风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法与系统

技术领域

本发明涉及风电机组控制的技术领域，尤其是指一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法、系统、存储介质及计算设备。

背景技术

风电机组在全生命运行过程中，不可避免地会遇到各种极端风况。其中，风电机组在极端风切变风况下运行是IEC设计规范中要求考虑的一类极端工况。极端风切变分为极端水平风切变和极端垂直风切变两类，极端水平风切变是指风轮平面的平均风速，在短时间内沿着水平方向产生速度梯度变化；极端垂直风切变是指风轮平面的平均风速，在短时间内沿着垂直方向产生速度梯度变化。极端风切变风况可引起叶轮平面较大不平衡载荷，叶根、轮毂、偏航轴承等部件产生极限载荷。对于大型风电机组，由于采用更大的风轮直径，极端风切变对部件的极限载荷影响更加显著。目前，现有的控制策略不能识别极端水平风切变风况，因此不能针对极端水平风切变进行有效降载。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，基于测量的叶根载荷，识别当前是否为极端水平风切变，并通过附加独立变桨指令实现降低载荷。

本发明的第二目的在于提供一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制系统。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，执行以下操作：

获取叶根两个方向的叶根弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩，根据当前测量变桨角度，通过旋转变换获得叶根面外弯矩；

获取当前叶片方位角，对叶片的叶根面外弯矩进行坐标变换，计算得到风轮摆振弯矩；

基于风轮摆振弯矩和当前平均风速，计算得到水平风切变系数，当水平风切变系数超过预设阈值时，识别当前风况为极端水平风切变；

当前风况识别为极端水平风切变时，计算输出附加独立变桨指令，叠加在变桨控制器输出的变桨指令上，在风轮上产生的附加弯矩与风轮摆振弯矩相消减。

进一步，每支叶片的叶根位置都需要安装载荷传感器，称为叶根载荷传感器；通过所述叶根载荷传感器能够实时测量叶根两个方向的弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩；所述叶根挥舞弯矩是指叶片从压力面向吸力面弯曲变形所产生的载荷，压力面受拉伸同时吸力面受压缩定义为叶根挥舞弯矩的正方向；所述叶根摆振弯矩是指叶片从尾缘向前缘弯曲变形所产生的载荷，尾缘受拉伸同时前缘受压缩定义为叶根摆振弯矩正方向；

所述叶根面外弯矩是指叶片相对于风轮平面，与风轮平面相垂直方向上弯曲变形所产生的叶根弯矩；所述叶根面外弯矩的正方向定义为叶片垂直于风轮平面，沿着机舱尾部弯曲的方向；由于风电机组在运行过程中变桨持续动作，为获得叶根面外弯矩，需要对叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩作旋转变换；

所述叶根面外弯矩的计算公式如下：

在上式中，M

其中，所述滤波平均变桨角度的计算公式如下：

在上式中，F

进一步，通过方位角传感器采集获得当前叶片方位角；所述风轮摆振弯矩反映了风轮平面在水平方向上的受力不平衡，由于水平风切变的存在，风轮左半平面的风速与右半平面的风速不相等，导致风轮左半平面与右半平面的推力不平衡，因此产生了风轮摆振弯矩；

所述风轮摆振弯矩的参考坐标系是固定坐标系，坐标系固定在轮毂中心，相对机舱静止，不随风轮共同旋转；所述叶根面外弯矩的参考坐标系是旋转坐标系，坐标系固定在风轮上，随风轮共同旋转；为获得风轮摆振弯矩，需要将旋转坐标系下的叶根面外弯矩变换到固定坐标系；

所述风轮摆振弯矩的计算公式如下：

在上式中，M

进一步，当风电机组遇到极端水平风切变，风轮左半平面风速与右半平面风速不相等，导致风轮左半平面推力与右半平面推力不平衡，因此在风轮上产生了大的风轮摆振弯矩；所述风轮摆振弯矩与水平风切变系数存在明显的线性关系，因此应用风轮摆振弯矩能够推导出水平风切变系数；

