风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法及系统与流程

1.本发明属于风力发电电气控制技术领域，具体涉及一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法及系统。


背景技术：

2.风力发电机组叶片卡桨是指在风力发电机组运行过程中出现叶片不能跟随控制指令进行开桨或收桨操作的故障，一般由变桨电机故障、变桨减速器故障、变桨驱动器故障、变桨轴承卡死或其他原因造成。卡桨故障一般通过比较任意两叶片之间的桨距角偏差或单叶片变桨速率的方式识别。控制系统识别到卡桨故障后报出故障代码，并依据故障代码类别按照预设的停机流程进行收桨、停机操作。
3.随着单机容量和叶片长度的增加，风力发电机组叶片受力不平衡造成的轮毂myz极限载荷过高成为不得不考虑的因素。风力发电机组在单叶片卡桨故障停机过程中，由于卡桨叶片不能跟随其它叶片同步收桨，容易导致轮毂m
yz
极限载荷出现超出设计限值的情况，甚至发生叶片断裂和飞车的风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法及系统，用以解决现有技术中风力发电机组叶片卡桨时轮毂m
yz
极限载荷超出设计限值的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：
6.本发明的一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，包括以下步骤：
7.1)在风电机组叶片卡桨时，获取卡桨叶片的桨距角sa；
8.2)控制非卡桨叶片依据一定变桨速率向预设桨距角sam方向收桨；其中，预设桨距角sam依据卡桨叶片的桨距角sa、比例系数c和补偿桨距角sao设定，即sam＝sa
×
c+sao，c∈[1，3]，sao∈[0，15
°
]；
[0009]
3)在发电机转速低于限值ss后，风力发电机组非卡桨叶片依据设定变桨速率快速收桨，设定变桨速率依据叶片最大允许收桨速率srm确定，限值ss的取值范围依据切入转速和额定转速而确定。
[0010]
上述技术方案的有益效果为：本发明在停机前先预收桨，预收桨的桨距角sam依据卡桨叶片的桨距角sa、比例系数和补偿桨距角设定，sam＝sa
×
c+sao，c∈[1，3]，sao∈[0，15
°
]，该条件下可以保证预设桨距角sam足够大以大幅减少风力发电机组的风能输入，且同时又能保证预设桨距角sam与卡桨叶片的桨距角之差不足以引起轮毂m
yz
极限载荷急剧增加，从而保障了轮毂极限载荷m
yz
在设计范围内。
[0011]
进一步地，为了提升发电机电能输出降低发电机转速，提高降低轮毂m
yz
极限载荷
的效果，步骤2)中还包括：在控制非卡桨叶片收桨的同时还需要逐渐增加发电机转矩。
[0012]
进一步地，为了提高安全性，步骤1)之前还包括依据以下条件识别风电机组叶片是否卡桨：
[0013]
在遇到变桨故障后执行通用故障停机流程以进行收桨时，检测各叶片收桨速率，若任一支叶片的收桨速率低于ps且持续时长大于tt，则判定该叶片存在卡桨故障，其中ps∈(0，0.5
°
/s]，tt∈(0，3s]。
[0014]
进一步地，所述变桨故障包括变桨不同步故障和/或叶片角度偏差故障；其中，任意两叶片的桨距角实际测量值之差大于第一偏差限值常量aa，则存在变桨不同步故障；叶片的预设变桨角度值与叶片自身桨距角实际测量值之差大于第二偏差限值常量ad则存在叶片角度偏差故障。
[0015]
进一步地，第一偏差限值常量aa∈(0，8
°
]，第二偏差限值常量ad∈(0，5
°
]。
[0016]
进一步地，为了避免在停机过程中发电机转速升高，设定变桨速率sr∈[0.5
×
srm，1
×
srm]，其中，srm为叶片最大允许收桨速率。
[0017]
进一步地，预设变桨角度值为变桨控制器依据内部控制策略输出的最终变桨角度指令，或者预设变桨角度值为依据最终变桨速率指令计算得到的最终变桨角度指令。
[0018]
进一步地，限值ss∈[n1，kn1+(1-k)nr]，其中，n1为切入转速，nr为额定转速，k∈(0，1)。
[0019]
为了解决上述问题，本发明又提供一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制系统，该系统包括处理器，所述处理器用于执行计算机指令以实现如本发明的一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法。
附图说明
[0020]
图1-1是本发明的方法实施例中叶素平面风速合成示意图；
