CN112796939A - 一种风力发电机降载方法 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电机降载方法，当第一速度因子超过阈值且第二速度因子大于0，则为风力发电机添加正向的额外变桨速度，在为所述风力发电机添加正向的额外变桨速度后，当第二速度因子变为小于0，则为风力发电机添加负向的额外变桨速度。本发明在极端风速下抑制发电机的超速，加快机组的顺桨速度，并在加快顺桨速度后及时收桨，避免出现大载荷。

Description

一种风力发电机降载方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机降载方法。
背景技术
随着风力发电机技术的不断进步，叶片长度也在不断增加，在风力发电机设计阶段，发现在风速急剧增加、风向急剧变化的工况下经常会出现大载荷，主要体现在轮毂坐标系的MYN方向。风机有几种不同的坐标系，轮毂坐标系，叶根坐标系，塔架坐标系。以轮毂中心为零点，静止轮毂坐标系如图1所示，M代表扭矩，F代表力，N代表norotaing，不旋转，也就是静止方向。对于稳态计算来说，风被认为由北方吹来，原点在轮毂中心(叶片轴和主轴的交叉点)，在固定参照系下的轮毂载荷包含：XN方向、ZN方向和YN方向，XN是沿主轴轴向，对于上风向机组而言指向塔架，对于下风向机组而言远离塔架(图中所示为上风向)，ZN垂直于XN，如果倾角为零则ZN垂直向上，YN是水平方向，提供右旋坐标系，独立于旋转方向和上风向或下风向塔架的叶轮位置。在旋转参照系下的轮毂载荷包含：XN方向、ZN方向和YN方向，XN是沿主轴轴向，对于上风向机组而言指向塔架，对于下风向机组而言远离塔架(图中所示为上风向)，ZN垂直于XN，如果锥角为零则ZN与叶片1轴平行，YN垂直于XN和ZN，提供右旋坐标系，独立于旋转方向和上风向或下风向塔架的叶轮位置。
风速的急剧增加会触发抑制超速的控制策略，风力发电机会触发报警，在控制器计算出来的变桨速率上增加一个额外的变桨速率，以加快机组的顺桨速度。但是顺桨后，风向的急剧变化可能会导致风力发电机迎风面积反而更大，导致风力发电机承受较大载荷，此时，轮毂MYN方向载荷极有可能超过设计载荷，导致事故发生。为了满足载荷要求，需要增大轮毂的型号或者替换更优质的其他零部件，造成生产成本的增加，在当前风力发电机平价化的时代，这对于风力发电机生产厂家显然是十分不利的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机降载方法，在极端风速下抑制发电机的超速，加快机组的顺桨速度，并在加快顺桨速度后及时收桨，避免出现大载荷。
为了达到上述目的，本发明提供一种风力发电机降载方法，判断是否满足第一条件，当满足第一条件时则为风力发电机添加正向的额外变桨速度；
所述第一条件为第一速度因子超出阈值且第二速度因子大于0，其中，
所述第一速度因子S1＝Vgen×Vgen’；
所述第二速度因子S2＝(Vgen×Vgen’)’；
其中，Vgen是风力发电机转速，Vgen’是风力发电机转速的导数。
所述正向的额外变桨速度V1＝+△Vpitch rate1+KT1，其中，+△Vpitch rate1为正向变桨速率，K是斜率，T1等于第一速度因子超过阈值且第二速度因子大于0的持续时间。
在为所述风力发电机添加正向的额外变桨速度后，还包括：判断是否满足第二条件，若满足所述第二条件则为所述风力发电机添加负向的额外变桨速度，所述第二条件至少包括：所述第二速度因子小于0。
所述负向的额外变桨速度V2＝-△Vpitch rate2，其中，-△Vpitch rate2为负向变桨速率，且负向变桨速率的绝对值小于等于正向变桨速率的绝对值。
所述第二条件还包括：
添加负向桨距角的控制开关为开启状态；
风力发电机处于正常发电运行状态；
风力发电机转速的导数Vgen’小于0；
风力发电机的当前转速未超过限制值。
添加负向的额外变桨速度V2的持续时间为T2，T2的数值为2S。
本发明一方面可以在极端风速下，抑制发电机的超速，加快机组的顺桨速度，另一方面可以在加快顺桨速度后及时收桨，避免出现大载荷。
附图说明
图1是背景技术中风力发电机的坐标示意图。
图2是本发明增加的额外变桨速度的示意图。
图3是风力发电机轮毂载荷情况示意图。
具体实施方式
以下根据图2和图3，具体说明本发明的较佳实施例。
本发明提供一种风力发电机降载方法，实时监控第一速度因子和第二速度因子，当第一速度因子超过阈值且第二速度因子大于0，则为风力发电机添加正向的额外变桨速度，在为所述风力发电机添加正向的额外变桨速度后，当第二速度因子变为小于0，则为风力发电机添加负向的额外变桨速度。
所述第一速度因子S1＝Vgen×Vgen’，其中，Vgen是风力发电机转速，Vgen’是风力发电机转速的导数。
所述第二速度因子S2＝(Vgen×Vgen’)’，其中，Vgen是风力发电机转速，Vgen’是风力发电机转速的导数(即，角加速度)。即，第二速度因子是当前计算周期和上一计算周期的第一速度因子的变化率，当第二速度因子为0，则说明第一速度因子未发生变化，此时不做任何处理。
所述正向的额外变桨速度V1＝+△Vpitch rate1+KT1，其中，变桨速率+△Vpitch rate1采用经验值，一般为3deg/s，具体数值会根据载荷的大小进行为调整，斜率K采用经验值，一般为1deg/s2，T1是触发正向的额外变桨速度V1的持续时间，T1等于第一速度因子超过阈值且第二速度因子大于0的持续时间。
