CN114109742B - 桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法，其中，通过在线监测并比较三只叶片挥舞方向载荷或变形的相对大小来定位不平衡叶片及桨距角偏差方向，通过独立变桨控制技术对偏差叶片桨距角进行动态迭代调整直至机组平衡稳定运行，最后通过对比风电机组风速‑功率曲线对调整至稳定运行机组的运行状态进行评估和修正。所提出的方法无需人工手动操作，可直接在线进行桨距角偏差所引起的风轮不平衡根因定位和智能矫正，从而保证机组稳定高效运行。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法。
背景技术
风轮不平衡是风电机组的一种典型机械故障，不平衡的存在会严重影响机组的稳定高效运行。在引起风轮不平衡的诸多因素中，安装角零位偏差所引起的机组在运行过程中三只叶片桨距角存在偏差是引起风轮气动不平衡的主要原因之一。其中造成安装角零位偏差的可能原因有吊装错误、叶片出厂时零位线标记错误、变桨系统的累计误差等。
目前业内主要是采用定期停机然后通过拍照后图像处理或者现场测量等手段来识别安装角零位偏差，但此方法会引起发电量的损失、人力资源的浪费以及运维成本的增加。若能基于已有的在线监测手段确定安装角零位偏差对应的偏差叶片及偏差方向，理论上可以直接通过变桨控制系统进行矫正，而不需要停机进行人工操作。
但是，本领域技术人员对于风轮不平衡的研究主要集中在不平衡的识别方面，而偏差叶片以及偏差角度的在线定位在本领域内依旧属于一大技术难点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和缺陷，提供了桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法，其优势在于可通过已有的监测手段定位桨距角存在偏差的叶片及其偏差方向，并通过智能矫正促使机组平衡高效运行。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为，
桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法，包括以下步骤：
1)通过安装于叶片上的应变传感器实时测量风电机组三只叶片挥舞方向载荷，或通过净空测距装置实时测量风电机组三只叶片挥舞方向叶尖变形；
仿真发现当风电机组单叶片存在桨距角正偏差时，偏差叶片载荷与变形在任何风速下均小于正常叶片；当风电机组单叶片存在桨距角负偏差时，偏差叶片载荷和变形在任何风速下均大于正常叶片；基于此特征，对风电机组三只叶片的载荷和变形大小进行对比分析，可以定位偏差叶片以及偏差角的方向。
2)对实测的三只叶片的载荷或叶尖变形取均值并进行由大到小排序，载荷或变形由大到小的顺序分别定义为叶片A、叶片B、叶片C；
3)求得叶片A和叶片B载荷或变形差值DAB，以及叶片B和叶片C载荷或变形的差值DBC，比较DAB和DBC之间的相对大小，若DAB大于DBC，则进入步骤4)，否则进入步骤5)；
4)相对于叶片B和叶片C而言，叶片A的载荷和变形偏大，判定叶片A为不平衡叶片且桨距角偏差方向为负方向，需要增大叶片A的桨距角促使风电机组平衡运行；
5)相对于叶片A和叶片B而言，叶片C的载荷和变形偏小，判定叶片C为不平衡叶片且桨距角偏差方向为正方向，需要减小叶片C的桨距角促使风电机组平衡运行；
6)将步骤4)和步骤5)的桨距角调节建议反馈给控制系统，控制系统通过独立变桨控制技术进行动态调整直至额定转速下机舱轴向加速度频谱图中3P为明显主频，也即机组维持稳定运行；
7)监测风电机组风速-功率曲线是否为最优曲线状态，若不是最优则进入步骤8)，否则进入步骤9)；
8)判定该风电机组虽已调节至平衡运行状态，但并非达到最佳运行状态，需同时调整三只叶片桨距角，直至风速-功率曲线达到最优；
9)判定该风电机组已调节至平衡最佳运行状态，以后以此基准控制运行。
与现有风轮不平衡识别定位方法相比，本发明提出了桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法。其中，通过在线监测并比较三只叶片挥舞方向载荷或变形的相对大小来定位不平衡叶片及桨距角偏差方向，通过独立变桨控制技术对偏差叶片桨距角进行动态迭代调整直至机组平衡稳定运行，最后通过对比风电机组风速-功率曲线对调整至稳定运行机组的运行状态进行评估和修正。所提出的方法无需人工手动操作，可直接在线进行桨距角偏差所引起的风轮不平衡根因定位和智能矫正，从而保证机组稳定高效运行。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为某1.5MW机组仿真所得不同偏差角度下偏差叶片与正常叶片之间的叶尖挥舞方向平均变形差值。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明为桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法，具体包括以下步骤：
1)通过安装于叶片上的应变传感器实时测量风电机组三只叶片挥舞方向载荷，或通过净空测距装置实时测量风电机组三只叶片挥舞方向叶尖变形；
桨距角偏差所引起的风轮气动不平衡会导致风电机组在运行过程中三只叶片的载荷和变形产生差异，式(1)为叶片桨距角与翼型攻角之间的关系。
