统一变桨或下风向叶片独立变桨，实现叶片净空变桨控制。
适用于目前主流型风电机组，包括不同功率等级、不同风轮直径和不同塔筒高度的三叶片、上风向、水平轴风电机组。
可以理解的是，上述控制方法中，选择三个叶片叶根、主轴、塔筒顶部垂直方向、塔筒底部垂直方向为关键部位；
在其他的实施方式中，对于关键部位的选择，能够依据不同类型的风电机组来进行选择，可以根据风电机组的属性来增加或减少关键部位，以对应不同风电机组的结构特性进行针对性考量，提高整体控制过程中的全面性，进而保证叶片净空变桨控制的合理性。
对于上述的传感设备，可以选用编码器、接近开关、角度仪等，利用传感设备测取风轮、机舱偏航的方位角度，便于后续构建坐标系及载荷的转化。
当然，可以理解的是，上述的方位角度可以采用其他的检测设备、检测方法来获取，且需要满足数据计算、精度的需求。
三个叶片叶根My载荷(叶片flap方向)，主轴Mx、My载荷，塔筒顶部垂直方向两个弯矩载荷(定义为
Figure BDA0002855070950000061
)，塔筒底部垂直方向两个弯矩载荷(定义为
Figure BDA0002855070950000062
)等部位载荷，以上关键载荷在实现叶片净空控制方法中的作用是等价的，以上载荷结合相应载荷提取方法以及叶片净空控制策略，均可以实现控制叶片净空的目的。
可以理解的是，选择其他的关键部件时，均能够实现基于部件载荷检测及相近载荷检测原理的用于叶片净空控制方法。
对于三个叶片叶根载荷检测方案，通过采集到的风轮方位角将三叶片旋转的叶根My载荷转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的My载荷；
对于主轴载荷检测方案，通过采集到的风轮方位角将主轴My、Mx载荷转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的My载荷；
对于塔筒顶部
Figure BDA0002855070950000063
和
Figure BDA0002855070950000064
载荷(含偏航轴承)，通过采集到的机舱偏航方位角度将其转化为机舱俯仰方向的My载荷；
塔筒底部
Figure BDA0002855070950000065
和
Figure BDA0002855070950000066
载荷等塔筒不同截面的载荷，并结合载荷估计算法，通过采集到的机舱偏航方位角度将其转化为机舱俯仰方向的My载荷。
所述载荷分析提取策略，对于三个叶片叶根My载荷，首先将叶根My载荷转化到旋转轮毂坐标系，再借助检测的风轮方位角，将旋转轮毂坐标系下的My载荷转化到静止轮毂坐标系；
对于主轴My载荷，利用检测的风轮方位角，可以直接将旋转的My载荷转化到静止轮毂坐标系；
对于塔筒顶部
Figure BDA0002855070950000071
载荷，利用机舱偏航方位角，将其转化为偏航轴承坐标系下机舱俯仰方向My载荷，和机舱翻滚方向的Mx载荷；
对于塔筒底部或其他塔筒截面
Figure BDA0002855070950000072
载荷，首先利用一些载荷估计算法，将塔筒底部
Figure BDA0002855070950000073
载荷转化到塔筒顶部弯矩载荷，再利用利用机舱偏航方位角，将其转化为偏航轴承坐标系下机舱俯仰方向My载荷和机舱翻滚方向的Mx载荷。
可以理解的是，在利用其他的关键部位作为载荷检测点时，需要利用设备和/或方法来检测采集对应的方位角度，以方便将其进行载荷的转化；
同样的，获取其他关键部位的载荷后，利用对应的方位角度将其转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的My载荷，与其他关键部位进行统一计算。
所述叶片净空控制策略，采用载荷检测和变换方法提取出来的机舱俯仰方向My载荷；根据风轮气动不平衡和负剪切工况造成叶片净空不足工况的特点，主要表现为以下特征：
(1)风轮平面内下部风速高于上部风速；
(2)叶片净空不足；
(3)机舱俯仰方向承受较大的负向My载荷。
在本实施例中，优选的，采用上述四个关键部位作为载荷监测点，建立关键部位载荷检测方法。
利用特征(3)对负剪切工况进行识别，通过设定合理的负向My载荷阈值，启动变桨保护控制动作，提高叶片净空裕量。
对于风电机组的仿真软件，根据需求进行选择即可，比如Bladed、Fast、Flex5、HAWC2等。
