一種風力發電機湍流抑制方法
2023-05-19 06:32:11
專利名稱：一種風力發電機湍流抑制方法
技術領域：
本發明涉及大型風力發電機組的運行與控制技術，尤其涉及風力發電機組的載荷緩解、優化技術，為一種風力發電機湍流抑制方法。
背景技術：
為保證風力發電機組的安全性和長期穩定可靠運行，風力發電機組的設計需要考慮運行環境條件和電力環境的影響，這些影響主要體現在載荷、適用壽命和正常工作等幾個方面。各類環境條件分為正常外部條件和極端外部條件，其中正常外部條件涉及的是長期疲勞載荷和運行狀態。極端外部條件出現機會很少，但它是潛在的臨界外部設計條件。風電機組載荷設計需要同時考慮這些外部條件和風力機運行模式。風力發電機組的功率輸出隨著風速而增大，直到達到額定功率輸出，此後，即使風速增大，功率輸出恆定保持在額定數值。這通常通過調節槳距角來控制風輪轉速，伴隨著風速的增大，發電機速度和由此的發電機輸出可以比較恆定。湍流是一個複雜的過程，難以用簡單明確的方程來表示或者預測。一般情況下，研究湍流的統計特性顯得更為重要。湍流強度(turbulence intensity，簡寫為Tl)是指10 分鐘內風速隨機變化幅度大小，是10分鐘平均風速的標準偏差與同期平均風速的比率，是風電機組運行中承受的正常疲勞載荷，是IEC61400-1風機安全等級分級的重要參數之一。 在現實中，湍流的變化並不僅僅反映在風速的突變上，風向在一些地區由於地形等各方面的影響在一定條件下也會產生突然的變化，目前已知的普通辦法僅能預測逆風風向上的風速突變，對於風向的變化沒有相應的處理辦法，對湍流的抑制有一定的局限性。
發明內容
本發明要解決的問題是風力發電機在湍流風況下，特別是突變的湍流風況下，風對稱性載荷以及風輪轉速、輸出功率會出現較大的振蕩，難以穩定運行，超速現象顯著，並且會降低風力發電機組壽命，現有的湍流抑制辦法只考慮逆風向的風速測量，對於風向的突變沒有處理，需要一種更穩定有效的方法抑制湍流風況，包括風速與風向的突變對風力發電機的影響，使風力發電機在湍流風況下也能穩定運行。本發明的技術方案為一種風力發電機湍流抑制方法，對風力發電機組的每颱風力發電機設有全方向的風能預測風速測量塔、動態前饋控制器、變槳距系統和發電機變流器，通過以下步驟實現湍流抑制1)、全方向預警風速測量以風力發電機為圓心，向外均勻劃分出8個方向，在距風力發電機100-200米範圍之間，在所述8個方向上分別設置風速測量塔，所述風速測量塔與風力發電機水平軸同等高度，所有風速測量塔測量的風速得到全方向預警風速；2)、本機風速測量通過風力發電機上的風速傳感器實時測得本風力發電機的實時風速信息，所述實時風速信息用於風力發電機控制系統的實時控制；3)、預警數據參數化風力發電機主控系統根據步驟1)得到的全方向預警風速，結合風力發電機當前的的風輪方向，以風力發電機為圓心，風力發電機的風輪旋轉面為X 軸平面，風輪旋轉面的垂直向為Y軸，將8個方向的預警風速進行矢量分解，分解為與風輪旋轉面平行和垂直的兩個風速分量X軸風速分量和Y軸風速分量，將Y軸風速分量引入動態前饋控制器，根據風速-槳距角曲線計算出預測附加槳距角，根據風速-功率曲線計算預測附加轉矩，所述動態前饋控制器為風力發電機組控制系統附加的一個前饋通道；發電機變流器輸出發電機的轉速信息和轉矩信息，作為風力發電機的實時數據；4)、轉矩和變漿距控制動態前饋控制器調整風力發電機的運行，動態前饋控制器將計算得到的預測附加槳距角、預測附加轉矩輸入風力發電機的控制系統，與風力發電機的實時數據計算得來到的風力發電機槳距角和轉矩控制指令進行數學相加，得到槳距角指令和電磁轉矩指令，槳距角指令輸入變槳距系統，電磁轉矩指令輸入發電機變流器，調整風力發電機的運行，實現對湍流的抑制。作為優選，劃分的的方向中，其中一個與風力發電機偏航位置傳感器的零點方向， 即偏航編碼器輸出為最小值的點的方向一致。預警參數數據化時，動態前饋控制器中設置經驗修正比例係數K，與根據風速-槳距角曲線計算出的預測附加槳距角和根據風速-功率曲線計算出的預測附加轉矩相乘，所述係數為0-1之間的數據，根據風力發電機當地的地理環境和風速的實際變化情況在現場進行測試後確定，以使風力發電機在遭遇湍流時，風速的波動更小為原則，對預測附加槳距角和預測附加轉矩進行修正調整。