一种基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法与系统与流程

1.本发明涉及风电机组控制的技术领域，尤其是指一种基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法、系统、存储介质及计算设备。


背景技术：

2.风力发电作为绿色清洁的能源在全球各地广泛并快速的推广。随着风电技术的不断革新，风电机组逐渐向着大兆瓦、高塔架、长叶片发展。并且，陆上风电及海上风电退出电价补贴，海陆风电平价上网导致风电机组的成本不断降低。因此，在风电平价时代，要实现大兆瓦风电机组的轻量化设计、超长柔性叶片设计及超高柔塔设计，必须采取新技术和新方法。超长的柔性叶片与超高的柔塔必然引起叶片与塔架的净空不足，增加了叶片扫塔等严重事故发生的风险。在结构设计上，通过增加主轴倾角、增大风轮锥角及调整叶片预弯增加塔架净空，都会引起整机成本及载荷增加，且受到生产制造的限制，调整范围有限。在控制上，可以采用激光雷达测量叶片变形实现塔架净空控制。但是激光雷达易受雨、雪、雾霾等影响，可靠性不高，且成本昂贵不利于批量应用。


技术实现要素：

3.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法，可有效控制塔架净空在安全区域，整个控制成本低，可靠性高。
4.本发明的第二目的在于提供一种基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制系统。
5.本发明的第三目的在于提供一种存储介质。
6.本发明的第四目的在于提供一种计算设备。
7.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法，执行以下操作：
8.1)采集机舱倾角并进行数据处理，以获得机舱有效倾角；
9.2)根据机舱有效倾角，建立塔架动力学方程，并计算出当前风轮有效推力；
10.3)根据当前计算的风轮有效推力，判断当前工况是否存在塔架净空风险，若存在塔架净空风险，则执行步骤4)，否则跳回步骤1)；
11.4)当机组进入塔架净空风险区域，在叶片接近塔架的危险扇区内，设定扇区最小桨叶角度，此时变桨控制器输出的变桨指令要与扇区最小桨叶角度比较，选取较大角度为最终变桨指令，以控制塔架净空在安全区域；当机组不存在塔架净空风险时，变桨控制器输出的变桨指令不需要与扇区最小桨叶角度比较，最终变桨指令为变桨控制器输出的变桨指令。
12.进一步，在步骤1)中，通过倾角传感器采集机舱倾角，所述倾角传感器安装在风电机组的机舱内，与机舱平台共同运动，实时采集机舱主轴方向的倾角；机舱内能够安装一个或多个倾角传感器，冗余的倾角传感器能够增加机舱倾角测量的可靠性；若采用多个倾角传感器，则多个倾角测量值能够通过加权的方式综合得出机舱倾角，具体公式如下：
[0013][0014]
在上式中，表示机舱平均倾角；θ1表示倾角传感器1的测量倾角；η1表示倾角传感器1的加权系数；θ2表示倾角传感器2的测量倾角；η2表示倾角传感器2的加权系数；θn表示倾角传感器n的测量倾角；ηn表示倾角传感器n的加权系数；加权系数η1、η2到ηn的取值范围0到1之间，精度高的传感器选大的加权系数，并且满足加权系数之和η1 η2
…
ηn等于1；
[0015]
为避免高频噪声、传动链频率及3p频率对测量数据的干扰，对机舱平均倾角作必要滤波，滤波器包含二阶低通滤波和带阻滤波，对机舱倾角数据中塔架一阶频率以上的成分进行衰减，滤波后的机舱有效倾角表示如下：
[0016][0017]
在上式中，θf表示机舱有效倾角；f(s)表示机舱倾角滤波器。
[0018]
进一步，在步骤2)中，建立的塔架动力学方程，具体公式如下：
[0019][0020]
在上式中，f
fa
表示风轮有效推力；m表示塔架等效惯量；表示机舱有效倾角的二阶导数；d表示塔架等效阻尼；表示机舱有效倾角的一阶导数；k表示塔架等效刚度；θf表示机舱有效倾角。
[0021]
进一步，所述塔架等效惯量m、塔架等效阻尼d和塔架等效刚度k的具体数值的确定是在机组设计软件bladed中设置输入阶梯风，仿真输出风轮有效推力与机舱有效倾角的变化曲线，通过最小二次拟合方法得到塔架等效惯量、塔架等效阻尼和塔架等效刚度。
[0022]
