确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法及系统

摘要

本申请提供了一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法，实时监测目标变速变桨风电机组的当前机组功率；在不同桨距角情况下，确定目标变速变桨风电机组的风能利用系数与尖速比之间的曲线；确定不同桨距角对应的风能利用系数与尖速比曲线之间的交点，以及交点对应的当前空气密度下的机组功率值；当监测的当前机组功率满足机组功率设定值时，则按照预设方法，确定避免叶片失速情况下当前机组功率对应的最小桨距角；当前机组功率在两个机组功率设定值范围内时，利用插值的方法，确定避免叶片失速情况下当前机组功率对应的最小桨距角。能够在不改变机组原设计的情况下达到避免叶片失速，提高机组运行稳定型及发电量的目的。

说明书

技术领域

本申请涉及风力发电机组控制系统领域，特别涉及一种确定变速变桨 风电机组叶片控制参数的方法及系统。

背景技术

随着技术的发展，人们对避免变速变桨风电机组叶片失效的要求越来 越高。

现有的避免叶片失速的方法是通过提高机组额定转速、选用叶机组功 率高的叶片以及选用更大容量机组叶片(即选用更长叶片)等方法来解 决风电机组额定风速附近叶片失速的问题。这些方法虽然在一定程度上 解决了高海拔地区风电机组额定风速附近叶片失速的问题，但这些方法 并不适合解决高海拔地区之外的因素导致的叶片失速的问题，而且这些 方法会带来风电机组载荷水平增加甚至影响部件设计选型的变化，其对 于已运行的发生失速现象的风电机组避免失速并无改善。

因此，如何在不改变机组原设计的情况下避免叶片失速，提高机组运 行稳定型及发电量是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种确定变速变桨风电机组叶片 控制参数的方法及系统，解决了现有技术中并不适合解决高海拔地区之 外的因素导致的叶片失速的问题，而且这些方法会带来风电机组载荷水 平增加甚至影响部件设计选型的变化，其对于已运行的发生失速现象的 风电机组避免失速并无改善的问题。

其具体方案如下：

本申请提供了一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法，该方 法包括：

实时监测目标变速变桨风电机组的当前机组功率；

在不同桨距角情况下，确定目标变速变桨风电机组的风能利用系数与 尖速比之间的曲线；确定不同桨距角对应的风能利用系数与尖速比曲线 之间的交点，以及交点对应的当前空气密度下的机组功率值；

$p=\frac{1}{2}{\mathrm{\rho C}}_p(\beta ,\lambda )\frac{{\omega }^3{R}^5}{{\lambda }^3}\pi$

式中P为机组功率，ρ为空气密度，C_p为风能利用系数，β为桨距角， λ叶尖速比，ω为风轮转速，R为风轮半径；

当所述监测的当前机组功率满足机组功率设定值时，则按照预设方 法，确定避免所述叶片失速情况下所述当前机组功率对应的最小桨距角；

当所述当前机组功率在两个所述机组功率设定值范围内时，利用插 值的方法，确定避免所述叶片失速情况下所述当前机组功率对应的最小 桨距角。

上述的方法，优选的，所述按照预设方法，确定避免所述叶片失速 情况下所述当前机组功率对应的最小桨距角为：

在所述目标变速变桨风电机组的当前机组功率p＝pa_n或p＝pb_n时，避 免叶片失速的最小桨距角为n度；

其中，pa_n和pb_n为n-1度和n度桨距角情况下对应的风能利用系数与 尖速比曲线之间的交点所对应的当前空气密度下的机组功率值，n和n-1 为所述叶片不同的桨距角。

上述的方法，优选的，利用插值的方法，确定避免所述叶片失速情 况下所述当前机组功率对应的最小桨距角包括：

在所述目标变速变桨风电机组的当前机组功率处于pa_n≤p≤pa_n+1和 pb_n≥p≥pb_n+1之间时，采用如下的插值方法来确定避免叶片失速的最小桨 距角θ：

$\left(\begin{array}{cc}\theta =n+\frac{p-{\mathrm{pa}}_n}{{\mathrm{pa}}_{n+1}-{\mathrm{pa}}_n}& {\mathrm{pa}}_n\le p\le {\mathrm{pa}}_{n+1}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{cc}\theta =n+\frac{p-{\mathrm{pa}}_{n+1}}{{\mathrm{pa}}_n-{\mathrm{pa}}_{n+1}}& {\mathrm{pa}}_n\ge p\ge {\mathrm{pa}}_{n+1}\end{array}\right)$

