风电机组不平衡载荷的动态识别与自适应抑制方法及系统与流程

本发明涉及风力发电的，尤其涉及到一种风电机组不平衡载荷的动态识别与自适应抑制方法及系统。

背景技术：

1、随着全球能源转型，风能作为清洁、可再生的主力能源，其开发利用规模持续扩大。为提升发电效率与经济效益，现代风力发电机组的单机容量与风轮尺寸不断增大，塔架高度与叶片柔性显著增加，导致整机结构柔性显著增强。这种结构柔性在提升捕风能力的同时，也使得机组对复杂风况的敏感性增强，所承受的动态载荷更为复杂与严峻，确保机组在各类极端工况下的结构安全性与可靠性已成为风电技术发展的核心挑战之一。

2、风剪切是指风速随高度或水平位置变化的现象。对于极端风剪切，是指在极短的时间内，风剪切的大小和方向会发生巨大的、瞬态的变化。这种事件通常与特定的天气现象（如暴风云锋过境、急流等）有关，虽然发生概率极低，但一旦发生，会导致风轮扫掠面内出现巨大的风速差，从而在风轮面上产生巨大的不平衡气动载荷。这种不平衡的气动载荷将引发一系列严重的载荷问题，如严重冲击主轴承、齿轮箱和主轴；对叶片结构安全和疲劳寿命构成直接威胁；影响叶片净空安全，甚至导致倒塔。

3、目前，主流的大型风力发电机组普遍采用基于反馈的独立变桨控制技术来有效平衡风轮的不平衡载荷。然而，全功率采用独立变桨会极大增加变桨轴承疲劳。在面对极端风剪切这类特殊的、瞬态的极端工况时，有针对性的开启独立变桨，可以同时兼顾变桨轴承疲劳载荷和主机、叶片、塔架的极限载荷，有效降低风电机组的设计成本。针对性策略的前提是要有效且快速地识别出极端风剪切风况。目前识别极端风剪切的方法研究还相对较少，比较常见的方法是通过测风雷达来测量风轮上的风切变从而识别出极端风剪切，但是测风雷达价格昂贵且可靠性不足。因此，亟需一种成本低、识别速度快、可靠性高的风电机组不平衡载荷的动态识别与自适应抑制方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风电机组不平衡载荷的动态识别与自适应抑制方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

3、风电机组不平衡载荷的动态识别与自适应抑制方法，包括以下步骤：

4、s1、在风电机组并网发电过程中，实时采集各叶片根部的载荷信号，再通过坐标变换将采集得到的各叶片根部的载荷信号转换为固定轮毂坐标系下的弯矩载荷；

5、s2、基于固定轮毂坐标系下的弯矩载荷，进行多级事件识别，通过初步触发、动态趋势确认以及极值与持续性判断三个层级，设定对应载荷超限预警的极端风剪切第一标志位的标识、对应事件持续性确认的极端风剪切第二标志位的标识以及对应增长极值确认的极端风剪切第三标志位的标识；

6、s3、结合极端风剪切第一标志位、极端风剪切第二标志位、极端风剪切第三标志位的标识对极端风剪切事件进行识别，识别并确认后，进行独立变桨控制，以抑制极限载荷。

7、进一步地，通过坐标变换将采集得到的各叶片根部的载荷信号转换为固定轮毂坐标系下的弯矩载荷，包括：

8、求取各叶片的叶根挥舞载荷：

9、；

10、表示叶片坐标系下对应叶根载荷；表示叶片坐标系下对应叶根载荷；x=1，2，3；表示对应的桨距角；

11、求取固定轮毂坐标系下y轴上的弯矩载荷：

12、；

13、表示叶轮方位角；

14、求取固定轮毂坐标系下z轴上的弯矩载荷：

15、；

16、表示叶轮仰角；

17、转换得到固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷：

18、。

19、进一步地，步骤s2中，多级事件识别包括：

20、s2-1、初步触发：判断固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷是否大于设定的第一阈值，若是，则将极端风剪切第一标志位的标识置为true并进入步骤s2-2，否则返回步骤s1；

21、s2-2、动态趋势确认：在初步触发后，判断固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率是否大于0，若是，则进入步骤s2-3，否则，第一计时器清零，固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率最大值清零，并返回步骤s1；

