一种风力发电机组塔架净空调控方法与模块
阅读说明：本技术 一种风力发电机组塔架净空调控方法与模块 (Wind generating set tower clearance regulation and control method and module ) 是由 周玲 王超 任永 邹荔兵 卢军 王伟 张广兴 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种风力发电机组塔架净空调控方法与模块,通过测量叶片实时方位角,判断哪个叶片处于塔架净空监测区间,测量处于塔架监测区间的那个叶片的尖端到塔架表面的最小距离,以及机组的实时功率和桨距角,再分别与各自限定值进行对比,判断机组当前状态是否存在塔架净空安全隐患,若不存在安全隐患,则各叶片采用统一变桨控制策略,即采用机组的变桨控制器输出的原始变桨指令,若存在安全隐患,则启动基于单独变桨控制的塔架净空调桨控制策略,微调处于塔架净空监测区的那个叶片的桨距角,减小机组受力,即叶片受力,从而减小叶片形变量和位移,增大叶尖到塔架表面的最小距离,最终达到调控塔架净空的目的。(The invention discloses a method and a module for regulating and controlling the clearance of a tower of a wind generating set, which judge which blade is positioned in a clearance monitoring interval of the tower by measuring the real-time azimuth angle of the blade, measure the minimum distance from the tip end of the blade positioned in the monitoring interval of the tower to the surface of the tower, and the real-time power and the pitch angle of the set, and respectively compare the real-time power and the pitch angle with respective limit values to judge whether the current state of the set has the clearance potential safety hazard of the tower or not, if the potential safety hazard does not exist, each blade adopts a uniform pitch control strategy, namely, an original pitch instruction output by a pitch controller of the set is adopted, if the potential safety hazard exists, the clearance control strategy of the tower based on the independent pitch control is started, the pitch angle of the blade positioned in the clearance monitoring area of the tower is finely regulated, the stress of the set, namely the blade is, finally, the aim of regulating and controlling the tower clearance is achieved.)
技术领域
本发明涉及风力发电机组的技术领域，尤其是指一种风力发电机组塔架净空调控方法与模块。
背景技术
随着风力发电技术的发展，风力发电机组容量越来越大，叶片越来越长，塔架越来越高，特别是针对海上机组，为了捕获更多更好的风资源，降低运维成本，更是如此。而风力发电机组常常运行在相对较为恶劣的外部环境中，这造成在运行过程中机组载荷越来越大，叶片的变形也很大，直接导致塔架净空问题严峻，对机组的设计与运行构成很大的挑战，如果一旦发生叶片扫塔，叶片被损坏，则需要更换叶片，而单只叶片的成本较高，这会增加维修成本，同时在更换叶片期间机组需停机，而机组停机必定会导致发电量的损失。另外，叶片扫塔可能会导致倒塔的发生，造成整机毁损，因此一旦发生叶片扫塔会为风电场带来极大的经济损失。
