一种基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组叶片失效保护领域，具体涉及一种基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法。


背景技术：

2.现有技术对于风力发电机组针对叶片失效的整机安全保护有如下方法：1）依赖现有安装在机舱的振动加速度传感器监测数据设置相关故障保护，包括振动时域保护，如：机舱加速度值超限保护，振动冲击保护等；振动频域保护，如：叶轮平面模态异常等；2）在风力发电机组上新增智能传感设备，如在叶片根部安装振动以及载荷测量传感器，通过检测叶根振动、叶根载荷数据，或者在机舱安装叶片净空监测设备，来实现相关降载算法或设置相关故障保护。
3.仅仅依赖现有的机舱振动加速度传感器设置相关振动保护，考虑到叶片失效后的振动能量传递到机舱上有限，一旦机舱振动传感器检测到较大振动值，此时叶片可能已经出现严重开裂甚至断裂，并且存在很大倒塔风险；并且由于叶轮平面模态频率较多，有些频率可能还和塔架频率有重叠，因此即使从振动频率方面进行预警保护，也会存在保护不完善或过保护情况。通过新增叶根振动及载荷传感器或者叶片净空监测设备去直接监测叶片失效情况，但是由于风力发电机组所处环境的复杂性，一些智能传感设备的可靠性也受到一定限制，如市场上监测叶片净空普遍采用激光测距方式，而在大雾或者雨雪条件下，叶片净空测量可靠性大打折扣。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，可以实现在不需要额外安装检测设备的情况下，在叶片完全失效前进行降载或停机保护，提升风力发电机组整机安全保护能力，后期经济效益明显。
5.为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，包括以下步骤：
7.利用机组运行在线数据，依据理论公式在线计算两个叶片截面的攻角；
8.分析叶片异常机组离线数据，根据离线数据推算叶片异常时间段叶片攻角变化率，确定叶片失效攻角变化率阈值；
9.确定基于叶片攻角的风机叶片失效保护控制保护逻辑。
10.可选地，所述在线数据包括风速、风向、发电机转速、发电机转矩。
11.可选地，所述的叶片攻角计算，具体为：
12.（1）轴向诱导因子计算：
13.叶尖速比为：
14.；
15.根据公式：
16.；
17.计算理论功率：
18.；
19.风能利用系数为：
20.；
21.轴向诱导因子系数：
[0022][0023]
轴向诱导因子为：
[0024][0025]
式中：ω为风轮转速，v为风速，r为叶轮半径，ρ为空气密度，t为发电机转矩，s为风轮扫风面积；
[0026]
2）不同叶片截面攻角计算：
[0027]
选取距离叶根距离50%和80%的两个截面，通过查叶片翼型参数表，得到两个截面的扭角θ；
[0028]
根据公式计算两个截面的平行于叶轮旋转面线速度和垂直于叶轮旋转面线速度；
[0029]
考虑对风偏差后平行于叶轮旋转面线速度：；考虑对风偏差后分解至垂直叶轮旋转面的分解风速：
[0030][0030]
；
[0031]
入流角为：;
[0032]
故不同叶片截面的叶片攻角为：
[0033]
;
[0034]
式中：为距离叶根的截面位置与叶片长度的百分比，分别为50%和80%；v为风速，为对风偏差角，一般是风向角-180
°
；a为轴向诱导因子，为桨距角，为叶尖线速度。
[0035]
可选地，所述的叶片异常离线数据分析具体为：
[0036]
选取一台因叶片失效导致叶片断裂的风力发电机组在叶片断裂前一段时间的离线数据，在simulink中根据计算不同叶片截面的叶片攻角的公式搭建攻角计算模型，并将筛选过的离线数据读入simulink中，运行模型得到一段时间内两个叶片截面的攻角值。
[0037]
进一步地，所述的断裂前一段时间为从叶片断裂时间点起向前溯源找到叶片攻角异常的时间点。
[0038]
可选地，所述的确定基于叶片攻角的风机叶片失效保护控制保护逻辑，具体为：
[0039]
风力发电机组叶片攻角变化率绝对值的在线值大于阈值1，持续时间1，执行降载算法；
[0040]
风力发电机组叶片攻角变化率绝对值的在线值大于阈值2，持续时间2，执行停机保护。
[0041]
进一步地，所述的降载算法包括抬桨距角。
[0042]
与现有技术相比，本发明所产生的有益的技术效果如下：本发明从叶片失效机理入手，在不需要额外安装检测设备的情况下，充分利用风力发电机组现有运行数据，依据风力发电机组理论公式，在线计算得到叶片不同截面的叶片攻角，采用叶片攻角变化率作为叶片失效保护监测量，参考已有风力发电机组叶片失效情况下的离线数据，对叶片因失速失稳导致叶片失效的情况进行精准预警保护，依据叶片失速不同程度，分别进行降载或停机保护，提升风力发电机组整机安全保护能力，后期经济效益明显。
附图说明
[0043]
图1为本发明基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法的实施流程图；
[0044]
图2为翼型面上的气流速度与载荷示意图；
[0045]
图3为叶片翼型升力与叶片攻角关系示意图，其中，横坐标表示攻角值，纵坐标表示叶片翼型升力；
[0046]
图4为叶片损伤机组叶片攻角离线值示意图；
[0047]
图5为叶片损伤机组叶片攻角离线值示意图。
具体实施方式