依据所对应控制的风电机组的类型，选择其对应的设计规范，并依据设计规范中记载的影响叶片净空设计的工况进行计算，利用计算结果统计得出负向My载荷阈值，并确定变桨保护角度。
提升风电机组运行安全性和风电机组设计平台的扩展能力，降低叶片净空不足问题对柔性长叶片在大功率风电机组中的应用限制。
对于变桨控制过程，其中三叶片统一变桨，为控制系统检测到负向静态轮毂My载荷超出阈值时，三个叶片以相同的角度进行变桨；
风轮下方向叶片独立变桨，为通过风轮方位角度检测识别位于风轮下方向的叶片，独立的进行变桨控制。
针对叶片净空裕量不足运行工况的特点，通过制定基于载荷检测的叶片净空控制策略，在避免现有控制方法带来的发电量损失的前提下，增加风电机组运行过程中的叶片净空幅度，提升机组运行的安全性。
实施例2
本公开的另一典型实施方式中，如图1-图4所示，提出了一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法。
以某3.0MW风电机组，尤其适用于大功率长叶片风电机组，如附图1所示，其步骤包括：
(a)选取三个叶片叶根、主轴、塔筒顶部垂直方向、塔筒底部垂直方向等部位载荷检测点，检测方法包含但不限于光纤光栅和电阻式应变片等方法。
(b)使用编码器、接近开关等传感设备，检测风轮、机舱偏航的方位角度。
(c)对于三个叶片叶根My载荷检测方案，通过采集到的风轮方位角将三叶片的叶根My载荷转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的My载荷，转化方法为：
Figure BDA0002855070950000091
对于主轴载荷检测方案，通过采集到的风轮方位角将主轴
Figure BDA0002855070950000092
载荷转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的My载荷；
Figure BDA0002855070950000093
对于塔筒顶部
Figure BDA0002855070950000094
和
Figure BDA0002855070950000095
载荷(含偏航轴承)检测方案，通过采集到的机舱偏航方位角度将其转化为机舱俯仰方向的My载荷；
Figure BDA0002855070950000096
塔筒底部
Figure BDA0002855070950000097
和
Figure BDA0002855070950000098
载荷等塔筒不同截面的载荷，并结合载荷估计算法，通过采集到的机舱偏航方位角度将其转化为机舱俯仰方向的My载荷，其中Fx为塔顶推力可以通过载荷估计算法或载荷测试方法获得，Hhub为载荷检测截面到轮毂的高度。载荷坐标转换过程中，没有考虑主轴倾角的影响，对于主轴倾角影响只需增加一次坐标变换，是比较容易实现的。
Figure BDA0002855070950000101
(d)通过Bladed、Fast、Flex 5、HAWC2等风电机组仿真软件，根据IEC61400-1设计规范中，主导影响叶片净空设计的极限湍流1.3和极限风剪切1.5工况计算结果统计得出负向My载荷阈值，并确定变桨保护角度。
表1极限湍流工况表示例
Figure BDA0002855070950000102
以环境湍流强度为0.16、年平均风速6.85m/s，参考风速37.5m/s的某风电场为例，按照IEC61400-1第三版规定，对极限湍流1.3工况进行10分钟极限湍流风况的仿真，仿真工况的平均风速、湍流度、偏航误差设定参数如表1所示，共生成48个载荷计算工况，如表1所示。
极限风剪切1.5工况进行70s极限风剪切风况的仿真，仿真工况的平均风速、剪切幅值、偏航误差设定参数如表2所示，并考虑竖直剪切、水平剪切、正剪切、负剪切以及风轮方位角影响，共生成288个载荷计算工况，如表2所示例。
表2极限湍流工况表示例
Figure BDA0002855070950000111
(e)采用循环载荷迭代寻优算法，计算获得静态轮毂弯矩与桨距角的对应关系。对1.3和1.5工况整体进行载荷计算，提取1.3和1.5工况计算结果中不满足净空裕量要求的工况，通过增加变桨角度，使各工况叶片净空不断增加，直到所有工况均满足净空裕量要求，并记录相关工况静态轮毂My载荷和变桨角度，如附图4所示，具体步骤包括：
(1)根据表1、表2生成所有计算工况；