风力发电机组的塔架净空是指叶轮在旋转过程中叶片的尖端到塔架表面的距离。叶片是将风能转化为电能的重要设备，塔架是机组的主要承重机构，为有效地保证机组稳定运行，塔架净空监测并且解决塔架净空问题显得尤为重要。
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，提供了一种风力发电机组塔架净空调控方法，可有效降低叶片在靠近塔架时叶片变形量，使得机组稳定运行。
本发明的第二目的在于提供一种风力发电机组塔架净空调控模块。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组塔架净空调控方法，该方法是通过测量叶片实时方位角，判断哪个叶片处于塔架净空监测区间，测量处于塔架监测区间的那个叶片的尖端到塔架表面的最小距离，以及机组的实时功率和桨距角，再分别与各自限定值进行对比，判断机组当前状态是否存在塔架净空安全隐患，若不存在安全隐患，则各叶片采用统一变桨控制策略，即采用机组的变桨控制器输出的原始变桨指令，若存在安全隐患，则启动基于单独变桨控制的塔架净空调桨控制策略：微调处于塔架净空监测区的那个叶片的桨距角，即补偿额外桨距角到该叶片上，此时，该叶片的的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令叠加上额外桨距角，而其余叶片则采用变桨控制器输出的原始变桨指令，进而减小机组受力，即叶片受力，从而减小叶片形变量和位移，增大叶尖到塔架表面的最小距离，最终达到调控塔架净空的目的。
所述的风力发电机组塔架净空调控方法，包括以下步骤：
1)计算叶轮方位角；
测量叶片1方位角，根据三叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为α，则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加即：
RotorAzimuth1＝α
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；对比3个叶片的方位角，判断哪个叶片的方位角大小处在[A，B]区间，[A，B]区间为启用塔架净空监测的方位角区间，即塔架净空监测区间，当任意一个叶片方位角在[A，B]区间时，则认为该叶片进入塔架净空监测区间；
2)测量进入塔架净空监测区间的叶片的尖端到塔架表面的最小距离TTCA及机组的实时功率Pt和实时桨距角pitchangle；
3)判断是否启动塔架净空调桨控制策略；
启动塔架净空调桨控制策略必须同时满足四个条件：①叶片方位角不小于A和不大于B；②叶片尖端到塔架表面的距离不大于塔架净空限定值；③实时功率不小于功率限定值；④实时桨距角不大于桨距角限定值；具体如下：
式中，A为方位角下限值，B为方位角上限值，F是塔架净空限定值，PF是功率限定值，pitchangleF是桨距角限定值；
若都满足上述四个条件，则启动塔架净空调桨控制策略，执行步骤4)-5)；若有其中任意一个条件未满足，则不启动塔架净空调桨控制策略，各叶片采用统一变桨控制策略，即采用变桨控制器输出的原始变桨指令；
4)计算各叶片变桨指令给定值；
当叶片1、叶片2、叶片3某一叶片处于塔架净空监测区间内时，需在对应叶片上增加额外桨距角Δpitchangle，额外桨距角Δpitchangle等于特定变桨速率Δpitchrate乘以控制器循环时间常数cycletime，即：
Δpitchangle＝Δpitchrate*cycletime
此时，处于塔架净空监测区间的那个叶片的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal叠加上额外桨距角Δpitchangle，而其余叶片的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal；
变桨控制器根据各叶片的变桨指令给定值，得到最终变桨指令；
5)执行桨距角变桨；
机组的变桨执行器根据变桨控制器发出的最终变桨指令调节各叶片桨距角，实现在降低叶片靠近塔架时叶片变形量的同时，也能够保障机组平稳运行，从而解决风力发电机组塔架净空问题。
在步骤1)中，[A，B]区间定义为叶片垂直向下方位正负30°。
