獲得風力發(fā)電機風速值的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術,通過建立風速估計的數(shù)學模型,采集可靠的測量信息, 由風速估計模型計算出輪轂中心高度處風速,從而可以替代風力發(fā)電機組傳統(tǒng)的風速儀。
【背景技術】
[0002] 目前,是采用風速儀直接測量來流風的風速值,該風速儀具有一個機械式風杯,作 為一次檢測元件,安裝在機艙尾部,通過該風杯測得的風速并不是風輪正前方的風速,而是 受到了風輪旋轉尾流影響的風速,與實際的未受擾動的風速存在較大偏差。另外,由于機械 式風杯具有轉動慣量,而我國風力發(fā)電機組大部分安裝在風沙大、氣候寒冷的野外地區(qū),容 易受風沙侵蝕和結冰影響,造成測量精度低,易損壞。為了提高測量的可靠性,通常會安裝 兩個及兩個以上的風速儀進行冗余保護,一般將多個風速儀測量的值進行平均作為實測風 速。為了檢測風速儀是否失效,保護風力發(fā)電機組安全運行,通常需設計相應的保護邏輯, 但也只能判斷風速儀是否有故障,具體哪一個風速儀出現(xiàn)故障或全部風速儀是否故障,還 沒有準確有效的判斷方法,只能進行全部更換,給現(xiàn)場維護檢修帶來額外工作量。當風力發(fā) 電機組運行于切出風速附近時,若風速測量值有誤,則風力發(fā)電機組的運行載荷可能會高 于設計值,給機組安全帶來巨大隱患。
【發(fā)明內容】
[0003] 為了解決上述問題,提出一種技術方案,在不增加硬件成本的基礎上,利用風力發(fā) 電機組現(xiàn)有的測量信號計算出風輪正前方的風速,從而可以替代傳統(tǒng)機械式風速儀。
[0004] 本發(fā)明的技術方案是:
[0005] -種獲得風力發(fā)電機風速值的方法,利用風力發(fā)電機中與風速有對應關系的參 數(shù),建立起求解風速、風向的數(shù)學模型,通過該模型計算得到風速值。
[0006] 所述建立起求解風速的數(shù)學模型的步驟是:
[0007] 對風力發(fā)電機組的傳動鏈模型進行折算,把低速軸的變量折算到高速軸,并認為 整個模型為剛性模型,得到簡化傳動鏈模型,并設風輪輪轂前面最高點為風速計算的采樣 點,由剛性模型假設,列出風輪傳動鏈力學模型如下:
[0008]
⑴
[0009] 其中:
[0010] Ta表示風輪上氣動力矩(折算到高速軸側);
[0011] Te表示發(fā)電機電磁力矩;
[0012] ω表示高速軸轉速;
[0013] J表示折算后轉動慣量。
[0014] 在⑴等式兩端同時乘以ω可得:
[0015]
(2)
[0016] 進一步對(2)式變形可得能量守恒方程:
[0017]
(3)
[0018] 其中:
[0019] ?&表示風輪上吸收的氣動功率;
[0020] Pg表示發(fā)電入口電功率;
[0021]
表示加速度功率。
[0022] 風能利用率方程如下:
[0023] (4):
[0024] (5)
[0025] 其中:
[0026] Pw表示風速中含有的能量;
[0027] Cp表不風能利用率;
[0028] P表示空氣密度;
[0029] A表示風輪掃風面積;
[0030] U表示風速。
[0031] 葉尖速比的定義:
[0032]
(6)
[0033] 其中:
[0034] R表示風輪半徑;
[0035] U表示風速;
[0036] Ω表不風輪轉速。
[0037] 把(6)帶入(5)可得:
[0038]
:(7+)
[0039] 式(7)中第二個等式是通過齒輪箱速比換算關系ω = GQ (G表示齒輪箱傳動比) 得到,再把(7)帶入(3)可得:
[0040]
(0):
[0041] 通過葉片氣動性能計算,可以得到Cp與葉尖速比λ和葉片槳距角β之間的非線 性氣動方程,可以用下面式子表示:
[0042]
(9)
[0043] 由公式⑶(9)可以得到以下等式:[0044]
(10)
[0045] 在公式(7)至(10)中,下列參數(shù)均為已知參數(shù);
