CN115898767A - 基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计方法及系统,采集叶片载荷时序文件,根据各工况数据,计算叶片回馈功率瞬时峰值;其中工况数据包括:采样时刻下的叶片角度、叶片转矩与叶片转速;根据叶片回馈功率瞬时峰值,计算变桨系统设计需满足的瞬时电流最小值;变桨系统采用制动电阻或超级电容吸收叶片回馈能量;计算回馈能量最大值及制动电阻阻值上限并评估制动电阻载流能力与变桨系统整体热平衡,以设计变桨系统制动电阻值;根据回馈能量与消耗能量总和的最大值,以设计超级电容吸收叶片回馈能量,完成变桨系统馈能设计。
Description
技术领域
本发明涉及风电技术领域,尤其涉及一种基于叶片载荷的变桨系统馈能设计方法。
背景技术
国内风电机组正由3.XMW 平台向5.XMW及以上功率等级平台跨越,叶轮直径也由140m向190m甚至更高发展。
风机叶片的加长,对变桨系统设计提出了更高的要求。风机叶片加长使变桨系统载荷增大,同步地,叶片回馈能量也进一步提升。当下的变桨系统设计既需要满足叶片额定载荷以及峰值载荷,同时需要考虑叶片的瞬时与间歇性的能量回馈情况。此外,变桨系统实际应用中存在吊装与维护工况,与以往风机并网后的运行角度不同(并网后角度正常在-10度至100度之间),变桨系统的馈能设计需要考虑叶片在360度角度范围内可能产生的所有工况。
发明内容
本发明的目的在于,提出基于叶片载荷的变桨系统的馈能设计方法及系统,确保在变桨系统设计之初就充分考虑叶片的回馈能量,避免设计余量不足导致的风险。
本发明采用如下的技术方案:基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计方法,
包括以下步骤:
步骤1,采集叶片载荷时序文件,根据各工况数据,计算叶片回馈功率瞬时峰值;其中工况数据包括:采样时刻下的叶片角度、叶片转矩与叶片转速;
步骤2,根据步骤1中叶片回馈功率瞬时峰值,计算变桨系统设计需满足的瞬时电流最小值;
步骤3,设计变桨系统采用制动电阻吸收叶片回馈能量,则执行步骤4;变桨系统采用超级电容吸收叶片回馈能量执行步骤5;
步骤4,计算回馈能量最大值及制动电阻阻值上限并评估制动电阻载流能力与变桨系统整体热平衡,以设计变桨系统制动电阻值;
步骤5,根据回馈能量与消耗能量总和的最大值,计算变桨系统超级电容最大电压值及超级电容过压值。
步骤1包括:当叶片旋转角度在0度至360度内,采集采样时刻下的转矩与转速,将叶片回馈能量折算至变桨电机侧并计算每个采样时刻对应的变桨电机瞬时功率Pi,其中叶片回馈功率瞬时峰值Pmax=min{P1,P2,...,Pi},Pi为第i个采样时刻变桨电机瞬时功率。
变桨系统采用制动电阻或超级电容来吸收回馈能量:若采用制动电阻吸收回馈能量,则回馈能量最终转化为制动电阻侧热能;若采用超级电容吸收回馈能量,则回馈能量会短时存入超级电容中,当超级电容电压高于变桨系统设计正常工作电压时,回馈能量在耗能阶段被使用,直至电压恢复到设计正常工作电压。
步骤4包括:
步骤4.2,选择制动电阻R并判断在连续指定时间内叶片回馈能量最大值加载下制动电阻R的载流能力,其中制动电阻R阻值小于变桨系统制动阻值上限,如果满足载流能力则执行步骤4.3,反之重新选择制动电阻阻值并进行载流能力判断;
步骤4.3,判断制动电阻是否满足变桨系统整体热平衡,如果否则执行步骤 4.2。
连续指定时间内叶片回馈能量其中t为采样周期; 为变桨电机瞬时功率值的回馈功率部分;a为对应连续指定时间的起始时刻,b为对应连续指定时间的终止时刻;计算1s、3s、5s、30s、120s内对应的叶片回馈总能量最大值Wj-max=min(W1,W2,...,Wj),分别为W1s-max, W3s-max,W5s-max,W30s-max和W120s-max。
制动电阻R的载流能力判断包括:以W1s-max,W3s-max,W5s-max,W30s-max和W120s-max为能量输入,以1s、3s、5s、30s、120s为测试时间,使制动电阻R两端通以电流其中Wj-max分别为W1s-max,W3s-max,W5s-max,W30s-max和W120s-max; Tj为1s、3s、5s、30s、120s对应的连续指定时间;R<Rmax;若制动电阻R在测试时间内正常工作且不烧毁则认为该制动电阻R满足载流能力需求;
变桨系统整体热平衡评估:以120s为一个测试周期时间,以W120s-max为一个周期的能量输入,连续测试60个周期,若制动电阻R与变桨系统内各温度采集点温度上升在超温故障判定限值以内,则认为该制动电阻满足变桨系统整体热平衡。
