[发明专利]一种风力发电机组基于风轮推力预估的控制方法

摘要

本发明公开了一种风力发电机组基于风轮推力预估的控制方法，首先通过传感器实时测量风机叶轮处的风速、叶片桨距角和方位角以及发电机转速；然后将采集到的数据与叶片气动数据进行结合，利用叶素动量理论估算叶轮不同时刻下所受的风轮推力；接着再根据估算得来的风轮推力大小，通过查表法得到相应的最小桨距角，将此最小桨距角值输入到变桨控制器，与变桨控制器设定的最小桨距角值作比较，取其中最大值为控制器的新的最小桨距角限定值，也就是通过实时更改控制器最小桨距角限定值的方式来改变机组所受推力，从而实现风力发电机组基于风轮推力预估的载荷优化控制，从而降低风机设计成本。

主权项

1.一种风力发电机组基于风轮推力预估的控制方法，其特征在于：首先，通过传感器实时测量风机叶轮处的风速、叶片桨距角和方位角以及发电机转速；然后将采集到的数据与叶片气动数据进行结合，利用叶素动量理论估算叶轮不同时刻下所受的气动推力，即风轮推力；接着再根据估算得来的风轮推力大小，通过查表法得到相应的最小桨距角，最后将此最小桨距角值输入到变桨控制器，与变桨控制器设定的最小桨距角值作比较，取其中最大值为控制器的新的最小桨距角限定值，也就是通过实时更改控制器最小桨距角限定值的方式来改变机组所受推力，从而实现风力发电机组基于风轮推力预估的载荷优化控制；其具体包括以下步骤：1)获取机组相关数据①输入叶片气动数据、轮毂高度数据；②从机组现有的传感器采集数据中，读取风速、发电机转速、叶片桨距角和方位角，将发电机转速除以齿轮箱传动比得到叶轮转速：式中，Ωr为叶轮角速度，单位为rad/s；n为发电机转速，单位为rpm；i为齿轮箱传动比；2)叶素坐标转换将叶片沿径向离散为多个叶素，利用叶片的桨距角、方位角、锥角和风轮倾角，将叶素中心的坐标由叶根参考坐标系转化到轮毂参考坐标系，该坐标系与偏航坐标系平行，原点位于轮毂中心，如下：[xh,yh,zh]T＝A(η)A(ψ)A(χ)A(β)[upre‑bend,vpre‑sweep,r]T式中，[xh,yh,zh]为叶素中心在轮毂参考坐标系下的坐标；A(η)、A(ψ)、A(χ)、A(β)分别为关于风轮倾角、叶片方位角、叶片锥角和桨距角的坐标转换矩阵；upre‑bend为叶素预弯值，vpre‑sweep为叶素预扫掠值，r为叶素中心距；3)计算叶素局部垂直风速分量考虑垂直风剪切效应和塔影效应，利用测风仪测得的风速和叶素在轮毂参考坐标系下的坐标求得叶素所在位置的风速vbe：vbe＝f(vhub,xh,yh,zh)进一步求得该风速与风轮旋转锥面垂直的分量V1：V1＝[vbe,0,0]×(A(η)A(ψ)A(χ)[1,0,0]T)考虑叶片锥角的影响，叶素垂直风轮旋转锥面的角速度分量Ω为：Ω＝Ωrcosχ4)求解叶素轴向和周向速度诱导因子及局部攻角利用叶素动量理论迭代求解其轴向和周向诱导因子a和b，则叶素局部入流角φ为：局部攻角α为：α＝φ‑β‑θ式中，β为桨距角，θ为叶素翼型扭角；5)计算叶素气动力由翼型空气动力学可知，翼型的升力垂直于合成速度V0方向，阻力平行于V0方向，根据翼型的气动特性数据，求得叶素单位长度上的升力和阻力：式中，L为升力，D为阻力，ρ为空气密度，c为叶素弦长，Cl为翼型升力系数，Cd为翼型阻力系数；将叶素气动力沿风轮主轴方向投影，求得推力pN为：pN＝(Lcosφ+Dsinφ)cosχ6)估算风轮轴向推力对所有叶素的气动推力求和，就得到风轮推力T为：式中，pN,i,j为第i个叶片第j个叶素的气动推力，dr为叶素径向长度，B为叶片数，n为单个叶片叶素个数；7)最小桨距角限定值的计算根据估算得来的风轮推力T大小，通过查表法得到相应的最小桨距角，然后将此最小桨距角值输入到变桨控制器，与原始设定的最小桨距角值作比较，取其中最大值为控制器的新的最小桨距角限定值，也就是通过实时更改控制器最小桨距角限定值的方式来改变机组所受推力，从而实现风力发电机组基于风轮推力预估的载荷优化控制。