进一步，在步骤3)中，由于风速湍流、塔架运动和变桨动态效应，风轮有效推力实际分布在风轮有效推力随风速的稳态曲线附近；风轮有效推力随风速的稳态曲线包含切入风速到额定风速区间段和额定风速到切出风速区间段；在切入风速到额定风速区间段，风轮有效推力随平均风速的增加而增加；在额定风速到切出风速区间，风轮有效推力随平均风速增加而减小；在额定风速点，风轮有效推力达到最大值；
[0023]
因此，定义塔架净空风险区域在额定风速附近区间，定义该区域为ab区域，且风轮有效推力大于额定风速点；由于风速测量受尾流和风轮遮挡影响，数据精度低，因此塔架净空风险区域的边界不用风速判断，塔架净空风险区域的左边界a点，根据在a点的发电机功率判断，塔架净空风险区域的右边界b点，根据在b点的变桨角度判断；定义塔架净空风险区域的判定条件如下：
[0024][0025]
在上式中，sf表示塔架净空风险标志位，0是不在净空风险区域，1是在净空风险区域；p
gen
表示发电机功率测量值；pa表示净空风险区域功率阈值；β表示三只叶片的平均变桨角度；βb表示净空风险区域变桨角度阈值；f
fa
表示风轮有效推力；fd表示净空风险区域推力阈值；if表示后面为判断条件；&表示逻辑与运算；else表示其它情况。
[0026]
进一步，在步骤4)中，定义塔架附近的扇区为危险扇区，当机组处在塔架净空风险区域，且叶片进入危险扇区时，通过设置该叶片在危险扇区的最小桨叶角度，达到控制净空
在安全范围内的目的；
[0027]
风轮的轮毂内安装有方位角传感器，当风轮旋转时能够实时测量每只叶片的方位角，定义扇区最小桨叶角度如下：
[0028][0029]
在上式中，β
1，min
表示叶片1的扇区最小桨叶角度；表示叶片1的方位角；β
2，min
表示叶片2的扇区最小桨叶角度；表示叶片2的方位角；β
3，min
表示叶片3的扇区最小桨叶角度；表示叶片3的方位角；表示扇区最小桨叶角度查表函数；
[0030]
当机组处于塔架净空风险区域，塔架净空风险标志位sf等于1，此时变桨控制器输出的各叶片变桨指令要分别与各自的扇区最小桨叶角度比较，选取较大角度为最终变桨指令，具体公式如下：
[0031][0032]
在上式中，β
1set
表示叶片1的最终变桨指令；表示叶片2的最终变桨指令；表示叶片3的最终变桨指令；β
1c
表示变桨控制器输出的叶片1变桨指令；表示变桨控制器输出的叶片2变桨指令；表示变桨控制器输出的叶片3的变桨指令；β
1，min
表示叶片1的扇区最小桨叶角度；β
2，min
表示叶片2的扇区最小桨叶角度；β
3，min
表示叶片3的扇区最小桨叶角度；max{}表示取最大值；
[0033]
若塔架净空风险标志位sf等于0，此时不存在塔架净空风险，变桨控制器输出的变桨指令不需要与扇区最小桨叶角度比较，最终变桨指令为变桨控制器输出的变桨指令。
[0034]
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于最优控制的风电机组模块化控制系统，用于实现上述的基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法，其包括：
[0035]
机舱倾角测量模块，用于采集机舱倾角并进行数据处理，以获得机舱有效倾角；
[0036]
风轮推力计算模块，用于根据机舱有效倾角，建立塔架动力学方程，并计算出当前风轮有效推力；
[0037]
塔架净空预警模块，用于根据当前计算的风轮有效推力，判断当前工况是否存在塔架净空风险；
[0038]
扇区变桨控制模块，用于设定扇区最小桨叶角度，主动增加塔架净空；当机组进入塔架净空风险区域，在叶片接近塔架的危险扇区内，此时变桨控制器输出的变桨指令要与扇区最小桨叶角度比较，选取较大角度为最终变桨指令，以控制塔架净空在安全区域；当机组不存在塔架净空风险时，变桨控制器输出的变桨指令不需要与扇区最小桨叶角度比较，最终变桨指令为变桨控制器输出的变桨指令。
[0039]
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，实现上述的基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法。
[0040]
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，实现上述的基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法。
[0041]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0042]
