獲得風力發(fā)電機風速值的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術(shù)，通過建立風速估計的數(shù)學模型，采集可靠的測量信息， 由風速估計模型計算出輪轂中心高度處風速，從而可以替代風力發(fā)電機組傳統(tǒng)的風速儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，是采用風速儀直接測量來流風的風速值，該風速儀具有一個機械式風杯，作 為一次檢測元件，安裝在機艙尾部，通過該風杯測得的風速并不是風輪正前方的風速，而是 受到了風輪旋轉(zhuǎn)尾流影響的風速，與實際的未受擾動的風速存在較大偏差。另外，由于機械 式風杯具有轉(zhuǎn)動慣量，而我國風力發(fā)電機組大部分安裝在風沙大、氣候寒冷的野外地區(qū)，容 易受風沙侵蝕和結(jié)冰影響，造成測量精度低，易損壞。為了提高測量的可靠性，通常會安裝 兩個及兩個以上的風速儀進行冗余保護，一般將多個風速儀測量的值進行平均作為實測風 速。為了檢測風速儀是否失效，保護風力發(fā)電機組安全運行，通常需設(shè)計相應(yīng)的保護邏輯， 但也只能判斷風速儀是否有故障，具體哪一個風速儀出現(xiàn)故障或全部風速儀是否故障，還 沒有準確有效的判斷方法，只能進行全部更換，給現(xiàn)場維護檢修帶來額外工作量。當風力發(fā) 電機組運行于切出風速附近時，若風速測量值有誤，則風力發(fā)電機組的運行載荷可能會高 于設(shè)計值，給機組安全帶來巨大隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述問題，提出一種技術(shù)方案，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，利用風力發(fā) 電機組現(xiàn)有的測量信號計算出風輪正前方的風速，從而可以替代傳統(tǒng)機械式風速儀。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0005] -種獲得風力發(fā)電機風速值的方法，利用風力發(fā)電機中與風速有對應(yīng)關(guān)系的參 數(shù)，建立起求解風速、風向的數(shù)學模型，通過該模型計算得到風速值。
[0006] 所述建立起求解風速的數(shù)學模型的步驟是：
[0007] 對風力發(fā)電機組的傳動鏈模型進行折算，把低速軸的變量折算到高速軸，并認為 整個模型為剛性模型，得到簡化傳動鏈模型，并設(shè)風輪輪轂前面最高點為風速計算的采樣 點，由剛性模型假設(shè)，列出風輪傳動鏈力學模型如下：
[0008]
⑴
[0009] 其中：
[0010] Ta表示風輪上氣動力矩（折算到高速軸側(cè)）；
[0011] Te表示發(fā)電機電磁力矩；
[0012] ω表示高速軸轉(zhuǎn)速；
[0013] J表示折算后轉(zhuǎn)動慣量。
[0014] 在⑴等式兩端同時乘以ω可得：
[0015]
(2)
[0016] 進一步對（2)式變形可得能量守恒方程：
[0017]
(3)
[0018] 其中：
[0019] ?&表示風輪上吸收的氣動功率；
[0020] Pg表示發(fā)電入口電功率；
[0021]
表示加速度功率。
[0022] 風能利用率方程如下：
[0023] (4)：
[0024] (5)
[0025] 其中：
[0026] Pw表示風速中含有的能量；
[0027] Cp表不風能利用率；
[0028] P表示空氣密度；
[0029] A表示風輪掃風面積；
[0030] U表示風速。
[0031] 葉尖速比的定義：
[0032]
(6)
[0033] 其中：
[0034] R表示風輪半徑；
[0035] U表示風速；
[0036] Ω表不風輪轉(zhuǎn)速。
[0037] 把（6)帶入（5)可得：
[0038]
:(7+)
[0039] 式（7)中第二個等式是通過齒輪箱速比換算關(guān)系ω = GQ (G表示齒輪箱傳動比） 得到，再把（7)帶入（3)可得：
[0040]
(0):
[0041] 通過葉片氣動性能計算，可以得到Cp與葉尖速比λ和葉片槳距角β之間的非線 性氣動方程，可以用下面式子表示：
