CN114647996A - 一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法和系统 - Google Patents

一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法和系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，包括：通过仿真得到时间间隔为t的各工况下风力发电机组桨叶叶根载荷序列；根据载荷序列计算所有工况下变桨系统的功率，统计所有工况中变桨电机处于发电模式下的情况，找出变桨电机连续发电的最大周期数k；计算各工况下1‑k个周期连续发电功率值序列；计算1‑k个周期变桨系统母线电容吸收能量功率值序列；计算1‑k个周期变桨系统制动电阻功率值序列，绘制制动电阻的功率曲线；根据制动电阻功率值序列和变桨控制器设计中确定的制动电阻阻值选择制动电阻。本发明在保证系统性能的情况下避免了过度选型，能有效降低系统成本，提高市场竞争力。

Description

一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方 法和系统
技术领域
本发明属于风电变桨系统技术领域，涉及一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法和系统。
背景技术
风力发电是国家新能源战略规划中的重要组成部分，风电装备作为一个技术密集型的战略新兴产业，风机发电的稳定性和安全性对其中的每一个部件都提出了挑战。风电变桨系统作为风机的控制系统和刹车系统，承担着控制与保护的双重任务。
目前变桨系统有两种主流的方案，液压式变桨和电控变桨。电控变桨系统通过变桨电机带动风机叶片动作，电机在发电状态或者制动状态下，都会给系统回馈能量，回馈能量有损坏系统的风险，所以需要通过制动电阻来泄放这些多余的能量。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法和系统，可避免制动电阻选型功率小造成热失效，以及选型功率大成本高的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，包括以下步骤：
步骤1：通过仿真得到时间间隔为t的各工况下风力发电机组桨叶叶根载荷序列；
步骤2：根据载荷序列计算所有工况下变桨系统的功率，统计所有工况中变桨电机处于发电模式下的情况，找出变桨电机连续发电的最大周期数k；
步骤3：计算各工况下1-k个周期连续发电功率值序列；
步骤4：计算1-k个周期变桨系统母线电容吸收能量功率值序列；
步骤5：基于步骤3和步骤4序列，计算1-k个周期变桨系统制动电阻功率值序列，绘制制动电阻的功率曲线；
步骤6：根据制动电阻功率值序列和变桨控制器设计中确定的制动电阻阻值选择制动电阻。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，步骤1中，使用IEC61400-1标准和德国劳氏船级社GL风机认证指南进行风力发电机组工况设置并进行仿真计算，得到时间间隔为t的各工况下桨叶叶根载荷数据时序文件，即载荷序列。
优选地，每一个载荷数据时序文件中包括的仿真数据有时间数据、桨叶位置数据、桨叶转速数据、桨叶叶根转矩数据；
所述仿真数据为变桨电机侧的高速轴数据。
优选地，步骤2具体包括：
步骤2.1：根据载荷序列中的转矩和转速计算所有工况下的变桨系统功率；
步骤2.2：当变桨系统处于发电模式下时，功率为负数，统计所有工况中变桨电机处于发电模式下的情况，找出变桨电机连续发电的最大周期数k。
优选地，步骤2.1中，变桨系统功率计算公式为：
P＝T*N/9549.297；
其中，P为功率，单位kW；T为转矩，单位Nm；N为转速，单位r/min。
优选地，步骤2.2中，载荷序列中最小时间周期t，在所有工况中，找出处于持续发电情况的最长序列，时间为k*t，即最多持续发电k个周期，k>0，连续发电的最大周期数为k。
优选地，步骤3中，分别计算各工况下连续发电1-k个周期功率均方根值，并统计出连续发电1-k个周期功率均方根值的最大值，记为各工况下1-k个周期连续发电功率值序列。
优选地，步骤4中，假设母线电容容值为C,无回馈能量时电压为V1,能承受最大电压为V2,计算出能承受的能量E；
再用功率与时间和能量的关系E＝P*T计算出时间T为t,2t,3t…kt时的电容吸收能量功率值序列。
优选地，步骤4中，所述能量E计算公式为：
Figure BDA0003574004370000021
优选地，步骤5中，通过变桨系统发电功率减去母线电容吸收能量功率计算制动电阻功率值，并依据制动电阻功率值序列绘制制动电阻的功率曲线。
本申请还提供一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计系统，所述系统用于实现上述的基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法。
本申请所达到的有益效果：
本发明通过仿真得到风力发电机组桨叶叶根载荷序列，找出所有工况中变桨电机处于发电模式的情况，并计算不同发电时长时功率均方根最大值得到连续发电功率值序列；根据变桨系统母线电容参数计算其能吸收的总能量以及折算到不同时长时的母线电容吸收能量功率值序列；变桨电机发电工况下反馈能量由系统母线和制动电阻共同吸收，所以可以计算出不同发电时长时制动电阻功率值序列，由此得到制动电阻的功率曲线；再根据系统设计的制动电阻阻值，即可确定恰当的制动电阻参数，完成选型设计。
