CN105138845A - 获得风力发电机风速值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明共公开一种获得风力发电机风速值的方法，利用风力发电机中与风速有对应关系的参数，建立起求解风速的数学模型，通过该模型计算得到风速值。其优点是，风速采样选点正确，获得的风速值真实可靠，且精度高,没有测量误差；无需使用风速测量装置。

Description

获得风力发电机风速值的方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术，通过建立风速估计的数学模型，采集可靠的测量信息，由风速估计模型计算出轮毂中心高度处风速，从而可以替代风力发电机组传统的风速仪。

背景技术

目前，是采用风速仪直接测量来流风的风速值，该风速仪具有一个机械式风杯，作为一次检测元件，安装在机舱尾部，通过该风杯测得的风速并不是风轮正前方的风速，而是受到了风轮旋转尾流影响的风速，与实际的未受扰动的风速存在较大偏差。另外，由于机械式风杯具有转动惯量，而我国风力发电机组大部分安装在风沙大、气候寒冷的野外地区，容易受风沙侵蚀和结冰影响，造成测量精度低，易损坏。为了提高测量的可靠性，通常会安装两个及两个以上的风速仪进行冗余保护，一般将多个风速仪测量的值进行平均作为实测风速。为了检测风速仪是否失效，保护风力发电机组安全运行，通常需设计相应的保护逻辑，但也只能判断风速仪是否有故障，具体哪一个风速仪出现故障或全部风速仪是否故障，还没有准确有效的判断方法，只能进行全部更换，给现场维护检修带来额外工作量。当风力发电机组运行于切出风速附近时，若风速测量值有误，则风力发电机组的运行载荷可能会高于设计值，给机组安全带来巨大隐患。

发明内容

为了解决上述问题，提出一种技术方案，在不增加硬件成本的基础上，利用风力发电机组现有的测量信号计算出风轮正前方的风速，从而可以替代传统机械式风速仪。

本发明的技术方案是：

一种获得风力发电机风速值的方法，利用风力发电机中与风速有对应关系的参数，建立起求解风速、风向的数学模型，通过该模型计算得到风速值。

所述建立起求解风速的数学模型的步骤是：

对风力发电机组的传动链模型进行折算，把低速轴的变量折算到高速轴，并认为整个模型为刚性模型，得到简化传动链模型，并设风轮轮毂前面最高点为风速计算的采样点，由刚性模型假设，列出风轮传动链力学模型如下：

$T_A-T_G=J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(1\right)$

其中：

T_A表示风轮上气动力矩(折算到高速轴侧)；

T_G表示发电机电磁力矩；

ω表示高速轴转速；

J表示折算后转动惯量。

在(1)等式两端同时乘以ω可得：

$T_A\mathrm{\ω}-T_G\mathrm{\ω}=J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(2\right)$

进一步对(2)式变形可得能量守恒方程：

$P_A=P_G+J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(3\right)$

其中：

P_A表示风轮上吸收的气动功率；

P_G表示发电入口电功率；

表示加速度功率。

风能利用率方程如下：

$P_w=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAU}}^3---\left(4\right)$

$P_A=C_p\×P_w=\frac{1}{2}{C}_p{\mathrm{\ρAU}}^3---\left(5\right)$

其中：

P_w表示风速中含有的能量；

C_p表示风能利用率；

ρ表示空气密度；

A表示风轮扫风面积；

U表示风速。

叶尖速比的定义：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\Ω}R}{U}---\left(6\right)$

其中：

R表示风轮半径；

U表示风速；

Ω表示风轮转速。

把(6)带入(5)可得：

$P_A=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρ}A{\left(\frac{\mathrm{\Ω}R}{\mathrm{\λ}}\right)}^3=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρ}A{\left(\frac{\mathrm{\ω}R}{G\mathrm{\λ}}\right)}^3---\left(7\right)$

式(7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系ω＝GΩ(G表示齿轮箱传动比)得到，再把(7)带入(3)可得：

$P_G+J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAC}}_p{\left(\frac{\mathrm{\ω}R}{G\mathrm{\λ}}\right)}^3---\left(8\right)$