風力發電機控制系統包括轉矩控制器和轉速控制器，分別運行轉矩控制策略和變槳距控制策略，當步驟2、測得的風力發電機的實時風速在額定風速上下浮動時，同時保持運行轉矩控制策略和變槳距控制策略運行，所述浮動根據風力發電機的運行要求設定浮動範圍，發電機轉矩信息經PID控制輸入轉矩控制器，與預測附加轉矩疊加後輸出轉矩控制指令；轉速控制器的輸入包括轉速偏差和轉矩偏差，轉速偏差為發電機轉速和風力發電機的設定轉速經PID控制得到，轉矩偏差由測量的發電機轉矩和風力發電機的設定轉矩得到，轉矩偏差與轉速偏差生成聯合偏差，聯合偏差形成的槳距角指令加上預測附加槳距角指令後形成最終槳距角指令。本發明風力發電機組採用雙饋變速恆頻技術，變槳距系統為電動變槳距系統，發電機變流器為雙饋變流器，其中電動變槳距系統對風力發電機葉輪的每隻葉片以不同的角度進行驅動。在突變的湍流風況下，風速、湍流以及風切邊的劇烈變換時間間隔較小，在這種情況下，要降低風輪的不對稱載荷並使風力發電機組的公率輸出恆定，需要風機主控系統能夠得到短時間內的風速預測量數據，從而可提前計算一段時間後的槳距角和轉矩。由於湍流的變化複雜，風速的測量地點對預測非常重要；根據現有的變槳距系統通用模型，變槳系統的響應時間在0. 3秒左右，綜合以上多方面因素，本發明確定了以距風力發電機100 200米處的範圍測量風速最佳。通過本發明，可以根據湍流預先變化槳距角，減輕風機的載荷，穩定轉速，延長風機的使用壽命。本發明的風速預警能提前至少4秒預知8個方向上的風速變化，進行預測數據參數化。本發明基於測量的當前風速及湍流情況，採用全方向風預測技術、矢量分解算法、 前饋控制技術，提前預測湍流將對機組產生的影響，將預警風速的附加槳距角和附加轉矩與實時控制數據相加，提前對湍流進行預處理，提前進行槳距角和轉矩的變化，保證湍流產生時，風機的轉速平穩，有效降低風力發電機組的不對稱載荷。綜合以上所述，本發明通過預測的湍流狀況，感知風力發電機組各葉片的動態載荷，在至少一個葉片處湍流動態變化之前，基於所感測的風湍流動態控制風力發電機組的相應葉片槳距角，從而在所述風輪上降低由於風湍流引起的風輪飛對稱性載荷，風力發電機在風速突變時能及時調整，實現穩定運行，延長所述風力發電機組壽命。提前的預測使變槳距系統對湍流的響應加快，當湍流發生時，風力發電機已經調整風輪的葉片做好應對，保證風力發電機組在湍流下的正常穩定運行，功率輸出恆定保持在額定數值，避免超速現象。
圖1為本發明風速預警測量的風速測量塔布置方向示意圖。圖2為本發明風速預警測量的風速測量塔布置高度示意圖。圖3為本發明風力發電機系統結構示意圖。圖4為本發明風力發電機的控制系統結構圖。圖5為本發明控制流程圖。圖6為本發明風速變化轉速曲線對比圖。
具體實施例方式對風力發電機組的每颱風力發電機設有全方向的風能預測風速測量塔、動態前饋控制器、變槳距系統和發電機變流器，通過以下步驟實現湍流抑制1)、全方向預警風速測量以風力發電機為圓心，向外均勻劃分出8個方向，在距風力發電機100-200米範圍之間，在所述8個方向上分別設置風速測量塔，理論上設置更多測風塔能更好測量全方向風速變化，但是考慮到實施的難度和計算的複雜性設置8個方向的測風塔已經可以反映反向的風速變化。所述風速測量塔與風力發電機水平軸同等高度， 也有風速的測量位置與風力發電機的輪轂同高，所有風速測量塔測量的風速得到全方向預警風速；參照圖1和圖2，在以風機為中心的8個方向上均勻設置風速測量塔，風速測量塔的測風位置與風力發電機機艙輪轂同高度處，作為優選，劃分的的方向中，其中一個與風力發電機偏航位置傳感器的零點方向，即偏航編碼器輸出為最小值的點的方向一致，以方便進行風速的矢量分解與計算，風速測量塔的距離本風機100-200米，風速測量塔位於以風力發電機為中心的同一圓周上，保證風機的控制系統在突變25米/秒的風速突變下還可以有足夠的響應時間；2)、本機風速測量通過風力發電機上的風速傳感器實時測得本風力發電機的實時風速信息，所述實時風速信息用於傳統風力發電機的控制系統中的對應實時控制；3)、預警數據參數化風力發電機主控系統根據步驟1)得到的全方向預警風速， 