[0046] PG,ω,β通過傳感器測量得到;
[0047] P通過氣象站測得;
[0048] A,G,R,J是風機既定設計參數(shù);
[0049] 可以通過葉片氣動性能計算得到;
[0050] 在公式(10)中,僅有λ -個未知量,只能通過數(shù)值計算求解,具體求解方法如 下:
[0051] 1)通過風機的設計參數(shù)可以確定尖速比λ的取值范圍;
[0052] 2)在λ的取值范圍內按照一定步長劃分為不同取值點,即A1J = 1,2, 3···
[0053] 3)設定數(shù)值計算誤差限ε,并令
[0054] Cu)
[0055] 當fUJ < ε時,即可認為入為(10)式的解
[0056] 由上述計算過程,可以得到葉尖速比λ,進一步,由葉尖速比的定義(6)可以計算 出當前風速
[0057]
(12)
[0058] 本發(fā)明的有益效果:
[0059] 風速計算的采樣點是風輪輪轂前面的最高點,選點正確,獲得的風速值真實可 靠,且精度高,沒有測量誤差;無需使用風速測量裝置,減少硬件成本,只需編寫相應的軟件 程序即可實現(xiàn),不影響風機正常運行,不易受外界環(huán)境影響,不受風力發(fā)電機組容量限制, 可以擴展到大功率等級機組。
【附圖說明】:
[0060] 圖1是風力發(fā)電機組傳動鏈模型示意圖。
[0061] 圖2是風力發(fā)電機組傳動鏈簡化模型示意圖。
【具體實施方式】
[0062] 圖1是風力發(fā)電機組的傳動鏈模型示意圖,把圖1的模型進行折算,把低速軸的變 量折算到高速軸,并認為整個模型為剛性模型,得到圖2的簡化傳動鏈模型。并設風輪輪轂 前面最高點為風速計算的采樣點。由剛性模型假設,可以列出風輪傳動鏈力學模型如下公 式:
[0063]
(1)
[0064] 其中:
[0065] Ta表示風輪上氣動力矩(折算到高速軸側);
[0066] Te表示發(fā)電機電磁力矩;
[0067] ω表示高速軸轉速;
[0068] J表示折算后轉動慣量。
[0069] 在(1)等式兩端同時乘以ω可得:
[0070]
(2)
[0071] 進一步對(2)式變形可得能量守恒方程:
[0072]
C3)
[0073] 其中:
[0074] ?&表示風輪上吸收的氣動功率;
[0075] Pg表示發(fā)電入口電功率;
[0076]
表示加速度功率。
[0077] 風能利用率方程如下:
[0078] (?)
[0079] (5)
[0080] 其中:
[0081] Pw表示風速中含有的能量;
[0082] Cp表不風能利用率;
[0083] P表不空氣密度;
[0084] A表示風輪掃風面積;
[0085] U表示風速。
[0086] 葉尖速比的定義:
[0087]
(b)
[0088] 其中:
[0089] R表示風輪半徑;
[0090] U表示風速;
[0091] Ω表示風輪轉速。
[0092] 把(6)帶入(5)可得:
[0093]
(.7)
[0094] 式(7)中第二個等式是通過齒輪箱速比換算關系ω = GQ (G表示齒輪箱傳動比) 得到,再把(7)帶入(3)可得:
[0095]
(8)
[0096] 在公式⑶中:Pp ω可以同過傳感器測量得到,ρ可以通過氣象站測得,A,G,R, J是在風力發(fā)電機組設計時候就可以確定,均為易檢測和確定的量,而Cp則為不易檢測量。 但是,通過葉片氣動性能計算,可以得到Cp與葉尖速比λ和葉片槳距角β之間的非線性 氣動方程,可以用下面式子表示:
[0097] CN 105138845 A m ~P 5/5 頁
(9)
[0098] 由公式⑶(9)可以得到以下等式:[0099]
(10)
[0100] 在公式(10)中:
[0101] PG,ω,β可以通過傳感器測量得到;
[0102] P可以通過氣象站測得;
[0103] A,G,R,J是在風機設計時候就可以確定;
[0104] 可以通過葉片氣動性能計算得到。