通过叶片气动性能计算，可以得到Cp与叶尖速比λ和叶片桨距角β之间的非线性气动方程，可以用下面式子表示：

由公式(8)(9)可以得到以下等式：

在公式(7)至(10)中，下列参数均为已知参数；

P_G，ω，β通过传感器测量得到；

ρ通过气象站测得；

A，G，R，J是风机既定设计参数；

可以通过叶片气动性能计算得到；

在公式(10)中，仅有λ一个未知量，只能通过数值计算求解，具体求解方法如下：

1)通过风机的设计参数可以确定尖速比λ的取值范围；

2)在λ的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，即λ_i,i＝1,2,3…

3)设定数值计算误差限ε，并令

当f(λ_i)＜ε时，即可认为λ_i为(10)式的解

由上述计算过程，可以得到叶尖速比λ，进一步，由叶尖速比的定义(6)可以计算出当前风速

$U=\frac{\mathrm{\Ω}R}{\mathrm{\λ}}---\left(12\right)$

本发明的有益效果：

风速计算的采样点是风轮轮毂前面的最高点,选点正确，获得的风速值真实可靠，且精度高，没有测量误差；无需使用风速测量装置，减少硬件成本，只需编写相应的软件程序即可实现，不影响风机正常运行，不易受外界环境影响，不受风力发电机组容量限制，可以扩展到大功率等级机组。

附图说明：

图1是风力发电机组传动链模型示意图。

图2是风力发电机组传动链简化模型示意图。

具体实施方式

图1是风力发电机组的传动链模型示意图，把图1的模型进行折算，把低速轴的变量折算到高速轴，并认为整个模型为刚性模型，得到图2的简化传动链模型。并设风轮轮毂前面最高点为风速计算的采样点。由刚性模型假设，可以列出风轮传动链力学模型如下公式：

$T_A-T_G=J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(1\right)$

其中：

T_A表示风轮上气动力矩(折算到高速轴侧)；

T_G表示发电机电磁力矩；

ω表示高速轴转速；

J表示折算后转动惯量。

在(1)等式两端同时乘以ω可得：

$T_A\mathrm{\ω}-T_G\mathrm{\ω}=J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(2\right)$

进一步对(2)式变形可得能量守恒方程：

$P_A=P_G+J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(3\right)$

其中：

P_A表示风轮上吸收的气动功率；

P_G表示发电入口电功率；

表示加速度功率。

风能利用率方程如下：

$P_w=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAU}}^3---\left(4\right)$

$P_A=C_p\×P_w=\frac{1}{2}{C}_p{\mathrm{\ρAU}}^3---\left(5\right)$

其中：

P_w表示风速中含有的能量；

C_p表示风能利用率；

ρ表示空气密度；

A表示风轮扫风面积；

U表示风速。

叶尖速比的定义：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\Ω}R}{U}---\left(6\right)$

其中：

R表示风轮半径；

U表示风速；

Ω表示风轮转速。

把(6)带入(5)可得：

$P_A=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρ}A{\left(\frac{\mathrm{\Ω}R}{\mathrm{\λ}}\right)}^3=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρ}A{\left(\frac{\mathrm{\ω}R}{G\mathrm{\λ}}\right)}^3---\left(7\right)$

式(7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系ω＝GΩ(G表示齿轮箱传动比)得到，再把(7)带入(3)可得：

$P_G+J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAC}}_p{\left(\frac{\mathrm{\ω}R}{G\mathrm{\λ}}\right)}^3---\left(8\right)$

在公式(8)中：P_G，ω可以同过传感器测量得到，ρ可以通过气象站测得，A，G，R，J是在风力发电机组设计时候就可以确定，均为易检测和确定的量，而Cp则为不易检测量。但是，通过叶片气动性能计算，可以得到Cp与叶尖速比λ和叶片桨距角β之间的非线性气动方程，可以用下面式子表示：

由公式(8)(9)可以得到以下等式：

在公式(10)中：

P_G，ω，β可以通过传感器测量得到；

ρ可以通过气象站测得；

A，G，R，J是在风机设计时候就可以确定；

可以通过叶片气动性能计算得到。

通过以上分析，我们可以知道，在公式(10)中，仅有λ一个未知量，而其余物理量都可以通过一定方法得到，只不过公式(10)并不是一个可以求得解析解的初等方程，因此只能通过数值计算求解，具体求解方法如下：

