CN113738578B - 一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，属于风电机组技术领域；该方法通过实时浆角、期望浆角以及计算出的最小允许的浆角来有效的控制风电机组塔筒的实时弯矩；本发明的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法通过对桨角的计算，以及结合设定的期望值和实时的值进行对比，从而实现更高精度的弯矩检测，并实现实时降载的效果，相对于传统的结构而言，虽然考虑到了弯矩的问题，但是依然存在受弯矩以及载荷的影响会造成风电机组的设计成本过高，尤其是在重量的设计上，不仅仅材料成本提升，人工以及运输都会造成较大的提升，而本设计有效的解决了实时弯矩荷载的控制，实现成本的降低，同时工程应用前景好。

Description

一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法

技术领域

本发明涉及一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，属于风电机组技术领域。

背景技术

随着风力发电技术的发展以及市场的需求，风力发电机组容量越来越大，叶片越来越长，塔筒越来越高，这就造成塔筒底部弯矩越来越大。加之国内风电开始平价上网，为降低机组成本，以应对风力发电平价上网挑战，需要不断设计新控制策略，降低机组载荷。

在传统的控制方法当中，通常应用的场景的局限性相对较大，为了更好的实现这个风机塔筒底部弯矩的检测，并通过控制来实现整个弯矩在需要保持一定的安全范围内，为了更好的实现精准控制，那么采用检测的方式很容易受到环境影响而导致其精确值有较大的误差，而为了更好的实现控制，则需要更好精准的控制，尤其是在实时的情况，因此，需要一种更加有效的实时实现降载的控制方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，该方法能够有效的通过计算提供实施弯矩降载的效果，实现降低机组塔筒底部极限载荷，减少塔筒重量，进而降低设计成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，包括以下步骤：

