一种提高风力发电机桨叶使用寿命的方法
阅读：66发布：2020-12-10
专利汇可以提供一种提高风力发电机桨叶使用寿命的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种提高 风 力 发 电机 桨叶使用寿命的方法，属于 风力 发电机的自动控制，更具体地，涉及风力发电机其桨叶桨距 角 的调节方法。它在发电过程中，当风速在 切入风速 和额定风速之间变化时，采用变速控制，追踪最佳功率曲线，以获得最大功率；当风速超过额定风速以上时，对由传统变桨距控制方法获得的桨距角进行进一步调节，通过调节各桨距角，从而可使各桨叶的 扭矩 取得平衡，以达到进一步改善桨叶的受力状态。解决克服桨叶不断在经受着旋转过程中因风速差异将会出现周期性的受力变化而使桨叶 加速 疲劳并导致提前损坏的缺点。，下面是一种提高风力发电机桨叶使用寿命的方法专利的具体信息内容。
一种提高风力发电机桨叶使用寿命的方法
技术领域
[0001] 本发明属于一种风力发电机的自动控制，涉及风力发电机其桨叶桨距角的调节方法，更具体地，是一种在发电过程中，当风速超过额定风速以上时，对由传统变桨距控制方法获得的桨距角进一步进行调节，通过调节各桨距角，从而可使各桨叶的扭矩取得平衡，达到改善桨叶受力状态的方法。
背景技术
[0002] 风力发电作为绿色能源，目前正在全世界推广。国内新建风场和设备制造均发展迅速，风力发电单机功率进一步增大。
[0003] 风力发电的运行成本主要在于投资折旧和维护费用，因此运营中降低维护费用显得尤为重要。
[0004] 桨叶为风能吸收的首要部件，由于风场均设置在风力资源较好的地方，常年风力较大，风速一般介于5m/s-20m/s之间，沿海地带风速可能达到25m/s或更高，且风力频繁波动，因此桨叶长期运行在复杂应力的工况下。
[0005] 根据空气动力学理论，改变桨叶桨距角(迎风角)即可改变风对于桨叶的作用力，因此目前风力发电机在额定风速以上工作状况时都采取桨叶桨距角调节方案，即根据风速大小和目标发电量来调节桨距角，改变桨叶风能的吸收量，从而改变了发电机发电量。
[0006] 例如，中国发明专利申请200710041115.5便公开了一种风力机的控制方法，当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制，追踪最佳功率曲线，以获得最大功率；当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制，通过调节桨叶桨距角，以降低桨叶转矩的剧烈变化，减少部件的机械应力，并保持额定功率不变。
[0007] 桨叶为玻璃钢制品，在实际应用当中，虽然风力发电机已经采用桨距角调节结构，改善了桨叶在额定风速以上的非正常受力情况，也基本保障了发电功率的稳定性，但是在桨叶旋转一周的扫风面上采用统一的桨距角会造成各桨叶在旋转过程中由于所处高度不同会出现因风速差异而导致各桨叶间应力反复变化和轮毂上三个叶片扭矩的不平衡，尤其反复的应力变化容易使桨叶因加速疲劳而导致提前损坏。
[0008] 以1.5MW的风力发电机为例，其中心高度一般在70m左右，叶片旋转速度介于15-25r/min之间，叶片长度30-40m，桨叶在整个扫风面上叶尖高度差值将达到60-80m，扫风面的高度差异将会有2-5m/s的风速差异，因此叶片将会在整个扫风面上承受着不同的应力，不断经受着旋转过程中因扫风高度差异而带来周期受力变化，而这种周期性、往复性的应力变化将会使玻璃钢桨叶加速疲劳从而导致提前损坏。
发明内容
[0009] 本发明提供了一种提高风力发电机桨叶使用寿命的方法，在风力发电机运行时，每片桨叶都以一定的桨距角在整个圆周上进行旋转，每片桨叶均在扫风面上承受风力带来的应力，本发明目的在于改善桨叶在整个旋转扫风面上受力均匀性的方法，能够克服桨叶不断在经受着旋转过程中因风速差异将会出现周期性的受力变化而使桨叶加速疲劳并导致提前损坏的问题。
[0010] 本发明的目的由下列方案实现：
