CN117231424B - 基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋发电技术，具体为一种基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风方法，当接收到进入高风速区指令信号，漂浮式风机进入高风速区抗台风模式，漂浮式风机的叶片先变桨到一个较大的桨距角，并随着风速变化带来的发电机转速误差来调整变桨角，随后进行偏航对风，以台风主风向为控制目标，不断进行偏航调整以使风轮正对台风主风向，能够较大程度上降低叶片、机舱、塔筒等主要结构在台风下的载荷，减少叶尖变形量及漂浮式平台六自由度的动态响应，提升漂浮式风机抗台风能力。使其能够在风速介于25m/s和50m/s之间继续发电，有效提升海上风电场的经济效益，克服了台风来临时高压输电网断电导致的机组处于断电状态、偏航系统无法工作等困难。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋发电技术，尤其是一种基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风方法。
背景技术
随着全球气候变化带来的巨大挑战，以及各国对于自身能源安全的日益重视，进入21世纪以来海上风力发电得到了迅速发展。近年来，海上风电机组的大型化和离岸化发展趋势更加明显，开启了从浅海向深远海、由固定式向漂浮式的进化之路。一方面，漂浮式风机的大型化要求更高的塔筒和更长的叶片，另一方面，离岸化还要求漂浮式风机必须面对由台风、海浪、海流带来的更大的结构载荷和动态响应考验。瞬时风速大、风向变化大、湍流强度大的台风下，如何保障漂浮式风机的安全与稳定性，是一个关键工程问题。台风对传统陆上风机的破坏主要表现为叶片断裂、机舱受损、塔筒折断等，但是台风对漂浮式风机的影响不止有这些破坏，台风所伴随的海浪对于漂浮式风机的影响也同样值得关注。台风来临所带来的涌浪会对于漂浮式风机的平台、锚链等结构的稳定性和完整性带来较大的威胁。
有关漂浮式风机抗台风的方法，大多集中于风电整机厂商对于叶片、塔筒、平台的结构和材料的优化设计方面，很少有通过控制策略提升漂浮式风机的安全稳定性。
目前的方法有如下现有技术：
（1）如申请号为CN114771757A的专利申请公开了一种抗台风型漂浮式风机，通过在漂浮风机本体底部安装稳定座等结构，从而对稳定座和漂浮风机本体进行一定的限位作用，减缓漂浮风机本体在海面上的移动速度，提升漂浮风机本体在台风天气下的稳定性；
（2）如申请号为CN202210229408.0的专利申请公开了一种低成本的漂浮偏航式抗台风型风力发电装置和抵御台风的方法，利用漂浮系统能够在水体上自由回转而不需要轴承和轨道的特性，省略了传统风机一套昂贵的偏航轴承和控制系统，构筑了一个在台风情况下，风轮之叶片可以放倒并收拢在一起，全部叶片在台风环境下呈顺风指向，平衡了风电装置的倾覆力矩，从而提升漂浮式风机的稳定性。
但是上述技术增大了漂浮式风机叶片、塔筒、平台等结构的设计制造与安装运维成本；未考虑台风来临前后频繁启停机对浮式风机疲劳寿命的影响。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风方法，该方法能有效降低漂浮式风机在台风下的结构载荷，减小漂浮式风机平台动态响应，减少因台风来临导致的启停机次数，同时提升漂浮式风机的年发电量。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风方法，包括以下步骤：
1）读取风速传感器采集的风速信息；
2）读取当前时刻SCADA系统采集的桨距角信息；目前市场上所有风机都配备有SCADA系统；该系统的中文名称是：数据采集与监控系统；
3）根据当前时刻风速信息和桨距角信息，判断是否达到高风速区的风速和桨距角条件，若达到条件则执行步骤4），否则执行步骤11）；
所述高风速区的风速和桨距角条件为：
当10分钟的平均风速大于25m/s，且小于50m/s；
当前时刻的桨距角大于23度；
4）变桨控制器发布变桨控制指令，变桨电机执行变桨控制指令，驱动叶片变桨到高风速区的初始桨距角；
5)读取风速传感器采集的风向信息；
6)将风向信息传递给偏航控制器，偏航控制器发布偏航控制指令，偏航电机执行偏航位置控制指令，驱动漂浮式风机偏航对风；
7）取SCADA系统采集的发电机转速信号，并采用公式（5）计算当前时刻发电机转速与高风速区的变桨参考发电机转速的误差ΔΩ；