a、建立塔筒顶部倾角与塔筒底部弯矩之间的数学模型；

b、在塔筒顶部安装动态倾角传感器，实时监测塔筒顶部倾角α，并获得塔筒底部实时弯矩M_y1；

c、依据风力发电机组气动模型和机组运行状态，建立塔筒底部弯矩数学模型，计算塔筒底部弯矩M_y2；

d、依据两个不同方法得到的塔筒底部弯矩，建立风力发电机组塔筒底部弯矩和桨角之间的关系；

e、依据期望的塔筒底部弯矩得到期望的变桨角度，并与当前桨角对比。

进一步的，在步骤e中，取期望的变桨角度和当前桨角的最小值作为最终目标桨角给到风力发电机组控制系统，从而实现塔筒底部实时弯矩控制，降低机组载荷。

进一步的，在步骤a中，采用欧拉-伯努力梁模型作为塔筒顶部倾角和塔筒底部弯矩之间的关系，即：

M_y1＝αEIH

其中，M_y1是塔筒底部弯矩，α为塔筒顶部倾角，EI是抗弯刚度，H是塔筒高度。

进一步的，在步骤c中，依据气动模型，风力发电机组实时运行的桨角、功率、转速，推算出塔筒底部的弯矩，从而获取风轮气动载荷，即：

其中，F_y2是气动推力，β是叶片桨角，ρ是空气密度，A是风轮扫风面积，U是来流风速，C_t(λ，β)是风轮气动推力系数，分别是叶尖速比λ和叶片桨角β的函数。

进一步的，定义叶尖速比，即为：

其中，Ω是风轮转速，R是风轮半径。

进一步的，推算出塔筒底部弯矩M_y2，即为：

进一步的，令塔筒底部弯矩M_y1等于塔筒底部弯矩M_y2，可获得：

进一步的，采用网格搜索法，获得λ的值，包括以下步骤：

S1、设λ的运行范围为[λ₁，λ₂]，再设求解计算精度要求为Δλ，收敛误差要求为ε_tol；

S2、将[λ₁，λ₂]划分为：

[λ₁ λ₁+Δλ λ₁+2×Δλ … λ₁+(n-1)×Δλ λ₂]；

S3、计算每个划分点λ₁+i×Δλ，i＝0，1，...n-1和λ₂的值，若

则λ^*＝λ₁+i×Δλ即为解。

进一步的，当λ＝λ^*求解出来后，即可得到叶片桨角β和塔筒顶部倾角α之间的关系式，得到叶片桨角β和塔筒底部弯矩之间的关系式。

进一步的，依据载荷设计要求得到允许的期望弯矩

并设定：

进一步的，利用采用网格搜索法，获得允许的最小桨角β^min的值，具体包括以下步骤：

T1、设β的运行范围为[β₁，β₂]，再设求解计算精度要求为Δβ，收敛误差要求为∈_tol；

T2、将[β₁，β₂]划分为

[β₁ β₁+△β β₁+2×Δβ … β₁+(m-1)×Δβ β₂]；

T3、计算每个划分点β₁+i×Δβ，i＝0，1，...m-1和β₂的值，若

则β^min＝λ₁+i×Δλ即为允许的最小桨角。

进一步的，将求得的β^min与当前桨角β进行比较，并取二者的最大值作为最终的桨角控制命令给风力发电机组控制系统以实现塔筒底部弯矩小于期望弯矩。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法通过对桨角的计算，以及结合设定的期望值和实时的值进行对比，从而实现更高精度的弯矩检测，并实现实时降载的效果，相对于传统的结构而言，虽然考虑到了弯矩的问题，但是依然存在受弯矩以及载荷的影响会造成风电机组的设计成本过高，尤其是在重量的设计上，不仅仅材料成本提升，人工以及运输都会造成较大的提升，而本设计有效的解决了实时弯矩荷载的控制，实现成本的降低，同时工程应用前景好。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明塔筒顶部倾角与塔筒底部弯矩之间数学模型原理图。

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例

一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

a、建立塔筒顶部倾角与塔筒底部弯矩之间的数学模型；

b、在塔筒顶部安装动态倾角传感器，实时监测塔筒顶部倾角α，并获得塔筒底部实时弯矩M_y1；

c、依据风力发电机组气动模型和机组运行状态，建立塔筒底部弯矩数学模型，计算塔筒底部弯矩M_y2；

d、依据两个不同方法得到的塔筒底部弯矩，建立风力发电机组塔筒底部弯矩和桨角之间的关系；

e、依据期望的塔筒底部弯矩得到期望的变桨角度，并与当前桨角对比。

在上述具体实施方式的基础上，作为更加进一步的设计，在步骤e中，取期望的变桨角度和当前桨角的最小值作为最终目标桨角给到风力发电机组控制系统，从而实现塔筒底部实时弯矩控制，降低机组载荷。

本实施例中，作为具体的描述，根据风电机组所处环境以及其是靠风力进行发电的设备，其在使用换种，通常会受到风力或者是其他的影响，尤其是在受到风力的作用下，对于风电机组塔筒的稳定性要求较高，包括海上风力发电机组，为了保证其稳定性，通常会增加塔筒的重量，加强其弯矩的检测，而在实际应用中，为了降低成本，降低塔筒的重量，因此，本设计提出了一种实时控制风电机组弯矩降载的方法，并且通过对浆角的控制，来实现实时弯矩降载的效果。通常，浆角会有一个期望值，该期望值即为安全值范围内，同时有个实时监测值，但是基于检测值的精度不高，因此，提出下列计算方法，从而获取最小允许值，并以此来控制风电机组塔筒的弯矩。

作为更加具体的设计，在上述具体实施方式的基础上，在步骤a中，采用欧拉-伯努力梁模型作为塔筒顶部倾角和塔筒底部弯矩之间的关系，即：

M_y1＝αEIH    (1)

