CN113123926A - 风力发电机组的变桨控制方法及系统 - Google Patents

风力发电机组的变桨控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种风力发电机组的变桨控制方法及系统。所述方法包括：获取叶片中间段的变桨角度；确定该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角是否一致；当确定不一致时，控制该叶片进行变桨，以使该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角达到一致；其中，叶片中间段的变桨角度为沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。根据所述方法及系统，能够提高叶片的最大迎风面的对风精确度以提升风力发电机组的发电量。

Description

风力发电机组的变桨控制方法及系统
技术领域
本发明总体说来涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的变桨控制方法及系统。
背景技术
叶片在捕获风能的过程中，会受到扭曲力、载荷、自身的重力等多方面力的作用，极易产生叶轮不平衡现象，严重的叶轮不平衡现象一方面会影响叶片的最大迎风面的对风精确度，进而影响风力发电机组的发电性能，另一方面会导致叶片扫塔事故的发生，对风力发电机组产生极大的安全隐患。
引发叶轮不平衡现象的一个原因在于叶片的变桨角度不平衡。由于叶片是狭长的弹性体结构，叶片的变桨轴承施加给叶片根部的扭转角度传递到叶片中段时，所引起的叶片中段的实际角度偏转并非是叶片根部的变桨角度。叶片中段是叶片迎风面积最大的部分，如果风力发电机组的各个叶片的叶片中段实际角度偏转程度不一致，将会导致叶轮整体迎风角度不平衡。
因此，需要一种能够解决叶片变桨角度不平衡问题的方法。
发明内容
本发明的示例性实施例在于提供一种风力发电机组的变桨控制方法及系统，能够解决叶片变桨角度不平衡的问题。
根据本发明的示例性实施例，提供一种风力发电机组的变桨控制方法，所述方法包括：获取叶片中间段的变桨角度；确定该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角是否一致；当确定不一致时，控制该叶片进行变桨，以使该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角达到一致；其中，叶片中间段的变桨角度为沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
可选地，当叶轮的转速未达到额定转速时，设定的该叶片叶根的桨距角为预设的最小桨距角。
可选地，获取该叶片中间段的变桨角度的步骤包括：计算叶轮旋转角速度矢量在陀螺仪坐标系的两个相互垂直的轴向上的投影分量，并基于所述投影分量计算沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角；其中，所述陀螺仪设置于该叶片内部沿叶展方向的预定位置处，且陀螺仪坐标系的一个轴向沿所述预定位置处的叶片弦线方向设置。
根据本发明的另一示例性实施例，提供一种风力发电机组的变桨控制系统，所述系统包括：变桨驱动器、主控制器和处理器；所述变桨驱动器与风力发电机组的叶片对应设置，所述变桨驱动器用于驱动该叶片进行变桨；所述处理器被配置为：获取该叶片中间段的变桨角度，并确定该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角是否一致；所述主控制器被配置为：当确定不一致时，控制与该叶片对应的变桨驱动器驱动该叶片进行变桨，以使该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角达到一致；其中，叶片中间段的变桨角度为沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
可选地，当叶轮的转速未达到额定转速时，设定的该叶片叶根的桨距角为预设的最小桨距角。
可选地，所述系统还包括设置在叶片上的叶片形变测量装置；所述叶片形变测量装置与叶片对应设置，所述叶片形变测量装置用于测量沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
可选地，所述叶片形变测量装置包括：陀螺仪，设置于对应的叶片内部沿叶展方向的预定位置处，且陀螺仪坐标系的一个轴向沿所述预定位置处的叶片弦线方向设置；所述处理器还被配置为：计算叶轮旋转角速度矢量在所述陀螺仪坐标系的两个相互垂直的轴向上的投影分量，并基于所述投影分量计算沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
可选地，所述预定位置为30％的叶展处到80％的叶展处之间的位置。
可选地，所述陀螺仪被安装在对应的叶片的挡板上。
根据本发明的另一示例性实施例，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的风力发电机组的变桨控制方法。
根据本发明的另一示例性实施例，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述的变桨控制系统。
根据本发明示例性实施例的风力发电机组的变桨控制方法及系统，能够实现叶片变桨自寻优，解决叶片中间段变桨角度不平衡的问题，从而提高叶片的最大迎风面的对风精确度以提升风力发电机组的发电量。
将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本发明示例性实施例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风力发电机组的结构示意图；
图2示出根据本发明示例性实施例的陀螺仪的安装方式的示例；
图3示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的变桨控制方法的流程图；
图4示出根据本发明示例性实施例的叶片中间段的变桨角度随时间的变化曲线；
图5示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的变桨控制系统的框图。
具体实施方式
现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。