[0021]
图1-2是本发明的方法实施例中叶素平面气动受力分解示意图；
[0022]
图2是本发明的一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法流程图；
[0023]
图3是本发明的方法实施例中实施本发明前后轮毂m
yz
极限载荷曲线对比示意图。
具体实施方式
[0024]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0025]
为了得到影响轮毂m
yz
极限载荷的因素，下面分析桨距角偏差的影响因素：
[0026]
首先，对叶素平面风速合成和气动受力分解进行分析，如图1-1所示，u为自然风速，ω为叶片旋转角速度，r为叶素到轮毂中心的距离，ωr为叶素旋转造成的切向相对风速，w为自然风速与切向相对风速形成的相对合成风速，φ为相对合成风速与旋转平面的夹角即入流角，α为攻角，β为桨距角。图1-2中l为叶素受到的升力，垂直于相对合成风速，可表示为其中ρ为空气密度、c
l
为升力系数、s为受力面积。d为叶素受到的阻力，平行于相对合成风速，可表示为其中cd为阻力系数。升力和阻力可分别分解成平行于自然风速的推力和垂直于自然风速使叶片旋转的扭力，推力可表示为：
[0027][0028]
推力公式中，ρ、s、w、φ对不同叶片的桨距角偏差均不敏感，但c
l
和cd与攻角α大小密切相关，而α＝φ-β，因而在卡桨停机过程中各叶片桨距角差异会造成各叶片推力差异剧增，进而造成轮毂不平衡载荷myz超出设计值。卡桨叶片与其它叶片变桨角度偏差造成各叶片的气动受力不平衡，是风力发电机组叶片卡桨故障停机过程中轮毂myz极限载荷高的根源。
[0029]
方法实施例：
[0030]
本发明的一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法实施例，本发明用于降低风力发电机组叶片卡桨故障停机过程中的轮毂m
yz
极限载荷。本发明发现了轮毂m
yz
极限载荷与风速、发电机转速、变桨角度以及卡桨角度之间的变化规律，并依据该规律提出了一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，该方法具体地如下所述。
[0031]
第一步：依据任意两叶片间桨距角实际测量值之差以及叶片的最终变桨角度指令与叶片桨距角实际测量值之差识别是否存在故障。
[0032]
1)依据任意两叶片间桨距角实际测量值之差判断是否存在叶片变桨不同步故障。
[0033]
风力发电机组的每支叶片都安装有角度传感器，实时测量叶片变桨角度，叶片桨距角实际测量值定义为pm[k]，k表示叶片编号，k＝0，1，2。同时定义不同叶片之间桨距角实际测量值偏差限值常量aa，aa∈(0，8
°
]。当任意两支叶片的桨距角测量值之差大于aa时，则判断为叶片变桨不同步故障，故障标志位定义为af[k]，k＝0，1，2。
[0034]
2)依据叶片的最终变桨角度指令与叶片桨距角实际测量值之差判断是否存在叶片角度偏差故障。
[0035]
在变桨控制器中为每支叶片定义一个变桨角度指令变量，该变量为变桨控制器依据内部控制策略输出的最终变桨角度指令，或者该变量依据最终变桨速率指令计算得到的最终变桨角度指令。最终变桨角度指令定义为pd[k]，k＝0，1，2，k表示叶片编号。同时定义叶片变桨角度指令与叶片桨距角实际测量值的偏差限值常量ad，ad∈(0，5
°
]。对于任意一支叶片，当pd[k]与pm[k]之差的绝对值大于ad时，则判断为该叶片角度偏差故障，故障标志位定义为df[k]，k＝0，1，2。
[0036]
第二步：若存在叶片变桨不同步故障或者叶片角度偏差故障，则进入叶片通用故障停机流程，并识别是否存在卡桨故障。
[0037]
叶片变桨不同步故障或者叶片角度偏差故障发生后，均按照预设的叶片通用故障停机流程进行收桨和停机动作，并在停机过程中实时测量每支叶片的收桨速率。叶片通用故障停机流程中收桨速率的大小在0到最大收桨速率之间。
[0038]
当监测到任一支叶片收桨速率低于ps且持续时长大于tt时，则判断为叶片卡桨故障并进入叶片卡桨停机流程，ps∈(0，0.5
°
/s]，tt∈(0，3s]，故障标志位定义为sf[k]，k＝0，1，2。叶片卡桨停机流程等级应高于叶片通用故障停机流程。
[0039]
第三步：若存在叶片卡桨故障，则进入叶片卡桨停机流程。叶片卡桨停机流程包括预收桨阶段和快速收桨阶段。
[0040]
s31)首先进入预收桨阶段。在预收桨阶段，控制非卡桨叶片依据预收桨指令sam进行收桨，以减少风力发电机组的风能输入；同时控制增加发电机转矩，以增大风力发电机组
电能输出。
[0041]
