CN115539300A - 基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法及装置 - Google Patents

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CN115539300A CN202211061460.6A CN202211061460A CN115539300A CN 115539300 A CN115539300 A CN 115539300A CN 202211061460 A CN202211061460 A CN 202211061460A CN 115539300 A CN115539300 A CN 115539300A
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李振
许波峰
康浩杰
石腾
范星星
赵振宙
蔡新
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    • F03D7/00—Controlling wind motors 
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Abstract

本发明涉及一种基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法及装置，具体为：采集风力机传动链低速轴的转速值、轮毂处来流风速值、初始风轮锥角值、初始风轮半径与给定的需求风力机额定功率值，传输至控制单元；控制单元根据风轮锥角计算模型确定锥角值，并给出风轮锥角的变化量，传输至执行器完成风轮锥角控制。本发明可根据不同额定功率需求有效控制下风向风力机的输出功率，提升下风向风力机的能量供给品质，并降低其叶根载荷。

Description

基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法及装置
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法及装置。
背景技术
在“双碳”目标的引领下，分布式能源系统将成为可再生能源发展的另一重要增长极。中小型风力发电机组作为分布式能源系统的主要电源之一，基于成本优势多采用被动失速控制的方式调节超额定风速运行时的功率输出，输出功率不可控且波动性大，从而影响风力发电的能源品质。因此，发展新型的中小型风力机输出功率调节方式提高其能源供应品质是当下大力发展分布式能源系统亟待解决的问题。传统的中小型风力机多为上风向尾舵对风的结构形式，上风向尾舵对风的结构形式耦合变桨、调节尾舵偏心距与前折角等主被动功率调节策略增加了中小型风力机的结构复杂性，将导致其整机可靠性、经济性相对下降。
针对上述问题，公开号为CN210919333U的专利提出了一种主动调节叶片收缩角及攻角的伞形风力机功率调节装置，从机械结构上实现了下风向风力机的锥角控制，但未给出相应的风力机输出功率控制策略。公开号为CN103114964B的发明专利提出了一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统，该系统通过设置来流风速与风轮锥角的梯度关系一定程度上缓解了下风向风力机输出功率不稳定的问题。但受制于相对固定的风轮锥角变换值，其输出功率波动性仍然较大且无法根据所需求风力机额定输出功率进行调整。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法及装置，该方法用于下风向风力机功率控制。所述调节方法包括：采集风力机传动链低速轴的转速值、轮毂处来流风速值、初始风轮锥角值、初始风轮半径与给定的需求风力机额定功率值，传输至控制单元；控制单元根据风轮锥角计算模型确定锥角值，并给出风轮锥角的变化量，传输至执行器完成风轮锥角控制。其中涉及指示风轮锥角值与所采集参数值关系的风轮锥角计算模型。使用该方法可根据不同额定功率需求有效控制下风向风力机的输出功率，提升下风向风力机的能量供给品质，并降低其叶根载荷。
本发明采用的技术方案为：
基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，包括以下步骤：
步骤一、根据下风向风力机的使用条件，确定需求风力机额定功率值P额，该需求风力机额定功率值P额小于等于风力发电机的额定功率值，以平缓下风向风力机输出功率的波动性；
步骤二、采集风力机参数以及风速信息，基于数值仿真构建CP-λ对应关系，其中，CP为风能利用系数，λ为叶尖速比；
步骤三、判断风力机当前输出功率是否达到需求风力机额定功率值P额；
步骤四、若风力机当前输出功率没有达到需求风力机额定功率值P额，则重复步骤三，若风力机当前输出功率达到或超过需求风力机额定功率值P额，则进入步骤五；
步骤五、调整风力机风轮锥角，降低风力机当前输出功率，使风力机当前输出功率等于需求风力机额定功率值P额。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
需求风力机额定功率值P额的确定方法为：
根据系统中用电侧总功率由控制器计算需求风力发电功率并分配至下风向风力机，完成需求风力机额定功率值设定。
