CN113864119A - 一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，公开了一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，引入机舱位移传感器信号到机组变桨过程控制中，基于机舱位移的振动变化，通过对其余两只叶片的变桨速率进行变速率调节，可以有效抑制机组的振动动态响应，进而降低极限载荷；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，先使转矩增大抑制推力减小对结构响应的影响，然后逐渐降低发电机转矩，达到抑制机组或塔筒振动的效果以及降低极限载荷；本发明将叶片卡桨条件下的变速率变桨和变转矩控制结合起来，有效降低该工况下的极限载荷。

Description

一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法。
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。降低机组的载荷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。因此合理的设计和研究风电机组的降载控制策略，有效降低机组的极限载荷，对风电机组的最优化选型和成本控制大有裨益。
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，由于其中两只叶片可以正常变桨，导致气动不平衡的产生，进而在传动链系统、偏航系统极易出现极限载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，解决了叶片卡桨产生三只叶片的气动不平衡，导致在传动链系统、偏航系统极易出现极限载荷的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，风电机组包括机舱和三只叶片，机舱内设有发电机和位移传感器，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；同时，将发电机转矩增大至当前发电机转矩的1.1～1.5倍，随后在时间Tstop秒内按线性调节至0；Tstop表示在该工况下预期停机时间；
(2)两只叶片执行收桨后，下一采样点机舱位移减小，第二叶片和第三叶片执行的变桨速率首先保持为第一恒定速率，当机舱位移达到负向最大位移时，调节第二叶片和第三叶片执行的变桨速率为第二恒定速率，第二恒定速率大于第一恒定速率；
当机舱位移达到正向最大位移时，第二叶片和第三叶片执行的变桨速率为第三恒定速率，第三恒定速率小于第二恒定速率；
(3)经过步骤(2)的多次变速率动作，当第二叶片和第三叶片收桨到50～60度时，给定一个恒定速率，记为第四恒定速率，以第四恒定速率收桨至顺桨状态，第四恒定速率大于等于第三恒定速率。
进一步，步骤(2)中，判断机舱位移是否达到负向最大位移的依据为：以当前时刻t的机舱位移S0为基准，t-Δt时刻记录的机舱位移为S1，t-2Δt时刻记录的机舱位移为S2，若S1＜S2且S1＜S0，则S1为塔筒某一个前后振动周期内的负向位移最大值；
其中，Δt为一个采样周期。
进一步，步骤(2)中，判断机舱位移是否达到正向最大位移的依据为：以当前时刻t的机舱位移S0为基准，t-Δt时刻记录的机舱位移为S1，t-2Δt时刻记录的机舱位移为S2，即S1>S0且S1>S2，S1为正向最大位移；其中，Δt为一个采样周期。
进一步，第一恒定速率、第二恒定速率、第三恒定速率及第四恒定速率的取值范围为1°/s～10°/s。
进一步，塔筒的前后振动周期T与塔筒前后方向的固有频率有关，
Figure BDA0003329875600000031
其中f为塔筒的一阶前后方向振动频率。
进一步，Tstop取5～40秒。
进一步，Tstop根据机型、叶片配置、塔筒型号、风资源条件及工况设置共同仿真确定得到。
进一步，第一恒定速率、第二恒定速率、第三恒定速率及第四恒定速率的值根据仿真结果进行确定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，引入机舱位移传感器信号到机组变桨过程控制中，基于机舱位移的振动变化，通过对其余两只叶片的变桨速率进行变速率调节，可以有效抑制机组的振动动态响应，进而降低极限载荷。机组停机过程中极限载荷的发生，往往是由于负载的突然消失、过大的变桨动作、叶片卡桨产生的气动不平衡、极限阵风突变效应导致的，合理的设置两只叶片的变桨速率可以有效的控制风轮推力的变化，进而控制上述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，先使转矩增大抑制推力减小对结构响应的影响，然后逐渐降低发电机转矩，达到抑制机组或塔筒振动的效果以及降低极限载荷；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。本发明将叶片卡桨条件下的变速率变桨和变转矩控制结合起来，有效降低该工况下的极限载荷。