在步骤3)中，A取B取F取1.05倍的TTCAmin，TTCAmin为保证机组安全运行的最小塔架净空值，PF取0.7倍的额定功率，pitchangleF取4°。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组塔架净空调控模块，该模块是通过测量叶片实时方位角，判断哪个叶片处于塔架净空监测区间，测量处于塔架监测区间的那个叶片的尖端到塔架表面的最小距离，以及机组的实时功率和桨距角，再分别与各自限定值进行对比，判断机组当前状态是否存在塔架净空安全隐患，若不存在安全隐患，则各叶片采用统一变桨控制策略，即采用机组的变桨控制器输出的原始变桨指令，若存在安全隐患，则启动基于单独变桨控制的塔架净空调桨控制策略：微调处于塔架净空监测区的那个叶片的桨距角，即补偿额外桨距角到该叶片上，此时，该叶片的的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令叠加上额外桨距角，而其余叶片则采用变桨控制器输出的原始变桨指令，进而减小机组受力，即叶片受力，从而减小叶片形变量和位移，增大叶尖到塔架表面的最小距离，最终达到调控塔架净空的目的。
所述的风力发电机组塔架净空调控模块，包括：
叶轮方位角计算单元，用于测量和计算各叶片方位角，从而判断哪个叶片处于塔架净空监测区间；
净空安全隐患参数测量单元，用于测量进入塔架净空监测区间的叶片的尖端到塔架表面的最小距离TTCA及机组的实时功率Pt和实时桨距角pitchangle；
判断单元，用于判断机组当前状态是否存在塔架净空安全隐患；若不存在安全隐患，则各叶片采用统一变桨控制策略，即采用机组的变桨控制器输出的原始变桨指令；若存在安全隐患，则启动塔架净空调桨控制策略；
塔架净空调桨控制策略执行单元，用于计算各叶片变桨指令给定值，得到最终变桨指令，并经变桨控制器发送至机组的变桨执行器执行调节各叶片桨距角，实现在降低叶片靠近塔架时叶片变形量的同时，也能够保障机组平稳运行，从而解决风力发电机组塔架净空问题。
进一步，在所述叶轮方位角计算单元中，测量叶片1方位角，根据三叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为α，则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加即：
RotorAzimuth1＝α
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；对比3个叶片的方位角，判断哪个叶片的方位角大小处在[A，B]区间，[A，B]区间为启用塔架净空监测的方位角区间，即塔架净空监测区间，当任意一个叶片方位角在[A，B]区间时，则认为该叶片进入塔架净空监测区间。
进一步，在所述判断单元中，启动塔架净空调桨控制策略必须同时满足四个条件：①叶片方位角不小于A和不大于B；②叶片尖端到塔架表面的距离不大于塔架净空限定值；③实时功率不小于功率限定值；④实时桨距角不大于桨距角限定值；具体如下：
式中，A为方位角下限值，B为方位角上限值，F是塔架净空限定值，PF是功率限定值，pitchangleF是桨距角限定值；
若都满足上述四个条件，则启动塔架净空调桨控制策略；若有其中任意一个条件未满足，则不启动塔架净空调桨控制策略。
进一步，在所述塔架净空调桨控制策略执行单元中，需在处于塔架净空监测区间内的那个叶片上增加额外桨距角Δpitchangle，额外桨距角Δpitchangle等于特定变桨速率Δpitchrate乘以控制器循环时间常数cycletime，即：
Δpitchangle＝Δpitchrate*cycletime
此时，处于塔架净空监测区间的那个叶片的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal叠加上额外桨距角Δpitchangle，而其余叶片的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、在风力发电机组的正常发电工作区间，只在四个条件同时满足要求时，本发明才会起作用，使得在降低叶片变形的同时降低了频繁变桨对变桨轴承带来的疲劳损伤，保障了机组在正常运行时的稳定性。
2、本发明能实现风力发电机组在极端外部环境时，采取提前变桨的控制方式减少叶片变形，使得机组稳定运行。
3、本发明有很强的理论依据，易于被相关技术人员接受，对后续控制优化改进和设备维护奠定基础。
