CN113864118A - 一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，公开了一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，通过对其余两只叶片的变桨速率进行变速率调节，将直接影响风电机组整机的动态响应过程，因此合理的设置两只叶片的变桨速率可以有效的控制该极端工况下的极限载荷；在降低该卡桨工况下的极限载荷时，同时对发电机转矩进行控制，传统的控制方法是当机组触发停机故障，发电机转矩直接在某一时间内跌落至0，而本发明控制发电机的转矩，逐渐降低发电机转矩，达到抑制机组或塔筒振动的效果，进而降低极限载荷；通过调节变桨进行载荷控制，本发明在规定变速率的计算方法同时，还通过调节发电机的转矩进行控制载荷。

Description

一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法。
背景技术
风力发电机组是一个涉及多学科的复杂系统。风电机组的载荷主要来源是气动载荷、重力载荷、惯性载荷，是影响整个风力发电系统成本和效率的重要因素，载荷除了关系到机组的安全性以外，还直接决定机组的制造成本。风电机组的极限载荷一般发生在故障工况、极端阵风、50年一遇或一年一遇极限风速下，特别是叠加停机过程时，更易发生极端载荷。设置合理的控制参数和控制逻辑，可有效降低机组的载荷，极限载荷的降低是提高机组发电性能、提质增效和降低制造成本的重要手段。
目前风电机组的产品设计主要依据GL和IEC61400标准对整机各种复杂工况条件下的极限和疲劳载荷进行计算分析，在机组设计评估阶段，必须考虑在风电机组使用的寿命期内可能出现的所有极端条件和一般可能性，如极端阵风或极端湍流风、电网失电、变桨故障等等可能发生的情况。而风电机组极限载荷的发生往往都是发生在极端风况或故障工况。极限载荷过大时，必须对风电机组的各子系统和零部件进行加强，才能保证零部件不发生失效或破坏，会限制机组的风轮直径和制造成本等，严重影响机组的发电性能。
随着风电机组的大型化，叶片和塔筒也在朝着更长更高的方向发展，除风资源条件的随机变化外，机组的负载特性的些许变化也会对机组产生相对较大的影响。在风电机组的设计工况中，变桨卡死故障特别是单只叶片变桨卡死故障发生时，机组主控检测到三只叶片桨距角不同步，触发停机收桨。由于另外两只叶片正常变桨，此时由于三只叶片的气动不平衡，导致轮毂、偏航系统载荷的发生。
当前的叶片卡桨控制方式，在对叶片的桨距角进行控制时，有的采用恒定速率变桨控制，有的采用变速率变桨控制，但并未对变速率的计算过程给出实际的算法。无法对机组加以精准的控制，极易导致极限的轮毂、偏航系统载荷的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，解决了叶片卡桨产生三只叶片的气动不平衡，导致轮毂、偏航系统载荷的发生的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，风电机组包括机舱、风轮、塔筒和三只叶片，机舱内设有发电机，三只叶片称为第一叶片、第二叶片和第三叶片，包括以下过程：
(1)当第一叶片发生变桨卡死故障时，第一叶片与其余两只叶片的桨距角偏差达到预设角度后，触发停机，其余两只叶片执行收桨；
(2)两只叶片执行收桨时，同时调节发电机转矩，使发电机转矩的跌落至0；
其中，两只叶片执行收桨时，叶片执行收桨的速率采用变速率收桨或恒速率收桨，收桨的速率变化考虑机舱加速度。
进一步，调节发电机转矩，使发电机转矩的跌落至0的具体过程为：
以当前的发电机转矩值T当前为基准，当停机被触发时，发电机转矩给定值按照T控制＝T当前(1-a)进行控制，当机舱加速度a达到负向最大值时，将此时的发电机转矩记为T0；
T0保持一个振动周期t后，将发电机转矩给定值降低至T1，T1＝T0-T0/T_stop*t，T_stop表示在该工况下预期停机时间；
在保持至第n-1个振动周期后，发电机转矩降低至Tn-1，Tn-1＝Tn-2-Tn-2/T_stop*t，
继续保持n个周期，直到第二叶片和第三叶片的桨距角>60°后，发电机转矩Tn在停机的剩余时间TS内线性跌落至0或者直接跌落至0。，
进一步，停机的剩余时间TS的计算公式为：
TS＝T_stop-n*t。
进一步，振动周期t与风电机组塔筒的一阶前后振动固有频率f有关，
Figure BDA0003329159060000031