結合風力發電機當前的的風輪方向，以風力發電機為圓心，風力發電機的風輪旋轉面為X 軸平面，風輪旋轉面的垂直向為Y軸，將8個方向的預警風速進行矢量分解，分解為與風輪旋轉面平行和垂直的兩個風速分量X軸風速分量和Y軸風速分量，其中X軸風速分量對於風機的影響相當小，可進行忽略，將Y軸風速分量引入動態前饋控制器，根據風速-槳距角曲線計算出預測附加槳距角，根據風速-功率曲線計算預測附加轉矩，風速-槳距角曲線和風速-功率曲線根據各種機型的不同設計並不相同，具體參考各風力發電機廠家的風力發電機設計手冊，所述動態前饋控制器為風力發電機組控制系統附加的一個前饋通道；發電機變流器輸出發電機的轉速信息和轉矩信息，作為風力發電機的實時數據；4)、轉矩和變漿距控制動態前饋控制器調整風力發電機的運行，動態前饋控制器將計算得到的預測附加槳距角、預測附加轉矩輸入風力發電機的控制系統，與風力發電機的實時數據計算得來到的風力發電機槳距角和轉矩控制指令進行數學相加，得到槳距角指令和電磁轉矩指令，槳距角指令輸入變槳距系統，電磁轉矩指令輸入發電機變流器，調整風力發電機的運行，實現對湍流的抑制。如圖4，風力發電機控制系統包括轉矩控制器和轉速控制器，分別運行轉矩控制策略和變槳距控制策略，當步驟2、測得的風力發電機的實時風速在額定風速上下浮動時，同時保持運行轉矩控制策略和變槳距控制策略運行，所述浮動根據風力發電機的運行要求設定浮動範圍，如20%的浮動範圍，發電機轉矩信息經PID控制輸入轉矩控制器，與預測附加轉矩疊加後輸出轉矩控制指令；轉速控制器的輸入包括轉速偏差和轉矩偏差，轉速偏差為發電機轉速和風力發電機的設定轉速經PID控制得到，轉矩偏差由測量的發電機轉矩和風力發電機的設定轉矩得到，轉矩偏差與轉速偏差生成聯合偏差，聯合偏差形成的槳距角指令加上預測附加槳距角指令後形成最終槳距角指令。這裡的轉矩控制策略和變槳距控制策略在《一種兆瓦級風機的聯合控制策略》專利公開號CN101660489A中已有公開，不再詳述。預警參數數據化時，動態前饋控制器中設置經驗修正比例係數K，與根據風速-槳距角曲線計算出的預測附加槳距角和根據風速-功率曲線計算出的預測附加轉矩相乘，所述係數為0-1之間的數據，根據風力發電機當地的地理環境和風速的實際變化情況在現場進行測試後確定，以使風力發電機在遭遇湍流時，風速的波動更小為原則，對預測附加槳距角和預測附加轉矩進行修正調整。本發明前饋控制器中採用經驗修正比例係數K，此係數為0-1之間的數據。該係數直接作用於預測的槳距和轉矩指令。根據當地的地理環境和風速的實際變化情況在現場進行測試，以使風機在遭遇湍流時，風速的波動更小為原則進行調整。也可根據類似條件現場的經驗數據來類推調整。由於湍流的產生受到大氣和地形因素等多方面的影響，系統模型的不可能建立精確的數學模型，根據預警數據得到的附加槳距角和附加轉矩對於單個風機產生的影響不盡相同。引入修正係數K就是為了解決不同風場的個體差異，拓展本辦法的適用性。參照圖3，圖中示意性地顯示出本發明風力發電機的系統組成，包括塔基控制器 CPU及10、發電機變流器、機艙遠程10、本風力發電機風速測量裝置、變槳距系統一級風速預警裝置等組成，風速預警測量裝置包括風能預測風速測量塔和動態前饋控制器，由風速預警測量裝置為風機提供4S-8S的8個方向的風速預警信息。風速預警數據通過信號放大或現場總線通訊傳遞到風力發電機組主控系統，控制器對於8個方向的風速，結合目前的風機位置進行風速的矢量分解，得到與風輪旋轉面垂直的Y軸分量。將此分量因各入前饋控制器得到預測的附加槳距角和附加轉矩指令，附加指令與當前的實時控制指令疊加後， 產生最終的槳距角和轉矩指令。從而緩解湍流作用而產生的風力發電機組風輪的不對稱載荷和轉速的大範圍超速，。