[0048]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049]
本发明中，叶片攻角(angle of attack of blade)为：叶片翼型中弦线与气流方向的夹角，攻角的大小决定了翼型升阻力系数的高低，从而影响翼型构成的叶片的气动性能。
[0050]
一种基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0051]
利用机组运行在线数据，包括风速、风向、发电机转速、发电机转矩等，依据理论公式在线计算两个叶片截面的攻角； 分析叶片异常机组离线数据，根据离线数据推算叶片异常时间段叶片攻角变 化率，确定叶片失效攻角变化率阈值；
[0052]
确定基于叶片攻角的风机叶片失效保护控制保护逻辑。
[0053]
本发明中，叶片攻角计算如下：
[0054]
（1）轴向诱导因子计算：
[0055]
叶尖速比为：
[0056]
；
[0057]
根据公式：
[0058]
；
[0059]
计算理论功率：
[0060]
；
[0061]
风能利用系数为：
[0062]
；
[0063]
根据原公式为，因求解3次方程较为复杂，更改为如下相似表达式求解；
[0064]
轴向诱导因子系数为：
[0065][0066]
轴向诱导因子为：
[0067][0068]
式中：ω为风轮转速，v为风速，r为叶轮半径，ρ为空气密度，t为发电机转矩，s为风轮扫风面积；
[0069]
（2）不同叶片截面攻角计算：
[0070]
选取距离叶根距离50%和80%的两个截面，通过查叶片翼型参数表，得到两个截面的扭角θ；其中，叶片翼型参数表来自于叶片模型，如bladed的5mw_demo整机模型中长度为57m的叶片不同截面的扭角参数参看表1。
[0071]
表1 bladed的5mw_demo整机模型中长度为57m的叶片不同截面的扭角参数
[0072]
根据公式计算两个截面的平行于叶轮旋转面线速度和垂直于叶轮旋转面线速度；
[0073]
考虑对风偏差后平行于叶轮旋转面线速度：
[0074]
;
[0075]
考虑对风偏差后分解至垂直叶轮旋转面的分解风速：
[0076][0076]
;
[0077]
入流角为：
[0078]
;
[0079]
故不同叶片截面的叶片攻角为：
[0080]
;
[0081]
式中：为距离叶根的截面位置与叶片长度的百分比，分别为50%和80%；v为风速，为对风偏差角，一般是风向角-180
°
；a为轴向诱导因子，为桨距角，为叶尖线速度，abs表示取绝对值函数，atan表示反正切函数。
[0082]
本发明中，叶片翼型上载荷与不同叶片截面的叶片攻角的相关性：
[0083]
图2为叶片一个翼型面上的气流速度与载荷的示意图，依据叶素动量理论，可知：翼型截面微观厚度的x，y方向载荷可以表示为：
[0084][0085][0086]
其中：为单位升力与单位阻力，可通过查叶片翼型参数表得到；是不同叶片截面的叶片攻角。
[0087]
本发明中，叶片翼型升力与不同叶片截面的叶片攻角的关系如图3所示。
[0088]
由图3可知，叶片翼型升力（纵坐标）随着叶片攻角（横坐标）增加先增大后减小，一般风力发电机组运行在图中a点时升力最大，此时叶片吸收风能出力最大，同时也是叶片容易发生失稳的临界点，若此时叶片攻角进一步增加，翼型升力系数将减小，理论上，而带有攻角的升力系数的变化率为负会造成运行在失速流中的风轮产生摇摆，那么气动阻力也相应地为负，进而导致叶片气动不稳定性，并且叶片攻角变化率越大，翼型升力系数变化率越大，此时易导致叶片失效。
[0089]
本发明中，叶片异常离线数据分析如下： 选取一台因叶片失效导致叶片断裂的风力发电机组在叶片断裂前一段时间（即从叶片断裂时间点起向前溯源找到叶片攻角异常的时间点，一般是一周以内的数据）的离线数据，在仿真软件simulink中根据上文计算不同叶片截面的叶片攻角的公式搭建攻角计算模型，并将筛选过的离线数据读入simulink中，运行模型得到一段时间内两个叶片截面的攻角值，如图4~图5所示，可以看到，在10分钟内出现了两次叶片攻角超过临界值（距叶根处50%长度的叶片截面的叶片攻 角失速临界值为15度，距叶根处80%长度的叶片截面的叶片攻角失速临界值为13.5度），并且上升速率较大，基于此可以得到叶片攻角变化率保护阈值。
[0090]
本发明中，基于叶片攻角的叶片失效保护控制保护逻辑确定，具体为：
[0091]
基于以上关于叶片攻角变化率对叶片失稳失效的影响，以及基于风力发电机组叶片失效离线数据得出的叶片失效的叶片攻角变化率阈值，最终确定基于叶片攻角的风机叶片失效保护控制保护逻辑。如：
[0092]
风力发电机组叶片攻角变化率绝对值的在线值大于阈值1，持续时间1，执行降载算法（抬桨距角）；
[0093]
抬桨距角指风力发电机组的收桨过程，收桨到一个安全桨距角，如本实施例中机组的安全桨距角为10度；
[0094]
如图4~图5所示，阈值1来自图4纵坐标叶片攻角的变化率，具体可以设置为0.75deg/s，持续时间1为20s；
[0095]
风力发电机组叶片攻角变化率绝对值的在线值大于阈值2，持续时间2，执行停机保护；
[0096]
如图4~图5所示，阈值2来自图5纵坐标叶片攻角的变化率，具体可以设置为1.5deg/s，持续时间2为10s。
[0097]
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

