專利名稱：一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電相關(guān)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其高效的風(fēng)能利用率和較大的單機(jī)容量等優(yōu)勢(shì)成為目前主要的裝機(jī)類型。變速變槳風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速(額定風(fēng)速以下)時(shí)，主控系統(tǒng)將葉片的槳距角調(diào)整到
最優(yōu)(或最小)，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)工作在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)下，以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速之后，轉(zhuǎn)速不能隨著風(fēng)速的增加而增力口，需要通過(guò)增加發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)使葉輪轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速附近，使風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速區(qū)域。風(fēng)速增大到額定風(fēng)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定，發(fā)電機(jī)同時(shí)達(dá)到額定功率，此時(shí)，如果風(fēng)速繼續(xù)增大則主控系統(tǒng)會(huì)增大槳距角以減少捕獲的風(fēng)能，保證發(fā)電機(jī)組不過(guò)載，進(jìn)入恒功率運(yùn)行階段。在風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于湍流和陣風(fēng)的存在，風(fēng)速時(shí)刻在波動(dòng)，要確保風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)，需要根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速正確的控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和槳距角。由于葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，風(fēng)速的變化反映到葉輪轉(zhuǎn)速，再用來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和槳距角往往已經(jīng)滯后較長(zhǎng)時(shí)間。尤其是在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)，為了跟蹤最優(yōu)葉尖速比，需要根據(jù)風(fēng)速不斷地調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，但現(xiàn)有的主控系統(tǒng)中該階段的轉(zhuǎn)矩是根據(jù)葉片翼型特性計(jì)算的最優(yōu)增益系數(shù)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速平方的乘積得到，相當(dāng)于一種開(kāi)環(huán)控制方式，由該方法得到的轉(zhuǎn)矩值難以準(zhǔn)確跟蹤最優(yōu)葉尖速比，造成風(fēng)能利用率偏低。額定風(fēng)速以上時(shí)，根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速控制槳距角也會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速變化和變槳系統(tǒng)的滯后造成槳距角與當(dāng)前葉輪處的風(fēng)速不匹配，使得葉輪和塔筒處承受較大的載荷。因此，如果能測(cè)量葉輪前方的風(fēng)速并提前計(jì)算出葉輪處的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，用以修正轉(zhuǎn)矩及變槳控制器的輸出，既能保證額定風(fēng)速以下有較高的風(fēng)能利用率又能降低高風(fēng)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷，已成為當(dāng)前本領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)之一。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是通過(guò)一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，其一方面可以使額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩給定值更加合理，準(zhǔn)確跟蹤最佳葉尖速比，提高風(fēng)能利用率；另一方面，在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)能提前合理調(diào)節(jié)槳距角的大小，有效減小葉輪處的陣風(fēng)或者變槳系統(tǒng)延遲引起的葉輪和塔架疲勞載荷與發(fā)電量的損失。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，包括安裝在輪轂上，用于測(cè)量前方葉輪直徑2-3倍距離處氣流速度的測(cè)速儀；內(nèi)置有轉(zhuǎn)矩控制器、變槳控制器、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和控制器給定值修正模塊的PLC控制器；以及根據(jù)PLC控制器輸出的經(jīng)修正的轉(zhuǎn)矩給定值和槳距角給定值控制發(fā)電機(jī)和葉輪的風(fēng)電機(jī)組。[0007]作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的測(cè)速儀為激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量?jī)x。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果I、引入已經(jīng)較為成熟的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)葉輪前方來(lái)流方向的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，使基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)能夠提前響應(yīng)風(fēng)速的變化；2、根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的翼型參數(shù)、最優(yōu)葉尖速比及最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)等參數(shù)建立葉輪的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型，用葉輪前方氣流的速度和當(dāng)前風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速、槳距角等運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確計(jì)算出該段氣流能夠產(chǎn)生的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，修正變槳和轉(zhuǎn)矩控制的效果，提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用率；3、根據(jù)葉輪前方的風(fēng)速可以提前調(diào)整變槳控制系統(tǒng)的輸出，有助于解決由于葉輪慣性和變槳系統(tǒng)延遲造成的整機(jī)疲勞載荷和發(fā)電量損失。