所述负向的额外变桨速度V2＝-△Vpitch rate2，其中，变桨速率-△Vpitch rate2采用经验值，一般为3deg/s，具体数值会根据载荷的大小进行为调整，一般不超过正向额外变桨速度的值。
触发负向的额外变桨速度V2的持续时间为T2，T2的数值一般设置为2s左右。
在持续时间T2内，还须同时满足以下约束条件：
1、添加负向桨距角的控制开关为开启状态。
2、风力发电机处于正常发电运行状态。
3、风力发电机转速的导数Vgen’小于0。
4、风力发电机的当前转速未超过限制值。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，对发电机转速与其导数的乘积，也就是Vgen×(Vgen)’再次进行求导，得到当前计算周期和上一周期的Vgen×(Vgen)’变化率，以该值作为添加额外桨距角策略的条件之一。(桨距角的斜率就是变桨速率，桨距角为0度时，叶片所受驱动力最大，桨距角为90度附近时，叶片所受阻力最大，风轮将处于制动、空转或停止状态)。
当风速急剧增加导致发电机转速与其导数的乘积超过设定阈值(不同桨距角对应不同的阈值)，
风力发电机会触发报警，在控制器计算出来的变桨速率Vpitch rate上增加一个额外的变桨速率+△Vpitch rate1，该值始终为正值，且在增加的额外变桨速率+△Vpitch rate1的基础上，以恒定斜率K增加该额外变桨速率，最终输出给风力发电机的正向额外变桨速度V1为+△Vpitch rate1+KT1。触发正向额外变桨速度的时间T1取决于同时满足发电机转速与其导数的乘积Vgen×(Vgen)’超过设定阈值和满足Vgen×(Vgen)’变化率大于0的时间，不再满足该条件则不增加额外的正向变桨速率。
当风速急剧增加导致发电机转速与其导数的乘积超过设定阈值，且Vgen×(Vgen)’的变化率小于0的情况下，又同时满足以下5个条件的情况下，会触发添加负向额外桨距角以抑制大载荷出现，风力发电机添加的负向额外变桨速度为-△Vpitch rate2，该值始终为负值。
风力发电机添加的负向额外变桨速度为-△Vpitch rate2的条件1是在控制器中添加负向桨距角的开关处于开启状态。
风力发电机添加的负向额外变桨速度为-△Vpitch rate2的条件2是当前时间在触发正向变桨速率+△Vpitch rate1+KT1后的时间T2区间内，实际使用中，时间T2一般设置为2s左右。
风力发电机添加的负向额外变桨速度为-△Vpitch rate2的条件3是发电机处在正常发电运行状态。
风力发电机添加的负向额外变桨速度为-△Vpitch rate2的条件4是发电机转速的导数Vgen’小于0。
风力发电机添加的负向额外变桨速度为-△Vpitch rate2的条件5是当前转速距离软件超速限值仍有一定距离值，实际使用中距离值采用1rad/s，这个距离值根据风力发电机的具体参数进行设置，要根据载荷情况酌情选择。
上述五个条件需要同时满足，缺一不可。
如图2所示，实线表示现有控制策略所添加的额外变桨速度，虚线表示采用本发明提供的一种风力发电机降载方法后所添加的额外变桨速度。
如图3所示，进行全公况仿真，无其他大载荷出现。实线为修正前的载荷情况，虚线为修正后的载荷情况，采用本发明提供的一种风力发电机降载方法后，载荷可以降低20％左右。经过仿真测试，本发明提供的一种风力发电机降载方法可以有效降低风速风向急剧变化的轮毂Myz载荷。
本发明在目前降载方法的基础上，前期以一定速率增大所添加的额外桨距角，增大降载效果，后期提前结束所添加的角度，且将桨距角置为负值，减少风力发电机迎风面积，以减少风向变化对于载荷的影响。
本发明一方面可以在极端风速下，抑制发电机的超速，加快机组的顺桨速度，另一方面可以在加快顺桨速度后及时收桨，避免出现大载荷。
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种风力发电机降载方法，其特征在于，判断是否满足第一条件，当满足第一条件时则为风力发电机添加正向的额外变桨速度；
所述第一条件为第一速度因子超出阈值且第二速度因子大于0，其中，
所述第一速度因子S1＝Vgen×Vgen’；
所述第二速度因子S2＝(Vgen×Vgen’)’；
其中，Vgen是风力发电机转速，Vgen’是风力发电机转速的导数。
2.如权利要求1所述的风力发电机降载方法，其特征在于，所述正向的额外变桨速度V1＝+△Vpitch rate1+KT1，其中，+△Vpitch rate1为正向变桨速率，K是斜率，T1等于第一速度因子超过阈值且第二速度因子大于0的持续时间。
3.如权利要求1所述的风力发电机降载方法，其特征在于，在为所述风力发电机添加正向的额外变桨速度后，还包括：判断是否满足第二条件，若满足所述第二条件则为所述风力发电机添加负向的额外变桨速度，所述第二条件至少包括：所述第二速度因子小于0。
4.如权利要求3所述的风力发电机降载方法，其特征在于，所述负向的额外变桨速度V2＝-△Vpitch rate2，其中，-△Vpitch rate2为负向变桨速率，且负向变桨速率的绝对值小于等于正向变桨速率的绝对值。
5.如权利要求4所述的风力发电机降载方法，其特征在于，所述第二条件还包括：
添加负向桨距角的控制开关为开启状态；
风力发电机处于正常发电运行状态；
风力发电机转速的导数Vgen’小于0；
风力发电机的当前转速未超过限制值。
6.如权利要求5所述的风力发电机降载方法，其特征在于，添加负向的额外变桨速度V2的持续时间为T2，T2的数值为2S。
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