其中，pa_n和pb_n为n-1度和n度桨距角情况下对应的风能利用系数与 尖速比曲线之间的交点所对应的当前空气密度下的机组功率值，pa_n+1和 pb_n+1为n+1度和n度桨距角情况下对应的风能利用系数与尖速比曲线之间 的交点所对应的当前空气密度下的机组功率值，n、n-1和n+1为所述叶 片不同的桨距角。

本申请还提供了一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的系统， 该系统包括：

监测单元，用于实时监测目标变速变桨风电机组的当前机组功率；

第一确定单元，用于在不同桨距角情况下，确定目标变速变桨风电机 组的风能利用系数与尖速比之间的曲线；

第二确定单元，用于确定不同桨距角对应的风能利用系数与尖速比曲 线之间的交点，以及交点对应的当前空气密度下的机组功率值；

第三确定单元，用于当所述监测的当前机组功率满足机组功率设定值 时，则按照预设方法，确定避免所述叶片失速情况下所述当前机组功率 对应的最小桨距角；

第四确定单元，用于当所述当前机组功率在两个所述机组功率设定 值范围内时，利用插值的方法，确定避免所述叶片失速情况下所述当前 机组功率对应的最小桨距角。

本申请提供了一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法，实时 监测目标变速变桨风电机组的当前机组功率；在不同桨距角情况下，确 定目标变速变桨风电机组的风能利用系数与尖速比之间的曲线；确定不 同桨距角对应的风能利用系数与尖速比曲线之间的交点，以及交点对应 的当前空气密度下的机组功率值；当所述监测的当前机组功率满足机组 功率设定值时，则按照预设方法，确定避免所述叶片失速情况下所述当 前机组功率对应的最小桨距角；当所述当前机组功率在两个所述机组功 率设定值范围内时，利用插值的方法，确定避免所述叶片失速情况下所 述当前机组功率对应的最小桨距角。能够在不改变机组原设计的情况下 达到避免叶片失速，提高机组运行稳定型及发电量的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描 述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图 仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出 创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法实 施例的流程图；

图2是本申请中叶片翼型攻角示意图；

图3是本申请中某MW级变速变桨风电机组在不同桨距角情况下的 风能利用系数与机组功率之间的函数曲线；

图4是本申请的一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的系统实 施例的结构示意图；

图5是本申请的一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法实 际应用；

图6是本申请的一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法又 一实际应用。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实 施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 申请保护的范围。

参考图1，示出了本申请一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的 方法实施例的流程图，可以包括以下步骤：

步骤S101：实时监测目标变速变桨风电机组叶片的当前机组功率。

参考图2，示出了叶片翼型攻角示意图，其中，W为相对风速，α为 攻角，β为桨距角，Φ为入流角，Ω为转速，U_∞为来流风速，r为翼型所 在风轮半径位置，a及a’为气动诱导因子，从图2中可以看到，翼型的攻 角与风速、转速及桨距角相关，在机组风速和转速一定时，通过增加叶 片桨距角可以减小叶片翼型的攻角，当翼型的攻角减小至失速攻角范围 之内后，叶片将避开失速。

由于叶片各截面翼型的攻角无法直接测量，需通过间接反映叶片翼 型运行攻角的机组运行参数来反映，由于叶片翼型的攻角与风速、转速 即叶尖速比相关，攻角大小可以通过叶片的升力相关的机组风能利用系 数来反映，因此，通过考察风电机组在不同安装角情况下的风能利用系 数-尖速比叶尖速比曲线可以从理论上判断叶片是否处于失速状态。

叶尖速比尖速比即叶片顶端的速度(圆周速度)除以风接触叶片之 前很远距离上的速度，叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖 速比尖速比也就越大。

基于尖速比的避免叶片失速的变桨控制方法在实际应用中要受到风 速测量准确性的影响，对于采用如激光雷达测风等准确测风设备的风电 机组，可实时监测风电机组的尖速比，而对于目前大多数变速变桨风电 机组，测风装置通常是安装在机舱尾部的风速风向仪，由于受到风轮的 影响，其测风数据并不能准备反映风轮实际的来流风速，因此尖速比并 不能实时准确获取，此时可以根据风电机组的功率监测来实现避免叶片 失速的变桨控制方法。

由于尖速比与机组功率间满足如下关系：

$p=\frac{1}{2}{\mathrm{\rho C}}_p(\beta ,\lambda )\frac{{\omega }^3{R}^5}{{\lambda }^3}\pi$

式中ρ为空气密度，C_p为风能利用系数，β为桨距角，λ叶尖速比， ω为风轮转速，R为风轮半径。

由上式可知，当实时监测到当前机组功率时，可以通过机组功率和 尖速比之间的关系得到当前尖速比，且机组功率监测比较准确，因此， 本申请中采用机组功率代替尖速比进行确定变速变桨风电机组叶片控制 参数。