[0011] 一种提高风力发电机桨叶使用寿命的方法，包括当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制，追踪最佳功率曲线，以获得最大功率的步骤；当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制，通过调节桨叶桨距角，控制桨叶承受应力，并保持发电系统额定功率不变的步骤；其特点是，在变桨距控制的步骤中，还通过不断对各桨叶的旋转角度进行测取，依据各桨叶的实时位置，调节各桨叶的桨距角，以使各桨叶的扭矩保持平衡。
[0012] 上述方案在变桨距控制的步骤中，各桨叶桨距角进行调整可以有各种各样的方法。可以依据桨叶固有CP曲线特性的桨角表格作为依据进行调节，也可以依据各桨叶所处的位置以及包含高度差引起的风速不平衡因素在内的参数进行计算，根据计算结果进行调节，还可以采用其他方式进行调节，都可以达到随着桨叶旋转角度改变而改变桨叶桨距角而实现受力均匀的目的。
[0013] 更进一步地，发明提供了下列两种具体改善桨叶在整个旋转扫风面上受力均匀性的调节方法，可以从这两个具体的实施方案中了解到不同调节方法其各自的特点。
[0014] 在本发明的第一个具体的实施方式中，它采取持续测量各个桨叶在整个旋转扫风面上的实时旋转位置，并依据桨叶固有CP特性在这些旋转位置上调用桨角系数，对原有系统的桨距角进行修正，从而使各桨叶在整个扫风面的应力稳定，较大地消除了周期性应力变化的影响。
[0015] 在本发明的第二个具体的实施方式中，它采取持续测量各个桨叶的实时扭矩进行比较，依据比较的结果对桨距增益系数进行调整，并结合各个桨叶在整个旋转扫风面上的实时旋转位置，计算桨距系数，对原有系统的桨距角进行修正，从而使各桨叶在整个扫风面的应力稳定，大大消除了周期性应力变化的影响。
[0016] 这样，当桨叶工作在360度的扫风面上时，由于通过旋转角度，查表调用桨角系数修正，或者依据实时桨叶扭矩的测取与比较处理调整桨距增益系数以及桨叶旋转角度计算修正，修正了各桨叶的桨矩角，可使各桨叶的扭矩大小稳定，从而解决了传统变桨距控制中各桨叶桨距角大小一样而各桨叶所处高度的不同造成应力反复变化的问题，同时也改善了轮毂情况。
[0017] 更进一步地，第二个具体实施方式在整个扫风面上，根据桨叶实时旋转角和已有桨距角的基础上再次调节桨距角，优化出各桨距角ks，以修正桨叶扫风高度差带来的应力波动，在调节控制中，还通过不断对各桨叶的扭矩进行检测与比较，根据比较的结果对各桨叶的桨距增益系数以及桨距角进行闭环调整，可进一步达到实现最佳的调整结果。附图说明
[0018] 图1是本发明一种具体实施方法在变桨距控制中桨叶桨距角调整的流程图；
[0019] 图2是图1中桨距增益系数g确定的流程图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图对本发明进行具体详述：
[0021] 实施方式一：本实施例为1.5MW双馈机型叶片。它根据各桨叶在不同位置，依据风机桨叶力学特性的桨角系数(桨叶固有CP曲线特性的桨角)表格数值(参见部分附表)，计算各桨叶对应的桨距角。
[0022] 本具体实施方式的方法是：
[0023] 1、当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制，追踪最佳功率曲线，以获得最大功率的步骤。
[0024] 2、当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制，通过调节桨叶桨距角，控制桨叶承受应力，并保持发电系统额定功率不变的步骤。
[0025] 3、在变桨距控制的步骤中，还采用下列步骤：
[0026] 1)、由传统变桨距控制方法获得桨叶的桨距角K；
[0027] 2)、利用编码器测取当前各桨叶的旋转角度C；
[0028] 3)、采用可编程控制器，依据当前各桨叶旋转角度C值查表调用风机桨叶力学特性的对应桨角系数u，与桨距角K相乘，得出包含桨叶扫风高度的各桨距角Ku：即Ku＝K*u[0029] 4)、将修正后的各个桨距角Ku通过总线或者模拟量输出到各相应的桨叶驱动器，并经减速箱驱动各桨叶。