图1为本发明示例性实施例的风力发电机组的结构示意图。风力发电机组100包括至少两个叶片101，叶片101可转动地安装在轮毂102上，轮毂102与机舱103相对固定设置。机舱103安装在塔筒104的顶端。主控制器105可设置在塔筒104底部，用于控制所述至少两个叶片101的桨距角。主控制器105控制变桨驱动器驱动叶片101绕叶根旋转从而改变叶片101的桨距角，以调整叶片101的迎风角度。变桨驱动器(图1中未示出)与风力发电机组的叶轮的多支叶片101一一对应。
本发明实施例提供一种风力发电机组的变桨控制系统，包括变桨驱动器、主控制器105和处理器107。变桨驱动器与风力发电机组的叶片101对应设置，用于驱动该叶片101进行变桨。处理器107被配置为获取叶片101中间段的变桨角度，并确定该叶片101中间段的变桨角度与设定的该叶片101叶根的桨距角是否一致。主控制器105被配置为当确定不一致时，控制与该叶片101对应的变桨驱动器驱动该叶片101进行变桨，以使该叶片101中间段的变桨角度与设定的该叶片101叶根的桨距角达到一致。其中，叶片101中间段的变桨角度为沿该叶片101叶展方向的预定位置处的叶片101弦线与叶轮平面之间的夹角。
在本示例中，处理器107可设置在机舱内部，但不限于此，处理器107还可以安装在机舱外部或者塔架上。
在一个示例中，该变桨控制系统还可包括叶片形变测量装置108，叶片形变测量装置108与叶片101对应设置，用于测量沿该叶片101叶展方向的预定位置处的叶片101弦线与叶轮平面之间的夹角。叶片形变测量装置108可设置在叶片101内部沿叶展方向的预定位置处，一个示例中，叶片101的中间段可具有挡板106，叶片形变测量装置108可以安装在挡板106上。
处理器107分别与叶片形变测量装置108和主控制器105通讯连接。
在一个示例中，叶片形变测量装置108为陀螺仪。如图2所示，叶片101在叶轮平面S内绕轮毂旋转，在叶根位置处的变桨角度θ(也即，当前设定的桨距角)定义为叶根弦线AB与叶轮平面S之间的夹角。由于叶轮旋转离心力、风载荷等因素对叶片这个狭长弹性体的影响，叶片中间段弦线A’B’发生偏转，叶片中间段的变桨角度Φ定义为弦线A’B’与叶轮平面S之间的夹角。为了测量变桨角度Φ，将陀螺仪(本示例中采用二轴陀螺仪)设置在预定位置处的挡板106上，陀螺仪坐标系的X轴向沿弦线A’B’方向设置，Y轴向与X轴向垂直。则由陀螺仪检测到的叶轮旋转角速度矢量ω在X轴方向和Y轴方向上存在投影分量，根据所述投影分量计算叶片弦线A’B’与叶轮平面S之间的夹角Φ。
在图2中，预定位置可为30％的叶展处到80％的叶展处之间的位置。例如，所述预定位置可为50％的叶展处或75％的叶展处。此外，应该理解，不同型号的叶片的所述预定位置可不同或相同，所述预定位置的设置与叶片的具体型号有关。
图3示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的变桨控制方法的流程图。
参照图3，在步骤S310，获取叶片中间段的变桨角度。
这里，叶片中间段的变桨角度为沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮旋转平面(与叶轮旋转轴线垂直的平面)之间的夹角。
例如，叶片中间段的变桨角度可为叶片的50％叶展处的叶片弦线相对于叶轮平面的实际变桨角度。
作为示例，所述预定位置可为30％的叶展处到80％的叶展处之间的位置。例如，所述预定位置可为50％的叶展处或75％的叶展处。此外，应该理解，不同型号的叶片的所述预定位置可不同或相同，所述预定位置的设置与叶片的具体型号有关。
作为示例，可在风力发电机组的运行过程中周期性地针对每个叶片执行步骤S310。
应该理解，可通过各种适当方式来获取叶片中间段的变桨角度，优选采用图2所示的方式计算。
在步骤S320，确定该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角是否一致。
这里，设定的叶片叶根的桨距角可理解为风力发电机组的主控制器根据当前的实际运行情况(例如，当前的风资源情况、载荷情况、发电机转速等)设定的叶片叶根的桨距角。
作为示例，当叶轮的转速未达到额定转速(或，风力发电机组未达到额定功率)时，设定的叶片叶根的桨距角为预设的最小桨距角(也称，最优桨距角，例如，最小桨距角可为0度或0度附近的角度)。具体地，由于在叶轮的转速达到额定转速之前，需要叶轮正对风，以使叶轮能够最大程度地吸收风能，提高叶片吸收风能的效率，因此，当叶轮的转速未达到额定转速时，通常需要叶片达到的桨距角为0度，以使叶片达到捕获风能的最优状态。
作为示例，当需要叶片顺桨时，设定的叶片叶根的桨距角可为90度。
作为示例，参照图4所示的叶片中间段的变桨角度随时间的变化曲线，每条曲线对应一支叶片，可以看出，在叶轮的转速较低时，叶轮的3支叶片中间段的变桨角度均在最小桨距角附近；但当叶轮的转速较高时，有一支叶片中间段的变桨角度相对于最小桨距角出现了偏差。因此，可知叶片中间段的变桨角度与设定的叶片叶根的桨距角之间的偏差可以是一个动态数值，随着叶轮的转速增大，该偏差可能会发生变化。
作为示例，确定叶片中间段的变桨角度与设定的叶片叶根的桨距角是否一致，可理解为该叶片中间段的变桨角度与设定的叶片叶根的桨距角之间的偏差是否在预设的偏差范围内，当在预设的偏差范围内时，可理解为一致，否则，可理解为不一致。
返回图3，当在步骤S320确定不一致时，执行步骤S330，控制该叶片进行变桨，以使该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角达到一致。
作为示例，当当前设定的叶片叶根的桨距角为最小桨距角时，通过执行根据本发明示例性实施例的风力发电机组的变桨控制方法，既能够提高叶片的最大迎风面的对风程度，使叶轮更好地对风，从而使风力发电机组在未达到额定功率之前能够最大程度地吸收风能，也能够保证叶轮处于气动平衡状态。
图5示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的变桨控制系统的框图。仅作为示例，图5中仅示出叶轮具有3支叶片时的情况。
如图5所示，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的变桨控制系统包括：变桨驱动器10、主控制器20、以及处理器30。
具体说来，变桨驱动器10与风力发电机组的叶片对应设置，变桨驱动器10用于驱动该叶片进行变桨。