附图说明
图1为机组在传统控制方法下第一叶片卡桨时的停机模式；
图2为机组在第一叶片卡桨时的新控制停机模式；
图3为新控制方式和原控制方式下的旋转轮毂坐标系My极限载荷对比；
图4为新控制方式和原控制方式下的偏航轴承位置My极限载荷对比；
图5为新控制方式和原控制方式下的偏航轴承位置Mz极限载荷对比。
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。
本发明引入机舱位移传感器信号到机组变桨过程控制中，基于机舱位移的振动变化，通过对其余两只叶片的变桨速率进行变速率调节，可以有效抑制机组的振动动态响应，进而降低极限载荷。见如下公式：
Figure BDA0003329875600000051
式中，M表示质量矩阵、C表示振动过程中的结构阻尼和气动阻尼矩阵、K表示刚度矩阵，F表示载荷，
Figure BDA0003329875600000052
分别表示振动加速度、振动速度、振动位移。有公式可以看出，抑制
Figure BDA0003329875600000053
可以有效的降低载荷。
风电机组包括机舱和三只叶片，机舱内设有发电机和位移传感器，三只叶片称为第一叶片、第二叶片和第三叶片。
本发明公开了一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，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；在触发停机同时，将发电机转矩增大至当前发电机转矩的1.1～1.5倍，随后在时间Tstop秒内按线性调节至0；Tstop表示在该工况下预期停机时间。
触发停机时，位移传感器传递的位移信号为正；
(2)两只叶片执行收桨后，下一采样点机舱位移减小，第二叶片和第三叶片执行的变桨速率首先保持为第一恒定速率，当机舱位移达到负向最大位移时，调节第二叶片和第三叶片执行的变桨速率为第二恒定速率，第二恒定速率大于第一恒定速率；
当机舱位移达到正向最大位移时，第二叶片和第三叶片执行的变桨速率为第三恒定速率，第三恒定速率小于第二恒定速率；
(3)经过步骤(2)的多次变速率动作，当第二叶片和第三叶片收桨到50～60度时，给定一个恒定速率，记为第四恒定速率，以第四恒定速率收桨至顺桨状态，第四恒定速率大于等于第三恒定速率。
引入机舱位移传感器信号，位移方向的正负与GL标准内规定的正负方向一致，机舱位移的采样周期记为Δt。
第二叶片和第三叶片执行收桨的速率为变速率速度收桨，收桨速率的变化与机舱位移传感器传递的机舱前后方向位移信号有关。
机组在正常运行过程中，风轮受到推力的作用，机舱的位移信号保持为正值，第一叶片变桨卡死触发停机，负载降低，第二叶片和第三叶片收桨，机舱位移由某一个位移开始减小，并开始非固定周期性的受迫振动。
具体地，步骤(2)中，判断机舱位移是否达到负向最大位移的依据为：以当前时刻t的机舱位移S0为基准，t-Δt时刻记录的机舱位移为S1，t-2Δt时刻记录的机舱位移为S2，若S1＜S2且S1＜S0，则S1为塔筒某一个前后振动周期内的负向位移最大值；
其中，Δt为一个采样周期。
具体地，步骤(2)中，判断机舱位移是否达到正向最大位移的依据为：以当前时刻t的机舱位移S0为基准，t-Δt时刻记录的机舱位移为S1，t-2Δt时刻记录的机舱位移为S2，即S1>S0且S1>S2，S1为正向最大位移。
第一恒定速率、第二恒定速率、第三恒定速率及第四恒定速率的值取值范围为1°/s～10°/s，具体各速率的取值应由叶根坐标系、固定和旋转轮毂坐标系、偏航坐标系、塔底坐标系下的弯矩极限载荷决定，原则是在满足结构安全性的前提下，使上述各坐标系下的弯矩极限载荷最小最优。
第一恒定速率、第二恒定速率、第三恒定速率及第四恒定速率的值根据仿真结果进行确定，与机型配置、极限载荷控制、振动控制等关键指标有关。
具体地，塔筒的前后振动周期T与塔筒前后方向的固有频率有关，
Figure BDA0003329875600000071
其中f为塔筒的一阶前后方向振动频率。
Tstop根据机型、叶片配置、塔筒型号、风资源条件及工况设置共同仿真确定得到。Tstop的确定原则是保证停机过程中发电机转速不超过转速保护限值N4、振动加速度不超过加速度保护限值、极限载荷不超出设计允许或目标值。时间Tstop的一般范围是5～40秒。
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位移传感器传输的位移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。