步骤5包括:计算回馈能量与消耗能量总和Wk=∑Pi*t,其中Pi为变桨电机瞬时功率值;t为采样周期,当Pi为正值时,则叶片消耗能量;当Pi为负值时,则叶片回馈能量;
计算回馈能量与消耗能量总和的最大值Wk-max=min(W1-max, W2-max,...,Wn-max),其中n为总的数据采样次数。
步骤5还包括:计算变桨系统超级电容可达到的最大电压Vmax:式中,η为变桨系统回馈能量的转化效率系数,C为变桨系统超级电容容值,V1为变桨系统设计正常工作电压;变桨系统的超级电容过压值的设计裕量X取值为1.2~1.35;变桨系统正常下超级电容电压为V1,则设计最大压差ΔV′=X(Vmax-V1),则变桨系统超级电容过压值为变桨系统正常下超级电容电压V1与设计最大压差ΔV′之和。
基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计系统,系统包括:
数据处理模块,用于计算叶片回馈功率瞬时峰值、瞬时电流最小值;
超级电容分析模块,用于根据回馈能量与消耗能量总和的最大值确定超级电容过压值;
制动电阻分析模块,用于根据回馈能量最大值及制动电阻阻值最大值评估制动电阻载流能力与变桨系统整体热平衡,以完成制动电阻选型。
本发明的有益效果在于,与现有技术相比,随着风力发电机组叶片长度增加,变桨系统在提升负载能力的同时,需要考虑叶片回馈能量以及能量吸收。使用以上设计方法,将叶片载荷时序、回馈能量计算及变桨馈能设计进行结合,能更精确地得到制动电阻及超级电容设计的关键参数,为变桨系统设计留出合理裕量,提升系统的可靠性。本发明考虑了实际运行中叶片在360度范围内旋转的载荷情况。
附图说明
图1是本发明所述变桨系统回馈能量设计方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部实施例。基于本发明精神,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例,都属于本发明的保护范围。
本发明提出的设计方法适用于电动变桨系统,具体设计方法如下:
步骤1,采集叶片载荷时序文件,根据各工况数据,计算得到叶片回馈功率瞬时峰值;
具体地,叶片回馈能量最终将转移至变桨电机侧。因此,需要根据变桨系统在运行、吊装与维护等各工况下叶片载荷时序数据(包含0度至360度范围),折算至变桨电机侧。变桨电机瞬时功率其中Pi为变桨电机瞬时功率,单位W;Ti为变桨电机转矩,等于叶片转矩除以减速机速比,单位Nm;Ni变桨电机转速,等于叶片转速乘以减速机速比,单位rpm;α为减速机效率值。其中叶片回馈功率瞬时峰值Pmax=min{P1,P2,...,Pi},Pi为第i个采样时刻变桨电机瞬时功率,当Pi数据为负时为叶片回馈能量的采样时刻,以其中绝对值最大值为回馈功率瞬时峰值Pmax。
步骤2,根据步骤1中叶片回馈功率瞬时峰值,计算变桨系统设计需满足的瞬时电流最小值;
步骤3,判断变桨系统使用制动电阻或超级电容吸收叶片回馈能量。若选择制动电阻则执行步骤4,若选择超级电容则执行步骤5。变桨系统采用制动电阻或超级电容来吸收回馈能量:若采用制动电阻吸收回馈能量,则回馈能量最终转化为制动电阻侧热能;若采用超级电容吸收回馈能量,则回馈能量会短时存入超级电容中,当超级电容电压高于变桨系统设计正常工作电压时,回馈能量在耗能阶段被使用,直至电压恢复到设计正常工作电压。
步骤4,计算回馈能量最大值及制动电阻阻值上限并评估制动电阻载流能力与变桨系统整体热平衡,以设计变桨系统制动电阻值;
步骤4包括:
步骤4.2,选择制动电阻R并判断在连续指定时间内叶片回馈能量最大值加载下制动电阻R的载流能力,其中制动电阻R阻值小于变桨系统制动阻值上限,如果满足载流能力则执行步骤4.3,反之重新选择制动电阻阻值并进行载流能力判断;
步骤4.3,判断制动电阻是否满足变桨系统整体热平衡,如果否则执行步骤 4.2。
连续指定时间内叶片回馈能量其中t为采样周期; 为变桨电机瞬时功率值的回馈功率部分;a为对应连续指定时间的起始时刻,b为对应连续指定时间的终止时刻;计算1s、3s、5s、30s、120s内对应的叶片回馈总能量最大值Wj-max=min(W1,W2,...,Wj),分别为W1s-max, W3s-max,W5s-max,W30s-max和W120s-max。
制动电阻R的载流能力判断包括:以W1s-max,W3s-max,W5s-max,W30s-max和W120s-max为能量输入,以1s、3s、5s、30s、120s为测试时间,使制动电阻R两端通以电流其中Wj-max分别为W1s-max,W3s-max,W5s-max,W30s-max和W120s-max; Tj为1s、3s、5s、30s、120s对应的连续指定时间;R<Rmax;若制动电阻R在测试时间内正常工作且不烧毁则认为该制动电阻R满足载流能力需求;
