本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急順槳控制方法。

背景技術(shù)：

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組在緊急停機(jī)時(shí)，通常會(huì)采取直接斷開(kāi)變頻器、并迅速順槳的停機(jī)邏輯，但此邏輯將導(dǎo)致葉片根部以及塔筒底部承受巨大的載荷沖擊，在GL2010規(guī)范的DLC1.5、DLC1.6工況中葉根揮舞方向彎矩、塔底前后方向彎矩就經(jīng)常出現(xiàn)極限載荷，葉片越長(zhǎng)該問(wèn)題尤為突出。

從能量傳遞角度分析，由制動(dòng)盤(pán)-動(dòng)量理論知，正常發(fā)電過(guò)程中制動(dòng)盤(pán)吸收風(fēng)能使尾流速度降低，制動(dòng)盤(pán)承受氣動(dòng)推力，緊急停機(jī)過(guò)程中制動(dòng)盤(pán)釋放能量使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)風(fēng)獲得能量，使得尾流速度增加，制動(dòng)盤(pán)承受相反的推力。

塔筒傾覆彎矩My、葉根揮舞彎矩My的沖擊載荷大于設(shè)計(jì)極限時(shí)，傳統(tǒng)的做法是調(diào)節(jié)緊急停機(jī)時(shí)的順槳速度，以減小沖擊載荷。但當(dāng)緊急停機(jī)的順槳速度變慢時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致葉片、塔筒正方向載荷的增加，同時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也會(huì)大幅上升帶來(lái)其他隱性問(wèn)題。

從氣動(dòng)特性角度分析，由原理可知，風(fēng)輪的氣動(dòng)參數(shù)的C_p、C_T、C_f主要與槳距角、葉尖速比有關(guān)。緊急停機(jī)過(guò)程中，由于變頻器斷開(kāi)機(jī)組負(fù)載迅速減小，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速快速上升，導(dǎo)致葉尖速比增加，同時(shí)快速順槳，導(dǎo)致槳距角增加過(guò)快，這使得推力系數(shù)C_f快速減小為零并繼續(xù)下降接近甚至超過(guò)正向的C_f最大值，從而機(jī)組承受到很大的反向推力。

由此可知緊急停機(jī)后，由于發(fā)電機(jī)負(fù)載迅速降低為0、槳距角的過(guò)快增加導(dǎo)致沖擊載荷過(guò)大。傳統(tǒng)的做法是調(diào)節(jié)緊急停機(jī)時(shí)的順槳速度，來(lái)減小沖擊載荷。但當(dāng)緊急停機(jī)的順槳速度變慢時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致葉片、塔筒正方向載荷的增加，同時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也會(huì)大幅上升帶來(lái)其他隱性問(wèn)題。因此簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)緊急停機(jī)中順槳速度的辦法，只能起到平衡正向載荷和負(fù)向載荷的作用，同時(shí)減小順槳速度會(huì)帶來(lái)更高極限風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。

《中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)》文章“基于功率變化和模糊控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速變槳距控制”采用功率實(shí)時(shí)反饋，將功率偏差和功率偏差的變化率作為模糊控制算法的輸入，輸出變槳速度指令；《電力電子技術(shù)》文章“兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組電動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)”對(duì)功率偏差信號(hào)的大小進(jìn)行了限制，降低了風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，功率發(fā)生變化是變槳距、機(jī)構(gòu)能夠快速響應(yīng)，但在額定風(fēng)速下，風(fēng)機(jī)輸出功率小于額定功率時(shí)，采用變速率變槳控制增加了算法的復(fù)雜性；中國(guó)發(fā)明專利201410640389.6“一種直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速率變槳系統(tǒng)及變槳方法”將風(fēng)速納入控制系統(tǒng)，對(duì)槳距角進(jìn)行了限制，使不同風(fēng)況下變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)都能夠快速做出響應(yīng)。以上所有方法都是在描述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下的變槳控制，對(duì)于停機(jī)后如何有效降低葉根和塔底載荷沒(méi)有涉及。

中國(guó)發(fā)明專利201310194005.8“在單個(gè)槳葉卡槳工況下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)方法”中介紹的變槳方法在單個(gè)槳葉卡槳工況下能有效降低載荷，但對(duì)于緊急停機(jī)時(shí)塔底和葉根極限載荷的形成及降低沒(méi)有分析，所述方法僅適用于卡槳工況，不具通用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急順槳變速率停機(jī)控制方法，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在緊急停機(jī)后通過(guò)變速率停機(jī)來(lái)解決沖擊載荷過(guò)大的問(wèn)題，從而降低風(fēng)電機(jī)組的極限載荷，進(jìn)而提高機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急順槳控制方法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急停機(jī)后，采用變速率停機(jī)策略。緊急停機(jī)剛開(kāi)始時(shí)快速順槳，以減小正向的載荷，當(dāng)槳距角達(dá)到限制角度或時(shí)間達(dá)到限制時(shí)間后減小順槳速度以減小負(fù)向極限載荷。