參照圖4與圖5，採用風速預警測量方式可以提前預知4s_8s後的8個方向風速變化情況。風力發電機控制系統可根據預警數據，提前做出相應的參數調整，提前進行槳距角和轉矩的調整。由於轉矩的加載是由發電機變流器完成，現在市場上的發電機變流器在 4s內均可以完成從0轉矩至滿功率轉矩的加載過程，轉矩變化時間充足。而槳距角由於功率控制所需的槳距角僅有0-35°區間(見科學出版社2007年9月第一版《風能技術》，美 Tony Burton著，武鑫等譯298頁)現在的電動變槳系統已經可以保證進行9° /s的變槳速率，4s已經可以覆蓋全部的可控功率的槳距角區間，從而保證了風力發電機在本發明下的完全可調性。風力發電機組最主要的不可控因素是隨機變化的風速，它是影響控制品質最大的外部幹擾.由控制論可知，系統幹擾分為外部幹擾與內部幹擾、可測量幹擾與不可測量幹擾.雖然風速是我們無法控制的，但它是風電機組運行中必須時刻監測的重要變量，因此它屬於可測量的外部幹擾.風力發電系統動態響應的快速性不夠理想，加入動態前饋控制，可大大消除隨機性外擾對系統的影響，並可進一步提高控制品質。通過此辦法，能夠對風力發電機的湍流進行一定程度的抑制，其仿真轉速曲線參見圖6。未採用本發明方法時， 風機在遭遇湍流時，轉速的波動非常明顯，無論是波動的範圍還是波動的時間均較大。採用本發明方法後，雖然在湍流前風機的轉速有一點下降，但是整體的轉速波動範圍和時間均得到了比較好的控制，風機的運行更加平穩、柔順，湍流得到了比較好的抑制。對於風向變化的仿真，由於對於風速進行了矢量分解，其結果均與圖5相類似，但是由於風向不與風機旋轉面垂直時，經過分解後的風速均< 25米/秒，其仿真曲線對於湍流抑制的明顯程度均不如圖6明顯，這裡就不再列舉。
權利要求
1.一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是對風力發電機組的每颱風力發電機設有全方向的風能預測風速測量塔、動態前饋控制器、變槳距系統和發電機變流器，通過以下步驟實現湍流抑制1)、全方向預警風速測量以風力發電機為圓心，向外均勻劃分出8個方向，在距風力發電機100-200米範圍之間，在所述8個方向上分別設置風速測量塔，所述風速測量塔與風力發電機水平軸同等高度，所有風速測量塔測量的風速得到全方向預警風速；2)、本機風速測量通過風力發電機上的風速傳感器實時測得本風力發電機的實時風速信息，所述實時風速信息用於風力發電機控制系統的實時控制；3)、預警數據參數化風力發電機主控系統根據步驟1)得到的全方向預警風速，結合風力發電機當前的的風輪方向，以風力發電機為圓心，風力發電機的風輪旋轉面為X軸平面，風輪旋轉面的垂直向為Y軸，將8個方向的預警風速進行矢量分解，分解為與風輪旋轉面平行和垂直的兩個風速分量X軸風速分量和Y軸風速分量，將Y軸風速分量引入動態前饋控制器，根據風速-槳距角曲線計算出預測附加槳距角，根據風速-功率曲線計算預測附加轉矩，所述動態前饋控制器為風力發電機組控制系統附加的一個前饋通道；發電機變流器輸出發電機的轉速信息和轉矩信息，作為風力發電機的實時數據；4)、轉矩和變漿距控制動態前饋控制器調整風力發電機的運行，動態前饋控制器將計算得到的預測附加槳距角、預測附加轉矩輸入風力發電機的控制系統，與風力發電機的實時數據計算得到的風力發電機槳距角和轉矩控制指令進行數學相加，得到槳距角指令和電磁轉矩指令，槳距角指令輸入變槳距系統，電磁轉矩指令輸入發電機變流器，調整風力發電機的運行，實現對湍流的抑制。
2.根據權利要求1所述的一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是劃分的的方向中， 其中一個與風力發電機偏航位置傳感器的零點方向，即偏航編碼器輸出為最小值的點的方向一致。
3.根據權利要求1或2所述的一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是預警參數數據化時，動態前饋控制器中設置經驗修正比例係數K，與根據風速-槳距角曲線計算出的預測附加槳距角和根據風速-功率曲線計算出的預測附加轉矩相乘，所述係數為0-1之間的數據，根據風力發電機當地的地理環境和風速的實際變化情況在現場進行測試後確定，以使風力發電機在遭遇湍流時，風速的波動更小為原則，對預測附加槳距角和預測附加轉矩進行修正調整。