综上所述，本发明提供的风力发电机组塔架净空调控方法与模块，通过在叶片靠近塔架监测到存在净空隐患时提前变桨的方式，降低叶片所受推力与叶片变形，解决了长叶片机组的净空问题，保障了机组的稳定运行，具有实际应用价值，值得推广。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为风力发电机组塔架净空调控的控制框图。
图3为本发明模块的架构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种风力发电机组塔架净空调控方法，该方法是通过测量叶片实时方位角，判断哪个叶片处于塔架净空监测区间，测量处于塔架监测区间的那个叶片的尖端到塔架表面的最小距离，以及机组的实时功率和桨距角，再分别与各自限定值进行对比，判断机组当前状态是否存在塔架净空安全隐患，若不存在安全隐患，则各叶片采用统一变桨控制策略，即采用机组的变桨控制器输出的原始变桨指令，若存在安全隐患，则启动基于单独变桨控制的塔架净空调桨控制策略：微调处于塔架净空监测区的那个叶片的桨距角，即补偿额外桨距角到该叶片上，此时，该叶片的的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令叠加上额外桨距角，而其余叶片则采用变桨控制器输出的原始变桨指令，进而减小机组受力，即叶片受力，从而减小叶片形变量和位移，增大叶尖到塔架表面的最小距离，最终达到调控塔架净空的目的；其包括以下步骤：
1)计算叶轮方位角
测量叶片1方位角，根据三叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为α，则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加即：
RotorAzimuth1＝α
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；对比3个叶片的方位角，判断哪个叶片的方位角大小处在[A，B]区间，[A，B]区间为启用塔架净空监测的方位角区间，即塔架净空监测区间，一般定义为叶片垂直向下方位正负30°，当任意一个叶片方位角在[A，B]区间时，则认为该叶片进入塔架净空监测区间。
2)测量进入塔架净空监测区间的叶片的尖端到塔架表面的最小距离TTCA及机组的实时功率Pt和实时桨距角pitchangle。
3)判断是否启动塔架净空调桨控制策略
启动塔架净空调桨控制策略必须同时满足四个条件：①叶片方位角不小于A和不大于B；②叶片尖端到塔架表面的距离不大于塔架净空限定值；③实时功率不小于功率限定值；④实时桨距角不大于桨距角限定值；具体如下：
式中，A为方位角下限值，一般取B为方位角上限值，一般取F是塔架净空限定值，针对不同的机型，我们可以计算出保证机组安全运行的最小塔架净空值TTCAmin，为保证安全性，F一般取1.05倍的TTCAmin；PF是功率限定值，一般取0.7倍的额定功率；pitchangleF是桨距角限定值，一般取4°，参数取值仅供参考，实际取值应按机组运行情况来设定；
若都满足上述四个条件，则启动塔架净空调桨控制策略，执行步骤4)-5)；若有其中任意一个条件未满足，则不启动塔架净空调桨控制策略，各叶片采用统一变桨控制策略，即采用变桨控制器输出的原始变桨指令。
4)计算各叶片变桨指令给定值
当叶片1、叶片2、叶片3某一叶片处于塔架净空监测区间内时，需在对应叶片上增加额外桨距角Δpitchangle，额外桨距角Δpitchangle等于特定变桨速率Δpitchrate乘以控制器循环时间常数cycletime，即：
Δpitchangle＝Δpitchrate*cycletime
此时，处于塔架净空监测区间的那个叶片的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal叠加上额外桨距角Δpitchangle，而其余叶片的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal；
变桨控制器根据各叶片的变桨指令给定值，得到最终变桨指令。
5)执行桨距角变桨
机组的变桨执行器根据变桨控制器发出的最终变桨指令调节各叶片桨距角，实现在降低叶片靠近塔架时叶片变形量的同时，也能够保障机组平稳运行，从而解决风力发电机组塔架净空问题。
实施例2