[0042]
(9)
[0043] 由公式⑶（9)可以得到以下等式：[0044]
(10)
[0045] 在公式（7)至（10)中，下列參數(shù)均為已知參數(shù)；
[0046] PG，ω，β通過傳感器測量得到；
[0047] P通過氣象站測得；
[0048] A，G，R，J是風機既定設(shè)計參數(shù)；
[0049] 可以通過葉片氣動性能計算得到；
[0050] 在公式（10)中，僅有λ -個未知量，只能通過數(shù)值計算求解，具體求解方法如 下：
[0051] 1)通過風機的設(shè)計參數(shù)可以確定尖速比λ的取值范圍；
[0052] 2)在λ的取值范圍內(nèi)按照一定步長劃分為不同取值點，即A1J = 1，2, 3···
[0053] 3)設(shè)定數(shù)值計算誤差限ε，并令
[0054] Cu)
[0055] 當fUJ < ε時，即可認為入為（10)式的解
[0056] 由上述計算過程，可以得到葉尖速比λ，進一步，由葉尖速比的定義（6)可以計算 出當前風速
[0057]
(12)
[0058] 本發(fā)明的有益效果：
[0059] 風速計算的采樣點是風輪輪轂前面的最高點，選點正確，獲得的風速值真實可 靠，且精度高，沒有測量誤差；無需使用風速測量裝置，減少硬件成本，只需編寫相應(yīng)的軟件 程序即可實現(xiàn)，不影響風機正常運行，不易受外界環(huán)境影響，不受風力發(fā)電機組容量限制， 可以擴展到大功率等級機組。
【附圖說明】：
[0060] 圖1是風力發(fā)電機組傳動鏈模型示意圖。
[0061] 圖2是風力發(fā)電機組傳動鏈簡化模型示意圖。
【具體實施方式】
[0062] 圖1是風力發(fā)電機組的傳動鏈模型示意圖，把圖1的模型進行折算，把低速軸的變 量折算到高速軸，并認為整個模型為剛性模型，得到圖2的簡化傳動鏈模型。并設(shè)風輪輪轂 前面最高點為風速計算的采樣點。由剛性模型假設(shè)，可以列出風輪傳動鏈力學模型如下公 式：
[0063]
(1)
[0064] 其中：
[0065] Ta表示風輪上氣動力矩（折算到高速軸側(cè)）；
[0066] Te表示發(fā)電機電磁力矩；
[0067] ω表示高速軸轉(zhuǎn)速；
[0068] J表示折算后轉(zhuǎn)動慣量。
[0069] 在（1)等式兩端同時乘以ω可得：
[0070]
(2)
[0071] 進一步對（2)式變形可得能量守恒方程：
[0072]
C3)
[0073] 其中：
[0074] ?&表示風輪上吸收的氣動功率；
[0075] Pg表示發(fā)電入口電功率；
[0076]
表示加速度功率。
[0077] 風能利用率方程如下：
[0078] (?)
[0079] (5)
[0080] 其中：
[0081] Pw表示風速中含有的能量；
[0082] Cp表不風能利用率；
[0083] P表不空氣密度；
[0084] A表示風輪掃風面積；
[0085] U表示風速。
[0086] 葉尖速比的定義：
[0087]
(b)
[0088] 其中：
[0089] R表示風輪半徑；
[0090] U表示風速；
[0091] Ω表示風輪轉(zhuǎn)速。
[0092] 把（6)帶入（5)可得：
[0093]
(.7)
[0094] 式（7)中第二個等式是通過齒輪箱速比換算關(guān)系ω = GQ (G表示齒輪箱傳動比） 得到，再把（7)帶入（3)可得：
[0095]
(8)
[0096] 在公式⑶中：Pp ω可以同過傳感器測量得到，ρ可以通過氣象站測得，A，G，R， J是在風力發(fā)電機組設(shè)計時候就可以確定，均為易檢測和確定的量，而Cp則為不易檢測量。 但是，通過葉片氣動性能計算，可以得到Cp與葉尖速比λ和葉片槳距角β之間的非線性 氣動方程，可以用下面式子表示：
[0097] CN 105138845 A m ~P 5/5 頁
(9)
[0098] 由公式⑶（9)可以得到以下等式：[0099]
(10)
[0100] 在公式（10)中：
[0101] PG，ω，β可以通過傳感器測量得到；
[0102] P可以通過氣象站測得；
[0103] A，G，R，J是在風機設(shè)計時候就可以確定；
[0104] 可以通過葉片氣動性能計算得到。