进一步，T_stop取5～40秒。
进一步，步骤(2)中，变速率收桨的情况为：
当机舱加速度为正，且下一采样周期采集的机舱加速度继续增大，此时塔筒向风的来流方向振动，则减小变桨速率或停止变桨动作，在当前振动周期内，当机舱加速度达到正向最大值后，第二叶片和第三叶片的收桨速率增大至ω1；在下一个振动周期内，同样判定条件下增大第二叶片和第三叶片的收桨速率至ω2，ω2＞ω1，依次循环，直至风轮停机；
若当前检测到机舱加速度为负，且下一采样周期的机舱加速度继续减小，此时塔筒振动方向与风的来流方向一致则增加变桨速率，在当前振动周期内，机舱加速度达到负向最小值后，第二叶片和第三叶片的收桨速率减小至ω′1；在下一个振动周期内，同样判定条件下增大第二叶片和第三叶片的收桨速率ω′2，ω′2＞ω′1，依次循环，直至风轮停机。
进一步，变速率收桨的速度的公式为：
Figure BDA0003329159060000041
其中，ω0代表原恒速率收桨给定值，ωn代表变速率收桨速率值，n表示第n个振动周期，n≥1。
进一步，步骤(2)中，恒速率收桨的情况为：
当机舱加速度为正，且下一采样周期采集的机舱加速度在减小，此时塔筒向风的来流方向振动，则以上一时刻的收桨速度进行恒速率收桨；
当机舱加速度为负，且下一采样周期采集的机舱加速度在增大，此时塔筒背对风的来流方向振动，则以上一时刻的收桨速度进行恒速率收桨。
进一步，恒速率收桨的速度的公式为：
Figure BDA0003329159060000042
其中，ω0代表原恒速率收桨给定值，ωn代表变速率收桨速率值，n表示第n个振动周期，n≥1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，通过对其余两只叶片的变桨速率进行变速率调节，将直接影响风电机组整机的动态响应过程，因此合理的设置两只叶片的变桨速率可以有效的控制该极端工况下的极限载荷；在降低该卡桨工况下的极限载荷时，同时对发电机转矩进行控制，传统的控制方法是当机组触发停机故障，发电机转矩直接在某一时间内跌落至0，而本发明控制发电机的转矩，逐渐降低发电机转矩，达到抑制机组或塔筒振动的效果，进而降低极限载荷；通过调节变桨进行载荷控制，本发明在规定变速率的计算方法同时，还通过调节发电机的转矩进行控制载荷。
附图说明
图1为传统模式停机过程；
图2为采用本发明的风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法的停机过程；
图3为转矩调节流程图；
图4为原风电机组在第一叶片卡桨时的停机模式图；
图5为采用本发明的极限载荷控制方法后，风电机组在叶片卡桨时的新控制停机模式图；
图6为采用本发明的极限载荷控制方法后和原控制方式下的旋转轮毂坐标系My极限载荷对比图；
图7为采用本发明的极限载荷控制方法后和原控制方式下的偏航轴承位置My极限载荷对比图；
图8为采用本发明的极限载荷控制方法后和原控制方式下的偏航轴承位置Mz极限载荷对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
变速率收桨控制极限载荷的原理，是在引入机舱加速度信号的基础上，通过控制变桨速率来调节风轮的推力，在塔筒向机头方向即来流方向振动时，降低变桨速率，来适当的减小风轮推力的衰减，进而抑制机组的振动；控制发电机转矩的进行载荷抑制的原理与调节变桨速率的一致，在塔筒向机头方向即来流方向振动时，增加负载即发电机转矩，可以有效抑制塔筒向机头方向振动的幅度；反之，塔筒振动与来流方向一致时，适当降低塔筒负载，也可以抑制塔筒的振动。
本发明公开了一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，风电机组包括机舱、风轮、塔筒和三只叶片，机舱内设有发电机，三只叶片称为第一叶片、第二叶片和第三叶片，如图1-2所示，包括以下过程：
(1)当第一叶片发生变桨卡死故障时，第一叶片与其余两只叶片的桨距角偏差达到预设角度后，触发停机，其余两只叶片执行收桨；
(2)两只叶片执行收桨时，同时调节发电机转矩，使发电机转矩的跌落至0；
叶片执行收桨的速率采用变速率收桨或恒速率收桨，收桨的速率变化考虑机舱加速度，机舱加速度从当前触发停机时刻随着塔筒振动的减弱而逐渐减小。
如图3所示，调节发电机转矩，使发电机转矩的跌落至0的具体过程为：
