[发明专利]变速恒频风力发电机在额定转速阶段的变桨控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备的运行控制方法，特别是涉及一种变速恒频风力发电机在额定转速阶段的变桨控制方法。

背景技术

风电是重要的洁净能源，其开发利用日益受到重视。目前，变桨距技术在大型风力发电机组中已广泛使用，适当的变桨控制策略可以使风力发电机叶片处于更好的流动状态下以获得更多的风能，从而在发电功率上得到可观的变桨距效益；另外一方面，还可以有效地减小风轮推力及叶根弯矩等气动载荷，从而减小风力发电机设计对强度、疲劳的要求，增加风力发电机运行的可靠性。因此，变桨距控制技术也逐渐引起了本领域技术人员的极大地重视。

变速恒频风力发电机组的运行状态根据风况不同可分为四种不同的阶段，请参阅图1所示，分别是恒速并网(切入)阶段、最大Cp阶段，额定转速阶段和额定功率阶段：当到达切入风速时，发电机以最小转速切入，此时风力发电机运行在很大的叶尖速比下，在该阶段，发电机保持最小转速；随着风速的提高，叶尖速比逐渐减小，当叶尖速比达到最佳叶尖速比时，风力发电机运行进入第二个阶段，即最大Cp阶段，在该阶段电机通过对转速转矩的调节使得风力发电机始终运行在最佳Cp的状态；当电机达到额定转速时，风力发电机运行进入第三个阶段，在额定转速下，风力发电机叶尖速比随着风速的提高而逐渐降低，并不断的偏离最佳叶尖速比，在该阶段，风力发电机运行功率系数明显降低，但由于风速不断提高，风力发电机功率逐渐向额定状态靠近；在达到额定状态时，风力发电机保持电机额定转速、转矩，并通过变桨控制使电机维持在恒功率状态。在这四个阶段中，不同的变桨控制策略会使风力发电机运行在不同的Cp-λ曲线上，通常情况下，在额定转速阶段叶片桨距角保持为零度，在额定转速阶段，风能较大，但该阶段风力发电机运行已偏离最佳Cp。

由此可见，如何能创设一种可保证变速恒频风力发电机在额定转速阶段保持最佳功率的新的变速恒频风力发电机在额定转速阶段的变桨控制方法，已成为当前业界极需研究的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种变速恒频风力发电机在额定转速阶段的变桨控制方法，使其可保证变速恒频风力发电机在额定转速阶段保持最佳功率。

为解决上述技术问题，本发明一种变速恒频风力发电机在额定转速阶段的变桨控制方法，包括以下步骤：A.求解风力发电机在不同桨距角下对应的Cp-λ曲线；B.找出Cp-λ曲线族最大的外包络线Cp_max-λ及不同叶尖速比所对应的叶片桨距角；C.在额定转速阶段，根据来流风速求解出风力发电机运行的叶尖速比；D.根据叶尖速比调整叶片桨距角，使得风力发电机运行在Cp-λ曲线族的外包络线上。

采用这样的设计后，本发明可保证变速恒频风力发电机在额定转速阶段保持最佳功率，从而可转化更多的风能：在低海拔下，可以在一定程度上提高发电量；在高海拔下，更可在大幅提高发电功率的同时，大幅减小风轮载荷，提高风力发电机运行的安全可靠性，具有重要的工程意义。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是现有风力发电机在不同桨距角下的Cp-λ曲线图。

图2是本发明具体实施例的来流风速-叶片桨距角曲线图。

图3是本发明具体实施例额定转速变桨后风机运行的Cp-λ曲线图。

图4是本发明具体实施例风机运行的C_T-λ曲线图。

图5是本发明具体实施例额定转速阶段提前变桨后风机运行的C_My-λ曲线图。

图6是本发明具体实施例在海平面高度下的静态功率曲线图。

图7是本发明具体实施例在不同海拔高度下的静态功率曲线图。

图8是本发明具体实施例额定功率前在不同海拔高度下风轮推力随风速的变化图。

图9是本发明具体实施例额定功率前在不同海拔高度下叶根挥舞弯矩随风速的变化图。

具体实施方式

在额定转速阶段(低于最佳叶尖速比区域)，不同桨距角对应的Cp-λ曲线存在一个功率最优的包络线，当风力发电机运行在该包络线时，风力发电机可转化更多的风能。要得到该包络线，首先要准确的求解出特定风力机在不同桨距角下对应的Cp-λ曲线。

给定叶尖速比λ，功率系数Cp可通过下列步骤求出：

1.诱导因子的求解。

(1)假设轴向诱导因子a和周向诱导因子b的初值，可取为0。

(2)计算入流角。入流角其中λ为叶尖速比，r为叶素距轮毂中心的距离，R为风轮半径。