变桨系统整体热平衡评估:以120s为一个测试周期时间,以W120s-max为一个周期的能量输入,连续测试60个周期,若制动电阻R与变桨系统内各温度采集点温度上升在超温故障判定限值以内,则认为该制动电阻满足变桨系统整体热平衡。
步骤5,设计超级电容吸收叶片回馈能量,则需要计算同时考虑回馈能量与消耗能量总和的最大值。具体地,回馈与消耗能量总和Wk=∑Pi*t,其中Pi为变桨电机瞬时功率值,单位W;t为采样周期,单位s。当Pi为正值时,则叶片消耗能量;当Pi为负值时,则叶片回馈能量。延长叶片数据采样时间,计算回馈能量与消耗能量总和的最大值Wk-max。
计算得到超级电容可达到的电压最大值,并对最大电压预留设计裕量;
具体地,若变桨系统回馈能量的转化效率系数η,变桨系统超级电容容值C,变桨系统设计正常工作电压为V1,则变桨系统超级电容达到的最大电压为变桨系统设计时需要考虑可能达到的最大电压值为Vmax,并预留设计裕量,优选20%至35%,以防止系统过压。
实施例1:
(1)已知某兆瓦级风电机组的载荷序列,载荷序列采样周期为0.05s,变桨减速机效率0.9,将叶片载荷折算至变桨电机侧,进行所有载荷时序数据的计算,得到采样时刻回馈功率最大值为-22.4kW。
(2)若变桨系统回馈能量吸收时刻的开启电压设定值V0为760V,则变桨系统设计需要满足的瞬时电流最小值Imax为29.5A。
(3)若叶片回馈能量使用制动电阻进行泄放吸收,则根据步骤(2)可计算得到制动电阻阻值最大值为25.8欧姆。进一步地,需分别选取叶片载荷时序文件中连续的1s、3s、5s、30s和120s内数据,得到所有载荷时序文件中叶片回馈能量W1s-j,W3s-j,W5s-j,W30s-j和W120s-j数据最大值分别为10.8kJ,20.9kJ,28.7kJ, 37.2kJ,48.3kJ。
(4)通过步骤(3)中计算所得连续的1s、3s、5s、30s、120s内叶片回馈能量最大值数据,若选取25Ω制动电阻(需要小于制动电阻最大值),则得到1s、 3s、5s、30s、120s测试时间内,制动电阻两端需要加载的电流分别为20.8A、16.7A、15.2A、7.0A和4.0A。因此,所选制动电阻需满足该测试时间内对应的载流能力;进一步地,以120s内加载4.0A连续测试60个周期,需确认整个测试过程中制动电阻与变桨系统内各温度采集点温度上升在超温故障判定限值以内,若满足则认为满足变桨系统整体热平衡。
(5)若叶片回馈能量使用超级电容进行吸收,则根据以上兆瓦级机组载荷时序文件,需考虑超级电容对叶片回馈能量的短时存储能力,计算回馈能量与消耗能量总和的最大值,得到该最大值Wk-max为32.3kJ。
(6)若所设计变桨系统回馈能量的转化效率系数为η取值0.8,变桨系统超级电容容值为C取值4F,变桨系统正常下超级电容电压为V1取值450V,则可计算得到超级电容最高电压可达到464.1V。计算变桨系统正常下超级电容电压V1与超级电容可达到的最大电压值之间的理论最大压差ΔV,进一步地,若考虑35%的设计裕量,则设计最大压差ΔV′为135%ΔV,则变桨系统超级电容过压值为变桨系统正常下超级电容电压加上设计最大压差,建议在469V为宜。
一种基于叶片载荷的变桨系统馈能设计系统,包括:数据处理模块,用于计算叶片回馈功率瞬时峰值、瞬时电流最小值;
超级电容分析模块,用于根据回馈能量与消耗能量总和的最大值确定超级电容最大容值及变桨系统过压值;
制动电阻分析模块,用于根据回馈能量最大值及制动电阻阻值最大值评估制动电阻载流能力与变桨系统整体热平衡,以完成制动电阻选型。
本发明的有益效果在于,与现有技术相比,随着风力发电机组叶片长度增加,变桨系统在提升负载能力的同时,需要考虑叶片回馈能量以及能量吸收。使用以上设计方法,将叶片载荷时序、回馈能量计算及变桨馈能设计进行结合,能更精确地得到制动电阻及超级电容设计的关键参数,为变桨系统设计留出合理裕量,提升系统的可靠性。本发明考虑了实际运行中叶片在360度范围内旋转的载荷情况。