[0105] 通過以上分析，我們可以知道，在公式（10)中，僅有λ -個未知量，而其余物理量 都可以通過一定方法得到，只不過公式（10)并不是一個可以求得解析解的初等方程，因此 只能通過數(shù)值計算求解，具體求解方法如下：
[0106] 4)通過風機的設(shè)計參數(shù)可以確定尖速比λ的取值范圍
[0107] 5)在λ的取值范圍內(nèi)按照一定步長劃分為不同取值點，g卩A1J = 1，2, 3···
[0108] 6)設(shè)定數(shù)值計算誤差限ε，并令
[0109] (11)
[0110] 當fUJ < ε時，即可認為入為（10)式的解
[0111] 由上述計算過程，可以得到葉尖速比λ，進一步，由葉尖速比的定義（6)可以計算 出當前風速
[0112]
(12)
[0113] 從而得到風速，也就可以替換傳統(tǒng)機械式風速儀。
[0114] 本方案具有易實現(xiàn)，對現(xiàn)有運行風機系統(tǒng)不需做硬件改造，同時具有廣泛的適應(yīng) 性，能夠在不同環(huán)境下使用。本方案不受風機容量限制，可以擴展到以后的大功率風力機組 上，因此具有很好的可行性。
【主權(quán)項】
1. 一種獲得風力發(fā)電機風速值的方法，利用風力發(fā)電機中與風速有對應(yīng)關(guān)系的參數(shù)， 建立起求解風速的數(shù)學模型，通過該模型計算得到風速值。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立起求解風速的數(shù)學模型的步驟是： 對風力發(fā)電機組的傳動鏈模型進行折算，把低速軸的變量折算到高速軸，并認為整個 模型為剛性模型，得到簡化傳動鏈模型，并設(shè)風輪輪轂前面最高點為風速計算的采樣點，由 剛性模型假設(shè)，列出風輪傳動鏈力學模型如下：其中： Ta表示風輪上氣動力矩（折算到高速軸側(cè)）； Te表示發(fā)電機電磁力矩； ?表示高速軸轉(zhuǎn)速； J表示折算后轉(zhuǎn)動慣量； 在⑴等式兩端同時乘以《可得：其中： 卩$表示風輪上吸收的氣動功率； Pti表示發(fā)電入口電功率；其中： Pw表示風速中含有的能量； Cp表示風能利用率； P表示空氣密度； A表示風輪掃風面積； U表示風速； 葉尖速比的定義：其中： R表示風輪半徑； U表示風速； Q表示風輪轉(zhuǎn)速； 把（6)帶入（5)可得：式（7)中第二個等式是通過齒輪箱速比換算關(guān)系co = GQ得到，再把（7)帶入（3)可 得：其中：G表示齒輪箱傳動比， 通過葉片氣動性能計算，可以得到Cp與葉尖速比A和葉片槳距角0之間的非線性氣 動方程，可以用下面式子表示：在公式（7)至（10)中，下列參數(shù)均為已知參數(shù)； Pp ?，P通過傳感器測量得到； P通過氣象站測得； A，G，R，J是風機既定設(shè)計參數(shù)； 可以通過葉片氣動性能計算得到； 在公式（10)中，僅有X -個未知量，只能通過數(shù)值計算求解，具體求解方法如下： 1) 通過風機的設(shè)計參數(shù)可以確定尖速比A的取值范圍； 2) 在A的取值范圍內(nèi)按照一定步長劃分為不同取值點，g卩A i = 1，2, 3… 3) 設(shè)定數(shù)值計算誤差限e，并令當f U1) < e時，即可認為人$ (10)式的解 由上述計算過程，可以得到葉尖速比X，進一步，由葉尖速比的定義（6)可以計算出當 前風速
【專利摘要】本發(fā)明共公開一種獲得風力發(fā)電機風速值的方法，利用風力發(fā)電機中與風速有對應(yīng)關(guān)系的參數(shù)，建立起求解風速的數(shù)學模型，通過該模型計算得到風速值。其優(yōu)點是，風速采樣選點正確，獲得的風速值真實可靠，且精度高,沒有測量誤差；無需使用風速測量裝置。
【IPC分類】G06F19/00
【公開號】CN105138845
【申請?zhí)枴緾N201510543225
【發(fā)明人】蘭杰, 莫爾兵, 林志明, 王其君, 尹景勛, 林淑
【申請人】東方電氣風電有限公司
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月28日