4)通过风机的设计参数可以确定尖速比λ的取值范围

5)在λ的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，即λ_i,i＝1,2,3…

6)设定数值计算误差限ε，并令

当f(λ_i)＜ε时，即可认为λ_i为(10)式的解

由上述计算过程，可以得到叶尖速比λ，进一步，由叶尖速比的定义(6)可以计算出当前风速

$U=\frac{\mathrm{\Ω}R}{\mathrm{\λ}}---\left(12\right)$

从而得到风速，也就可以替换传统机械式风速仪。

本方案具有易实现，对现有运行风机***不需做硬件改造，同时具有广泛的适应性，能够在不同环境下使用。本方案不受风机容量限制，可以扩展到以后的大功率风力机组上，因此具有很好的可行性。

Claims (2)

1.一种获得风力发电机风速值的方法，利用风力发电机中与风速有对应关系的参数，建立起求解风速的数学模型，通过该模型计算得到风速值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立起求解风速的数学模型的步骤是：

对风力发电机组的传动链模型进行折算，把低速轴的变量折算到高速轴，并认为整个模型为刚性模型，得到简化传动链模型，并设风轮轮毂前面最高点为风速计算的采样点，由刚性模型假设，列出风轮传动链力学模型如下：

$T_A-T_G=J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(1\right)$

其中：

T_A表示风轮上气动力矩(折算到高速轴侧)；

T_G表示发电机电磁力矩；

ω表示高速轴转速；

J表示折算后转动惯量；

在(1)等式两端同时乘以ω可得：

$T_A\mathrm{\ω}-T_G\mathrm{\ω}=J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(2\right)$

进一步对(2)式变形可得能量守恒方程：

$P_A=P_G+J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(3\right)$

其中：

P_A表示风轮上吸收的气动功率；

P_G表示发电入口电功率；

表示加速度功率；

风能利用率方程如下：

$P_w=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAU}}^3---\left(4\right)$

$P_A=C_p\×P_w=\frac{1}{2}{C}_p{\mathrm{\ρAU}}^3---\left(5\right)$

其中：

P_w表示风速中含有的能量；

C_p表示风能利用率；

ρ表示空气密度；

A表示风轮扫风面积；

U表示风速；

叶尖速比的定义：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\Ω}R}{U}---\left(6\right)$

其中：

R表示风轮半径；

U表示风速；

Ω表示风轮转速；

把(6)带入(5)可得：

$P_A=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρ}A{\left(\frac{\mathrm{\Ω}R}{\mathrm{\λ}}\right)}^3=\frac{1}{2}{C}_p\mathrm{\ρ}A{\left(\frac{\mathrm{\ω}R}{G\mathrm{\λ}}\right)}^3---\left(7\right)$

式(7)中第二个等式是通过齿轮箱速比换算关系ω＝GΩ得到，再把(7)带入(3)可得：

$P_G+J\mathrm{\ω}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAC}}_p{\left(\frac{\mathrm{\ω}R}{G\mathrm{\λ}}\right)}^3---\left(8\right)$

其中：G表示齿轮箱传动比，

通过叶片气动性能计算，可以得到Cp与叶尖速比λ和叶片桨距角β之间的非线性气动方程，可以用下面式子表示：

由公式(8)(9)可以得到以下等式：

在公式(7)至(10)中，下列参数均为已知参数；

P_G，ω，β通过传感器测量得到；

ρ通过气象站测得；

A，G，R，J是风机既定设计参数；

可以通过叶片气动性能计算得到；

在公式(10)中，仅有λ一个未知量，只能通过数值计算求解，具体求解方法如下：

1)通过风机的设计参数可以确定尖速比λ的取值范围；

2)在λ的取值范围内按照一定步长划分为不同取值点，即λ_i,i＝1,2,3…

3)设定数值计算误差限ε，并令

当f(λ_i)＜ε时，即可认为λ_i为(10)式的解

由上述计算过程，可以得到叶尖速比λ，进一步，由叶尖速比的定义(6)可以计算出当前风速

$U=\frac{\mathrm{\Ω}R}{\mathrm{\λ}}---\left(12\right).$