(2)进行载荷计算，并统计所有工况中不满足净空裕量要求的工况；
(3)统计本次循环中净空裕量不足工况的数据，并和上一周期净空裕量不足工况数目进行比较；当前周期净空裕量不足工况的数目低于上周期净空裕量不足工况的数目时，记录满足净空裕量要求工况的最小静态轮毂弯矩载荷和桨距角度，增加一个步长的变桨角度，重新进行循环迭代。
记录的最小静态轮毂弯矩载荷和桨距角度形成净空实时控制过程中的桨距角调节表，如表3所示例；
表3净空控制桨距角调节表表示例
Figure BDA0002855070950000121
(4)当前周期净空裕量不足工况的数目等于上周期净空裕量不足工况的数目时，增加一个步长的变桨角度，重新进行循环迭代；
(5)当所有工况的净空裕量均满足设计要求时，则计算结束。
(f)使用表3所生成的净空控制桨距角调节表，根据实时获取的静态轮毂弯矩
Figure BDA0002855070950000122
对变桨角度进行调节。当采用三叶片统一变桨控制时，可将根据静态轮毂弯矩查表获得对应的桨距角，作为变桨控制环节桨距角输出的下限值。
当采用风轮下方向叶片独立变桨控制时，须按照图2中示例叶片旋转角度判断叶片的方位，在本实施例中要求三叶片方位分别在150°≤θ≤210°度、150°≤θ+120≤210°度、150°≤θ+240≤210°度时，根据表3中输出桨距角度对位于风轮下方的叶片进行独立调节。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取风电机组结构关键部位检测点，对关键部位进行载荷检测；选取每个叶片的叶根、主轴、塔筒顶部垂直方向、塔筒底部垂直方向部位作为载荷检测点；
依据获取的风轮、机舱偏航的方位角度，将所有关键部位载荷转化为静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的载荷；
通过风电机组仿真软件并依据设计规范，得出静态轮毂俯仰方向载荷阈值，并确定变桨保护角度，得到仿真工况；
对叶片进行变桨调节，实现叶片净空变桨控制，通过寻优计算获得静态轮毂俯仰方向载荷阈值与桨距角的对应关系，确定变桨保护角度，对仿真工况进行整体载荷计算，对叶片进行统一变桨控制，检测到负向静态轮毂载荷超出阈值时，所有叶片以相同的角度进行变桨,具体步骤为：
采用循环载荷迭代寻优算法，进行载荷计算，并统计所有工况中不满足净空裕量要求的工况；
统计本次循环中净空裕量不足工况的数据，并和上一周期净空裕量不足工况数目进行比较；当前周期净空裕量不足工况的数目低于上周期净空裕量不足工况的数目时，记录满足净空裕量要求工况的最小静态轮毂俯仰方向载荷和桨距角度，增加一个步长的变桨角度，重新进行循环迭代。
2.如权利要求1所述的基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，其特征在于，采用传感设备检测获取风轮、机舱偏航的方位角度。
3.如权利要求1所述的基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，其特征在于，通过采集到的风轮方位角将每个叶片旋转的叶根载荷转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的载荷。
4.如权利要求1所述的基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，其特征在于，通过采集到的风轮方位角将主轴载荷转化到静止轮毂坐标系下机舱俯仰方向的载荷。
5.如权利要求1所述的基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，其特征在于，通过采集到的机舱偏航方位角度将塔筒顶部载荷转化为机舱俯仰方向的载荷。
6.如权利要求1所述的基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，其特征在于，塔筒底部载荷及塔筒不同截面的载荷，并结合载荷估计算法，通过采集到的机舱偏航方位角度将其转化为机舱俯仰方向的载荷。
7.如权利要求1所述的基于载荷检测的风电机组叶片净空控制方法，其特征在于，对风轮下方向叶片独立变桨，为通过风轮方位角度检测识别位于风轮下方向的叶片，独立的进行单叶片变桨控制。
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