本申请中，实时监测当前机组功率值，以便确定各个时刻的机组功率， 保证获取的数据的实时性、真实性和可靠性。

步骤S102：在不同桨距角情况下，确定目标变速变桨风电机组的风 能利用系数与尖速比之间的曲线。

步骤S103：确定不同桨距角对应的风能利用系数与尖速比曲线之间 的交点，以及交点对应的当前空气密度下的机组功率值。

参考图3，表示出了某MW级变速变桨风电机组在不同桨距角情况 下的风能利用系数与尖速比之间的函数曲线，可知，此处的不同桨距角 采用的是0度、1度、2度及3度，分别绘出了在这几个不同桨距角情况 下的风电机组的风能利用系数Cp-尖速比λ曲线，从图中可以看到，这几 条曲线存在不同的交点，这些交点对应的尖速比分别为a1、a2、b1、b2 和b3，其中a1、b1为0度、1度桨距角情况下Cp-λ曲线交点，a2、b2 为1度、2度桨距角情况下Cp-λ曲线交点，b3为2度、3度桨距角情况 下Cp-λ曲线交点。

由机组功率和尖速比之间的关系，可知，这些交点对应的尖速比所对 应的机组功率分别为pa₁、pa₂、pb₁、pb₂和pb₃，其中pa₁、pb₁为0度、1 度桨距角情况下的风能利用系数与尖速比曲线之间的交点所对应的当前 空气密度下的机组功率值，pa₂、pb₂为1度、2度桨距角情况下的风能利 用系数与尖速比曲线之间的交点所对应的当前空气密度下的机组功率 值，pb₃为2度、3度桨距角情况下的风能利用系数与尖速比曲线之间的 交点所对应的当前空气密度下的机组功率值。

步骤S104：判断所述监测的当前机组功率是否满足机组功率设定值， 当所述当前的机组功率满足所述机组功率设定值时，则执行步骤S105： 按照预先设定的方法，确定避免所述叶片失速情况下所述当前机组功率 对应的最小桨距角；当所述当前机组功率不满足所述机组功率设定值时， 则执行步骤S106：判断所述当前机组功率是否在两个所述机组功率设定 值范围内，若所述当前机组功率在两个所述机组功率设定值范围内时， 则执行步骤S107：利用插值的方法，确定避免所述叶片失速情况下所述 当前机组功率对应的最小桨距角。

本申请中，首先判断所述监测的当前机组功率是否满足各个所述机 组功率设定值，当所述当前机组功率满足所有所述机组功率设定值中的 任意一个时，则说明此时叶片的当前机组功率为不同曲线之间的交点对 应的机组功率设定值，也即所述目标变速变桨风电机组的当前机组功率 p＝pa_n或p＝pb_n，此时，所述叶片在避免叶片失速的情况下对应的最小桨 距角为n度，其中，pa_n和pb_n为n-1度和n度桨距角情况下对应的风能利用 系数与尖速比曲线之间的交点所对应的当前空气密度下的机组功率值，n 和n-1为所述叶片不同的桨距角。

当判断的所述当前机组功率不满足所述机组功率设定值时，也即所 述当前机组功率不等于任何一个机组功率设定值时，则判断所述当前机 组功率是否在两个所述机组功率设定值范围内，也即所述当前机组功率 是否在两个机组功率设定值之间，若所述当前机组功率在两个机组功率 设定值之间是，则利用插值的方法，根据所述的两个机组功率设定值对 应的最小桨距角，确定避免所述叶片失速情况下所述当前机组功率对应 的最小桨距角。

当不同桨距角情况下的风能利用系数与尖速比曲线之间的交点所对 应的当前空气密度下的机组功率值为pa_1,2,…n、pb_1,2,…n时，其中，n为叶片不 同的桨距角，pa_n、pb_n为n-1度、n度桨距角情况下的风能利用系数与尖 速比曲线之间的交点所对应的当前空气密度下的机组功率值。

在所述目标变速变桨风电机组叶片的当前机组功率处于pa_n≤p≤pa_n+1和pb_n≥p≥pb_n+1之间时，采用如下的插值方法来确定避免叶片失速的最小 桨距角θ：

$\left(\begin{array}{cc}\theta =n+\frac{p-{\mathrm{pa}}_n}{{\mathrm{pa}}_{n+1}-{\mathrm{pa}}_n}& {\mathrm{pa}}_n\le p\le {\mathrm{pa}}_{n+1}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{cc}\theta =n+\frac{p-{\mathrm{pa}}_{n+1}}{{\mathrm{pa}}_n-{\mathrm{pa}}_{n+1}}& {\mathrm{pa}}_n\ge p\ge {\mathrm{pa}}_{n+1}\end{array}\right)$

