[发明专利]一种提高风力发电机桨叶使用寿命的方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

本发明的目的由下列方案实现：

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。

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。

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。

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。