ΔΩ=Ω t -Ω PCR （5）
上式中，Ω t 为当前时刻的发电机转速，Ω PCR 为变桨参考发电机转速；
8）如果转速误差不为0，则执行步骤9），否则返回步骤7）；
9）通过公式（6）计算桨距角增量Δθ
（6）
上式中，K p 为变桨控制器比例增益，k I 为变桨控制器积分增益，t为初始时刻到当前时刻的时间；
10）主控系统将桨距角增量传递给变桨控制器，变桨控制器发布变桨控制指令，变桨电机执行变桨控制指令，驱动叶片变桨到指定变桨角；
11）如果10分钟的平均风速大于50m/s，执行步骤12），否则流程结束；
12）主控系统执行大风脱网停机控制，变桨控制器发布顺桨指令，变桨电机执行顺桨指令，驱动叶片变桨到90度。
所述步骤4）的高风速区的初始桨距角，通过以下步骤确定：
A）.设定高风速区的恒定风轮转速值n，参考范围：1rpm-3rpm；
B）.根据公式（1）和公式（2）确定控制4区的恒定输出功率值P；
P=T Gen Ω （1）
上式中，P为浮式风机的输出功率，TGen为发电机扭矩，Ω为发电机转速；
（2）
上式中，NGear为齿轮箱传动比，n为风轮转速；
C）.根据公式（3）计算26m/s风速所对应的风能利用系数C po；
（3）
上式中，ρ为空气密度，R为风轮半径，V为风速，这里为26m/s；
D）.根据公式（3）计算26m/s风速所对应的叶尖速比TSR；
（4）
E）.在该叶尖速比条件下，基于Qblade开源软件计算不同桨距角时的风能利用系数C pn ；这里的桨距角参考范围为：23°-90°；
F）.当根据某桨距角值计算得到的C pn 与C po相等时，该桨距角即为26m/s风速所对应的桨距角；
G）.将26m/s风速所对应的桨距角定义为高风速区的初始桨距角。
通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
采用本发明的漂浮式风机抗台风控制方法，当接收到进入高风速区的指令信号，漂浮式风机进入高风速区，进入抗台风模式。漂浮式风机的叶片先变桨到一个较大的桨距角，并随着风速变化带来的发电机转速误差来调整变桨角，随后进行偏航对风，以台风主风向为控制目标，不断进行偏航调整以使风轮正对台风主风向，能够较大程度上降低叶片、机舱、塔筒等主要结构在台风下的载荷，减少叶尖变形量，同时减小漂浮式平台六自由度的动态响应，能够明显提升漂浮式风机抗台风能力。
采用本发明的漂浮式风机抗台风控制方法，能够在风速介于25m/s和50m/s之间继续发电，有效提升海上风电场的经济效益。
采用本发明的漂浮式风机抗台风控制方法，克服了台风来临时高压输电网断电导致的机组处于断电状态、偏航系统无法工作等困难。
采用本发明的漂浮式风机抗台风控制方法，能够一定程度上减少漂浮式风机的启停次数，这减少了漂浮式风机由于台风过境而频繁启停机所带来的疲劳损伤。
附图说明
图1是本发明实施例中漂浮式风机运行区域示意图；
图2是本发明实施例中确定高风速区的初始桨距角的流程图；
图3是本发明实施例中基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风控制方法的流程图；
图4是本发明实施例中漂浮式风机的风速-风轮推力曲线图；
图5是本发明实施例中漂浮式风机的风速-风轮转速曲线图；
图6是本发明实施例中漂浮式风机的风速-发电机转速曲线图；
图7是本发明实施例中漂浮式风机的风速-桨距角曲线图；
图8是本发明实施例中漂浮式风机的风速-发电机功率曲线图；
图9是进行本发明技术方案与传统控制方法的时域对比时所采用的风速时间序列图；
图10是采用本发明技术方案和传统控制方法时的叶根处面内力矩最大值的条形图；
图11是采用本发明技术方案和传统控制方法时的叶根处面外力矩最大值的条形图；
图12是采用本发明技术方案和传统控制方法时的叶根处变桨力矩最大值的条形图；
图13是采用本发明技术方案和传统控制方法时的面外叶片尖端变形量最大值的条形图；
图14是采用本发明技术方案和传统控制方法时的面内叶片尖端变形量最大值的条形图；
图15是采用本发明技术方案和传统控制方法时的塔基横摇力矩最大值的条形图；
图16是采用本发明技术方案和传统控制方法时的塔基俯仰力矩最大值的条形图；
图17是采用本发明技术方案和传统控制方法时的塔基偏航力矩最大值的条形图；
图18、图19、图20、图21、图22、图23分别是采用本发明技术方案和传统控制方法时的漂浮式风机平台六自由度（纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇）最大值的条形图；