翼型攻角＝入流角－扭角－桨距角 (1)
明显地，当机组某叶片存在桨距角正偏差时(桨距角正偏差与叶片开桨方向相反)，桨距角增大会减小该叶片各翼型攻角，从而致使该叶片载荷和变形均有所减小；当机组某叶片存在桨距角负偏差时(桨距角负偏差与叶片开桨方向相同)，桨距角增大会增大该叶片翼型攻角，从而致使该叶片载荷和变形均有所增加。因此通过监测和分析气动不平衡机组三只叶片的载荷或变形，能够为不平衡叶片的定位提供指导。
仿真所得，当某1.5MW风电机组单只叶片分别存在-2°、-1°、0°、1°和2°偏差时，统计风电机组三只叶片叶根累积挥舞弯矩和挥舞方向叶尖变形在IEC标准61400-1 DLC1.2载荷设计工况不同风速下10min内的平均结果，并取偏差叶片与正常叶片之间的变形差值进行对比得到图2。明显地，当风电机组单叶片存在桨距角正偏差时偏差叶片载荷与变形在任何风速下均小于正常叶片。当风电机组单叶片存在桨距角负偏差时偏差叶片载荷和变形在任何风速下均大于正常叶片。基于此特征，对风电机组三只叶片的载荷和变形大小进行对比分析，可以定位偏差叶片以及偏差角的方向。
2)对实测的三只叶片的载荷或叶尖变形取均值并进行由大到小排序，载荷或变形由大到小的顺序分别定义为叶片A、叶片B、叶片C；
3)求得叶片A和叶片B载荷或变形差值DAB，以及叶片B和叶片C载荷或变形的差值DBC，比较DAB和DBC之间的相对大小，若DAB大于DBC，则进入步骤4)，否则进入步骤5)；
此处进行差值计算的目的在于寻找不平衡机组三只叶片当中相对于其他叶片而言载荷或变形存在更为明显差异的叶片，这是因为通常情况下，三只叶片在运行过程中受环境和风湍流的影响，载荷和变形不会出现完全一致的情况。例如，若测得一段时间内，叶片A、B、C的平均变形分别为5m、4m、3.9m，那可以认为叶片A的载荷和变形偏大，此时DAB＝1m>DBC＝0.1m。若测得一段时间内，叶片A、B、C的平均变形分别为5m、4.9m、4m，那可以认为叶片C的载荷和变形偏小，此时DAB＝0.1m<DBC＝0.9m。因此可以通过比较DAB和DBC之间的相对大小来定位不平衡叶片的位置及偏差方向，也即步骤4)和步骤5)。
4)相对于叶片B和叶片C而言，叶片A的载荷和变形偏大，判定叶片A为不平衡叶片且桨距角偏差方向为负方向，需要增大叶片A的桨距角促使风电机组平衡运行；
5)相对于叶片A和叶片B而言，叶片C的载荷和变形偏小，判定叶片C为不平衡叶片且桨距角偏差方向为正方向，需要减小叶片C的桨距角促使风电机组平衡运行；
6)将步骤4)和步骤5)的桨距角调节建议反馈给控制系统，控制系统通过独立变桨控制技术进行动态调整直至额定转速下机舱轴向加速度频谱图中3P为明显主频，也即机组维持稳定运行；
7)监测风电机组风速-功率曲线是否为最优曲线状态，若不是最优则进入步骤8)，否则进入步骤9)；
8)判定该风电机组虽已调节至平衡运行状态，但并非达到最佳运行状态，需同时调整三只叶片桨距角，直至风速-功率曲线达到最优；
产生此现象的原因为机组不止一只叶片存在角度偏差，例如风电机组三只叶片的桨距角偏差分别为1°、1°和0°，通过上述步骤会判定0°偏差叶片为不平衡叶片，最终反馈调整后会导致三只叶片均存在1°偏差，而非最佳运行状态下的0°偏差。
9)判定风电该机组已调节至平衡最佳运行状态，以后以此基准控制运行。
Claims (2)
1.桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过安装于叶片上的应变传感器实时测量风电机组三只叶片挥舞方向载荷，或通过净空测距装置实时测量风电机组三只叶片挥舞方向叶尖变形；
2)对实测的三只叶片的载荷或叶尖变形取均值并进行由大到小排序，载荷或变形由大到小的顺序分别定义为叶片A、叶片B、叶片C；
3)求得叶片A和叶片B载荷或变形差值DAB，以及叶片B和叶片C载荷或变形的差值DBC，比较DAB和DBC之间的相对大小，若DAB大于DBC，则进入步骤4)，否则进入步骤5)；
4)相对于叶片B和叶片C而言，叶片A的载荷和变形偏大，判定叶片A为不平衡叶片且桨距角偏差方向为负方向，需要增大叶片A的桨距角促使风电机组平衡运行；
5)相对于叶片A和叶片B而言，叶片C的载荷和变形偏小，判定叶片C为不平衡叶片且桨距角偏差方向为正方向，需要减小叶片C的桨距角促使风电机组平衡运行；
6)将步骤4)和步骤5)的桨距角调节建议反馈给控制系统，控制系统通过独立变桨控制技术进行动态迭代调整直至额定转速下机舱轴向加速度频谱图中3P为明显主频，也即机组维持平衡运行；
7)监测风电机组风速-功率曲线是否为最优曲线状态，若不是最优则进入步骤8)，否则进入步骤9)；
8)判定该风电机组虽已调节至平衡运行状态，但并非达到最佳运行状态，需同时调整三只叶片桨距角，直至风速-功率曲线达到最优；
9)判定该风电机组已调节至平衡最佳运行状态，以后以此基准控制运行。
2.根据权利要求1所述的桨距角偏差引起的风力机风轮不平衡根因定位及矫正方法，其特征在于，当风电机组单叶片存在桨距角正偏差时，偏差叶片载荷与变形在任何风速下均小于正常叶片；当风电机组单叶片存在桨距角负偏差时，偏差叶片载荷和变形在任何风速下均大于正常叶片。
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