1、本发明方案提出的塔架净空控制方法，采用倾角传感器测量机舱倾角，倾角传感器成本低且产品成熟，海上机型容易实现标配。
[0043]
2、本发明方案采用机舱倾角，反推计算出风轮推力，通过功率、变桨角度及风轮有效推力，构建了塔架净空风险区域的识别方法。
[0044]
3、本发明方案提出了扇区最小桨叶角度控制方法，定义了叶片的危险扇区，只有叶片进入危险扇区才进行最小桨叶角度限定，控制塔架净空在安全范围内，最大限度减小了变桨对功率和转速的影响。
附图说明
[0045]
图1为风轮有效推力随风速的稳态曲线图。
[0046]
图2为叶片方位角及危险扇区示意图。
[0047]
图3为三只叶片的扇区最小桨叶角度示意图。
[0048]
图4为本发明系统的架构图。
具体实施方式
[0049]
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。
[0050]
实施例1
[0051]
本实施例公开了一种基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法，执行以下操作：
[0052]
1)通过倾角传感器采集机舱倾角并进行数据处理，以获得机舱有效倾角。
[0053]
倾角传感器安装在风电机组的机舱内，与机舱平台共同运动，实时采集机舱主轴方向的倾角；机舱内可安装一个或多个倾角传感器，冗余的倾角传感器可增加机舱倾角测量的可靠性；若采用多个倾角传感器，则多个倾角测量值能够通过加权的方式综合得出机舱倾角，具体公式如下：
[0054][0055]
在上式中，表示机舱平均倾角；θ1表示倾角传感器1的测量倾角；η1表示倾角传感器1的加权系数；θ2表示倾角传感器2的测量倾角；η2表示倾角传感器2的加权系数；θn表示倾角传感器n的测量倾角；ηn表示倾角传感器n的加权系数；加权系数η1、η2到ηn的取值范围0到1之间，精度高的传感器选大的加权系数，并且满足加权系数之和η1 η2
…
ηn等于1；
[0056]
为避免高频噪声、传动链频率及3p频率对测量数据的干扰，对机舱平均倾角作必要滤波，滤波器包含二阶低通滤波和带阻滤波，对机舱倾角数据中塔架一阶频率以上的成分进行衰减，滤波后的机舱有效倾角表示如下：
[0057]
[0058]
在上式中，θf表示机舱有效倾角；f(s)表示机舱倾角滤波器。
[0059]
2)根据机舱有效倾角，建立塔架动力学方程，并计算出当前风轮有效推力。
[0060]
风电机组在运行过程中，风轮受到风的推力，塔架产生向后的变形运动，机舱同时产生向后的倾角，风轮推力难以直接测量，但能够根据机舱有效倾角能够计算出风轮有效推力；其中，建立的塔架动力学方程，具体公式如下：
[0061][0062]
在上式中，f
fa
表示风轮有效推力；m表示塔架等效惯量；表示机舱有效倾角的二阶导数；d表示塔架等效阻尼；表示机舱有效倾角的一阶导数；k表示塔架等效刚度；θf表示机舱有效倾角。
[0063]
塔架等效惯量m、塔架等效阻尼d和塔架等效刚度k的具体数值的确定是在机组设计软件bladed中设置输入阶梯风，仿真输出风轮有效推力与机舱有效倾角的变化曲线，通过最小二次拟合方法得到塔架等效惯量、塔架等效阻尼和塔架等效刚度。
[0064]
3)根据当前计算的风轮有效推力，判断当前工况是否存在塔架净空风险，若存在塔架净空风险，则执行步骤4)，否则跳回步骤1)。
[0065]
由于风速湍流、塔架运动和变桨动态效应，风轮有效推力实际分布在风轮有效推力随风速的稳态曲线附近；风轮有效推力随风速的稳态曲线如图1所示，包含切入风速到额定风速区间段(即om段)和额定风速到切出风速区间段(即me段)；在切入风速到额定风速区间段，风轮有效推力随平均风速的增加而增加；在额定风速到切出风速区间，风轮有效推力随平均风速增加而减小；在额定风速点(即m点)，风轮有效推力达到最大值；
[0066]
因此，可以定义塔架净空风险区域在额定风速附近ab区间，且风轮有效推力大于d点；图1中f区域即为塔架净空风险区域，由于风速测量受尾流和风轮遮挡影响，数据精度较低，因此塔架净空风险区域的边界不用风速判断；f区域的左边界a点，根据在a点的发电机功率判断；f区域的右边界b点，根据在b点的变桨角度判断；定义塔架净空风险区域的判定条件如下：
[0067][0068]
在上式中，sf表示塔架净空风险标志位，0是不在净空风险区域，1是在净空风险区域；p
gen