技术特征：
1.一种基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，其特征在于，包括以下步骤：利用机组运行在线数据，依据理论公式在线计算两个叶片截面的攻角；分析叶片异常机组离线数据，根据离线数据推算叶片异常时间段叶片攻角变化率，确定叶片失效攻角变化率阈值；确定基于叶片攻角的风机叶片失效保护控制保护逻辑。2.根据权利要求1所述的基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，其特征在于，所述在线数据包括风速、风向、发电机转速、发电机转矩。3.根据权利要求1所述的基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，其特征在于，所述的叶片攻角计算，具体为：（1）轴向诱导因子计算：叶尖速比为：；根据公式：；计算理论功率：；风能利用系数为：；轴向诱导因子系数：；轴向诱导因子为：；式中：ω为风轮转速，v为风速，r为叶轮半径，ρ为空气密度，t为发电机转矩，s为风轮扫风面积；2）不同叶片截面攻角计算：选取距离叶根距离50%和80%的两个截面，通过查叶片翼型参数表，得到两个截面的扭角θ；根据公式计算两个截面的平行于叶轮旋转面线速度和垂直于叶轮旋转面线速度；考虑对风偏差后平行于叶轮旋转面线速度：；考虑对风偏差后分解至垂直叶轮旋转面的分解风速：考虑对风偏差后分解至垂直叶轮旋转面的分解风速：；入流角为：;故不同叶片截面的叶片攻角为：;式中： 为距离叶根的截面位置与叶片长度的百分比，分别为50%和80%；v为风速，为对风偏差角，一般是风向角-180
°
；a为轴向诱导因子，为桨距角，为叶尖线速度。
4.根据权利要求1所述的基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，其特征在于，所述的叶片异常离线数据分析具体为：选取一台因叶片失效导致叶片断裂的风力发电机组在叶片断裂前一段时间的离线数据，在simulink中根据计算不同叶片截面的叶片攻角的公式搭建攻角计算模型，并将筛选过的离线数据读入simulink中，运行模型得到一段时间内两个叶片截面的攻角值。5.根据权利要求4所述的基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，其特征在于，所述的断裂前一段时间为从叶片断裂时间点起向前溯源找到叶片攻角异常的时间点。6.根据权利要求1所述的基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，其特征在于，所述的确定基于叶片攻角的风机叶片失效保护控制保护逻辑，具体为：风力发电机组叶片攻角变化率绝对值的在线值大于阈值1，持续时间1，执行降载算法；风力发电机组叶片攻角变化率绝对值的在线值大于阈值2，持续时间2，执行停机保护。7.根据权利要求6所述的基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，其特征在于，所述的降载算法包括抬桨距角。

技术总结
本发明公开了一种基于叶片攻角的风力发电机组叶片失效保护方法，包括以下步骤：利用机组运行在线数据，依据理论公式在线计算两个叶片截面的攻角；分析叶片异常机组离线数据，根据离线数据推算叶片异常时间段叶片攻角变化率，确定叶片失效攻角变化率阈值；确定基于叶片攻角的风机叶片失效保护控制保护逻辑。本发明可以实现在不需要额外安装检测设备的情况下，在叶片完全失效前进行降载或停机保护，提升风力发电机组整机安全保护能力，后期经济效益明显。效益明显。效益明显。


技术研发人员：蔡昭兵 罗战 刘瑞博 王浩然 周立博
受保护的技术使用者：三峡科技有限责任公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/6/7