CN101852174B - 一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法，其包括以下步骤：(1)根据目标风场风速沿垂向变化的规律，得到风速沿垂向变化的方程；(2)求出随来流攻角的变化，叶型段升力系数和叶型段阻力系数；(3)定义一支叶片在某一时刻在旋转平面中的位置为θ角，将叶片延叶片长度方向分成m个微元段，计算每一微元段所受的升力和阻力；(4)根据每一微元段所受的升力和阻力，得到该微元段对轮毂中心轴产生的弯矩；(5)由步骤(4)得到整支叶片对轮毂中心轴的弯矩；(6)根据叶片改变角度β的特性及β与θ的对应关系，求得令轮毂中心轴的弯矩之和为零的β值，将该β值代入弯矩公式中，消除了垂向风速变化引起的交变弯矩。本发明可广泛应用于拥有独立变桨***的三叶片风力发电机组中。

Description

一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别是关于一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法。

背景技术

目前，主流的兆瓦级并网型风力发电机组绝大多数为变桨变速型风力发电机组，一般叶轮采用三叶片设计，且每叶片均配置独立变桨机构。叶片的气动力学特性决定叶片的升力和阻力与叶片的迎风角有关，而升力和阻力通过力的分解与合成可转化为驱动叶片旋转的叶轮平面内周向力与风机轴向的推力。设计变桨机构的主要目的是改变叶片的迎风角，从而改变叶片所受的驱动力，以达到限制叶轮吸收风功率的目的。设计三叶片的目的是在来流风速均匀的情况下，三支叶片所受的推力对轮毂中心轴的弯矩可以相互抵消，使轮毂仅向传动链传递扭矩，进而避免传动链承受不必要的弯矩。但是实际来流风速由于存在地表粗糙度等因素的影响，并不是均匀的。尤其是受地表粗糙度影响，呈下低上高的状态。这样的来流风速作用在风轮上就会引起上述弯矩作用在传动链上，且该弯矩以风轮旋转周期进行交变作用。当垂向风速变化较小时，产生的交变弯矩较小，对传动链的影响可以忽略；但当垂向风速变化大到一定程度的时候，这种交变弯矩将影响到传动链的寿命。而且，变桨改变驱动力的同时也会改变轴向推力，因此主动变桨也能起到改变轴向推力的作用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过独立变浆能克服交变弯矩、并保护传动链的控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法，其步骤为：(1)根据目标风场的风速沿垂向变化的规律，得到风速沿垂向变化的方程为：

式中V(h)为风轮叶片距地面高度为h处的风速；V(h₀)为轮毂高度h₀处的风速；Z₀为名义地表粗糙度系数，根据风场测风数据，根据上述公式能拟合出Z₀；(2)计算在垂向风速梯度流场中风轮叶片的受力，由于叶型的升力、阻力系数随来流攻角呈线性变化段，因此随来流攻角α的变化，叶型段升力系数C_L为：C_L＝Aα+B，随来流攻角α的变化，叶型段阻力系数C_D为：C_D＝Eα+F，其中，系数A₁…A_n；B₁…B_n；E₁…E_n；F₁…F_n根据叶型的风洞数据得到；(3)定义一支叶片在某一时刻在旋转平面中的位置为θ角，将叶片延叶片长度方向分成m个微元段，每段延叶片长度方向的厚度为dr，根据叶型理论及所述步骤(1)、(2)，得到每一微元段所受的升力dL和阻力dD；(4)根据每一微元段所受的所述升力dL和阻力dD，得到该微元段对轮毂中心轴产生的弯矩dM为：

其中，α₁(r)和β为距离轮毂中心半径为r处的来流攻角α(r)的两个组成部分，α₁(r)由风轮叶片原始安装角和原始风机控制逻辑要求的与当前风速对应的桨角位置组成，β为叶片改变角度；ρ为空气密度；V为每一微元段叶片距地面高度处的风速；C(r)为dr段内的叶型弦长；(5)由所述步骤(4)得到整支叶片对轮毂中心轴的弯矩为：

(6)根据叶片改变角度β的特性及β与θ的对应关系，求得令三支叶片在垂向来流风速不均匀的情况下所受的轴向推力对轮毂中心轴的弯矩之和为零的β值，将该β值代入所述步骤(5)中的弯矩公式中，即消除了垂向风速变化引起的交变弯矩。

