[发明专利]风力发电机组基于叶根载荷与塔架载荷的降载控制方法

摘要

本发明公开了一种风力发电机组基于叶根载荷与塔架载荷的降载控制方法，包括步骤：1)在叶轮每一只叶片的根部贴装载荷传感器，直接测量叶片叶根挥舞方向弯矩和摆振方向弯矩，计算得到叶根面外弯矩和叶根面内弯矩；2)在塔筒顶端和底端贴装载荷传感器，测量塔顶弯矩，根据转换公式计算得到塔顶俯仰方向弯矩和塔顶左右方向弯矩，测量塔底弯矩，根据转换公式计算得到塔底俯仰方向弯矩和塔底左右方向弯矩；3)定义极限载荷、安全因子、载荷触发标志；4)通过Flag标志位能够判断机组是否触发载荷限制，当载荷触发时，将采取相应的控制。本发明可实现机组的降载控制，降低机组在极限工况下的载荷，保障机组的安全运行。

主权项

1.风力发电机组基于叶根载荷与塔架载荷的降载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在风力发电机组叶轮每一只叶片的根部贴装载荷传感器，通过传感器直接测量叶片叶根挥舞方向弯矩M_Flap和摆振方向弯矩M_Edge，计算得到叶根面外弯矩M_OutPlane和叶根面内弯矩M_InPlane，叶根面外弯矩M_OutPlane体现叶片叶根在叶轮推力方向载荷，而叶根面内弯矩M_InPlane体现叶片叶根在叶轮旋转方向载荷；叶根挥舞方向弯矩M_Flap和摆振方向弯矩M_Edge是定义在叶片弦线坐标系中，叶片弦线坐标系定义为：Y轴沿弦线方向指向后缘，Z轴沿叶片矩轴指向叶尖，X轴与Y、Z轴垂直；叶根挥舞方向弯矩M_Flap为叶片弦线坐标系中M_YS方向，摆振方向弯矩M_Edge为叶片弦线坐标系中M_XS方向；叶片弦线坐标系是固定在叶片上，随变桨角度而旋转；叶根面外弯矩M_OutPlane和叶根面内弯矩M_InPlane是定义在叶片叶根坐标系中；叶片叶根坐标系定义为：X轴沿轮毂旋转轴指向机尾，Y轴在叶轮旋转平面与Z轴垂直，Z轴沿叶片指向叶尖；叶根面外弯矩M_OutPlane为叶根坐标系中M_YB方向，叶根面内弯矩M_InPlane为叶根坐标系中M_XB方向；叶根坐标系是固定在轮毂上的，随轮毂的旋转而旋转；叶根挥舞方向弯矩M_Flap和摆振方向弯矩M_Edge变换到叶根面外弯矩M_OutPlane和叶根面内弯矩M_InPlane的计算公式如下：其中，β₁、β₂、β₃分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的桨距角，M_Flap1、M_Flap2、M_Flap3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根挥舞弯矩，M_Edge1、M_Edge2、M_Edge3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根摆振弯矩，M_OutPlane1、M_OutPlane2、M_OutPlane3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根面外弯矩，M_InPlane1、M_InPlane2、M_InPlane3分别是桨叶1、桨叶2、桨叶3的叶根面内弯矩；在公式(1)(2)(3)中，叶根载荷M_Flap1、M_Flap2、M_Flap3和M_Edge1、M_Edge2、M_Edge3由载荷传感器测量得到，桨距角β₁、β₂、β₃也为测量值，叶根载荷M_OutPlane1、M_OutPlane2、M_OutPlane3和M_InPlane1、M_InPlane2、M_InPlane3由公式计算得出；2)在风力发电机组塔筒顶端和塔筒底端贴装载荷传感器，通过传感器直接测量塔顶弯矩M_TopX和弯矩M_TopY，根据转换公式计算得到塔顶俯仰方向弯矩M_TopTilt和塔顶左右方向弯矩M_TopSide；通过安装在塔底的传感器，直接测量塔底弯矩M_BottomX和弯矩M_BottomY，根据转换公式计算得到塔底俯仰方向弯矩M_BottomTilt和塔底左右方向弯矩M_BottomSide；塔顶弯矩M_TopX与弯矩M_TopY是定义在塔架塔顶坐标系中，塔底弯矩M_BottomX与弯矩M_BottomY是定义在塔架塔底坐标系中；塔架塔顶坐标系与塔架塔底坐标系定义是相同的，只是坐标原点分别在塔顶和塔底；塔架坐标系X轴指向南，Y轴指向东，Z轴垂直向上；塔顶俯仰方向弯矩M_TopTilt和塔底俯仰方向弯矩M_BottomTilt是考虑机舱偏航角度后的塔架前后方向的弯矩，塔顶左右方向弯矩M_TopSide和塔底左右方向弯矩M_BottomSide是考虑机舱偏航角度后