所述方法包括以下步驟：

1、確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速率停機(jī)分界點(diǎn)；

2、監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)狀態(tài)；

3、確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)模式；

4、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按照變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的變速率停機(jī)模式變槳。

所述步驟1的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速率停機(jī)分界點(diǎn)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)載荷曲線確定，具體步驟如下：

步驟1.1，得到機(jī)組槳距角為0°時(shí)的最大風(fēng)速

從風(fēng)電機(jī)組專業(yè)仿真軟件bladed中得到機(jī)組在靜態(tài)下的槳距角-風(fēng)速曲線，找出槳距角為0°時(shí)的最大風(fēng)速Vm/s，在該風(fēng)速下塔底傾覆彎矩My、葉根揮舞彎矩My的值最大，葉輪承受的推力Fx最大。

當(dāng)發(fā)生緊急停機(jī)時(shí)，風(fēng)速Vm/s下的塔底和葉根載荷極值最大，該風(fēng)速下得出的變速率最優(yōu)分界點(diǎn)可以保證其他風(fēng)速下的載荷滿足要求。

步驟1.2，確定風(fēng)速Vm/s的載荷零點(diǎn)

緊急停機(jī)發(fā)生后，塔底傾覆彎矩My、葉根揮舞彎矩My先正向增大，到達(dá)極大值然后迅速下降為0，并反向增至極小值。極大值和極小值的大小與變槳速率有關(guān)，變槳速率越大正向極大值越小，變槳速率越小負(fù)向極小值越小。

塔底傾覆彎矩My和葉根揮舞彎矩My的極大值與極小值的減小，對(duì)變槳速率的要求正好相反。風(fēng)速Vm/s下，以塔底傾覆彎矩My和葉根揮舞彎矩My等于零的時(shí)刻，即載荷過(guò)零點(diǎn)，作為變槳速率發(fā)生變化的分界點(diǎn)。

步驟1.3，確定變速率的最優(yōu)時(shí)間分界點(diǎn)或最優(yōu)角度分界點(diǎn)

仿真中采用不同的槳距角對(duì)變槳速率進(jìn)行分界，找到葉根揮舞彎矩My、塔底傾覆彎矩My過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，變速率時(shí)間分界點(diǎn)在此取值，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，就可得出變速率時(shí)間分界t。

葉根揮舞彎矩My、塔底傾覆彎矩My過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻在槳距角曲線中對(duì)應(yīng)的槳距角，變速率槳角分界點(diǎn)在此取值，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，就可得出變速率槳角分界點(diǎn)β。

所述步驟2，監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)狀態(tài)主要包括當(dāng)前風(fēng)速大小、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前槳距角狀態(tài)。

所述步驟3，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)模式的具體步驟如下：

步驟3.1，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組觸發(fā)緊急停機(jī)故障，并且故障觸發(fā)原因是編碼器失效，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)采用變槳模式1；

步驟3.2，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組觸發(fā)緊急停機(jī)故障，且當(dāng)前風(fēng)速為大風(fēng)速，即風(fēng)速3s均值大于切出風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)采用變槳模式2；

步驟3.3，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組觸發(fā)緊急停機(jī)故障，且不屬于上述兩種情況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)采用變槳模式3；

所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的變槳模式指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急停機(jī)故障觸發(fā)后變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用變速率停機(jī)的模式，包括三種方式：

變槳模式1：變速率以時(shí)間分界，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)先按速率1執(zhí)行快速順槳，t秒后按速率2執(zhí)行慢速順槳；

變槳模式2：變速率以槳距角分界，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)先按速率1執(zhí)行快速順槳，槳距角達(dá)到最優(yōu)槳距角分界點(diǎn)β后按速率2執(zhí)行慢速順槳；

變槳模式3：變速率以槳距角和時(shí)間共同作用分界，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)先按速率1執(zhí)行快速順槳，當(dāng)槳距角大于最優(yōu)槳距角分界點(diǎn)β，且時(shí)間超過(guò)t秒后按速率2執(zhí)行慢速順槳。

本發(fā)明有益效果在于：根據(jù)緊急停機(jī)后塔筒傾覆彎矩My、葉根揮舞彎矩My的沖擊載荷大的原因，制定出緊急順槳方案，即緊急停機(jī)剛開(kāi)始時(shí)快速順槳，以減小正向的載荷，當(dāng)槳距角達(dá)到限制角度或時(shí)間達(dá)到限制時(shí)間后須減小順槳速度以減小負(fù)向極限載荷。在具體變槳控制時(shí)，對(duì)于緊急停機(jī)后風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不同狀態(tài)采用不同的變槳模式進(jìn)行分類控制，有針對(duì)性的降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急停機(jī)后葉根和塔底的極限載荷。