风力发电机组载荷是设计风机控制系统的基础，本发明通过结合行业内的先进经验和理论计算，精准的得出了基于载荷的变桨系统制动电阻技术参数。在保证系统性能的情况下避免了过度选型，能有效降低系统成本，提高市场竞争力。
附图说明
图1是本发明一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法流程图；
图2是本发明一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法流程实施图；
图3是本发明制动电阻功率曲线示例图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1-2所示，本发明的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，包括以下步骤：
步骤1：通过仿真得到时间间隔为t的各工况下风力发电机组桨叶叶根载荷序列；
具体实施时，本发明的风力发电变桨系统为电控系统，非液压变桨系统，使用IEC61400-1标准和德国劳氏船级社GL风机认证指南进行风力发电机组工况设置并进行仿真计算，得到时间间隔为t的各工况下桨叶叶根载荷数据时序文件，即载荷序列；
每一个载荷数据时序文件中包括的仿真数据有时间数据、桨叶位置数据、桨叶转速数据、桨叶叶根转矩数据；
仿真数据为变桨电机侧的高速轴数据，载荷序列中时间间隔为t，一般t取50ms；
步骤2：根据载荷序列计算所有工况下变桨系统的功率，统计所有工况中变桨电机处于发电模式下的情况，找出变桨电机连续发电的最大周期数k，具体包括：
步骤2.1：根据载荷序列中的转矩和转速计算所有工况下的变桨系统功率；
P＝T*N/9549.297；
其中，P为功率，单位kW；T为转矩，单位Nm；N为转速，单位r/min。
步骤2.2：当变桨系统处于发电模式下时，功率为负数，统计所有工况中变桨电机处于发电模式下的情况，找出变桨电机连续发电的最大周期数k；
步骤2.2中，载荷序列中最小时间周期t，在所有工况中，找出处于持续发电情况的最长序列，时间为k*t，即最多持续发电k个周期，k>0，连续发电的最大周期数为k。
步骤3：计算各工况下1-k个周期连续发电功率值序列；
具体的，分别计算各工况下1-k个周期功率均方根值，并统计出1-k个周期功率均方根值的最大值，记为1-k个周期连续发电功率值序列；
均方根计算方法为：
Figure BDA0003574004370000041
其中，Pk为连续发电k个周期时功率均方根值，单位kW；Ti为第i个周期转矩，单位Nm；Ni为第i个周期转速，单位r/min。i＝1...k。
步骤4：计算1-k个周期变桨系统母线电容吸收能量功率值序列；
计算变桨系统母线电容承受回馈能量的能力。
假设母线电容容值为C,无回馈能量时电压为V1,能承受最大电压为V2,计算出能承受的能量为
Figure BDA0003574004370000051
再用功率与时间和能量的关系E＝P*T计算出时间T为t,2t,3t…kt时的电容吸收能量功率值序列。
步骤5：基于步骤3和步骤4序列，计算1-k个周期变桨系统制动电阻功率值序列，绘制制动电阻的功率曲线：
通过变桨系统发电功率减去母线电容吸收能量功率计算制动电阻功率值，即系统回馈的能量由母线电容和制动电阻共同吸收，假设制动电阻功率为PC,变桨系统发电功率PMaxi-母线电容吸收能量功率PDi＝制动电阻功率PCi,从而得到随着变桨系统发电时长变化所需的制动电阻功率值，并依据制动电阻功率值序列绘制制动电阻的功率曲线，如图3所示。
步骤6：根据制动电阻功率值序列和变桨控制器设计中确定的制动电阻阻值选择制动电阻。
制动电阻的阻值由变桨系统控制器的硬件设计确定，这里假设阻值为R。根据上述方法计算的制动电阻功率曲线和阻值即可确定系统的制动电阻选型。
本申请还提供一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计系统，所述系统用于实现上述的基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法。
实施例1
本发明的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，包括：
步骤1：仿真获取某3.XMW风电机组的载荷序列，载荷序列最小时间周期t为50毫秒(ms)；
步骤2：计算出所有工况下变桨系统处于发电模式的最长周期数k为60。
步骤3：选取1个周期时的功率值作为制动电阻最大瞬时功率，连续20个周期的功率值作为制动电阻的1秒(s)功率，连续40个周期的功率值作为制动电阻的2秒功率，连续60个周期的功率值作为制动电阻的3秒功率；
根据实际载荷序列计算出变桨系统每个周期的瞬时功率，找出其中最大值即瞬时最大功率值Pmax＝22.18kW,计算出变桨系统每秒(即连续20个周期)的功率均方根值，找出其中最大值即系统连续发电1秒的最大功率PMax1s＝4.2kW,同理计算出系统连续发电2秒的最大功率PMax2s＝3.78kW,系统连续发电3秒的最大功率PMax3s＝1.48kW。
