风力发电机组柔塔阻尼调整方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地涉及一种风力发电机组柔塔阻尼调整方法及一种风力发电机组柔塔阻尼调整系统。

背景技术

塔架是风力发电机组的支撑部件，其作用是使叶轮保持在一定的高度，从而将风能转化为电能，实现发电功能。随着高平均风速风场资源的减少，风切变程度的增加，为保证足够的风电能力，塔架逐渐变得越来越高。随着塔架高度的增加，导致塔架重量急速升高，传统刚性塔架变得不经济。柔塔是指塔筒的一阶自然频率与风轮旋转一阶频率相交或者小于时，这样的塔筒就被称作柔性塔筒，因为柔塔重量轻，节省成本，其相比传统塔架，柔塔在100米以上更具有经济性，在有效提高机组发电量的同时，不会增加太多成本。且塔筒直径小，便于运输，所以，在现有的风电机组建设中，柔塔的应用十分广泛。

虽然柔塔存在诸多优势，但是其有带来了增加塔架涡激和共振的风险，塔架和机舱的振动主要体现在一阶和二阶上，在现有方法中，主要依靠安装在塔架内部和机舱内部的固定阻尼系统来起抑制作用，并且在主控系统中也加入了抑振和抗涡激策略，但会损失部分发电量，使得机组的性能下降。虽然目前出现有将TLD阻尼器应用到风电机组中进行阻尼调整的方案，但是这些方案均是采用的固定水箱以及固定液量进行阻尼调整的。但是在实际应用过程中，因为风场的风力存在动态变化，对柔塔的振动也会随着变化，理论上不同的振动工况需要针对不同的振动抑制方案，但是固定水箱以及固定液量的抑制效果一定，无法根据实际情况进行动态调整，这就会出现抑制不足、矫枉过正或增加塔架负担的问题。针对现有方案存在的问题，需要创造一种新的风力发电机组柔塔阻尼调整方法。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种风力发电机组柔塔阻尼调整方法及系统，以至少解决现有柔塔阻尼调整方法容易出现振动抑制不足、矫枉过正或增加塔架负担的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种风力发电机组柔塔阻尼调整方法，应用于设置有TLD阻尼器的风力发电机组柔塔的振动抑制，所述方法包括：采集柔塔实时振动信息；基于所述实时振动信息确定需要的阻尼调整方案；基于所述阻尼调整方案执行TLD阻尼器液位高度调整，并实时判断调整结果，直到实时调整结果满足所述阻尼调整方案。

可选的，所述柔塔实时振动信息包括：柔塔振动频率和振动幅度。

可选的，在所述基于所述实时振动信息确定需要的液体阻尼信息之前，所述方法还包括：对比所述实时振动信息和预设固有频率信息；若所述实时振动信息不大于所述预设固有频率信息，则拒绝执行柔塔阻尼调整；反之，则执行后续的柔塔阻尼调整步骤。

可选的，所述基于所述实时振动信息确定需要的液体阻尼信息，包括：获得所述实时振动信息和所述预设固有频率信息之间的差值绝对值；基于所述差值绝对值在预设阻尼调整表中确定适用的阻尼调整方案；其中，所述阻尼调整方案包括对应差值绝对值下的阻尼调整量和TLD阻尼器液位高度信息。

可选的，所述方法还包括：获得阻尼调整表，包括：在预设允许范围内，动态调整柔塔的振动频率和振动幅度；在每一次调整后，对应动态调整TLD阻尼器的液位高度，并采集液位高度调整后柔塔的振动信息，直到所述振动信息不大于所述预设固有频率信息，记录液位高度调整后的TLD阻尼器的液位高度和液位高度调整前的柔塔振动信息，形成所述阻尼调整表中的一组振动信息与目标液位高度的对应关系；重复上述步骤，直到遍历所述预设允许范围，将获得的所有振动信息与目标液位高度的对应关系组成所述阻尼调整表。

可选的，所述基于所述阻尼调整方案执行TLD阻尼器液位高度调整，包括：获得当前适用的阻尼调整方案中的TLD阻尼器液位高度信息；基于所述当前适用的阻尼调整方案中的TLD阻尼器液位高度信息与当前TLD阻尼器的实际液位信息之间的差值，确定TLD阻尼器的补水/排水量信息，并生成对应的调整指令；执行所述调整指令，对应进行TLD阻尼器补水/排水操作。

本发明第二方面提供一种风力发电机组柔塔阻尼调整系统，应用于设置有TLD阻尼器的风力发电机组柔塔的振动抑制，所述系统包括：采集单元，采集柔塔实时振动信息；处理单元，用于基于所述实时振动信息确定需要的阻尼调整方案；执行单元，用于基于所述阻尼调整方案执行TLD阻尼器液位高度调整；所述处理单元还用于实时判断调整结果，直到实时调整结果满足所述阻尼调整方案。