所述步骤(3)中，所述每一微元段所受的所述升力dL为：

所述每一微元段所受的所述阻力dD为：

其中，ρ为空气密度；V为每一微元段叶片距地面高度处的风速；C(r)为dr段内的叶型弦长；α(r)为距离轮毂中心半径r处的来流攻角。

所述步骤(6)中的所述叶片改变角度β的求解方法如下：①由叶片改变角度β的特性得到β与θ存在对应关系，设β＝f(θ)，则三支叶片的叶片改变角度分别为：β₁＝f(θ)，β₂＝f(θ+120°)，β₃＝f(θ+240°)；②根据β特性可知，f(θ)与1-cosθ的分布规律吻合，则令三支叶片对轮毂中心轴的力矩之和为零，得到两个力矩平衡方程为：M_YN＝0和M_ZN＝0；③根据所述步骤②，令f(θ)＝a(1-cosθ)²+b(1-cosθ)，将该式及任意θ角度代入所述两个力矩平衡方程中，求得a，b的值；④根据求得的a，b值，得到β随θ变化的关系，能求得叶片改变角度β，进而使三叶片作用在轮毂中心轴的力矩之和为零；⑤由于改变叶片桨角需要在一定的时间内完成，因此需要确定变桨速度V′，根据变桨速度V′及叶片改变角度β，即实现对已有的变桨程序模块进行修改，实现通过独立变浆克服交变弯矩、并保护传动链的功能。

所述步骤⑤中，所述变桨速度V′为：

式中，

由β＝f(θ)得出；

为风轮当前的转速，由现有控制***中的传感器读出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用独立变桨***让每支叶片在叶轮平面内旋转到不同位置时变到合适的迎风角，这样就可以使三支叶片在垂向来流风速不均匀的情况下所受的轴向推力对轮毂中心轴的弯矩之和为零，以达到消除垂向风速变化引起的交变弯矩，保护传动链的目的。2、本发明由于采用的控制方法无需增加额外的调控执行机构，仅对原有控制程序模块进行调整即可。本发明可广泛应用于三叶片独立变桨风力发电机组中。

附图说明

图1是本发明的风轮平面结构示意图

图2是本发明的坐标轴示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明通过独立变桨***让每支叶片在叶轮平面内旋转到不同位置时变到合适的迎风角，进而使三支叶片在垂向来流风速不均匀的情况下所受的轴向推力对轮毂中心轴的弯矩之和为零，以达到消除垂向风速变化引起的交变弯矩，保护传动链的目的。其步骤如下：

1)根据目标风场的测风数据拟合出该风场风速沿垂向变化的规律，可以得到风速沿垂向变化的方程为：

$V\left(h\right)=V\left(h_0\right)\frac{\ln \left(\frac{h}{Z_0}\right)}{\ln \left(\frac{h_0}{Z_0}\right)}---\left(1\right)$

式中，V(h)为风轮叶片距地面高度为h处的风速；V(h₀)为轮毂高度h₀处(或任意参考高度h₀处)的风速；Z₀为名义地表粗糙度系数，根据风场测风数据，根据公式(1)即可拟合出Z₀；

2)计算在垂向风速梯度流场中风轮叶片的受力，本发明采用的风轮叶片的各段叶型升、阻比与来流攻角的关系是已知的，由于现代大型变桨变速风机一般都要求风轮叶片工作在层流状况下，即叶型的升力、阻力系数随来流攻角呈线性变化段，因此，随来流攻角α的变化，叶型段升力系数C_L为：

C_L＝Aα+B，                    (2)

随来流攻角α的变化，叶型段阻力系数C_D为：

C_D＝Eα+F，                    (3)

其中，系数A₁…A_n；B₁…B_n；E₁…E_n；F₁…F_n可以根据叶型的风洞数据得到；

3)定义一支叶片在某一时刻在旋转平面中的位置为θ角，当该叶片中心线与轮毂中心与地面的垂直线重合时θ＝0°(如图1所示)，将叶片延叶片长度方向分成m个微元段，每段延叶片长度方向的厚度为dr，根据叶型理论及上述公式(1)～(3)，可以得到每一微元段所受的升力dL和阻力dD分别为：

$\mathrm{dL}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}{C}_L=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[\mathrm{A\α}\left(r\right)+B],---\left(4\right)$

$\mathrm{dD}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}{C}_D=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[\mathrm{E\α}\left(r\right)+F],---\left(5\right)$

其中，ρ为空气密度；V为每一微元段叶片距地面高度处的风速；C(r)为dr段内的叶型弦长；α(r)为距离轮毂中心半径r处的来流攻角；

4)根据步骤3)得到的每一微元段所受的升力dL和阻力dD，进而得到该微元段对轮毂中心轴产生的弯矩dM为：

$\mathrm{dM}=\mathrm{dL}\cos \left[\mathrm{\α}\left(r\right)\right]+\mathrm{dD}\sin \left[\mathrm{\α}\left(r\right)\right]$