(1)控制非卡桨叶片依据预收桨指令sam进行收桨。
[0042]
叶片卡桨停机流程中变桨控制器首先输出预收桨指令sam，进入预收桨阶段，该指令使所有非卡桨叶片以一定的变桨速率往预设桨距角sam收桨以减少风力发电机组的风能输入。一定的变桨速率大小为0到最大收桨速率之间任一数值，其中，sam＝sa
×
c+sao，sa为叶片卡桨桨距角，c为比例系数，c∈[1，3]，sao为补偿桨距角，sao∈[0，15
°
]，变量c和sao的值依据风电机组类型并通过现场工况标定，标定时满足既能使sam足够大以大幅减少风力发电机组的风能输入，同时又能保证sam与sa之差不足以引起轮毂m
yz
极限载荷急剧增加。
[0043]
(2)控制增加发电机转矩。
[0044]
在变桨控制器预收桨的同时，转矩控制器逐渐增加发电机转矩以增大风力发电机组电能输出，直到发电机转矩达到最大转矩。这样通过减少风力发电机组风能输入和增大电能输出，使发电机转速运行在较低范围内。
[0045]
s32)进入快速收桨阶段直到停机。
[0046]
当发电机转速generatorspeed低于限值ss后，风力发电机组进入卡桨停机流程的快速收桨阶段，变桨控制器输出较大的收桨速率sr使非卡桨的叶片快速收桨以避免发电机转速在收桨过程中升高，ss∈[n1，kn1+(1-k)nr]，其中，n1为切入转速，nr为额定转速，k∈(0，1)，sr∈[0.5
×
srm，1
×
srm]，其中srm为叶片最大允许收桨速率。
[0047]
下面通过仿真测试对本发明有益效果进行说明，仿真采用gl标准工况ua22a_ve，测试中相关参数ae＝2.1
°
，c＝1.6，sao＝10
°
，ss＝1050rpm，sr＝0.89
×
srm，srm＝4.5
°
/s。下面结合详细步骤进行说明，如图2所示：
[0048]
s1.监测每支叶片的变桨角度指令pd[k]和叶片桨距角实际测量值pm[k]。
[0049]
s2.判断|pd[k]-pm[k]|》ae是否成立，本仿真测试中ae＝2.1
°
。
[0050]
若|pd[k]-pm[k]|》2.1
°
，则执行s4；若|pd[k]-pm[k]|≤2.1
°
，则执行s3。
[0051]
s3.判断不同pm[k]之差是否大于aa，若pm[k]≤aa，则执行步骤s1；若pm[k]＞aa，则执行s4。
[0052]
s4.执行叶片通用故障停机流程，实时测量每支叶片收桨速率。
[0053]
s5.判断叶片收桨速率是否小于ps且持续时长大于tt，若叶片收桨速率小于ps且持续时长大于tt，则执行s6；若上述条件不成立，则执行s4。
[0054]
s6.进入卡桨停机流程以预收桨，设置预收桨指令：sam＝sa
×
c+sao，即sam＝sa
×
1.6+10
°
；设置发电机转矩指令为：增大。
[0055]
s7.判断发电机转速generatorspeed《ss是否成立，若发电机转速generatorspeed《ss，则执行s8；若generatorspeed≥ss，则执行s6。
[0056]
s8.进入卡桨停机流程以快速收桨，设置收桨速率：sr≥0.5srm，以较大的速率进行收桨以避免发电机转速在停机过程中升高。
[0057]
通过上述仿真测试得到使用本发明方法降载前后的轮毂m
yz
极限载荷对比结果，如图3所示(图3中横轴表示时间，纵轴表示轮毂m
yz
极限载荷大小)，带星号的曲线为本实施例实施前的轮毂m
yz
极限载荷，不带星号的曲线为本实施例实施后的轮毂m
yz
极限载荷，从图3中可以看出本实施例实施后轮毂m
yz
极限载荷显著降低。
[0058]
总之，本发明的核心在于在叶片通用故障停机流程中增加叶片卡桨判断策略，并
在卡桨后先通过预收桨和提升发电机电能输出降低发电机转速，亦即叶轮转速ω，在发电机转速低于限值后快速收桨停机以避免收桨过程中发电机转速升高，使得在快速收桨停机过程中，相对合成风速w保持较小，入流角φ保持较大，所有叶片受到的气动推力保持在尽可能小的水平，保障了轮毂极限载荷m
yz
在设计范围内。
[0059]
系统实施例：
[0060]