其中，M_y1是塔筒底部弯矩，α为塔筒顶部倾角，EI是抗弯刚度，H是塔筒高度。

在上述具体的实施方式中，通过另一具体计算方式获取弯矩值，首先获取气动载荷值，在步骤c中，依据气动模型，风力发电机组实时运行的桨角、功率、转速，推算出塔筒底部的弯矩，从而获取风轮气动载荷，即：

其中，F_y2是气动推力，β是叶片桨角，ρ是空气密度，A是风轮扫风面积，U是来流风速，C_t(λ，β)是风轮气动推力系数，分别是叶尖速比λ和叶片桨角β的函数。

在上述具体实施方式的设计基础上，更加具体的，定义叶尖速比，即为：

其中，Ω是风轮转速，R是风轮半径。

更加具体的，将(3)带入(2)得到：

因此，根据力矩的计算方式，推算出塔筒底部弯矩M_y2，即为：

依据塔筒底部弯矩相等的情况，在此，令塔筒底部弯矩M_y1等于塔筒底部弯矩M_y2，可获得：

至此，公式(6)中所有变量，除叶尖速比λ外，均为模型参数或者可以通过传感器直接测量得到。

基于上述具体的设计，具体的，采用网格搜索法，获得λ的值，包括以下步骤：

S1、设λ的运行范围为[λ₁，λ₂]，再设求解计算精度要求为Δλ，收敛误差要求为ε_tol；

S2、将[λ₁，λ₂]划分为：

[λ₁ λ₁+Δλ λ₁+2×Δλ … λ₁+(n-1)×Δλ λ₂]；

S3、计算每个划分点λ₁+i×Δλ，i＝0，1，...n-1和λ₂的值，若

则λ^*＝λ₁+i×Δλ即为解。

当λ＝λ^*求解出来后，即可得到叶片桨角β和塔筒顶部倾角α之间的关系式，得到叶片桨角β和塔筒底部弯矩之间的关系式。

更加具体的，依据载荷设计要求得到允许的期望弯矩

并设定：

相同原理，利用采用网格搜索法，获得允许的最小桨角β^min的值，具体包括以下步骤：

T1、设β的运行范围为[β₁，β₂]，再设求解计算精度要求为Δβ，收敛误差要求为∈_tol；

T2、将[β₁，β₂]划分为

[β₁ β₁+Δβ β₁+2×Δβ … β₁+(m-1)×Δβ β₂]；

T3、计算每个划分点β₁+i×Δβ，i＝0，1，...m-1和β₂的值，若

则β^min＝λ₁+i×Δλ即为允许的最小桨角。

最后，将求得的β^min与当前桨角β进行比较，并取二者的最大值作为最终的桨角控制命令给风力发电机组控制系统以实现塔筒底部弯矩小于期望弯矩

在上述具体的实施方式中，采用网格搜索法的主要目的在于原计算式中虽然都是检测的参数，但是其计算式为一个风险性方程，要计算浆角β和叶尖速比λ相对较为复杂和困难，从而采取网格搜索法实现在一定的误差内获取一个计算值，同时也有效的保证了在该数值范围内其取值是符合实际需要和要求的，有效的保证了其检测精度以及实际操作的精准度。

综上所述，本发明的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法通过对桨角的计算，以及结合设定的期望值和实时的值进行对比，从而实现更高精度的弯矩检测，并实现实时降载的效果，相对于传统的结构而言，虽然考虑到了弯矩的问题，但是依然存在受弯矩以及载荷的影响会造成风电机组的设计成本过高，尤其是在重量的设计上，不仅仅材料成本提升，人工以及运输都会造成较大的提升，而本设计有效的解决了实时弯矩荷载的控制，实现成本的降低，同时工程应用前景好。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (11)