$=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[\mathrm{A\α}\left(r\right)+B]\cos \left[\mathrm{\α}\left(r\right)\right]+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[\mathrm{E\α}\left(r\right)+F]\sin \left[\mathrm{\α}\left(r\right)\right];---\left(6\right)$

其中，距离轮毂中心半径为r处的来流攻角α(r)由两部分组成，一部分为风轮叶片原始设计扭角(即叶片安装角)和原始风机控制逻辑要求的与当前风速对应的桨角位置组成，此部分计为α₁(r)；另一部分是为了扭矩平衡而要求的叶片改变角度β，由于叶片各层之间的相对位置是固定的，所以叶片改变角度β对整个叶片长度是唯一的，则公式(6)可变换为：

$\mathrm{dM}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[A({\mathrm{\α}}_1\left(r\right)+\mathrm{\β})+B]\cos \left[\mathrm{\α}\left(r\right)\right]+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[E({\mathrm{\α}}_1\left(r\right)+\mathrm{\β})+F]\sin \left[\mathrm{\α}\left(r\right)\right],---\left(7\right)$

5)根据公式(7)可得到整支叶片对轮毂中心轴的弯矩为：

$M=\underset{1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{dM};---\left(8\right)$

公式(8)中的弯矩M根据步骤4)中的叶片改变角度β的取值可以求得相应数值；

6)由于风速的变化延垂直地面方向是下低上高的，可知在来流攻角α不变时风轮叶片在θ＝0°时受力最小，相应产生的对轮毂中心轴的弯矩M也最小；风轮叶片在θ＝180°时受力最大，相应产生的对轮毂中心轴的弯矩M也最大，因此可以得到叶片改变角度β的特性，进而根据β与θ的对应关系求得令三支叶片在垂向来流风速不均匀的情况下所受的轴向推力对轮毂中心轴的弯矩之和为零的β值，消除了垂向风速变化引起的交变弯矩。

上述步骤6)中的叶片改变角度β的特性为：当一支叶片处于θ＝0°的位置时，另两支叶片产生的弯矩M明显大于θ＝0°位置的叶片，为了载荷不超过原设计，β必须大于等于0°(额定风速以下β＜0°有可能始叶片某些部位进入负攻角状态，产生气动失稳，额定风速以上β＜0°有可能使风机超额定功率运转，两种情况都会给风机带来安全隐患)；由此可知β在θ＝0°时有最小值0，在θ＝180°时有最大值，且以360°为周期进行周期变化，并以180°对称分布，则叶片改变角度β的求解方法如下：

①由叶片改变角度β的特性可以得到β与θ存在对应关系，因此设β＝f(θ)，则三支叶片的叶片改变角度分别为：β₁＝f(θ)，β₂＝f(θ+120°)，β₃＝f(θ+240°)；

②根据β特性的分析可知，f(θ)与1-cosθ的分布规律吻合，则令三支叶片对轮毂中心轴的力矩之和为零，可以得到两个力矩平衡方程为：

M_YN＝0，               (9)

M_ZN＝0，               (10)

其中，M_YN为三支叶片沿Y轴方向对轮毂中心轴的力矩平衡方程；M_ZN为为三支叶片沿Z轴方向对轮毂中心轴的力矩平衡方程；

③根据步骤②，可以令f(θ)＝a(1-cosθ)²+b(1-cosθ)，将上式及任意θ角度代入两个力矩平衡方程(9)、(10)中，即可求得a，b的值；

需要说明的是，由于风速沿垂向变化是非线性的，有可能代入不同的θ会得到一系列a，b的值，需要对这一系列a，b的值进行拟合以确定最终的a，b值；

④根据步骤③求得的a，b值，可以得到β随θ变化的关系，即当某一叶片(与β₁对应)处在θ位置时，只要将三只叶片的桨角分别改变为Ω+β₁、Ω+β₂和Ω+β₃(其中Ω为叶片最初桨角)，则可以求得叶片改变角度β，就可使三叶片作用在轮毂中心轴的力矩之和为零；

⑤由于改变叶片桨角不可能在瞬间完成，需要一定的时间，因此，在确定β角后还要确定变桨速度V′，根据变桨速度V′及叶片改变角度β，即可对现有技术中的变桨程序模块进行修改，实现通过独立变浆克服交变弯矩、并保护传动链的功能；其中变桨速度V′为：