22、s2-3、通过极值与持续性判断，设定对应事件持续性确认的极端风剪切第二标志位的标识以及对应增长极值确认的极端风剪切第三标志位的标识。

23、进一步地，极值与持续性判断时，采用两条独立并行的判断机制实现，其中，持续性判断机制包括：

24、启动第一计时器，从零开始计时，若第一计时器计时大于预设的第一时间阈值，则将极端风剪切第二标志位的标识置为true，否则，返回步骤s1；

25、极值判断机制包括：

26、将当前的固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率值与固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率最大值作比较，若当前的固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率值大于固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率最大值，则将固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率最大值更新为当前的固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率值，否则，返回步骤s1；

27、接着，判断更新后的固定轮毂坐标系下的合成弯矩载荷的载荷变化率最大值是否大于设定的第一变化率阈值，若是，则将极端风剪切第三标志位的标识置为true，否则，返回步骤s1。

28、进一步地，步骤s3包括：

29、判断极端风剪切第一标志位的标识、极端风剪切第二标志位的标识与极端风剪切第三标志位的标识是否均为true，若是，则判定极端风剪切事件正在发生，并控制系统立即执行相关联的独立变桨控制策略，以抑制极限载荷，否则，返回步骤s1。

30、进一步地，所述独立变桨控制策略基于固定轮毂坐标系下dq轴载荷分量的反馈控制，其目标是产生差异化的桨距角指令，以抵消风轮平面的不平衡气动载荷，从而抑制叶根、塔底关键部位的极限载荷。

31、进一步地，步骤s3还包括：

32、在系统执行相关联的独立变桨控制策略的同时，启动第二计时器，在独立变桨策略持续运行达到预定时间或载荷回落到安全范围后，停止执行相关联的独立变桨策略，并将第二计时器清零，机组恢复正常控制模式。

33、进一步地，步骤s1中，通过坐标变换将采集得到的各叶片根部的载荷信号转换为固定轮毂坐标系下的弯矩载荷之前，先对实时采集各叶片根部的载荷信号进行滑动平均滤波，滤除高频测量噪声同时保留载荷动态变化特征。

34、进一步地，为实现上述目的，本发明还另外一种风电机组不平衡载荷的动态识别与自适应抑制系统，用于实现上述的风电机组不平衡载荷的动态识别与自适应抑制方法，包括：

35、数据采集与变换模块，用于在风电机组并网发电过程中，实时采集各叶片根部的载荷信号，再通过坐标变换将采集得到的各叶片根部的载荷信号转换为固定轮毂坐标系下的弯矩载荷；

36、多级事件识别模块，用于通过初步触发、动态趋势确认以及极值与持续性判断三个层级，设定对应载荷超限预警的极端风剪切第一标志位的标识、对应事件持续性确认的极端风剪切第二标志位的标识以及对应增长极值确认的极端风剪切第三标志位的标识；

37、极端风剪切事件识别模块，用于结合极端风剪切第一标志位、极端风剪切第二标志位、极端风剪切第三标志位的标识对极端风剪切事件进行识别；

38、控制策略执行与退出模块，用于在极端风剪切事件确认后执行独立变桨控制策略，并在满足退出条件后停止执行独立变桨策略，使机组恢复正常控制模式。

39、与现有技术相比，本技术方案原理及优点如下：

40、1、通过实时监测载荷变化率，能够在载荷急剧增长的初期即识别出极端事件，比单纯判断载荷绝对值更具前瞻性，为控制策略的执行赢得了宝贵时间。

41、2、采用载荷阈值、载荷变化率正负、变化率极值以及持续时间等多重条件联合判断，可有效避免因瞬时波动或单一信号异常导致的误触发，识别结果准确可靠。

42、3、无需加装激光雷达等昂贵设备，直接利用机组现有的叶片载荷传感器信号，成本低且易于在现有机组上改造实施。

43、4、通过精准识别后触发专门设计的独立变桨策略，能够实现对极限载荷的有效、主动抑制，显著提升机组在极端工况下的安全性。

44、5、在平稳风况下采用统一变桨以保护变桨轴承，仅在识别到极端风剪切威胁时，才针对性、临时性地启动高性能独立变桨，从而在确保整机极限载荷安全的同时，有效延长变桨系统的使用寿命，综合降低机组的设计与维护成本。