一種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于風力發(fā)電變槳控制【技術(shù)領(lǐng)域】的一種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法。該方法步驟為：1）采用理論修正與誤差辨識相結(jié)合的方法修正測量風速；2）計算風剪切、塔影效應(yīng)影響下的槳葉載荷預(yù)測值；3）對獨立變槳控制槳距角進行分配計算。本方法無需裝設(shè)槳葉載荷傳感器就能通過獨立變槳進行載荷控制，延長風電機組使用壽命和降低故障率；載荷計算時考慮了風速修正、風剪切、塔影效應(yīng)，使載荷計算更加準確；結(jié)合變槳執(zhí)行機構(gòu)的變槳速率與頻率提出一種槳距角分配方法，保證控制的快速性和實時性；利用載荷預(yù)測由統(tǒng)一變槳控制器輸出的槳距角控制量和載荷優(yōu)化補償量之和得到各個槳葉槳距角，在保證功率控制的同時實現(xiàn)載荷控制。
【專利說明】—種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風力發(fā)電變槳控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于風力發(fā)電機組不斷向大型化發(fā)展，塔架高度和風輪直徑也隨之增加，風湍流、風剪切、塔影等效應(yīng)的存在使得整個槳葉掃掠平面內(nèi)風速差異明顯增大，這不但影響了統(tǒng)一變槳距的控制效果，而且各處不一致的風速作用風輪上必然引起載荷不均衡。葉輪上的不均衡載荷會給變槳軸承、輪轂、主軸、偏航軸承、塔架等風電機組關(guān)鍵部件造成很大疲勞載荷，同時引發(fā)的風電機組零部件長時間的大幅度振動，對整個風電機組運行的穩(wěn)定性以及疲勞壽命有著直接的不良影響。獨立變槳距控制技術(shù)是基于風輪掃掠面內(nèi)風速的變化以及風電機組各部件承受氣動載荷，獨立控制三個葉片槳距角的技術(shù)，目的在于限制風輪輸出功率，同時改善風電機組所受氣動載荷。
[0003]目前大型風電機組的獨立變槳距控制形成了兩種主要控制方法:一種是基于槳葉方位角的獨立變槳距控制，另一種是基于槳葉載荷的獨立變槳距控制。前者根據(jù)槳葉的方位角，對統(tǒng)一變槳控制器給出槳距角控制量進行重新分配，典型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1，該控制算法簡單，對風剪切、塔影效應(yīng)引起的載荷不均衡可以起到較好的控制效果，但檢測量不包含風電機組實際載荷，無法實現(xiàn)載荷的反饋控制，對風湍流引起的不均衡載荷不能起到較好的抑制作用；第二種方法是采用傳感器進行槳葉載荷測量，把圖2a)所示的旋轉(zhuǎn)坐標系下測量載荷經(jīng)過坐標變換到圖2b)所示的固定坐標系中，再對多變量耦合系統(tǒng)進行解耦控制，典型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，這種方法控制效果好于前一種方法，但需要測量槳葉載荷，控制算法也相對復(fù)雜，在國外大型風電機組中已經(jīng)應(yīng)用。
[0004]但由于目前我國絕大多數(shù)風電機組未在葉片上裝設(shè)載荷傳感器，因此第二種方法不易實現(xiàn)。采用基于方位角的載荷控制技術(shù)對現(xiàn)有風電機組進行獨立變槳控制更具現(xiàn)實性。如何根據(jù)槳葉方位角對統(tǒng)一變槳控制器輸出的槳距角控制量進行分配成為主要第一種方法的主要研究內(nèi)容，目前主要研究成果存在如下問題:
[0005]I)利用權(quán)系數(shù)分配槳距角來實現(xiàn)獨立變槳。對于權(quán)系數(shù)的計算，一般采用槳葉某處(如R/2或3R/4處)風速的平方作為權(quán)系數(shù)的運算依據(jù)，至于取何處風速目前仍沒有統(tǒng)一的位置確定方法，而且其合理性還有待證明。
[0006]2)采用智能控制算法(模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)進行權(quán)系數(shù)計算或槳距角分配。因目前多數(shù)PLC并不支持智能控制算法，智能控制中大量的數(shù)據(jù)計算也會影響控制器的實時性，因此難以應(yīng)用于實際的風電機組。
[0007]3)以揮舞載荷計算平均值作為控制器設(shè)定值來實現(xiàn)獨立載荷控制。當三個槳葉揮舞載荷相等時，葉輪的偏航力矩和俯仰力矩并不平衡。
[0008]4)以方位角的某些三角函數(shù)(如正弦值)作為調(diào)整槳距角的權(quán)系數(shù)。雖可保證任一時刻各槳葉槳距角相對統(tǒng)一給定槳距角調(diào)整量之和為零，但沒有從理論上分析合理性與是否最優(yōu)。
[0009]以上的幾種分配方法沒有考慮變槳執(zhí)行機構(gòu)的變槳速率限制，這也使得許多控制策略的仿真效果在實際中難以達到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法，其特征在于，該方法的具體步驟為:
[0011]步驟1:采用理論修正與誤差辨識相結(jié)合的方法修正測量風速；[0012]步驟2:計算風剪切、塔影效應(yīng)影響下的槳葉載荷預(yù)測值；
[0013]步驟3:對獨立變槳控制槳距角進行分配計算。
[0014]所述步驟I具體包括以下子步驟:
[0015]子步驟11:利用風輪動量理論對測量風速進行理論修正，采用如下公式:
[0016]2 P jiR2V3-2p jiR2V/ V2-P' = O ；
[0017]其中，P’為風電機組發(fā)電功率；P為空氣密度；R為風輪半徑；V'為測量風速；V為輪轂處實際風速；
[0018]利用計算機迭代求解上式得到測量風速修正值V"，V" e [V' ,VratLVtjut為切出風速；
[0019]子步驟12:基于測風塔風速數(shù)據(jù)的誤差辨識，得到風電機組輪轂處實際風速；
[0020]當風電機組處于測量風速低于額定風速時，進行最大風能捕獲控制，此時槳距角保持最佳角度Ptl不變，則:
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法，其特征在于，該方法的具體步驟為: 步驟1:采用理論修正與誤差辨識相結(jié)合的方法修正測量風速； 步驟2:計算風剪切、塔影效應(yīng)影響下的槳葉載荷預(yù)測值； 步驟3:對獨立變槳控制槳距角進行分配計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法，其特征在于，所述步驟I具體包括以下子步驟: 子步驟11:利用風輪動量理論對測量風速進行理論修正，采用如下公式:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法，其特征在于，所述步驟2包括: 對于能獲得槳葉翼型詳細參數(shù)的風電機組，采用基于葉素理論的槳葉載荷計算公式計算葉根揮舞彎矩MYBi:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于無載荷測量的風電機組獨立變槳控制方法，其特征在于，所述步驟3具體包括以下子步驟: 子步驟31:對葉根揮舞彎矩Mym進行坐標變換，公式如下:
【文檔編號】F03D7/04GK103850876SQ201410097446
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】高峰, 呂躍剛, 劉俊承, 肖運啟, 王偉 申請人:華北電力大學(xué)