[发明专利]一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别是关于一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法。

背景技术

目前，主流的兆瓦级并网型风力发电机组绝大多数为变桨变速型风力发电机组，一般叶轮采用三叶片设计，且每叶片均配置独立变桨机构。叶片的气动力学特性决定叶片的升力和阻力与叶片的迎风角有关，而升力和阻力通过力的分解与合成可转化为驱动叶片旋转的叶轮平面内周向力与风机轴向的推力。设计变桨机构的主要目的是改变叶片的迎风角，从而改变叶片所受的驱动力，以达到限制叶轮吸收风功率的目的。设计三叶片的目的是在来流风速均匀的情况下，三支叶片所受的推力对轮毂中心轴的弯矩可以相互抵消，使轮毂仅向传动链传递扭矩，进而避免传动链承受不必要的弯矩。但是实际来流风速由于存在地表粗糙度等因素的影响，并不是均匀的。尤其是受地表粗糙度影响，呈下低上高的状态。这样的来流风速作用在风轮上就会引起上述弯矩作用在传动链上，且该弯矩以风轮旋转周期进行交变作用。当垂向风速变化较小时，产生的交变弯矩较小，对传动链的影响可以忽略；但当垂向风速变化大到一定程度的时候，这种交变弯矩将影响到传动链的寿命。而且，变桨改变驱动力的同时也会改变轴向推力，因此主动变桨也能起到改变轴向推力的作用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过独立变浆能克服交变弯矩、并保护传动链的控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法，其步骤为：(1)根据目标风场的风速沿垂向变化的规律，得到风速沿垂向变化的方程为：式中V(h)为风轮叶片距地面高度为h处的风速；V(h₀)为轮毂高度h₀处的风速；Z₀为名义地表粗糙度系数，根据风场测风数据，根据上述公式能拟合出Z₀；(2)计算在垂向风速梯度流场中风轮叶片的受力，由于叶型的升力、阻力系数随来流攻角呈线性变化段，因此随来流攻角α的变化，叶型段升力系数C_L为：C_L＝Aα+B，随来流攻角α的变化，叶型段阻力系数C_D为：C_D＝Eα+F，其中，系数A₁…A_n；B₁…B_n；E₁…E_n；F₁…F_n根据叶型的风洞数据得到；(3)定义一支叶片在某一时刻在旋转平面中的位置为θ角，将叶片延叶片长度方向分成m个微元段，每段延叶片长度方向的厚度为dr，根据叶型理论及所述步骤(1)、(2)，得到每一微元段所受的升力dL和阻力dD；(4)根据每一微元段所受的所述升力dL和阻力dD，得到该微元段对轮毂中心轴产生的弯矩dM为：其中，α₁(r)和β为距离轮毂中心半径为r处的来流攻角α(r)的两个组成部分，α₁(r)由风轮叶片原始安装角和原始风机控制逻辑要求的与当前风速对应的桨角位置组成，β为叶片改变角度；ρ为空气密度；V为每一微元段叶片距地面高度处的风速；C(r)为dr段内的叶型弦长；(5)由所述步骤(4)得到整支叶片对轮毂中心轴的弯矩为：(6)根据叶片改变角度β的特性及β与θ的对应关系，求得令三支叶片在垂向来流风速不均匀的情况下所受的轴向推力对轮毂中心轴的弯矩之和为零的β值，将该β值代入所述步骤(5)中的弯矩公式中，即消除了垂向风速变化引起的交变弯矩。

所述步骤(3)中，所述每一微元段所受的所述升力dL为：所述每一微元段所受的所述阻力dD为：其中，ρ为空气密度；V为每一微元段叶片距地面高度处的风速；C(r)为dr段内的叶型弦长；α(r)为距离轮毂中心半径r处的来流攻角。