以当前的发电机转矩值T当前为基准，当停机被触发时，发电机转矩给定值按照T控制＝T当前*K进行控制，当机舱加速度a达到负向最大值时，将此时的发电机转矩记为T0；
T0保持一个振动周期t后，将发电机转矩给定值降低至T1，T1＝T0-T0/T_stop*t，T_stop表示在该工况下预期停机时间；
在保持至第n-1个振动周期后，发电机转矩降低至Tn-1，Tn-1＝Tn-2-Tn-2/T_stop*t，
继续保持n个周期，直到第二叶片和第三叶片的桨距角>60°后，发电机转矩Tn在停机的剩余时间TS内线性跌落至0或者直接跌落至0。
其中，TS＝T_stop-n*t；T_stop是要求停机的总时间；n*t是本发明所用的控制时间，即桨距角从当前值到60°所用的时间。
机舱加速度记为a，机舱加速度作为调节发电机转矩的增量系数使用，增量系数K＝1-a。
具体地，振动周期t与风电机组塔筒的一阶前后振动固有频率f有关，
Figure BDA0003329159060000061
一般地，T_stop取5～40秒。
更优地，步骤(2)中，变速率收桨的情况为：
当机舱加速度为正，且下一采样周期采集的机舱加速度继续增大，此时塔筒向风的来流方向振动，则减小变桨速率或停止变桨动作，在当前振动周期内，当机舱加速度达到正向最大值后，第二叶片和第三叶片的收桨速率增大至ω1；在下一个振动周期内，同样判定条件下增大第二叶片和第三叶片的收桨速率至ω2，ω2＞ω1，依次循环，直至风轮停机；
若当前检测到机舱加速度为负，且下一采样周期的机舱加速度继续减小，此时塔筒振动方向与风的来流方向一致则增加变桨速率，在当前振动周期内，机舱加速度达到负向最小值后，第二叶片和第三叶片的收桨速率减小至ω′1；在下一个振动周期内，同样判定条件下增大第二叶片和第三叶片的收桨速率ω′2，ω′2＞ω′1，依次循环，直至风轮停机。
变速率收桨的速度的公式为：
Figure BDA0003329159060000071
其中，ω0代表原恒速率收桨给定值，ωn代表变速率收桨速率值，n表示第n个振动周期，n≥1。
更优地，步骤(2)中，恒速率收桨的情况为：
当机舱加速度为正，且下一采样周期采集的机舱加速度在减小，此时塔筒向风的来流方向振动，则以上一时刻的收桨速度进行恒速率收桨；
当机舱加速度为负，且下一采样周期采集的机舱加速度在增大，此时塔筒背对风的来流方向振动，则以上一时刻的收桨速度进行恒速率收桨。
恒速率收桨的速度的公式为：
Figure BDA0003329159060000072
其中，ω0代表原恒速率收桨给定值，ωn代表变速率收桨速率值，n表示第n个振动周期，n≥1。
风电机组在运行过程中，由于第一叶片卡桨，随着风速的波动，第二叶片和第三叶片正常变桨，当三只叶片的桨距角差达到某一限制值如2°时，触发停机，第二叶片和第三叶片正常收桨，由于第一叶片卡死，整个风轮的气动不平衡现象显著，极易导致极限载荷的发生，特别是旋转轮毂My和偏航轴承处My和Mz。特别是对于目前大型化机组使用的长柔叶片和柔塔或超高塔筒的情况更为明显。在叶片卡桨故障时，除第二叶片和第三叶片的收桨速率依据机舱加速度传感器传输的振动加速度信号进行变速率调节收桨外，通过负载即发电机转矩调节的方式可以有效的降低转速，降低该工况的极限载荷。
以某1.5MW机组为例，在叶片卡桨的情况下采用权威认证的风电机组载荷仿真计算软件GH Bladed进行极限载荷仿真。
如图4所示，第2、3叶片按照9度/s恒定速率进行收桨，发电机转矩在5s内跌落至0；
如图5所示，发电机转矩在10s时刻，发电机转矩0.7s内由8300Nm增大至13000Nm，然后在10-12.5s保持不变，然后降低至12000Nm，保持4s，发电机转矩降低至9300Nm，保持2.6s，跌落至0。
从仿真结果来看，通过新控制方式，如图6所示，原始控制模式下，旋转轮毂坐标系下的极限载荷My为2892.19kNm，采用本发明的控制方法后，旋转轮毂坐标系下的极限载荷My为2517.17kNm，可以使旋转轮毂坐标系下的极限载荷My降低11.09％。
如图7所示，原始控制模式下，偏航轴承位置处的极限载荷My为-4093.12kNm，采用本发明的控制方法后，偏航轴承位置处的极限载荷My为-3252.76kNm，偏航轴承位置处的My降低20.53％，降载效果显著。
如图8所示，偏航轴承位置处的极限载荷Mz为2767.32kNm，采用本发明的控制方法后，偏航轴承位置处的极限载荷Mz为2231.07kNm，偏航轴承位置处的Mz降低19.37％，降载效果显著。

Claims (9)