1.一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、建立塔筒顶部倾角与塔筒底部弯矩之间的数学模型；

b、在塔筒顶部安装动态倾角传感器，实时监测塔筒顶部倾角α，采用欧拉-伯努力梁模型作为塔筒顶部倾角α和塔筒底部弯矩M_y1之间的关系，并获得塔筒底部实时弯矩M_y1；

c、依据风力发电机组气动模型，风力发电机组实时运行的桨角β、功率、转速，建立风力发电机组实时运行的浆角和塔筒底部实时弯矩M_y2之间的关系，并获得塔筒底部的实时弯矩M_y2；

d、依据步骤b和步骤c两个不同方法得到的塔筒底部弯矩，令筒底部实时弯矩M_y1等于塔筒底部实时弯矩M_y2，建立风力发电机组塔筒底部弯矩M_y1和桨角β之间的关系；

e、依据载荷设计要求得到允许的期望弯矩

依据步骤d建立风力发电机组塔筒底部实时弯矩M_y1和桨角β之间的关系，获得允许的最小浆角β^min的值，并与当前桨角对比，并取二者的最大值作为最终的桨角控制命令给风力发电机组控制系统以实现塔筒底部实时弯矩小于期望弯矩。

2.如权利要求1所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：在步骤e中，取期望的变桨角度和当前桨角的最小值作为最终目标桨角给到风力发电机组控制系统，从而实现塔筒底部实时弯矩控制，降低机组载荷。

3.如权利要求2所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：在步骤a中，采用欧拉-伯努力梁模型作为塔筒顶部倾角和塔筒底部弯矩之间的关系，即：

M_y1＝αEIH

其中，M_y1是塔筒底部弯矩，α为塔筒顶部倾角，EI是抗弯刚度，H是塔筒高度。

4.如权利要求3所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：在步骤c中，依据气动模型，风力发电机组实时运行的桨角、功率、转速，推算出塔筒底部的弯矩，从而获取风轮气动载荷，即：

其中，F_y2是气动推力，β是叶片桨角，ρ是空气密度，A是风轮扫风面积，U是来流风速，C_t(λ，β)是风轮气动推力系数，分别是叶尖速比λ和叶片桨角β的函数。

5.如权利要求4所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：定义叶尖速比，即为：

其中，Ω是风轮转速，R是风轮半径。

6.如权利要求5所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：推算出塔筒底部弯矩M_y1＝M_y2，即为：

7.如权利要求6所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：令塔筒底部弯矩M_y1等于塔筒底部弯矩M_y1＝M_y2，可获得：

8.如权利要求7所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：采用网格搜索法，获得λ的值，包括以下步骤：

S1、设λ的运行范围为[λ₁，λ₂]，再设求解计算精度要求为Δλ，收敛误差要求为ε_tol；

S2、将[λ₁，λ₂]划分为：

[λ₁ λ₁+Δλ λ₁+2×Δλ … λ₁+(n-1)×Δλ λ₂]；

S3、计算每个划分点λ₁+i×Δλ，i＝0，1，...n-1和λ₂的值，若

则λ^*＝λ₁+i×Δλ即为解。

9.如权利要求8所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：当λ＝λ^*求解出来后，即可得到叶片桨角β和塔筒顶部倾角α之间的关系式，得到叶片桨角β和塔筒底部弯矩之间的关系式。

10.如权利要求9所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：依据载荷设计要求得到允许的期望弯矩

并设定：

11.如权利要求10所述的一种风机塔筒底部实时弯矩降载控制方法，其特征在于：利用采用网格搜索法，获得允许的最小桨角β^min的值，具体包括以下步骤：

T1、设β的运行范围为[β₁，β₂]，再设求解计算精度要求为Δβ，收敛误差要求为∈_tol；

T2、将[β₁，β₂]划分为

[β₁ β₁+Δβ β₁+2×Δβ … β₁+(m-1)×Δβ β₂]；

T3、计算每个划分点β₁+i×Δβ，i＝0，1，...m-1和β₂的值，若

则β^min＝λ₁+i×Δλ即为允许的最小桨角。

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