可选的，所述采集单元还用于采集TLD阻尼器的实时液位信息；所述处理单元还用于根据所述实时液位信息判断调整结果，直到实时调整结果满足所述阻尼调整方案；所述采集单元包括：振动加速度传感器，设置在柔塔塔尖，用于采集柔塔振动频率和振动幅度；液位传感器，设置在TLD阻尼器内，用于采集TLD阻尼器的实时液位信息。

可选的，所述执行单元包括：泵组系统，用于执行TLD阻尼器补水/排水操作；水箱，用于向TLD阻尼器提供阻尼用水，以及回收TLD阻尼器的阻尼用水。

另一方面，本发明提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的风力发电机组柔塔阻尼调整方法。

通过上述技术方案，风力发电机组中增加智能阻尼系统，根据机组和塔架的瞬时振动加速度信号，实时动态智能调整机组阻尼，抑制机组的振动。通过调整TLD阻尼器中的液位高度，针对不同的振动情况提供对应需求的阻尼效果，保证了阻尼调控的智能性，解决了现有柔塔阻尼调整方法容易出现振动抑制不足、矫枉过正或增加塔架负担的问题。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的风力发电机组柔塔阻尼调整方法的步骤流程图；

图2是本发明一种实施方式提供的风力发电机组柔塔阻尼调整系统的系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

塔架是风力发电机组的支撑部件，其作用是使叶轮保持在一定的高度，从而将风能转化为电能，实现发电功能。随着高平均风速风场资源的减少，风切变程度的增加，为保证足够的风电能力，塔架逐渐变得越来越高。随着塔架高度的增加，导致塔架重量急速升高，传统刚性塔架变得不经济。柔塔是指塔筒的一阶自然频率与风轮旋转一阶频率相交或者小于时，这样的塔筒就被称作柔性塔筒，因为柔塔重量轻，节省成本，其相比传统塔架，柔塔在100米以上更具有经济性，在有效提高机组发电量的同时，不会增加太多成本。且塔筒直径小，便于运输，所以，在现有的风电机组建设中，柔塔的应用十分广泛。

虽然柔塔存在诸多优势，但是其有带来了增加塔架涡激和共振的风险，塔架和机舱的振动主要体现在一阶和二阶上，在现有方法中，主要依靠安装在塔架内部和机舱内部的固定阻尼系统来起抑制作用，并且在主控系统中也加入了抑振和抗涡激策略，但会损失部分发电量，使得机组的性能下降。

TLD阻尼器(调频液体阻尼器)是一种被动耗能减振装置，其利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用。其具有构造简单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等优点。因为其可兼作供水水箱使用，所以其被广泛应用在摩天大楼的阻尼控制中。虽然目前出现有将TLD阻尼器应用到风电机组中进行阻尼调整的方案，但是这些方案均是采用的固定水箱以及固定液量进行阻尼调整的。但是在实际应用过程中，因为风场的风力存在动态变化，对柔塔的振动也会随着变化，理论上不同的振动工况需要针对不同的振动抑制方案，但是固定水箱以及固定液量的抑制效果一定，无法根据实际情况进行动态调整，这就会出现抑制不足、矫枉过正或增加塔架负担的问题。针对现有方案存在的问题，本发明方案提出了一种新的风力发电机组柔塔阻尼调整方法，针对性解决了现有设置TLD阻尼器的风力发电机组无法基于实际情况进行阻尼效果调整的问题。

图2是本发明一种实施方式提供的风力发电机组柔塔阻尼调整系统的系统结构图。如图2所示，本发明实施方式提供一种风力发电机组柔塔阻尼调整系统，所述系统包括：采集单元，采集柔塔实时振动信息；处理单元，用于基于所述实时振动信息确定需要的阻尼调整方案；执行单元，用于基于所述阻尼调整方案执行TLD阻尼器液位高度调整；所述处理单元还用于实时判断调整结果，直到实时调整结果满足所述阻尼调整方案。

优选的，所述处理单元还用于根据所述实时液位信息判断调整结果，直到实时调整结果满足所述阻尼调整方案；所述采集单元包括：振动加速度传感器，设置在柔塔塔尖，用于采集柔塔振动频率和振动幅度；液位传感器，设置在TLD阻尼器内，用于采集TLD阻尼器的实时液位信息。