其中，pa_n和pb_n为n-1度和n度桨距角情况下对应的的风能利用系数 与尖速比曲线之间的交点所对应的当前空气密度下的机组功率值，pa_n+1和 pb_n+1为n+1度和n度桨距角情况下对应的的风能利用系数与尖速比曲线之 间的交点所对应的当前空气密度下的机组功率值，n、n-1和n+1为所述 叶片不同的桨距角。

下面以图3中尖速比交点a1、b1交点为例，当尖速比在b1≤λ≤a1范 围内，当叶片桨距角更大时，则叶片翼型的攻角更小，若叶片翼型处于 未失速状态时，更小的攻角对应了更小的升力，则Cp系数值更小，反之， 若叶片翼型失速，叶片桨距角更大时，Cp系数更大，所以，当叶片桨距 角为0度时，当尖速比大于a1或小于b1时，叶片均发生失速。因此，可 以确定尖速比为a1、b1时，避免叶片失速的最小桨距角为1度，尖速比 为a2、b2时，避免叶片失速的最小桨距角为2度，尖速比为b3时，避免 叶片失速的最小桨距角为3度，在a1≤λ≤a2、b1≥λ≥b2及b2≥λ≥b3尖速比 范围内，确定避免叶片失速的最小桨距角限制值可根据几个交点处的最 小桨距角值插值得到。

本申请提供了一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法，实时 监测目标变速变桨风电机组的当前机组功率；在不同桨距角情况下，确 定目标变速变桨风电机组的风能利用系数与尖速比之间的曲线；确定不 同桨距角对应的风能利用系数与尖速比曲线之间的交点，以及交点对应 的当前空气密度下的机组功率值；当所述监测的当前机组功率满足所述 a1≤λ≤a2机组功率设定值时，则按照预设方法，确定避免所述叶片失速 情况下所述当前机组功率对应的最小桨距角；当所述当前机组功率在两 个所述机组功率设定值范围内时，利用插值的方法，确定避免所述叶片 失速情况下所述当前机组功率对应的最小桨距角。能够在不改变机组原 设计的情况下达到避免叶片失速，提高机组运行稳定性及发电量的目的。

与上述本申请一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的方法实施 例所提供的方法相对应，参见图4，本申请还提供了一种确定变速变桨风 电机组叶片控制参数的系统实施例，在本实施例中，该系统包括：

监测单元201，用于实时监测目标变速变桨风电机组叶片的当前机组 功率。

第一确定单元202，用于在不同桨距角情况下，确定目标变速变桨风 电机组的风能利用系数与尖速比之间的曲线。

第二确定单元203，用于确定不同桨距角对应的风能利用系数与尖速 比曲线之间的交点，以及交点对应的当前空气密度下的机组功率值。

第三确定单元204，用于当所述监测的当前机组功率满足所述机组功 率设定值时，则按照预设方法，确定避免所述叶片失速情况下所述当前 机组功率对应的最小桨距角。

第四确定单元205，用于当所述当前机组功率在两个所述机组功率设 定值范围内时，利用插值的方法，确定避免所述叶片失速情况下所述当 前机组功率对应的最小桨距角。

将本发明提出的这种确定变速变桨风电机组叶片参数的方法应用在 某2MW风电机组上，该机组的主要模型参数见表1：

表1.机组的主要模型参数

名称 数值 单位 风轮直径 93 m 额定转速 15 rpm 风轮转速范围 8.3-16.8 rpm 设计年平均风速 7.5 m/s 威布尔分布参数 2 - 空气密度 0.9 kg/m³切入风速 3 m/s 切出风速 25 m/s

采用本发明方法与未采用本发明方法的机组运行结果对比如图5、图 6所示。从图5可以看到，采用本发明方法得到机组的功率曲线在额定风 速附近的“下塌”和“跳变”现象消失，同时理论发电量计算有，叶片 失速情况下的年发电量为5.934GWh，采用本发明方法避免叶片失速情况 下的年发电量为5.999GWh，采用本发明方法发电量提升1.1％。从图6 可以看到，采用本发明方法解决叶片失速后叶片合弯矩载荷减小，并且 尖峰值大幅削减，这些将提升机组的运行稳定性。

综上所述，本申请提供的一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数 的方法及系统，能够在不改变机组原设计的情况下达到避免叶片失速， 提高机组运行稳定型及发电量的目的。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每 个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相 同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实 施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分 说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系 术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不 一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺 序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他 性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅 包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为 这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况 下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的 过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当 然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中 实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了 解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样 的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可 以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质 中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设 备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实 施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上对本申请所提供的一种确定变速变桨风电机组叶片控制参数的 方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及 实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方 法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思 想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明 书内容不应理解为对本申请的限制。