附圖說(shuō)明

圖1a風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī)控制方法的控制圖；

圖1b變槳執(zhí)行系統(tǒng)模式選擇器流程圖；

圖2a風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔底、葉根載荷曲線；

圖2b風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉根Fx曲線；

圖3a風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉根載荷過(guò)零點(diǎn)；

圖3b風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔底載荷過(guò)零點(diǎn)；

圖4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)間分界點(diǎn)和槳距角分界點(diǎn)；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1a所示，本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急順槳控制方法的實(shí)施例，包括以下步驟：

步驟1，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速率停機(jī)分界點(diǎn)；

步驟2，監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)狀態(tài)；

步驟3，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)模式，具體流程見(jiàn)圖1b；

步驟4，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按照變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的變速率停機(jī)模式變槳。

所述步驟1的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速率停機(jī)分界點(diǎn)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)載荷曲線確定，具體步驟如下：

步驟1.1：機(jī)組槳距角為0°時(shí)的最大風(fēng)速V

圖2為實(shí)施例一風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)曲線。從風(fēng)電機(jī)組專業(yè)仿真軟件bladed中得到機(jī)組在靜態(tài)下的槳距角-風(fēng)速曲線，找出槳距角為0°時(shí)的最大風(fēng)速V＝10.1m/s，如圖2a所示.在10.1m/s風(fēng)速下塔底傾覆彎矩My、葉根揮舞彎矩My的值最大，葉輪承受的推力Fx最大,，如圖2b所示。

當(dāng)發(fā)生緊急停機(jī)時(shí)，相同環(huán)境下V＝10.1m/s風(fēng)速下的載荷極值最大，由該風(fēng)速下確定出的變速率最優(yōu)分界點(diǎn)可以保證其他風(fēng)速下的載荷滿足要求。

步驟1.2：確定槳距角為0°時(shí)的最大風(fēng)速的載荷零點(diǎn)

從載荷上，希望發(fā)生緊急停機(jī)后，正向載荷小，負(fù)向沖擊載荷也小。通過(guò)仿真已驗(yàn)證：變槳速率越大正向載荷越小，變槳速率越小負(fù)向沖擊載荷也越小。故以載荷零點(diǎn)作為變速率的分界點(diǎn)，如圖3a、3b所示。

步驟1.3：確定變速率的最優(yōu)時(shí)間分界點(diǎn)t或最優(yōu)角度分界點(diǎn)β

仿真中采用不同的槳距角對(duì)變槳速率進(jìn)行分界，找到葉根My、塔底My過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻t，變速率時(shí)間分界點(diǎn)在此取值，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，就可得出變速率時(shí)間分界t。

葉根My、塔底My過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻在槳距角曲線中對(duì)應(yīng)的槳距角，變速率槳角分界點(diǎn)在此取值，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，便可得出變速率槳角分界點(diǎn)β，如圖4所示。

所述步驟2監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)狀態(tài)主要包括當(dāng)前風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前槳距角狀態(tài)。

所述步驟3，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)模式的具體步驟如下：

步驟3.1：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組觸發(fā)緊急停機(jī)故障，并且故障觸發(fā)原因是編碼器失效，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)采用變槳模式1；

步驟3.2：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組觸發(fā)緊急停機(jī)故障，且當(dāng)前風(fēng)速為大風(fēng)速，即風(fēng)速3s均值大于切出風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)采用變槳模式2；

步驟3.3：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組觸發(fā)緊急停機(jī)故障，且不屬于上述兩種情況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)采用變槳模式3；

所述步驟3.1，步驟3.2和步驟3.3中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳執(zhí)行系統(tǒng)采用的變槳模式1、2、3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急停機(jī)故障觸發(fā)后變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用變速率停機(jī)的模式，包括三種方式：

變槳模式1：變速率以時(shí)間分界，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)先按速率1執(zhí)行快速順槳，t秒后按速率2執(zhí)行慢速順槳；

變槳模式2：變速率以槳距角分界，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)先按速率1執(zhí)行快速順槳，槳距角達(dá)到最優(yōu)槳距角分界點(diǎn)β后按速率2執(zhí)行慢速順槳；

變槳模式3：變速率以槳距角和時(shí)間共同作用分界，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)先按速率1執(zhí)行快速順槳，當(dāng)槳距角大于最優(yōu)槳距角分界點(diǎn)β，且時(shí)間超過(guò)t秒后按速率2執(zhí)行慢速順槳。