优选的，所述执行单元包括：泵组系统，用于执行TLD阻尼器补水/排水操作；水箱，用于向TLD阻尼器提供阻尼用水，以及回收TLD阻尼器的阻尼用水。

图1是本发明一种实施方式提供的风力发电机组柔塔阻尼调整方法的方法流程图。如图1所示，本发明实施方式提供一种风力发电机组柔塔阻尼调整方法，所述方法包括：

步骤S10：采集柔塔实时振动信息。

具体的，TLD阻尼器在风荷载作用下将随着柔塔一起产生振动，从而引起TLD阻尼器中液体晃动，并在液体表面形成波浪，晃动的液体和波浪将对TLD阻尼器的箱壁产生动压力差，同时液体也将引起惯性力，有动压力差和液体惯性力形成TLD阻尼器的减振作用。目前进行TLD阻尼器减振效果模拟的方法主要为集中质量法，其原理为将外部激励下水箱中的液体晃动对箱壁产生的动液压力分为晃动压力和脉冲压力两部分，脉冲压力与水箱的加速度成正比，方向相反，振荡压力取决于液体振荡的波高和频率。具体的推理过程不再赘述，总之，可以预见的是，TLD阻尼器的阻减振效果与液体振荡的波高和频率直接相关，而液体振荡的波高和频率与存放液体的箱体尺寸、形状和液面高度相关。其中，液面高度与箱体尺寸是对应关系，例如，液面高度接近于箱体高度，即使液体本身振荡的惯性力很大，但其受限于箱体尺寸影响，其振荡效果也会收到影响，即在极限条件下，箱体存满阻尼用水，则水就不会在箱体内产生振荡了。所以，TLD阻尼器的减振效果并不能单方面参考液位高度，也不能单方面参考箱体尺寸。液位越高，惯性力越大，但超高的也为会影响振荡效果；液位越低，振荡效果越好，但过低的也为有会造成惯性力太低，使得振荡的作用减小。

综上所述，TLD阻尼器的减振效果是一个综合评判系统，在风力发电机组中，TLD阻尼器的形状已经被固定，所以基于该固定的形状，本发明方案基于调整其中阻尼用水的液位高速来实现减振效果调整。需要平衡阻尼用水的振荡效果和自身惯性力来平衡液位高度。且在实际调整过程中，因为需要将阻尼用书泵送到TLD阻尼器中，所以为了减少柔塔的负载力以及减少泵送功耗，理论上尽量利用液体振荡效果进行减振，只有当振荡效果不足时，才增加阻尼用水提高惯性力。

所以，本发明方案在实现阻尼调整方案时，对于振荡效果良好，但依旧无法满足减振需求的情况时，向TLD阻尼器中泵送阻尼用水，提高TLD阻尼器的液位高度，适应对应的减振需求。在液位过高影响振荡效果或振荡效果良好不需要高液位状态时，则回收TLD阻尼器中的阻尼用水，降低TLD阻尼器的液位高度。基于实际的振动情况，进行自适应的TLD阻尼器液位高度调整，在保护柔塔结构的前提下，实现不同工况对应进行不同程度减振的需求。

基于此，首先需要获取柔塔的实时振动情况，采能够基于该实时振动情况适应调整出对应的阻尼调整方案。上述已知，塔架和机舱的振动主要体现在一阶和二阶上，所以，为了准确了解塔架的振动情况，优选的，将采集振动情况的传感器设置在振动最明显的柔塔塔尖上。采用振动加速度传感器，采集机组瞬时振动值，及实时的振动频率和振动幅度。处理单元将采集到的振动值与塔架的固有频率进行对比，当所述实时振动信息不大于所述预设固有频率信息，表示当前减振效果满足需求或机组本身振动情况可接受，则不需要进行振动抑制，则拒绝执行柔塔阻尼调整。持续进行振动情况采集，直到实时振动信息大于所述预设固有频率信息，则执行后续的柔塔阻尼调整。

在一种可能的实施方式中，不同的风电机组，因为建设位置与自身结构区别存在不同的固有频率，为了针对不同的机组获得准确的固有频率。优选的，在风电机组建设完成后，启动风电机组进行正常工作状态，然后执行多次紧急停机，并通过振动加速度传感器采集停机过程中的振动频率信息，获得多个采集频率。然后求得这些采集频率的平均值，将获得的平均值作为该风电机组的固有频率。

步骤S20：基于所述实时振动信息确定需要的阻尼调整方案。

具体的，上述已知，在风电机组中，TLD阻尼器的形状结以及尺寸信息以及固定，所以通过调整液位的高度信息便可以实现TLD阻尼器的减振效果调整。当然，不同风场的风电机组所受到的最大振动情况可能存在一定的区别，在振动情况特别严重的地区，风电机组进行TLD阻尼器选型时，选择具有更大水箱的TLD阻尼器是可以预见的。而对于振动情况不那么严重的地区，自然也就不必要选型那么大尺寸的TLD阻尼器。所以，不同尺寸的TLD阻尼器，进行液位调整时的方案是会存在一定区别的。