1.一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，风电机组包括机舱、风轮、塔筒和三只叶片，机舱内设有发电机，三只叶片称为第一叶片、第二叶片和第三叶片，包括以下过程：
(1)当第一叶片发生变桨卡死故障时，第一叶片与其余两只叶片的桨距角偏差达到预设角度后，触发停机，其余两只叶片执行收桨；
(2)两只叶片执行收桨时，同时调节发电机转矩，使发电机转矩的跌落至0；
其中，两只叶片执行收桨时，叶片执行收桨的速率采用变速率收桨或恒速率收桨，收桨的速率变化考虑机舱加速度。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，调节发电机转矩，使发电机转矩的跌落至0的具体过程为：
以当前的发电机转矩值T当前为基准，当停机被触发时，发电机转矩给定值按照T控制＝T当前(1-a)进行控制，当机舱加速度a达到负向最大值时，将此时的发电机转矩记为T0；
T0保持一个振动周期t后，将发电机转矩给定值降低至T1，T1＝T0-T0/T_stop*t，T_stop表示在该工况下预期停机时间；
在保持至第n-1个振动周期后，发电机转矩降低至Tn-1，Tn-1＝Tn-2-Tn-2/T_stop*t，
继续保持n个周期，直到第二叶片和第三叶片的桨距角>60°后，发电机转矩Tn在停机的剩余时间TS内线性跌落至0或者直接跌落至0。
3.根据权利要求2所述的一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，停机的剩余时间TS的计算公式为：
TS＝T_stop-n*t。
4.根据权利要求2所述的一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，振动周期t与风电机组塔筒的一阶前后振动固有频率f有关，
Figure FDA0003329159050000021
5.根据权利要求2所述的一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，T_stop取5～40秒。
6.根据权利要求1所述的一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，步骤(2)中，变速率收桨的情况为：
当机舱加速度为正，且下一采样周期采集的机舱加速度继续增大，此时塔筒向风的来流方向振动，则减小变桨速率或停止变桨动作，在当前振动周期内，当机舱加速度达到正向最大值后，第二叶片和第三叶片的收桨速率增大至ω1；在下一个振动周期内，同样判定条件下增大第二叶片和第三叶片的收桨速率至ω2，ω2＞ω1，依次循环，直至风轮停机；
若当前检测到机舱加速度为负，且下一采样周期的机舱加速度继续减小，此时塔筒振动方向与风的来流方向一致则增加变桨速率，在当前振动周期内，机舱加速度达到负向最小值后，第二叶片和第三叶片的收桨速率减小至ω′1；在下一个振动周期内，同样判定条件下增大第二叶片和第三叶片的收桨速率ω′2，ω′2＞ω′1，依次循环，直至风轮停机。
7.根据权利要求6所述的一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，变速率收桨的速度的公式为：
Figure FDA0003329159050000022
其中，ω0代表原恒速率收桨给定值，ωn代表变速率收桨速率值，n表示第n个振动周期，n≥1。
8.根据权利要求6所述的一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，步骤(2)中，恒速率收桨的情况为：
当机舱加速度为正，且下一采样周期采集的机舱加速度在减小，此时塔筒向风的来流方向振动，则以上一时刻的收桨速度进行恒速率收桨；
当机舱加速度为负，且下一采样周期采集的机舱加速度在增大，此时塔筒背对风的来流方向振动，则以上一时刻的收桨速度进行恒速率收桨。
9.根据权利要求8所述的一种风电机组叶片卡桨条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，恒速率收桨的速度的公式为：
Figure FDA0003329159050000031
其中，ω0代表原恒速率收桨给定值，ωn代表变速率收桨速率值，n表示第n个振动周期，n≥1。
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