上述僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段，
以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖I是本實(shí)用新型帶有激光雷達(dá)風(fēng)速儀和氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的組成示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明請(qǐng)參閱圖I所示，本實(shí)用新型一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，包括激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量?jī)x、PLC控制器和風(fēng)電機(jī)組。其中，激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量?jī)x安裝在輪轂上，用于測(cè)量前方葉輪直徑2-3倍距離處氣流速度。風(fēng)電機(jī)組主要包括發(fā)電機(jī)、變流器、變槳系統(tǒng)和葉輪，根據(jù)PLC控制器輸出的經(jīng)修正的轉(zhuǎn)矩給定值和槳距角給定值控制發(fā)電機(jī)和葉輪。PLC控制器，即本實(shí)用新型基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制器，其內(nèi)置有轉(zhuǎn)矩控制器、變槳控制器、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和控制器給定值修正模塊。根據(jù)本實(shí)用新型基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制方法，上述模塊的工作流程包括以下步驟。步驟一，通過(guò)激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量?jī)x、發(fā)電機(jī)和葉輪，分別獲取輪轂前方葉輪直徑2-3倍距離處的氣流速度Vwind，葉輪當(dāng)前時(shí)刻的槳距角β，以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ωΜ，計(jì)算葉輪處的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。目前，風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中，葉輪的氣動(dòng)特性主要根據(jù)葉素理論來(lái)分析，為了與設(shè)計(jì)性能相一致，采用基于葉素理論的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩模型來(lái)計(jì)算和修正轉(zhuǎn)矩控制器的輸出。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)中的葉素理論和致動(dòng)盤(pán)概念，葉輪處產(chǎn)生的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩為Qa=\； PARlPi ,λ/'β)
2A其中P為空氣密度；A為葉輪掃風(fēng)面積,為A = R2 ；R為葉輪半徑；[0026]U為葉輪處的風(fēng)速；CpU，β)為風(fēng)能利用系數(shù)，λ為葉尖速比，β為槳距角。由于葉片周圍氣流的復(fù)雜性，直接用風(fēng)速參與主控制器中的變槳控制器和轉(zhuǎn)矩控
制不太可靠，通常根據(jù)葉尖速比，用代換計(jì)算中的風(fēng)速，從而得
Λ
「 π ,、 1 ,r C'rUJ) ’Q4 =-pnR- ~ωΒ
2 λ 其中ωΒ為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，單位為rad/s。因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行中，葉輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度不高，且通常是控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)控制風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的特性，可以用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速折算出葉輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為
_2]其中ωΜ為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；G為傳動(dòng)齒輪箱傳動(dòng)比。在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中，其運(yùn)行工作點(diǎn)往往在發(fā)電機(jī)容量和葉片翼型數(shù)據(jù)確定以后都已確定且與風(fēng)速相對(duì)應(yīng)，因此可以建立風(fēng)速與最優(yōu)葉尖速比λ，槳距角β和風(fēng)能利用系數(shù)Cp的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，即通過(guò)測(cè)量葉輪前方的氣流速度就能夠得到其到達(dá)葉輪處時(shí)的入和β，進(jìn)而可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩qm。步驟二，獲取當(dāng)前轉(zhuǎn)矩控制器輸出的轉(zhuǎn)矩給定值TdM。步驟三，獲取當(dāng)前變槳控制器輸出的槳距角給定值Pdem。步驟四，通過(guò)控制器給定值修正模塊，修正轉(zhuǎn)矩控制器或變槳控制輸出的給定值。具體來(lái)說(shuō)，如果當(dāng)前風(fēng)機(jī)運(yùn)行的發(fā)電功率是在額定功率以下( I)當(dāng)Qm小于發(fā)電機(jī)的額定或最大轉(zhuǎn)矩Qe時(shí)，則根據(jù)計(jì)算值Qm與當(dāng)前轉(zhuǎn)矩控制器輸出Tdem的差A(yù)T=QM_Tdem，結(jié)合氣流到達(dá)葉輪的時(shí)間tw及控制器輸出周期tstep，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值為T(mén)' dem=Tdem+(AT/tff) Xtstep0當(dāng)Qm與Qe相等時(shí)，停止修正。(2)當(dāng)Qm大于發(fā)電機(jī)的額定或最大轉(zhuǎn)矩Qe時(shí)，則表明風(fēng)速在增大，風(fēng)電機(jī)組即將從額定功率以下向額定功率以上過(guò)渡，應(yīng)查表求的測(cè)量風(fēng)速Vwind對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)槳距角值Pdes,計(jì)算與當(dāng)前最優(yōu)槳距角p_的差值ΛΡ’ = Pdes-Ptjpt，結(jié)合氣流到達(dá)葉輪的時(shí)間~及控制器輸出周期tstep，調(diào)整槳距角給定值P’dem=Pmin+(AP’/tw)Xtstep其中，Pniin為最小槳距角。