在一种可能的实施方式中，采集不同的风电机组TLD阻尼器的尺寸信息，然后基于集中质量法进行对应需求的阻尼效果计算，进行该阻尼效果计算式，是基于当前机组的振动情况进行计算的，计算获得适应当前振动情况的阻尼调整方案，后续便基于该方案进行TLD阻尼器液位调节。

在另一种可能的实施方式中，为了减少计算时延，提高针对实施情况进行阻尼调整方案生成的响应速度，优选的，基于不同的风电机组制定不同的阻尼调整表。该阻尼调整表记录有振动情况与对应阻尼调整方案之间的对应的关系，只要在TLD阻尼器的极限调整范围内，获得完整的阻尼效果与液位之间的关系，便可以根据需求的阻尼效果直接提取适用的阻尼调整方案。进行阻尼调整表生成是，针对不同的风电机组，了解其风场中对应可能造成的振动情况，然后基于该范围进行对应振动参数调整。当然，进行该步骤是，可以基于预设风洞进行实验或直接通过预设模型进行训练，只要能够模拟出对应的振动情况，便可以针对对应的情况采集适用的液位高度信息。在每一次调整后，对应动态调整TLD阻尼器的液位高度，并反向采集液位高度后柔塔的振动信息，直到所述振动信息不大于所述预设固有频率信息，记录液位调整后的TLD阻尼器的液位高度和液位调整前的柔塔振动信息，形成所述阻尼调整表中的一个对应关系；重复上述步骤，直到遍历所述预设允许范围，获得所有对应关系，组成所述阻尼调整表。后续在使用时，直接基于当前柔塔的振动情况提取对应适用的阻尼调整方案便可，提高了方案实现的相应速度。

步骤S30：基于所述阻尼调整方案执行TLD阻尼器液位调整，并实时判断调整结果，直到实时调整结果满足所述阻尼调整方案。

具体的，获得对应的阻尼调整方案后，变直接提取出对应方案下的TLD阻尼器的目标液位，结合TLD阻尼器当前的实际液位信息，便可以准确货值当前TLD阻尼器需要补充的阻尼用水量或需要排除的阻尼用水量。液位传感器将采集到是TLD阻尼器实时实际液位信息发送到处理单元，处理单元求得该实际液位信息和目标液位信息之间的差值，基于计算结果的正负性质确定执行补水还是排水，基于差值绝对值确定需要补充或排出的水量，然后生成对应的执行指令，并将该执行指令下发给执行单元。

执行单元接受到对应的执行指令后，打开泵组系统阀门，当执行指令为供水时，打开供水伐，并对应控制打开TLD阻尼器的进水阀。若执行指令为排水时，打开泵组系统的进水阀，并对应控制打开TLD阻尼器的排水阀。在补水/排水过程中，液位传感器持续采集TLD阻尼器内的液位高度信息，并将该信息发送给处理单元，处理单元实时对比液位高度信息和目标液位高速信息，直到二者相等时，关闭泵组系统和TLD阻尼器的所有阀门，完成液位调整。

在另一种可能的实施方式中，处理单元基于需求补水/排水量和各阀门过流能力进行阀门开启时间指定，然后基于该阀门开启时间向执行机构下发对应的启动指令和延时关闭指令便可。执行单元在阀门开启时间完成后直接控制各阀门关闭，然后处理单元进行后续的执行结果判断便可。

在另一种可能的实时方案中，处理预设适用的阻尼调整方案以外，本发明方案还可以基于另一种控制方案进行。即不需要预设适用的阻尼调整方案，只需要根据集中质量法确定当前TLD阻尼器需要补水还是排水便可，至于液位目标，不需要指定和预设。因为在动态调整过程中，机组的振动情况也可能在随时发生变化，所以实时采集机组的振动情况，执行单元基于对应的补水/排水方向进行补水和排水操作便可，并在液位调整过程中，实时采集机组的振动情况，当机组振动参数回落到固定频率后，便直接控制各阀门关闭。这种方案可以根据机组的振动变化情况随时执行自适应补水/排水操作，使得动态调整效果更好的。

在本发明实施例中，本发明在风力发电机组中增加智能阻尼系统，根据机组和塔架的瞬时振动加速度信号，实时动态智能调整机组阻尼，抑制机组的振动。本发明一种风力发电机组柔塔智能阻尼系统及控制方法，其系统结构简单，便于安装实施，控制调节方便、快捷。能有效降低塔架的重量，节约塔架的投资成本，提高了投资收益率。

本发明实施方式还提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的风力发电机组柔塔阻尼调整方法。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。