考虑偏航对风误差的存在，在风轮摆振弯矩中有一部分是偏航误差引起的弯矩，因此在水平风切变系数计算过程中，需扣除偏航误差的影响；所述水平风切变系数的计算公式如下：

在上式中，

若水平风切变系数超过正常风切变系数，达到特定数值，则应识别当前风况为极端水平风切变；因此，设定极端水平风切变阈值，当监测到水平风切变系数超过极端水平风切变阈值，将极端水平风切变状态标志位设置为true，否则设置为false；所述极端水平风切变状态标志位定义如下：

在上式中，

进一步，若极端水平风切变状态标志位为true，表明当前为极端水平风切变风况，此时风电机组的叶片、轮毂、偏航轴承和塔顶都将受到大载荷；通过在风电机组的变桨角度上叠加附加独立变桨指令，能够在风轮上产生附加弯矩，当附加弯矩与极端水平风切变引起的风轮摆振弯矩相反时，能够抵消极端水平风切变产生的弯矩载荷；

所述附加独立变桨指令的计算公式如下：

在上式中，

变桨控制器输出的变桨指令，叠加上附加独立变桨指令，得到最终变桨指令，将最终变桨指令传递到变桨执行机构，叶片以最终变桨指令为目标执行变桨；所述最终变桨指令定义如下：

在上式中，

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：风电机组的极端水平风切变识别及降载控制系统，用于实现上述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，其包括：

叶根面外弯矩获取模块，用于获取叶根两个方向的叶根弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩，根据当前测量变桨角度，通过旋转变换获得叶根面外弯矩；

风轮摆振弯矩计算模块，用于获取当前叶片方位角，对叶片的叶根面外弯矩进行坐标变换，计算得到风轮摆振弯矩；

极端水平风切变识别模块，基于风轮摆振弯矩和当前平均风速，计算得到水平风切变系数，当水平风切变系数超过预设阈值时，识别当前风况为极端水平风切变；

极端水平风切变控制模块，用于当前风况识别为极端水平风切变时，计算输出附加独立变桨指令，叠加在变桨控制器输出的变桨指令上，在风轮上产生的附加弯矩与风轮摆振弯矩相消减。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法。

本发明的第四目的通过下述技术方案实现：一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明针对水平风切变的特点，利用风轮摆振弯矩与水平风切变的线性关系，构建出水平风切变系数，提供一种极端水平风切变识别方法。

2、本发明消减了偏航误差对水平风切变识别的影响，能够有效准确识别出极端水平风切变。

3、本发明通过在变桨指令上叠加附加独立变桨指令，在叶轮平面产生的附加弯矩，与水平风切变产生的风轮摆振弯矩相反，能够显著降低极端水平风切变风况极限载荷。

附图说明

图1为本发明系统的架构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例公开了一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，具体执行以下操作：

1)获取叶根两个方向的叶根弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩，根据当前测量变桨角度，通过旋转变换获得叶根面外弯矩。

每支叶片的叶根位置都需要安装载荷传感器，称为叶根载荷传感器；通过所述叶根载荷传感器能够实时测量叶根两个方向的弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩；所述叶根挥舞弯矩是指叶片从压力面向吸力面弯曲变形所产生的载荷，压力面受拉伸同时吸力面受压缩定义为叶根挥舞弯矩的正方向；所述叶根摆振弯矩是指叶片从尾缘向前缘弯曲变形所产生的载荷，尾缘受拉伸同时前缘受压缩定义为叶根摆振弯矩正方向；

所述叶根面外弯矩是指叶片相对于风轮平面，与风轮平面相垂直方向上弯曲变形所产生的叶根弯矩；所述叶根面外弯矩的正方向定义为叶片垂直于风轮平面，沿着机舱尾部弯曲的方向；由于风电机组在运行过程中变桨持续动作，为获得叶根面外弯矩，需要对叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩作旋转变换；