直到計(jì)算的葉輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩相同或變槳控制器的輸出與修正后的槳距角給定值相同時(shí)停止修正變槳控制器的輸出。如果當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的發(fā)電功率是在額定功率以上時(shí)(3)當(dāng)Qm大于發(fā)電機(jī)的當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩值時(shí)，則表明葉輪前方的風(fēng)速增加，需要繼續(xù)增加槳距角來(lái)減少葉輪處風(fēng)能的捕獲，應(yīng)查表求的測(cè)量風(fēng)速Vwind對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)時(shí)槳距角值Pdes和當(dāng)前Pd 的差值Λ P=Pdes-Pdem，結(jié)合氣流到達(dá)葉輪的時(shí)間tw及控制器輸出周期tstep調(diào)整槳距角給定值P’ dem=Pdem+(AP/tw) Xtstep0直到計(jì)算的葉輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩相同或變槳控制器的輸出與修正后的槳距角給定值相同時(shí)停止修正變槳控制器的輸出，使得變槳系統(tǒng)能夠提前響應(yīng)風(fēng)速的增加，減小疲勞載荷。(4)當(dāng) QM小于發(fā)電機(jī)的當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩值時(shí)，則表明葉輪前方的風(fēng)速減小，需要減小槳距角來(lái)增加葉輪處風(fēng)能的捕獲，應(yīng)查表求的測(cè)量風(fēng)速Vwind對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)時(shí)槳距角值Pdes和當(dāng)前Pdem的差值A(chǔ)P=Pdes-Pdem，結(jié)合氣流到達(dá)葉輪的時(shí)間tw及控制器輸出周期tstep調(diào)整槳距角給定值P’ dem=Pdem+(AP/tw) Xtstep0直到計(jì)算的葉輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩相同或變槳控制器的輸出與修正后的槳距角給定值相同或者達(dá)到最小槳距角時(shí)停止修正變槳控制器的輸出，使得變槳系統(tǒng)能夠提前響應(yīng)風(fēng)速的減小，避免發(fā)電量的損失。本實(shí)用新型提供了一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輪轂處加裝激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量?jī)x，對(duì)輪轂前方約葉輪直徑2-3倍距離處的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，作為空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊的輸入；空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊通過(guò)測(cè)量的風(fēng)速和當(dāng)前葉輪的轉(zhuǎn)速和槳距角計(jì)算出葉輪未來(lái)時(shí)刻能夠產(chǎn)生的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩；控制器給定值修正模塊，包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值修正和槳距角給定值修正，根據(jù)測(cè)量的風(fēng)速值計(jì)算出該部分氣流到達(dá)葉輪的時(shí)間及對(duì)應(yīng)的葉輪空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，與當(dāng)前轉(zhuǎn)矩控制器的輸出比對(duì)以修正發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和變槳給定值，使得風(fēng)機(jī)能夠提前響應(yīng)風(fēng)速的變化，一方面在額定風(fēng)速以下時(shí)可以較好地跟蹤最佳葉尖速比，提高風(fēng)能利用率；另一方面在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)，根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)額定(或最大)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系調(diào)整變槳控制器的輸出，提前響應(yīng)風(fēng)速的變化，從而有效降低疲勞載荷或者發(fā)電量的損失。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡(jiǎn)單修改、等同變化或修飾，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，其特征在于包括 安裝在輪轂上，用于測(cè)量前方葉輪直徑2-3倍距離處氣流速度的測(cè)速儀； 內(nèi)置有轉(zhuǎn)矩控制器、變槳控制器、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和控制器給定值修正模塊的PLC控制器；以及 根據(jù)PLC控制器輸出的經(jīng)修正的轉(zhuǎn)矩給定值和槳距角給定值控制發(fā)電機(jī)和葉輪的風(fēng)電機(jī)組。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，其特征在于所述的測(cè)速儀為激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量?jī)x。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，包括安裝在輪轂上，用于測(cè)量前方葉輪直徑2-3倍距離處氣流速度的激光雷達(dá)測(cè)速儀；內(nèi)置有轉(zhuǎn)矩控制器、變槳控制器、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和控制器給定值修正模塊的PLC控制器；以及根據(jù)PLC控制器輸出的經(jīng)修正的轉(zhuǎn)矩給定值和槳距角給定值控制發(fā)電機(jī)和葉輪的風(fēng)電機(jī)組。本實(shí)用新型使基于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)能夠提前響應(yīng)風(fēng)速的變化，修正變槳和轉(zhuǎn)矩控制的效果，提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用率，有助于解決由于葉輪慣性和變槳系統(tǒng)延遲造成的整機(jī)疲勞載荷和發(fā)電量損失。
文檔編號(hào)F03D7/00GK202768249SQ20122038511
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者王建明, 潘磊, 汪正軍, 徐佳園, 何杰 申請(qǐng)人:國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司