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质,其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身,诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如,通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备,或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令,并转发该计算机可读程序指令,以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA) 指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码,所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等,以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机,或者,可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中,通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路,例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA),该电子电路可以执行计算机可读程序指令,从而实现本公开的各个方面。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (12)
1.基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计方法,其特征在于:
包括以下步骤:
步骤1,采集叶片载荷时序文件,根据各工况数据,计算叶片回馈功率瞬时峰值;其中工况数据包括:采样时刻下的叶片角度、叶片转矩与叶片转速;
步骤2,根据步骤1中叶片回馈功率瞬时峰值,计算变桨系统设计需满足的瞬时电流最小值;
步骤3,设计变桨系统采用制动电阻吸收叶片回馈能量,则执行步骤4;变桨系统采用超级电容吸收叶片回馈能量执行步骤5;
步骤4,计算回馈能量最大值及制动电阻阻值上限并评估制动电阻载流能力与变桨系统整体热平衡,以设计变桨系统制动电阻值;
步骤5,根据回馈能量与消耗能量总和的最大值,计算变桨系统的超级电容最大电压值及超级电容过压值。
2.根据权利要求1所述的基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计方法,其特征在于:
步骤1包括:当叶片旋转角度在0度至360度内,采集采样时刻下的转矩与转速,将叶片回馈能量折算至变桨电机侧并计算每个采样时刻对应的变桨电机瞬时功率Pi,其中叶片回馈功率瞬时峰值Pmax=min{P1,P2,...,Pi},Pi为第i个采样时刻变桨电机瞬时功率。
5.根据权利要求1所述的基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计方法,其特征在于:
变桨系统采用制动电阻或超级电容来吸收回馈能量:若采用制动电阻吸收回馈能量,则回馈能量最终转化为制动电阻侧热能;若采用超级电容吸收回馈能量,则回馈能量会短时存入超级电容中,当超级电容电压高于变桨系统设计正常工作电压时,回馈能量在耗能阶段被使用,直至电压恢复到设计正常工作电压。
9.根据权利要求6所述的基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计方法,其特征在于:
变桨系统整体热平衡评估:以120s为一个测试周期时间,以W120s-max为一个周期的能量输入,连续测试60个周期,若制动电阻R与变桨系统内各温度采集点温度上升在超温故障判定限值以内,则认为该制动电阻满足变桨系统整体热平衡。
10.根据权利要求1所述的基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计方法,其特征在于:
步骤5包括:计算回馈能量与消耗能量总和Wk=∑Pi*t,其中Pi为变桨电机瞬时功率值;t为采样周期,当Pi为正值时,则叶片消耗能量;当Pi为负值时,则叶片回馈能量;
计算回馈能量与消耗能量总和的最大值Wk-max=min(W1-max,W2-max,...,Wn-max),其中n为总的数据采样次数。
12.基于叶片载荷计算的变桨系统的馈能设计系统,其特征在于,该系统包括:
数据处理模块,用于计算叶片回馈功率瞬时峰值、瞬时电流最小值;
超级电容分析模块,用于根据回馈能量与消耗能量总和的最大值确定超级电容过压值;
制动电阻分析模块,用于根据回馈能量最大值及制动电阻阻值最大值评估制动电阻载流能力与变桨系统整体热平衡,以完成制动电阻选型。
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