本发明的一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制系统的实施例，该系统用于向转矩控制器和变桨控制器发送控制命令，控制转矩控制器和变桨控制器分别通过调整发电机转矩和桨叶的桨距角来调控发电机转速，实现本发明的一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法。该系统包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互。存储器包括至少一个存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，执行各种功能应用以及数据处理，实现本发明的一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法。其中，处理器可以为微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga、可编程逻辑控制器plc等处理装置。存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如ram、rom等。该方法已在方法实施例中进行了详细介绍，故此处不再赘述。

技术特征：
1.一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1)在风电机组叶片卡桨时，获取卡桨叶片的桨距角sa；2)控制非卡桨叶片依据一定变桨速率向预设桨距角sam方向收桨；其中，预设桨距角sam依据卡桨叶片的桨距角sa、比例系数c和补偿桨距角sao设定，即sam＝sa
×
c+sao，c∈[1，3]，sao∈[0，15
°
]；3)在发电机转速低于限值ss后，风力发电机组非卡桨叶片依据设定变桨速率快速收桨，设定变桨速率依据叶片最大允许收桨速率srm确定，限值ss的取值范围依据切入转速和额定转速而确定。2.根据权利要求1所述的风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，其特征在于：步骤2)中还包括：在控制非卡桨叶片收桨的同时还需要逐渐增加发电机转矩。3.根据权利要求1所述的风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，其特征在于：步骤1)之前还包括依据以下条件识别风电机组叶片是否卡桨：在遇到变桨故障后执行通用故障停机流程以进行收桨时，检测各叶片收桨速率，若任一支叶片的收桨速率低于ps且持续时长大于tt，则判定该叶片存在卡桨故障，其中ps∈(0，0.5
°
/s]，tt∈(0，3s]。4.根据权利要求3所述的风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，其特征在于：所述变桨故障包括变桨不同步故障和/或叶片角度偏差故障；其中，任意两叶片的桨距角实际测量值之差大于第一偏差限值常量aa，则存在变桨不同步故障；叶片的预设变桨角度值与叶片自身桨距角实际测量值之差大于第二偏差限值常量ad则存在叶片角度偏差故障。5.根据权利要求4所述的风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，其特征在于：第一偏差限值常量aa∈(0，8
°
]，第二偏差限值常量ad∈(0，5
°
]。6.根据权利要求1所述的风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，其特征在于：设定变桨速率sr∈[0.5
×
srm，1
×
srm]，其中，srm为叶片最大允许收桨速率。7.根据权利要求4或5所述的风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，其特征在于：预设变桨角度值为变桨控制器依据内部控制策略输出的最终变桨角度指令，或者预设变桨角度值为依据最终变桨速率指令计算得到的最终变桨角度指令。8.根据权利要求1至6任一项所述的风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法，其特征在于：限值ss∈[n1，kn1+(1-k)nr]，其中，n1为切入转速，nr为额定转速，k∈(0，1)。9.一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制系统，其特征在于：该系统包括处理器，所述处理器用于执行计算机指令以实现如权利要求1至8任一项所述的风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法。

技术总结
本发明属于风力发电电气控制技术领域，具体涉及一种风电机组叶片卡桨条件下的轮毂极限载荷控制方法及系统，该方法包括：在风电机组叶片卡桨时，获取卡桨叶片的桨距角SA；控制非卡桨叶片依据一定变桨速率向预设桨距角SAM方向收桨；其中，SAM＝SA


技术研发人员：程占伟 王朝东 李淑惠 苏凤宇
受保护的技术使用者：许昌许继风电科技有限公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/5/24