所述叶根面外弯矩的计算公式如下：

在上式中，M

其中，所述滤波平均变桨角度的计算公式如下：

在上式中，F

2)通过方位角传感器获取当前叶片方位角，对叶片的叶根面外弯矩进行坐标变换，计算得到风轮摆振弯矩。

所述风轮摆振弯矩反映了风轮平面在水平方向上的受力不平衡，由于水平风切变的存在，风轮左半平面的风速与右半平面的风速不相等，导致风轮左半平面与右半平面的推力不平衡，因此产生了风轮摆振弯矩；

所述风轮摆振弯矩的参考坐标系是固定坐标系，坐标系固定在轮毂中心，相对机舱静止，不随风轮共同旋转；所述叶根面外弯矩的参考坐标系是旋转坐标系，坐标系固定在风轮上，随风轮共同旋转；为获得风轮摆振弯矩，需要将旋转坐标系下的叶根面外弯矩变换到固定坐标系；

所述风轮摆振弯矩的计算公式如下：

在上式中，M

3)基于风轮摆振弯矩和当前平均风速，计算得到水平风切变系数，当水平风切变系数超过预设阈值时，识别当前风况为极端水平风切变。

当风电机组遇到极端水平风切变，风轮左半平面风速与右半平面风速不相等，导致风轮左半平面推力与右半平面推力不平衡，因此在风轮上产生了较大的风轮摆振弯矩；所述风轮摆振弯矩与水平风切变系数存在明显的线性关系，因此应用风轮摆振弯矩能够推导出水平风切变系数；

考虑偏航对风误差的存在，在风轮摆振弯矩中有一部分是偏航误差引起的弯矩，因此在水平风切变系数计算过程中，需扣除偏航误差的影响；所述水平风切变系数的计算公式如下：

在上式中，

若水平风切变系数超过正常风切变系数，达到特定数值，则应识别当前风况为极端水平风切变；因此，设定极端水平风切变阈值，当监测到水平风切变系数超过极端水平风切变阈值，将极端水平风切变状态标志位设置为true，否则设置为false；所述极端水平风切变状态标志位定义如下：

在上式中，

4)当前风况识别为极端水平风切变时，计算输出附加独立变桨指令，叠加在变桨控制器输出的变桨指令上，在风轮上产生的附加弯矩与风轮摆振弯矩相消减。

若极端水平风切变状态标志位为true，表明当前为极端水平风切变风况，此时风电机组的叶片、轮毂、偏航轴承和塔顶都将受到较大载荷；通过在风电机组的变桨角度上叠加附加独立变桨指令，能够在风轮上产生附加弯矩，当附加弯矩与极端水平风切变引起的风轮摆振弯矩相反时，能够抵消极端水平风切变产生的弯矩载荷；

所述附加独立变桨指令的计算公式如下：

在上式中，

变桨控制器输出的变桨指令，叠加上附加独立变桨指令，得到最终变桨指令，将最终变桨指令传递到变桨执行机构，叶片以最终变桨指令为目标执行变桨；所述最终变桨指令定义如下：

在上式中，

实施例2

本实施例公开了一种风电机组的极端水平风切变识别及降载控制系统，用于实现实施例1所述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法，如图1所示，该系统包括以下功能模块：

叶根面外弯矩获取模块，用于获取叶根两个方向的叶根弯矩，即叶根挥舞弯矩和叶根摆振弯矩，根据当前测量变桨角度，通过旋转变换获得叶根面外弯矩；

风轮摆振弯矩计算模块，用于获取当前叶片方位角，对叶片的叶根面外弯矩进行坐标变换，计算得到风轮摆振弯矩；

极端水平风切变识别模块，基于风轮摆振弯矩和当前平均风速，计算得到水平风切变系数，当水平风切变系数超过预设阈值时，识别当前风况为极端水平风切变；

极端水平风切变控制模块，用于当前风况识别为极端水平风切变时，计算输出附加独立变桨指令，叠加在变桨控制器输出的变桨指令上，在风轮上产生的附加弯矩与风轮摆振弯矩相消减。

实施例3

本实施例公开了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1所述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法。

本实施例中的存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。

实施例4

本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的风电机组的极端水平风切变识别及降载控制方法。

本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑、可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)、或其它具有处理器功能的终端设备。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。