风力发电机组常规控制器，由转矩控制器和变桨控制器两部分组成：转矩控制器在额定风速以下时起作用，用于风能最大捕获；变桨控制器用于额定风速以上时，通过调节桨距角保持发电机转速在额定转速附近，保证机组正常运行的同时确保机组输出功率为额定功率。但是考虑到长叶片高塔架机组，塔架净空问题严重，测量方位角，判断叶片是否进入塔架净空监测区间，在常规变桨控制器的基础上，建立了一个新的模块，该模块主要是采用基于单独变桨控制的塔架净空调桨控制策略，以防止塔架净空问题的出现，此控制策略只是在监测到机组存在塔架净空安全隐患时才起作用，同时考虑到此控制策略如果在机组运行过程中一直起作用，可能会导致发电量的损失而降低经济效益，以及变桨动作频繁而造成变桨轴承载荷偏大的问题，因此基于叶片方位角、机组实时功率和桨距角大小对此控制策略的启用区间也进行了限定。如图2所示，该模块通过测量叶片实时方位角，判断哪个叶片处于塔架净空监测区间，测量处于塔架监测区间的那个叶片的尖端到塔架表面的最小距离，以及机组的实时功率和桨距角，再分别与各自限定值进行对比，判断机组当前状态是否存在塔架净空安全隐患，若不存在安全隐患，则各叶片采用统一变桨控制策略，即采用机组的变桨控制器输出的原始变桨指令，若存在安全隐患，则启动基于单独变桨控制的塔架净空调桨控制策略：微调处于塔架净空监测区的那个叶片的桨距角，即补偿额外桨距角到该叶片上，此时，该叶片的的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令叠加上额外桨距角，而其余叶片则采用变桨控制器输出的原始变桨指令，进而减小机组受力，即叶片受力，从而减小叶片形变量和位移，增大叶尖到塔架表面的最小距离，最终达到调控塔架净空的目的。
如图3所示，本实施例所提供的风力发电机组塔架净空调控模块，包括以下功能单元：
叶轮方位角计算单元，用于测量和计算各叶片方位角，从而判断哪个叶片处于塔架净空监测区间，具体情况如下：
测量叶片1方位角，根据三叶片均匀分布在一个叶轮平面，计算出叶片2和叶片3的方位角，定义叶片垂直向上方位角为0°，通过传感器测量得到叶片1方位角为α，则叶片2的方位角是在叶片1的方位角基础上加叶片3的方位角是在叶片1的方位角基础上加即：
RotorAzimuth1＝α
式中，RotorAzimuth1为叶片1的方位角，RotorAzimuth2为叶片2的方位角，RotorAzimuth3为叶片3的方位角；对比3个叶片的方位角，判断哪个叶片的方位角大小处在[A，B]区间，[A，B]区间为启用塔架净空监测的方位角区间，即塔架净空监测区间，一般定义为叶片垂直向下方位正负30°，当任意一个叶片方位角在[A，B]区间时，则认为该叶片进入塔架净空监测区间。
净空安全隐患参数测量单元，用于测量进入塔架净空监测区间的叶片的尖端到塔架表面的最小距离TTCA及机组的实时功率Pt和实时桨距角pitchangle。
判断单元，用于判断机组当前状态是否存在塔架净空安全隐患；若不存在安全隐患，则各叶片采用统一变桨控制策略，即采用机组的变桨控制器输出的原始变桨指令；若存在安全隐患，则启动塔架净空调桨控制策略；其中，启动塔架净空调桨控制策略必须同时满足四个条件：①叶片方位角不小于A和不大于B；②叶片尖端到塔架表面的距离不大于塔架净空限定值；③实时功率不小于功率限定值；④实时桨距角不大于桨距角限定值；具体如下：
式中，A为方位角下限值，一般取B为方位角上限值，一般取F是塔架净空限定值，针对不同的机型，我们可以计算出保证机组安全运行的最小塔架净空值TTCAmin，为保证安全性，F一般取1.05倍的TTCAmin；PF是功率限定值，一般取0.7倍的额定功率；pitchangleF是桨距角限定值，一般取4°，参数取值仅供参考，实际取值应按机组运行情况来设定；
若都满足上述四个条件，则启动塔架净空调桨控制策略；若有其中任意一个条件未满足，则不启动塔架净空调桨控制策略，各叶片采用统一变桨控制策略，即采用变桨控制器输出的原始变桨指令。
塔架净空调桨控制策略执行单元，用于计算各叶片变桨指令给定值，得到最终变桨指令，并经变桨控制器发送至机组的变桨执行器执行调节各叶片桨距角，实现在降低叶片靠近塔架时叶片变形量的同时，也能够保障机组平稳运行，从而解决风力发电机组塔架净空问题；其中，处于塔架净空监测区间内的那个叶片上需增加额外桨距角Δpitchangle，额外桨距角Δpitchangle等于特定变桨速率Δpitchrate乘以控制器循环时间常数cycletime，即：
Δpitchangle＝Δpitchrate*cycletime
此时，处于塔架净空监测区间的那个叶片的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal叠加上额外桨距角Δpitchangle，而其余叶片的变桨指令给定值等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。