4.根據權利要求1或2所述的一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是風力發電機控制系統包括轉矩控制器和轉速控制器，分別運行轉矩控制策略和變槳距控制策略，當步驟 2)測得的風力發電機的實時風速在額定風速上下浮動時，同時保持運行轉矩控制策略和變槳距控制策略運行，所述浮動根據風力發電機的運行要求設定浮動範圍，發電機轉矩信息經PID控制輸入轉矩控制器，與預測附加轉矩疊加後輸出轉矩控制指令；轉速控制器的輸入包括轉速偏差和轉矩偏差，轉速偏差為發電機轉速和風力發電機的設定轉速經PID控制得到，轉矩偏差由測量的發電機轉矩和風力發電機的設定轉矩得到，轉矩偏差與轉速偏差生成聯合偏差，聯合偏差形成的槳距角指令加上預測附加槳距角指令後形成最終槳距角指令。
5.根據權利要求3所述的一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是風力發電機控制系統包括轉矩控制器和轉速控制器，分別運行轉矩控制策略和變槳距控制策略，當步驟2)測得的風力發電機的實時風速在額定風速上下浮動時，同時保持運行轉矩控制策略和變槳距控制策略運行，所述浮動根據風力發電機的運行要求設定浮動範圍，發電機轉矩信息經PID 控制輸入轉矩控制器，與預測附加轉矩疊加後輸出轉矩控制指令；轉速控制器的輸入包括轉速偏差和轉矩偏差，轉速偏差為發電機轉速和風力發電機的設定轉速經PID控制得到， 轉矩偏差由測量的發電機轉矩和風力發電機的設定轉矩得到，轉矩偏差與轉速偏差生成聯合偏差，聯合偏差形成的槳距角指令加上預測附加槳距角指令後形成最終槳距角指令。
6.根據權利要求1或2所述的一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是風力發電機組採用雙饋變速恆頻技術，變槳距系統為電動變槳距系統，發電機變流器為雙饋變流器，其中電動變槳距系統對風力發電機葉輪的每隻葉片以不同的角度進行驅動。
7.根據權利要求3所述的一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是風力發電機組採用雙饋變速恆頻技術，變槳距系統為電動變槳距系統，發電機變流器為雙饋變流器，其中電動變槳距系統對風力發電機葉輪的每隻葉片以不同的角度進行驅動。
8.根據權利要求4所述的一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是風力發電機組採用雙饋變速恆頻技術，變槳距系統為電動變槳距系統，發電機變流器為雙饋變流器，其中電動變槳距系統對風力發電機葉輪的每隻葉片以不同的角度進行驅動。
9.根據權利要求5所述的一種風力發電機湍流抑制方法，其特徵是風力發電機組採用雙饋變速恆頻技術，變槳距系統為電動變槳距系統，發電機變流器為雙饋變流器，其中電動變槳距系統對風力發電機葉輪的每隻葉片以不同的角度進行驅動。
全文摘要
一種風力發電機湍流抑制方法，包括以下步驟1)、以風力發電機為中心，在其周圍設置風速測量塔測量，得到全方向預警風速；2)、通過風力發電機上的風速傳感器實時測得本風力發電機的實時風速信息；3)、由全方向預警風速得到預測附加槳距角和預測附加轉矩；4)、由預測附加槳距角、預測附加轉矩調整風力發電機的運行，實現對湍流的抑制。本發明預測風力發電機周圍的湍流狀況，提前的預測使變槳距系統對湍流的響應加快，當湍流發生時，風力發電機已經調整風輪的葉片做好應對，保證風力發電機組在湍流下的正常穩定運行，功率輸出恆定保持在額定數值，避免超速現象。
文檔編號F03D7/00GK102251926SQ20111019839
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者俞斌, 周黎輝, 屈虎, 杜煜, 袁和林, 馬博程 申請人:大唐南京自動化有限公司