$V^{\′}=\frac{\mathrm{d\β}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\β}}{\mathrm{d\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}},---\left(11\right)$

式中，

由β＝f(θ)得出；

即为风轮当前的转速，可由现有控制***中的传感器读出。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法，其包括以下步骤：

(1)根据目标风场的风速沿垂向变化的规律，得到风速沿垂向变化的方程为：

$V\left(h\right)=V\left(h_0\right)\frac{\ln \left(\frac{h}{Z_0}\right)}{\ln \left(\frac{h_0}{Z_0}\right)},$

式中，V(h)为风轮叶片距地面高度为h处的风速；V(h₀)为轮毂高度h₀处的风速；Z₀为名义地表粗糙度系数，根据风场测风数据，根据上述公式能拟合出Z₀；

(2)计算在垂向风速梯度流场中风轮叶片的受力，由于叶型的升力、阻力系数随来流攻角呈线性变化段，因此，随来流攻角α的变化，叶型段升力系数C_L为：

C_L＝Aα+B，

随来流攻角α的变化，叶型段阻力系数C_D为：

C_D＝Eα+F，

其中，系数A、B、E、F根据叶型的风洞数据得到；

(3)定义一支叶片在某一时刻在旋转平面中的位置为θ角，将叶片沿叶片长度方向分成m个微元段，每段沿叶片长度方向的厚度为dr，根据叶型理论及所述步骤(1)、(2)，得到每一微元段所受的升力dL和阻力dD；

(4)根据每一微元段所受的所述升力dL和阻力dD，得到该微元段对轮毂中心轴产生的弯矩dM为：

$\mathrm{dM}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[A({\mathrm{\α}}_1\left(r\right)+\mathrm{\β})+B]\cos \left[\mathrm{\α}\left(r\right)\right]+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[E({\mathrm{\α}}_1\left(r\right)+\mathrm{\β})+F]\sin \left[\mathrm{\α}\left(r\right)\right],$

其中，α₁(r)和β为距离轮毂中心半径为r处的来流攻角α(r)的两个组成部分，α₁(r)由风轮叶片原始安装角和原始风机控制逻辑要求的与当前风速对应的桨角位置组成，β为叶片改变角度；ρ为空气密度；V为每一微元段叶片距地面高度处的风速；C(r)为dr段内的叶型弦长；

(5)由所述步骤(4)得到整支叶片对轮毂中心轴的弯矩为：

(6)根据叶片改变角度β的特性及β与θ的对应关系，求得令三支叶片在垂向来流风速不均匀的情况下所受的轴向推力对轮毂中心轴的弯矩之和为零的β值，将该β值代入所述步骤(5)中的弯矩公式中，即消除了垂向风速变化引起的交变弯矩；其中，所述叶片改变角度β的求解方法如下：

①由叶片改变角度β的特性得到β与θ存在对应关系，设β＝f(θ)，则三支叶片的叶片改变角度分别为：β₁＝f(θ)，β₂＝f(θ+120°)，β₃＝f(θ+240°)；

②根据β特性可知，f(θ)与1-cosθ的分布规律吻合，则令三支叶片对轮毂中心轴的力矩之和为零，得到两个力矩平衡方程为：M_YN＝0和M_ZN＝0；

③根据所述步骤②，令f(θ)＝a(1-cosθ)²+b(1-cosθ)，将该式及任意θ角度代入所述两个力矩平衡方程中，求得a，b的值；

④根据求得的a，b值，得到β随θ变化的关系，能求得叶片改变角度β，进而使三叶片作用在轮毂中心轴的力矩之和为零；

⑤由于改变叶片桨角需要在一定的时间内完成，因此需要确定变桨速度V′，根据变桨速度V′及叶片改变角度β，即实现对已有的变桨程序模块进行修改，实现通过独立变浆克服交变弯矩、并保护传动链的功能；其中，所述变桨速度V′为：

$V^{\′}=\frac{\mathrm{d\β}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\β}}{\mathrm{d\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}},$

式中，

由β＝f(θ)得出；为风轮当前的转速，由现有控制***中的传感器读出。

2.如权利要求1所述的一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述每一微元段所受的所述升力dL和阻力dD分别为：

$\mathrm{dL}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}{C}_L=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[\mathrm{A\α}\left(r\right)+B],$

$\mathrm{dD}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}{C}_D=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[\mathrm{E\α}\left(r\right)+F],$

其中，ρ为空气密度；V为每一微元段叶片距地面高度处的风速；C(r)为dr段内的叶型弦长；α(r)为距离轮毂中心半径r处的来流攻角。

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