的塔架左右方向的弯矩；由塔顶弯矩M_TopX和弯矩M_TopY转换到塔顶俯仰方向弯矩M_TopTilt和塔顶左右方向弯矩M_TopSide的公式如下：由塔底弯矩M_BottomX与弯矩M_BottomY转换到塔底俯仰方向弯矩M_BottomTilt和塔底左右方向弯矩M_BottomSide的公式如下：在公式(4)(5)中，是机舱偏航角度，塔顶弯矩M_TopX、M_TopY和塔底弯矩M_BottomX、M_BottomY是通过载荷传感器直接测量得到，而塔顶弯矩M_TopTilt、M_TopSide和塔底弯矩M_BottomTilt、M_BottomSide是通过公式计算得到；3)定义极限载荷、安全因子、载荷触发标志对于叶片，需要定义的极限载荷有：叶根面内极限载荷M_InPlaneMax、叶根面外极限载荷M_OutPlaneMax；对于塔顶，需定义的极限载荷有：塔顶俯仰极限载荷M_TopTiltMax和塔顶左右极限载荷M_TopSideMax；对于塔底，需定义的极限载荷有：塔底俯仰极限载荷M_BottomTilt和塔底左右极限在M_BottomSide；极限载荷为机组在各种工况下所允许的最大载荷；对于叶片载荷，需要定义的安全因子有：叶根面内安全因子γ₁和叶根面外安全因子γ₂；对于塔顶载荷，需要定义的安全因子有：塔顶俯仰安全因子γ₃和塔顶左右安全因子γ₄；对于塔底载荷，需要定义的安全因子有：塔底俯仰安全因子γ₅和塔底左右安全因子γ₆；安全因子的取值范围是0到1，表示当载荷超过安全因子与极限载荷的成积，将采取控制；对于叶片载荷，需要定义的载荷触发标志有：叶根面内载荷触发标志Flag1和叶根面外载荷触发标志Flag2；对于塔顶载荷，需要定义的载荷触发标志有：塔顶俯仰载荷触发标志Flag3和塔顶左右载荷触发标志Flag4；对于塔底载荷，需要定义的载荷触发标志有：塔底俯仰载荷触发标志Flag5和塔底左右载荷触发标志Flag6；载荷触发标志用来表示载荷是否触发超限，载荷触发标志为逻辑量，对于每一个载荷触发标志，触发条件如下：Flag1＝(M_InPlane1>γ₁*M_InPlaneMax)OR(M_InPlane2>γ₁*M_InPlaneMax)OR(M_InPlane3>γ₁*M_InPlaneMax)Flag2＝(M_OutPlane1>γ₂*M_OutPlaneMax)OR(M_OutPlane2>γ₂*M_OutPlaneMax)OR(M_OutPlane3>γ₂*M_OutPlaneMax)Flag3＝(M_TopTilt>γ₃*M_TopTiltMax)Flag4＝(M_TopSide>γ₄*M_TopSideMax)Flag5＝(M_BottomTilt>γ₅*M_{BottomTiltMax})Flag6＝(M_BottomSide>γ₆*M_{BottomSideMax})除此之外，还需定义一个总的触发标志位Flag，当任意一个触发标志被触发时，Flag都被触发，有以下逻辑表达式：Flag＝(Flag1)OR(Flag2)OR(Flag3)OR(Flag4)OR(Flag5)OR(Flag6)在此逻辑表达式中，OR代表逻辑或，只要有一个载荷被触发，Flag将被触发；4)通过Flag标志位能够判断机组是否触发载荷限制，当载荷触发时，将采取相应的控制，载荷控制需要定义四个模式：模式‑1、模式0、模式1和模式2，具体情况如下：模式‑1：当载荷触发标志Flag为TRUE的时候触发此模式，发电机转速设定值以设定好的速率降低，发电机扭矩最大值也以设定好的速率降低，因此功率设定值也在降低；模式0：当载荷触发标志Flag从TRUE变为FALSE的时候触发此模式，在此模式中转速设定值和扭矩最大值保持不变，既不增加也不减小，此模式的持续时间为一个设定的时间，持续时间结束后进入模式1；模式1：在此模式中，载荷触发标志位Flag需要一直保持在FALSE，发电机转速以一设定好的速率恢复，直到转速设定值恢复到额定转速；发电机扭矩最大值也以设定好的速率恢复，直到达到最初的扭矩最大值，当转速设定值和扭矩最大值都恢复到最初的值，模式将切换到模式2；模式2：发电机转速设定值和发电机扭矩最大值都保持在最初的转速设定值和扭矩最大值；当机组运行正常且没有载荷触发时，发电机转速设定值保持在最初的设定值上，为模式2；当有载荷触发标志位时，转速设定值将以设定的速率下降为模式‑1，机组载荷也将不断降低；当载荷降低到不再触发载荷Flag标志位，发电机转速设定值将保持到当前值不变，直到保持时间用尽，为模式0；发电机转速设定值开始上升，直到达到最初的设定值，为模式1；在任何模式下，当载荷再次触发后，模式都将切换到模式‑1。