图24为台风风向与漂浮式风机夹角的示意图，图中忽略了漂浮式风机平台，图中γ角为风向与漂浮式风机机舱的夹角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-图24所示，基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风方法，包括以下步骤：
1）读取风速传感器采集的风速信息；
2）读取当前时刻SCADA系统采集的桨距角信息；目前市场上所有风机都配备有SCADA系统；该系统的中文名称是：数据采集与监控系统；
3）根据当前时刻风速信息和桨距角信息，判断是否达到高风速区（控制4区）的风速和桨距角条件，若达到条件则执行步骤4），否则执行步骤11）；
控制4区：指的是图1中的风机运行区域4。对于采用传统控制方法的风机，区域1、区域2、区域3、区域4分别是：低风速区、高效发电区、高转速区、高风速区，进入高风速区后停机不发电；对于采用本发明的风机，区域1、区域2、区域3、区域4分别是：低风速区、高效发电区、高转速区、高风速区，进入高风速区后基于超低转速控制进行发电；
控制4区的风速和桨距角条件为：
当10分钟的平均风速大于25m/s，且小于50m/s；当前时刻的桨距角大于23度；
4）变桨控制器（该控制器是现有设备中存在的装置）发布变桨控制指令，变桨电机执行变桨控制指令，驱动叶片变桨到控制4区的初始桨距角（控制4区的初始桨距角，可根据图2所示的流程确定）；
所述的高风速区的初始桨距角，通过以下步骤确定：
A）.设定高风速区的恒定风轮转速值n，参考范围：1rpm-3rpm；
B）.根据公式（1）和公式（2）确定控制4区的恒定输出功率值P；
P=T Gen Ω （1）
上式中，P为浮式风机的输出功率，TGen为发电机扭矩，Ω为发电机转速；
（2）
上式中，NGear为齿轮箱传动比，n为风轮转速；
C）.根据公式（3）计算26m/s风速所对应的风能利用系数C po；
（3）
上式中，ρ为空气密度，R为风轮半径，V为风速，这里为26m/s；
D）.根据公式（3）计算26m/s风速所对应的叶尖速比TSR；
（4）
E）.在该叶尖速比条件下，基于Qblade开源软件计算不同桨距角时的风能利用系数C pn ；这里的桨距角参考范围为：23°-90°；
F）.当根据某桨距角值计算得到的C pn 与C po相等时，该桨距角即为26m/s风速所对应的桨距角；
G）.将26m/s风速所对应的桨距角定义为高风速区的初始桨距角。
5)读取风速传感器采集的风向信息；
6)将风向信息传递给偏航控制器（该控制器是现有设备中存在的装置），偏航控制器发布偏航控制指令，偏航电机执行偏航位置控制指令，驱动漂浮式风机偏航对风；
7）取SCADA系统采集的发电机转速信号，并采用公式（5）计算当前时刻发电机转速与控制4区的变桨参考发电机转速的误差ΔΩ；
ΔΩ=Ω t -Ω PCR （5）
上式中，Ω t 为当前时刻的发电机转速，Ω PCR 为变桨参考发电机转速；
8）如果转速误差不为0，则执行步骤9），否则返回步骤7）；
9）通过公式（6）计算桨距角增量Δθ
（6）
上式中，K p 为变桨控制器比例增益，k I 为变桨控制器积分增益，t为初始时刻到当前时刻的时间；
10）主控系统（该主控系统是现有设备中存在的装置）将桨距角增量传递给变桨控制器，变桨控制器发布变桨控制指令，变桨电机执行变桨控制指令，驱动叶片变桨到指定变桨角；
11）如果10分钟的平均风速大于50m/s，执行步骤12），否则流程结束；
12）主控系统执行大风脱网停机控制，变桨控制器发布顺桨指令，变桨电机执行顺桨指令，驱动叶片变桨到90度。
实施例：
以5MW漂浮式风机为例，说明采用本发明技术方案可较为明显地提升漂浮式风机的经济效益。如图5和图8所示，风轮转速设定为2 rpm，齿轮箱传动比为97：1，发电机扭矩为43kN·m，根据公式（1）和公式（2）可知，控制4区的恒定输出功率约为874kW，假设每年该风机轮毂高度处风速介于25m/s和50m/s之间的频率为0.1%，每年的小时数为8766h，根据公式（7）可知，采用本发明的漂浮式风机可提升年发电量约7661kWh。
E Typ =PN Time f （7）
上式中，E Typ 为每年台风期间提升的年发电量，P为控制4区的恒定输出功率值，N Time 为每年的小时数，f 为每年该风机轮毂高度处风速介于25m/s和50m/s之间的频率；