步骤二中，采集风力机参数以及风速信息的具体方法如下：采集风力机传动链低速轴的转速值n、轮毂处来流风速值v、初始风轮锥角值γ0、初始风轮半径R0与给定的需求风力机额定功率值P额，传输至控制单元。
步骤二中，基于静态仿真获取风能利用系数CP关于叶尖速比λ的二维数组，并构建CP-λ的对应关系，CP-λ对应关系具体为：
Figure BDA0003826407830000021
CP＝f(λ)
其中，n为风力机传动链低速轴的转速值；R为实际风轮半径；v为轮毂处来流风速值；f(λ)为风能利用系数CP与叶尖速比λ的关系式，以二维数组关系呈现，用于采用查表法计算对应叶尖速比λ下的风能利用系数CP。
步骤三中，判断风力机当前输出功率的方法为：
Figure BDA0003826407830000031
其中，P风力机当前输出功率，ρ为当地空气密度，
比较P与P额的大小，即可判断风力机当前输出功率是否达到需求风力机额定功率值P额。
步骤五中，调整风力机风轮锥角的具体方法为：控制单元根据风轮锥角计算模型确定锥角值γ，并给出风轮锥角的变化量Δγ，传输至锥角控制执行器完成风轮锥角控制，
风轮锥角计算模型为：
Figure BDA0003826407830000032
实际风轮半径R的计算公式为：
R＝R0cosγ0。
风轮锥角的变化量计算公式为：
Δγ＝γ-γ0。
基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节装置，包括安装在风力机传动链低速轴处的转速传感器、安装在机舱外来流侧的风速传感器和安装在风力机叶片叶根处的锥角角度传感器以及锥角控制执行器，控制单元安装在机舱内部，控制单元分别与转速传感器、风速传感器、锥角角度传感器和锥角控制执行器连接，所述的转速传感器用于采集风力机传动链低速轴的转速值n，风速传感器用于轮毂处来流风速值v，锥角角度传感器用于采集风轮锥角值，锥角控制执行器用于改变风轮锥角值，控制单元用于接收转速传感器、风速传感器、锥角角度传感器传来的信息，计算风轮锥角的变化量后，传输至锥角控制执行器改变风轮锥角值。
锥角控制执行器由液压型组合机构或电动型组合机构构成。
本发明的有益效果为：
1、通过设置需求风力机额定功率值P额，调整风力机风轮锥角，降低风力机当前输出功率，使风力机当前输出功率等于需求风力机额定功率值P额，实现控制下风向风力机的输出功率，有效提升下风向风力机在分布能源系统中的能量供给品质，并且在超额定风速风况调整锥角有助于降低风力机的叶根载荷，保证了下风向风力机的安全运行。
2、通过传感器采集较少的运行参数，即可由风轮锥角控制系统实时调控风轮锥角，以便在超额定风速运行时可根据不同额定功率需求有效控制下风向风力机的输出功率；该下风向风力机功率调节方法结构简单、鲁棒性强。
附图说明
图1为本发明基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节装置示意图。
图2为本发明基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法流程图。
图3为本发明实施例的CP-λ性能曲线。
图4为本发明实施例一的锥角控制曲线示意图。
图5为本发明实施例一的功率控制曲线示意图。
图6为本发明实施例二的锥角控制曲线示意图。
图7为本发明实施例二的功率控制曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本发明是一种基于风轮锥角控制的下风向风力机调节装置，包括安装在风力机传动链低速轴处的转速传感器1、安装在机舱外来流侧的风速传感器2和安装在风力机叶片叶根处的锥角角度传感器3以及锥角控制执行器4，控制单元5安装在机舱内部连接各传感器和锥角控制执行器4。
其调节方法流程如图2所示。基于静态仿真获取风能利用系数CP关于叶尖速比λ的二维数组，并构建CP-λ的对应关系，如图3所示。然后将转速传感器1采集风力机传动链低速轴的转速值n、风速传感器2采集轮毂处来流风速值v、锥角角度传感器3采集初始风轮锥角值γ0传递至控制单元5，控制单元5根据初始风轮半径R0和人为设置的风力机额定功率值P额与传感器采集信息给出风轮锥角的变化量Δγ，并传输至锥角控制执行器4命令其完成风轮锥角控制。这样即可在超额定风速运行时完成风力机输出功率的控制，使其维持在额定功率附近。
如图4和图5所示，在本实施例中，当来流风速小于额定风速时风轮锥角处于初始位置，初始锥角为4°。当来流风速大于额定风速时(即风力机输出功率大于设定额定功率)，转速传感器1、风速传感器2和锥角角度传感器3分别将所采集的转速、风速和锥角角度信号传递至控制单元5，控制单元5根据转速n、风速v、初始角度γ0和初始半径R0得到实际运行的叶尖速比λ，进而根据CP-λ的对应关系得到相应的风能利用系数CP，并由风轮锥角计算模型计算得到新的γ值，最终给出风轮锥角的变化量Δγ并传递至锥角控制执行器4，命令其进行风轮锥角的控制，完成风力机输出功率的控制。当风速继续增大时，根据风速和锥角的变化，该方法仍可继续完成风力机额定功率的跟踪控制。
与此相同的是，当风速减小但仍大于额定风速时，转速传感器1、风速传感器2和锥角角度传感器3分别将所采集的转速、风速和锥角角度信号传递至控制单元5，由控制单元5给出风轮锥角的变化量Δγ并传递至锥角控制执行器4完成风轮锥角的控制。当风速减小至额定风速以下时，控制单元5给出控制信号，命令锥角控制执行器4恢复初始风轮锥角，即风轮锥角为4°。
实施例二