步骤4：变桨系统母线电容容值C为1.64毫法(mF)，系统无能量回馈时电压V1＝560伏特，能承受的最大电压值为V2＝780伏特。
根据
Figure BDA0003574004370000061
计算出能量为241.74焦耳，根据E＝P*T计算出母线电容瞬时吸收最大功率PDmax＝4.8kW，1秒功率为PD1s＝241.74W，2秒功率为PD1s＝120.87W，3秒功率为PD3s＝80.58W。
步骤5：根据PMaxi-PDi＝PCi可以计算出，制动电阻瞬时功率为PCmax＝17.35kW，1秒功率为PC1s＝3.99kW，2秒功率为PC1s＝3.66kW，3秒功率为PC3s＝1.4kW。
同时根据1-60个周期的制动电阻功率值可以绘制出制动电阻功率曲线图。
步骤6：根据变桨控制器设计，制动电阻阻值范围在12欧姆到20欧姆之间。
根据以上计算可知，变桨系统制动电阻持续工作最长时间为3秒。最终选择制动电阻阻值为12欧姆，连续功率(持续工作不间断)320W，持续运行1秒时30倍过载，即9.6kW，持续运行2秒时功率为7kW,持续运行3秒时功率为6kW，满足制动电阻选型参数要求。考虑到变桨系统运行环境复杂，维护困难，所以最终选择电阻留有较大裕量。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：通过仿真得到时间间隔为t的各工况下风力发电机组桨叶叶根载荷序列；
步骤2：根据载荷序列计算所有工况下变桨系统的功率，统计所有工况中变桨电机处于发电模式下的情况，找出变桨电机连续发电的最大周期数k；
步骤3：计算各工况下1-k个周期连续发电功率值序列；
步骤4：计算1-k个周期变桨系统母线电容吸收能量功率值序列；
步骤5：基于步骤3和步骤4序列，计算1-k个周期变桨系统制动电阻功率值序列，绘制制动电阻的功率曲线；
步骤6：根据制动电阻功率值序列和变桨控制器设计中确定的制动电阻阻值选择制动电阻。
2.根据权利要求1所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
步骤1中，使用IEC61400-1标准和德国劳氏船级社GL风机认证指南进行风力发电机组工况设置并进行仿真计算，得到时间间隔为t的各工况下桨叶叶根载荷数据时序文件，即载荷序列。
3.根据权利要求2所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
每一个载荷数据时序文件中包括的仿真数据有时间数据、桨叶位置数据、桨叶转速数据、桨叶叶根转矩数据；
所述仿真数据为变桨电机侧的高速轴数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
步骤2具体包括：
步骤2.1：根据载荷序列中的转矩和转速计算所有工况下的变桨系统功率；
步骤2.2：当变桨系统处于发电模式下时，功率为负数，统计所有工况中变桨电机处于发电模式下的情况，找出变桨电机连续发电的最大周期数k。
5.根据权利要求4所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
步骤2.1中，变桨系统功率计算公式为：
P＝T*N/9549.297；
其中，P为功率，单位kW；T为转矩，单位Nm；N为转速，单位r/min。
6.根据权利要求4所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
步骤2.2中，载荷序列中最小时间周期t，在所有工况中，找出处于持续发电情况的最长序列，时间为k*t，即最多持续发电k个周期，k>0，连续发电的最大周期数为k。
7.根据权利要求1所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
步骤3中，分别计算各工况下连续发电1-k个周期功率均方根值，并统计出连续发电1-k个周期功率均方根值的最大值，记为各工况下1-k个周期连续发电功率值序列。
8.根据权利要求1所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
步骤4中，假设母线电容容值为C,无回馈能量时电压为V1,能承受最大电压为V2,计算出能承受的能量E；
再用功率与时间和能量的关系E＝P*T计算出时间T为t,2t,3t…kt时的电容吸收能量功率值序列。
9.根据权利要求8所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
步骤4中，所述能量E计算公式为：
Figure FDA0003574004360000021
10.根据权利要求1所述的一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法，其特征在于：
步骤5中，通过变桨系统发电功率减去母线电容吸收能量功率计算制动电阻功率值，并依据制动电阻功率值序列绘制制动电阻的功率曲线。
11.一种基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计系统，其特征在于：
所述系统用于实现权利要求1-10任意一项所述的基于载荷计算的风力发电变桨系统制动电阻选型设计方法。
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