如图1所示，为常规机组停机状态下的停机模式，触发停机时，变桨速率以一个恒定的速率进行收桨，转矩在5s内跌落至0。
如图2所示，为本发明提供的停机模式示意图，触发停机时，变桨速率引入机舱位移信号进行变速率调节，同时发电机转矩在停机触发时刻，增大1.1～1.5倍，然后在15s内线性跌路至0。
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3所示，原始控制模式下，旋转轮毂坐标系下的极限载荷Myz为2798.54kNm，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1881.94kNm，可以使旋转轮毂坐标系下的极限载荷My降低32.75％。
如图4所示，原始控制模式下，偏航轴承位置处的极限载荷Mxy为4103.6kNm，采用本发明的控制方法后，偏航轴承位置处的极限载荷Mxy为3342.9kNm，偏航轴承位置处的My降低18.54％，降载效果显著。
如图5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-1393.7kNm，偏航轴承位置处的Mz降低51.38％，降载效果显著。

Claims (8)

1.一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，风电机组包括机舱和三只叶片，机舱内设有发电机和位移传感器，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；同时，将发电机转矩增大至当前发电机转矩的1.1～1.5倍，随后在时间Tstop秒内按线性调节至0；Tstop表示在该工况下预期停机时间；
(2)两只叶片执行收桨后，下一采样点机舱位移减小，第二叶片和第三叶片执行的变桨速率首先保持为第一恒定速率，当机舱位移达到负向最大位移时，调节第二叶片和第三叶片执行的变桨速率为第二恒定速率，第二恒定速率大于第一恒定速率；
当机舱位移达到正向最大位移时，第二叶片和第三叶片执行的变桨速率为第三恒定速率，第三恒定速率小于第二恒定速率；
(3)经过步骤(2)的多次变速率动作，当第二叶片和第三叶片收桨到50～60度时，给定一个恒定速率，记为第四恒定速率，以第四恒定速率收桨至顺桨状态，第四恒定速率大于等于第三恒定速率。
2.根据权利要求1所述的一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，步骤(2)中，判断机舱位移是否达到负向最大位移的依据为：以当前时刻t的机舱位移S0为基准，t-Δt时刻记录的机舱位移为S1，t-2Δt时刻记录的机舱位移为S2，若S1＜S2且S1＜S0，则S1为塔筒某一个前后振动周期内的负向位移最大值；
其中，Δt为一个采样周期。
3.根据权利要求1所述的一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，步骤(2)中，判断机舱位移是否达到正向最大位移的依据为：以当前时刻t的机舱位移S0为基准，t-Δt时刻记录的机舱位移为S1，t-2Δt时刻记录的机舱位移为S2，即S1>S0且S1>S2，S1为正向最大位移；其中，Δt为一个采样周期。
4.根据权利要求1所述的一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，第一恒定速率、第二恒定速率、第三恒定速率及第四恒定速率的取值范围为1°/s～10°/s。
5.根据权利要求1所述的一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，塔筒的前后振动周期T与塔筒前后方向的固有频率有关，
Figure FDA0003329875590000021
其中f为塔筒的一阶前后方向振动频率。
6.根据权利要求1所述的一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，Tstop取5～40秒。
7.根据权利要求1所述的一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，Tstop根据机型、叶片配置、塔筒型号、风资源条件及工况设置共同仿真确定得到。
8.根据权利要求1所述的一种叶片卡桨条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，第一恒定速率、第二恒定速率、第三恒定速率及第四恒定速率的值根据仿真结果进行确定。
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