采用本发明技术方案可较大程度上提升漂浮式风机的抗台风能力。由于传统控制方法在遇到大于切出风速的台风时，会执行大风脱网停机控制，因此台风可能以不同的风向吹向漂浮式风机，这里仅以台风主风向与机舱夹角为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°（0°）为例说明。采用本发明技术方案的漂浮式风机遇到大于切出风速的台风时，采用控制4区的控制方法，并偏航对风，因此仅存在0°的夹角。
通过图10、图11、图12，可看出采用本发明技术方案的漂浮式风机在台风期间可能承受的叶根处面内力矩最大值和叶根处变桨力矩最大值均明显小于采用传统控制方法的漂浮式风机，叶根处面外力矩最大值与采用传统控制方法的漂浮式风机相当。通过图13和图14，可看出采用本发明技术方案的漂浮式风机在台风期间可能出现的面外叶片尖端变形量最大值和面内叶片尖端变形量最大值均明显小于采用传统控制方法的漂浮式风机。通过图15、图16、图17，可看出采用本发明技术方案的漂浮式风机在台风期间可能承受的塔基横摇力矩最大值、塔基俯仰力矩最大值和塔基偏航力矩最大值均明显小于采用传统控制方法的漂浮式风机。通过图18、图19、图20、图21、图22、图23，可看出采用本发明技术方案的漂浮式风机在台风期间可能出现的平台六自由度（纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇）最大值均明显小于采用传统控制方法的漂浮式风机。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (2)
1.一种基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)读取风速传感器采集的风速信息；
(2)读取当前时刻SCADA系统采集的桨距角信息；目前市场上所有风机都配备有SCADA系统；
(3)根据当前时刻风速信息和桨距角信息，判断是否达到高风速区的风速和桨距角条件，若达到条件则执行步骤(4)，否则执行步骤(11)；
(4)变桨控制器发布变桨控制指令，变桨电机执行变桨控制指令，驱动叶片变桨到高风速区的初始桨距角；
高风速区的初始桨距角，通过以下步骤确定：
(A).设定高风速区的恒定风轮转速值n，参考范围：1rpm-3rpm；
(B).根据公式(1)和公式(2)确定控制4区的恒定输出功率值P；
P＝TGenΩ (1)
上式中，P为浮式风机的输出功率，TGen为发电机扭矩，Ω为发电机转速；
上式中，NGear为齿轮箱传动比，n为风轮转速；
(C).根据公式(3)计算26m/s风速所对应的风能利用系数Cpo；
上式中，ρ为空气密度，R为风轮半径，V为风速，这里为26m/s；
(D).根据公式(3)计算26m/s风速所对应的叶尖速比TSR；
(E).在该叶尖速比条件下，基于Qblade开源软件计算不同桨距角时的风能利用系数Cpn；这里的桨距角参考范围为：23°-90°；
(F).当根据某桨距角值计算得到的Cpo与Cpn相等时，该桨距角即为26m/s风速所对应的桨距角；
(G).将26m/s风速所对应的桨距角定义为高风速区的初始桨距角；
(5)读取风速传感器采集的风向信息；
(6)将风向信息传递给偏航控制器，偏航控制器发布偏航控制指令，偏航电机执行偏航位置控制指令，驱动漂浮式风机偏航对风；
(7)取SCADA系统采集的发电机转速信号，并采用公式(5)计算当前时刻发电机转速与高风速区的变桨参考发电机转速的误差ΔΩ；
ΔΩ＝Ωt-ΩPCR (5)
上式中，Ωt为当前时刻的发电机转速，ΩPCR为变桨参考发电机转速；
(8)如果转速误差不为0，则执行步骤(9)，否则返回步骤(7)；
(9)通过公式(6)计算桨距角增量Δθ；
上式中，KP为变桨控制器比例增益，KI为变桨控制器积分增益，t为初始时刻到当前时刻的时间；
(10)主控系统将桨距角增量传递给变桨控制器，变桨控制器发布变桨控制指令，变桨电机执行变桨控制指令，驱动叶片变桨到指定变桨角；
(11)如果10分钟的平均风速大于50m/s，执行步骤(12)，否则流程结束；
(12)主控系统执行大风脱网停机控制，变桨控制器发布顺桨指令，变桨电机执行顺桨指令，驱动叶片变桨到90度。
2.如权利要求1所述的基于超低转速控制的漂浮式风机抗台风方法，其特征是，所述步骤(3)中所述高风速区的风速和桨距角条件为：
当10分钟的平均风速大于25m/s，且小于50m/s；当前时刻的桨距角大于23度。
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