[0105] 通過以上分析,我們可以知道,在公式(10)中,僅有λ -個未知量,而其余物理量 都可以通過一定方法得到,只不過公式(10)并不是一個可以求得解析解的初等方程,因此 只能通過數(shù)值計算求解,具體求解方法如下:
[0106] 4)通過風機的設計參數(shù)可以確定尖速比λ的取值范圍
[0107] 5)在λ的取值范圍內按照一定步長劃分為不同取值點,g卩A1J = 1,2, 3···
[0108] 6)設定數(shù)值計算誤差限ε,并令
[0109] (11)
[0110] 當fUJ < ε時,即可認為入為(10)式的解
[0111] 由上述計算過程,可以得到葉尖速比λ,進一步,由葉尖速比的定義(6)可以計算 出當前風速
[0112]
(12)
[0113] 從而得到風速,也就可以替換傳統(tǒng)機械式風速儀。
[0114] 本方案具有易實現(xiàn),對現(xiàn)有運行風機系統(tǒng)不需做硬件改造,同時具有廣泛的適應 性,能夠在不同環(huán)境下使用。本方案不受風機容量限制,可以擴展到以后的大功率風力機組 上,因此具有很好的可行性。
【主權項】
1. 一種獲得風力發(fā)電機風速值的方法,利用風力發(fā)電機中與風速有對應關系的參數(shù), 建立起求解風速的數(shù)學模型,通過該模型計算得到風速值。2. 如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述建立起求解風速的數(shù)學模型的步驟是: 對風力發(fā)電機組的傳動鏈模型進行折算,把低速軸的變量折算到高速軸,并認為整個 模型為剛性模型,得到簡化傳動鏈模型,并設風輪輪轂前面最高點為風速計算的采樣點,由 剛性模型假設,列出風輪傳動鏈力學模型如下:其中: Ta表示風輪上氣動力矩(折算到高速軸側); Te表示發(fā)電機電磁力矩; ?表示高速軸轉速; J表示折算后轉動慣量; 在⑴等式兩端同時乘以《可得:其中: 卩$表示風輪上吸收的氣動功率; Pti表示發(fā)電入口電功率;其中: Pw表示風速中含有的能量; Cp表示風能利用率; P表示空氣密度; A表示風輪掃風面積; U表示風速; 葉尖速比的定義:其中: R表示風輪半徑; U表示風速; Q表示風輪轉速; 把(6)帶入(5)可得:式(7)中第二個等式是通過齒輪箱速比換算關系co = GQ得到,再把(7)帶入(3)可 得:其中:G表示齒輪箱傳動比, 通過葉片氣動性能計算,可以得到Cp與葉尖速比A和葉片槳距角0之間的非線性氣 動方程,可以用下面式子表示:在公式(7)至(10)中,下列參數(shù)均為已知參數(shù); Pp ?,P通過傳感器測量得到; P通過氣象站測得; A,G,R,J是風機既定設計參數(shù); 可以通過葉片氣動性能計算得到; 在公式(10)中,僅有X -個未知量,只能通過數(shù)值計算求解,具體求解方法如下: 1) 通過風機的設計參數(shù)可以確定尖速比A的取值范圍; 2) 在A的取值范圍內按照一定步長劃分為不同取值點,g卩A i = 1,2, 3… 3) 設定數(shù)值計算誤差限e,并令當f U1) < e時,即可認為人$ (10)式的解 由上述計算過程,可以得到葉尖速比X,進一步,由葉尖速比的定義(6)可以計算出當 前風速
【專利摘要】本發(fā)明共公開一種獲得風力發(fā)電機風速值的方法,利用風力發(fā)電機中與風速有對應關系的參數(shù),建立起求解風速的數(shù)學模型,通過該模型計算得到風速值。其優(yōu)點是,風速采樣選點正確,獲得的風速值真實可靠,且精度高,沒有測量誤差;無需使用風速測量裝置。
【IPC分類】G06F19/00
【公開號】CN105138845
【申請?zhí)枴緾N201510543225
【發(fā)明人】蘭杰, 莫爾兵, 林志明, 王其君, 尹景勛, 林淑
【申請人】東方電氣風電有限公司
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月28日