进一步的，当减小所需风力机额定输出功率值P额时，其调节方法流程仍如图2所示。基于静态仿真获取风能利用系数CP关于叶尖速比λ的二维数组，并构建CP-λ的对应关系。转速传感器1采集风力机传动链低速轴的转速值n、风速传感器2采集轮毂处来流风速值v、锥角角度传感器3采集初始风轮锥角值γ0并将信息传递至控制单元5，控制单元5根据初始风轮半径R0和人为设置的风力机额定功率值P额与传感器采集信息给出风轮锥角的变化量Δγ，并传输至锥角控制执行器4命令其完成风轮锥角控制。在超额定风速运行时完成风力机输出功率的控制，使其维持在额定功率附近，锥角控制结果如图6所示，功率控制结果如图7所示。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据下风向风力机的使用条件，确定需求风力机额定功率值P额，该需求风力机额定功率值P额小于等于风力发电机的额定功率值，以平缓下风向风力机输出功率的波动性；
步骤二、采集风力机参数以及风速信息，基于数值仿真构建CP-λ对应关系，其中，CP为风能利用系数，λ为叶尖速比；
步骤三、判断风力机当前输出功率是否达到需求风力机额定功率值P额；
步骤四、若风力机当前输出功率没有达到需求风力机额定功率值P额，则重复步骤三，若风力机当前输出功率达到或超过需求风力机额定功率值P额，则进入步骤五；
步骤五、调整风力机风轮锥角，降低风力机当前输出功率，使风力机当前输出功率等于需求风力机额定功率值P额。
2.根据权利要求1所述的基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，其特征在于，所述的需求风力机额定功率值P额的确定方法为：
根据系统中用电侧总功率由控制器计算需求风力发电功率并分配至下风向风力机，完成需求风力机额定功率值设定。
3.根据权利要求2所述的基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，其特征在于，
步骤二中，采集风力机参数以及风速信息的具体方法如下：采集风力机传动链低速轴的转速值n、轮毂处来流风速值v、初始风轮锥角值γ0、初始风轮半径R0与给定的需求风力机额定功率值P额，传输至控制单元。
4.根据权利要求3所述的基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，其特征在于，
步骤二中，基于静态仿真获取风能利用系数CP关于叶尖速比λ的二维数组，并构建CP-λ的对应关系，CP-λ对应关系具体为：
Figure FDA0003826407820000011
CP＝f(λ)
其中，n为风力机传动链低速轴的转速值；R为实际风轮半径；v为轮毂处来流风速值；f(λ)为风能利用系数CP与叶尖速比λ的关系式，以二维数组关系呈现，用于采用查表法计算对应叶尖速比λ下的风能利用系数CP。
5.根据权利要求4所述的基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，其特征在于，
步骤三中，判断风力机当前输出功率的方法为：
Figure FDA0003826407820000021
其中，P风力机当前输出功率，ρ为当地空气密度，
比较P与P额的大小，即可判断风力机当前输出功率是否达到需求风力机额定功率值P额。
6.根据权利要求5所述的基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，其特征在于，步骤五中，调整风力机风轮锥角的具体方法为：控制单元根据风轮锥角计算模型确定锥角值γ，并给出风轮锥角的变化量Δγ，传输至锥角控制执行器完成风轮锥角控制，
风轮锥角计算模型为：
Figure FDA0003826407820000022
7.根据权利要求6所述的基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，其特征在于，实际风轮半径R的计算公式为：
R＝R0cosγ0。
8.根据权利要求7所述的基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节方法，其特征在于，风轮锥角的变化量计算公式为：
Δγ＝γ-γ0。
9.基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节装置，其特征在于，包括安装在风力机传动链低速轴处的转速传感器(1)、安装在机舱外来流侧的风速传感器(2)和安装在风力机叶片叶根处的锥角角度传感器(3)以及锥角控制执行器(4)，控制单元(5)安装在机舱内部，控制单元(5)分别与转速传感器(1)、风速传感器(2)、锥角角度传感器(3)和锥角控制执行器(4)连接，所述的转速传感器(1)用于采集风力机传动链低速轴的转速值n，风速传感器(2)用于轮毂处来流风速值v，锥角角度传感器(3)用于采集风轮锥角值，锥角控制执行器(4)用于改变风轮锥角值，控制单元(5)用于接收转速传感器(1)、风速传感器(2)、锥角角度传感器(3)传来的信息，计算风轮锥角的变化量后，传输至锥角控制执行器(4)改变风轮锥角值。
10.根据权利要求9所述的基于风轮锥角控制的下风向风力机功率调节装置，其特征在于，所述的锥角控制执行器(4)由液压型组合机构或电动型组合机构构成。
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