[0030] 4、不断重复以上步骤。
[0031] 部分附表：
[0032]角度(c) 桨角系数(u) 角度(c) 桨角系数(u)
10 1.01 190 1.19
20 1.03 200 1.17
30 1.03 210 1.16
40 1.04 220 1.15
50 1.05 230 1.14
60 1.06 240 1.13
70 1.07 250 1.12
80 1.09 260 1.11
90 1.10 270 1.10
100 1.11 280 1.09
110 1.12 290 1.08
120 1.13 300 1.07
130 1.14 310 1.06
140 1.15 320 1.05
150 1.16 330 1.04
160 1.17 340 1.02
170 1.19 350 1.01
180 1.20 360 1.00
10 1.01 190 1.19
20 1.03 200 1.17
30 1.03 210 1.16
40 1.04 220 1.15
50 1.05 230 1.14
60 1.06 240 1.13
70 1.07 250 1.12
80 1.09 260 1.11
90 1.10 270 1.10
100 1.11 280 1.09
110 1.12 290 1.08
120 1.13 300 1.07
130 1.14 310 1.06
140 1.15 320 1.05
150 1.16 330 1.04
160 1.17 340 1.02
170 1.19 350 1.01
180 1.20 360 1.00
[0033] 实施方式二：本实施例为1.5MW双馈机型叶片。它建立实时计算模型计算各桨叶桨距角，并采集实时扭矩值加以比较修正。
[0034] 本具体实施方式的方法是：
[0035] 1、当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制，追踪最佳功率曲线，以获得最大功率的步骤。
[0036] 2、当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制，通过调节桨叶桨距角，控制桨叶承受应力，并保持发电系统额定功率不变的步骤。
[0037] 3、在变桨距控制的步骤中，还采用下列步骤：
[0038] 1)、由传统变桨距控制方法获得桨叶的桨距角K；
[0039] 2)、通过总线读取各桨叶驱动器中各个桨叶的当前实际扭矩；
[0040] 3)、将当前各个桨叶的实际扭矩与桨叶向下垂直时的扭矩进行扭矩差值比较，以调节各桨距增益系数g；
[0041] 4)、利用编码器测取当前各桨叶的旋转角度c；
[0042] 5)、依据桨叶的CP曲线和当前各桨叶的旋转角度c计算各桨叶的桨距系数Hs：桨距系数Hs＝[d-cos(c)]*g
[0043] 其中，d为基准常数，该常数以CP曲线为依据来取值，通常取值在1.0-3.0，本例取值为2.0；c为桨叶旋转角度；g为桨距增益系数；
[0044] 6)、对原有各桨距角K进行优化计算：
[0045] Ks＝K*Hs；
[0046] 7)、将优化计算得到的各个桨距角的值Ks通过总线或者模拟量输出到各相应的桨叶驱动器，并经减速箱驱动各桨叶。
[0047] 4、返回步骤1。
[0048] 更具体地，各桨距增益系数g可由下列方法得到：
[0049] 1)、测取当前各个桨叶的实际扭矩；
[0050] 2)、设定扭矩的允许差值；
[0051] 3)、将当前各个桨叶的实际扭矩与桨叶向下垂直时的扭矩进行扭矩差值比较；
[0052] 4)、依据上述比较的结果，对各桨距增益系数g进行一个单位量的增加或减少操作。
[0053] 另外，桨距增益系数g初始值根据机型叶片差异而不同，初始值介于1.0-3.0之间，本例取值为2.0。
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