表示发电机功率测量值；pa表示净空风险区域功率阈值；β表示三只叶片的平均变桨角度；βb表示净空风险区域变桨角度阈值；f
fa
表示风轮有效推力；fd表示净空风险区域推力阈值；if表示后面为判断条件；&表示逻辑与运算；else表示其它情况。
[0069]
4)当机组进入了塔架净空风险区域，在叶片接近塔架的危险扇区内，设定扇区最小桨叶角度，主动增加塔架净空。
[0070]
机组在塔架净空风险区域时，风轮的推力较大，叶片变形达到最大；叶片扫略经过塔架时，容易发生叶片与塔筒撞击；因此，可以定义塔架附近的扇区为危险扇区，如图2所示；当机组处在塔架净空风险区域，且叶片进入危险扇区时，通过设置该叶片在危险扇区的最小桨叶角度，达到控制净空在安全范围内的目的。
[0071]
风轮的轮毂内安装有方位角传感器，当风轮旋转时可以实时测量每只叶片的方位
角；图2为叶片方位角及危险扇区示意图，图中叶片1的方位角在30
°
，叶片2的方位角在150
°
，叶片3的方位角在270
°
；定义扇区最小桨叶角度如下：
[0072][0073]
在上式中，β
1，min
表示叶片1的扇区最小桨叶角度；表示叶片1的方位角；β
2，min
表示叶片2的扇区最小桨叶角度；表示叶片2的方位角；β
3，min
表示叶片3的扇区最小桨叶角度；表示叶片3的方位角；表示扇区最小桨叶角度查表函数；在某时刻，风轮的三只叶片的扇区最小桨叶角度如图3所示。
[0074]
当机组处于塔架净空风险区域，塔架净空风险标志位sf等于1，此时变桨控制器输出的各叶片变桨指令要分别与各自的扇区最小桨叶角度比较，选取较大角度为最终变桨指令，具体公式如下：
[0075][0076]
在上式中，β
1set
表示叶片1的最终变桨指令；表示叶片2的最终变桨指令；表示叶片3的最终变桨指令；β
1c
表示变桨控制器输出的叶片1变桨指令；表示变桨控制器输出的叶片2变桨指令；表示变桨控制器输出的叶片3的变桨指令；β
1，min
表示叶片1的扇区最小桨叶角度；β
2，min
表示叶片2的扇区最小桨叶角度；β
3，min
表示叶片3的扇区最小桨叶角度；max{}表示取最大值；
[0077]
若塔架净空风险标志位sf等于0，此时不存在塔架净空风险，变桨控制器输出的变桨指令不需要与扇区最小桨叶角度比较，最终变桨指令为变桨控制器输出的变桨指令。
[0078]
实施例2
[0079]
本实施例公开了一种基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制系统，用于实现实施例1所述的基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法，如图4所示，该系统包括以下功能模块：
[0080]
机舱倾角测量模块，用于采集机舱倾角并进行数据处理，以获得机舱有效倾角；
[0081]
风轮推力计算模块，用于根据机舱有效倾角，建立塔架动力学方程，并计算出当前风轮有效推力；
[0082]
塔架净空预警模块，用于根据当前计算的风轮有效推力，判断当前工况是否存在塔架净空风险；
[0083]
扇区变桨控制模块，用于设定扇区最小桨叶角度，主动增加塔架净空；当机组进入塔架净空风险区域，在叶片接近塔架的危险扇区内，此时变桨控制器输出的变桨指令要与扇区最小桨叶角度比较，选取较大角度为最终变桨指令，以控制塔架净空在安全区域；当机组不存在塔架净空风险时，变桨控制器输出的变桨指令不需要与扇区最小桨叶角度比较，
最终变桨指令为变桨控制器输出的变桨指令。
[0084]
实施例3
[0085]
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所述的基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法。
[0086]
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。
[0087]
实施例4
[0088]
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所述的基于机舱倾角的风电机组塔架净空控制方法。
[0089]
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。
[0090]
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。