处理器30被配置为：获取该叶片中间段的变桨角度，并确定该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角是否一致。
这里，叶片中间段的变桨角度为沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。作为示例，所述预定位置为30％的叶展处到80％的叶展处之间的位置。
作为示例，当叶轮的转速未达到额定转速时，设定的该叶片叶根的桨距角为预设的最小桨距角。
主控制器40被配置为：当确定不一致时，控制与该叶片对应的变桨驱动器10驱动该叶片进行变桨，以使该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角达到一致。
作为示例，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的变桨控制系统还可包括：设置在叶片上的叶片形变测量装置40。叶片形变测量装置40与叶片对应设置，叶片形变测量装置40用于测量沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
作为示例，叶片形变测量装置40可包括：陀螺仪(未示出)，设置于对应的叶片内部沿叶展方向的预定位置处，且陀螺仪坐标系的一个轴向沿所述预定位置处的叶片弦线方向设置；相应地，处理器30还可被配置为：计算叶轮旋转角速度矢量在所述陀螺仪坐标系的两个相互垂直的轴向上的投影分量，并基于所述投影分量计算沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
作为示例，所述陀螺仪可被安装在对应的叶片的挡板上。
此外，本发明的示例性实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上述示例性实施例所述的风力发电机组的变桨控制系统。
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，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上述示例性实施例所述的风力发电机组的变桨控制方法。该计算机可读存储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。计算机可读存储介质的示例包括：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)。
虽然已表示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (11)

1.一种风力发电机组的变桨控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取叶片中间段的变桨角度；
确定该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角是否一致；
当确定不一致时，控制该叶片进行变桨，以使该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角达到一致；
其中，叶片中间段的变桨角度为沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当叶轮的转速未达到额定转速时，设定的该叶片叶根的桨距角为预设的最小桨距角。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取该叶片中间段的变桨角度的步骤包括：
计算叶轮旋转角速度矢量在陀螺仪坐标系的两个相互垂直的轴向上的投影分量，并基于所述投影分量计算沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角；
其中，所述陀螺仪设置于该叶片内部沿叶展方向的预定位置处，且陀螺仪坐标系的一个轴向沿所述预定位置处的叶片弦线方向设置。
4.一种风力发电机组的变桨控制系统，其特征在于，所述系统包括：变桨驱动器、主控制器和处理器；
所述变桨驱动器与风力发电机组的叶片对应设置，所述变桨驱动器用于驱动该叶片进行变桨；
所述处理器被配置为：获取该叶片中间段的变桨角度，并确定该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角是否一致；
所述主控制器被配置为：当确定不一致时，控制与该叶片对应的变桨驱动器驱动该叶片进行变桨，以使该叶片中间段的变桨角度与设定的该叶片叶根的桨距角达到一致；
其中，叶片中间段的变桨角度为沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，当叶轮的转速未达到额定转速时，设定的该叶片叶根的桨距角为预设的最小桨距角。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设置在叶片上的叶片形变测量装置；
所述叶片形变测量装置与叶片对应设置，所述叶片形变测量装置用于测量沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述叶片形变测量装置包括：
陀螺仪，设置于对应的叶片内部沿叶展方向的预定位置处，且陀螺仪坐标系的一个轴向沿所述预定位置处的叶片弦线方向设置；
所述处理器还被配置为：计算叶轮旋转角速度矢量在所述陀螺仪坐标系的两个相互垂直的轴向上的投影分量，并基于所述投影分量计算沿该叶片叶展方向的预定位置处的叶片弦线与叶轮平面之间的夹角。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述预定位置为30％的叶展处到80％的叶展处之间的位置。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述陀螺仪被安装在对应的叶片的挡板上。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中的任意一项所述的风力发电机组的变桨控制方法。
11.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括根据权利要求4至9中的任意一项所述的变桨控制系统。
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