一种风力发电机功率提升方法与流程

本发明涉及风力发电机的控制方法，具体是一种风力发电机功率提升方法。

背景技术：

风力发电机是以自然界的风能利用而实现能量转换的，其对风能利用率的高低直接决定着运行的经济性。风力发电机、特别是MW级风力发电机通常是以追踪最优C_p-λ曲线的控制方法，获得最大的风能利用率，而最优C_p-λ曲线控制的主要因素取决于稳定的风速环境。

然而，自然界的风能速度是多变的、非恒定的，这就会导致正在运行的风轮在自身很大惯性的作用下而转速跟不上风速的快速变化，如此，当风速突然增加时λ值(叶尖速比)会减小，在风轮叶片桨距角β不改变的情况下，风力发电机的C_p值(运行功率系数)会明显降低。参见图1和图2所示，设定风力发电机当前运行状态下的风轮叶片桨距角为β，在风速突然增加的过程中，当风轮叶片桨距角不变化(即β的变化角度为0°)，风力发电机会沿着β＝0°的C_p-λ曲线运行，其状态会由A点的C_p值变化至D点的C_p值，即风力发电机沿着曲线ABD运行；当风力发电机的风轮转速逐渐稳定后，其沿着曲线DBA再由D点的C_p值回到A点的C_p值，也就是说，在一次风速变化过程中，风力发电机的C_p值在C_p-λ曲线图中会按ABD→DBA的轨迹运行。显然的，在风力发电机运行的C_p-λ曲线图中，风轮叶片桨距角β不改变下的D点C_p值是明显偏低的，从而使得风力发电机在风速变化过程中无法实现对风能的高效率利用，导致风力发电机的运行经济性差。

技术实现要素：

本发明的技术目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种在风速变化过程中能够实现对风能高效率利用、运行经济性好的风力发电机功率提升方法。

本发明实现其技术目的所采用的技术方案是，一种风力发电机功率提升方法，所述功率提升方法是以获得的风轮加速度而控制风轮叶片桨距角优化调整， 从而利用叶片桨距角的优化调整在风速变化过程中实现对风能的高利用率。

所述风轮叶片桨距角优化调整的计算模型是：

式中，β为风轮叶片的桨距角，β₀为风轮叶片的最佳安装角，α为调节系数，为风轮加速度。进一步的，所述风轮叶片桨距角优化调整计算模型中的调节系数α是，通过风力发电机实际运行情况下使用寻优算法获得，该调节系数α的取值范围为0～5，在此取值范围中，α的优选取值为0.8。

所述风轮加速度是通过布置于风力发电机上的转速传感器和微分跟踪器获得，所述转速传感器用于获取风力发电机主轴的旋转频率，所述微分跟踪器用于提取转速传感器输出的频率信号中的微分量、并进行对应处理，从而获得风轮加速度数据。进一步的，所述微分跟踪器为非线性最速微分跟踪器。

作为优选方案，所述风力发电机为兆瓦级风力发电机。

本发明的有益技术效果是：

1.本发明通过获取风轮加速度的变化而对应的控制风轮叶片桨距角优化调整，即在风速变化过程中通过风轮叶片桨距角的调整变化而使C_p-λ曲线中的C_p值运行轨迹对应的发生可控改变，从而在风速变化过程中有效、可靠地实现对风能的高效率利用，使得风力发电机的功率得到稳定、有效、可靠地提升(通常，对于MW级风力发电机的输出功率可提高0.6％以上)，风力发电机的运行经济性，可靠、实用；

2.本发明所选用的非线性最速微分跟踪器能够快速跟踪原始信号，从而合理地提取信号中的微分量，进而对提取的微分量有效、可靠地实现信号干扰噪声的衰减处理，获得高精准的风轮加速度数据，有利于确保风轮叶片桨距角优化调整的准确性和可靠性。

附图说明

图1是某型风力发电机风轮叶片在不同桨距角β下运行的CP-λ曲线示意图。

图2是图1的局部放大图。

图3是本发明的风轮叶片桨距角优化调整的原理框图。

具体实施方式

本发明为风力发电机、特别是兆瓦级风力发电机(即大型风力发电机)在运行过程中的功率提升方法，下面结合附图对本发明的技术内容进行详细说明。

参见图1、图2和图3所示，本发明是通过下述技术措施实现的：

首先，在风力发电机上布置转速传感器和微分跟踪器；

转速传感器布置在风力发电机的主轴上，用于获取风力发电机在运行时的主轴旋转频率，将所获取的主轴旋转频率输出给微分跟踪器；

微分跟踪器TD采用非线性最速微分跟踪器，该微分跟踪器能够快速跟踪原始信号，从而合理地提取信号中的微分量，进而对提取的微分量有效、可靠地实现信号干扰噪声的衰减处理；微分跟踪器TD布置在风力发电机内的控制柜内；微分跟踪器TD用于提取转速传感器输出的频率信号中的微分量，将提取的微分量进行信号干扰噪声的衰减处理，从而获得风力发电机运行时的风轮加速度数据；

然后，通过获得的风轮加速度数据对风力发电机的风轮叶片进行控制，使风轮叶片的桨距角实现优化调整；通过风力发电机风轮加速度数据对风轮叶片桨距角优化调整的计算模型是：

在该计算模型中，β为风轮叶片的桨距角，β₀为风轮叶片的最佳安装角，α为调节系数，为风轮加速度；前述调节系数α是通过风力发电机实际运行情况下使用寻优算法获得，该调节系数α的取值范围为0～5，例如0.5、0.8、1.5、2.8、4、4.9等，在前述取值范围内优选0.8。

从而利用风轮叶片桨距角的优化调整，在风速变化过程中实现对风能的高利用率。

现以风力发电机运行时的C_p值在C_p-λ曲线图中的运行轨迹对本发明进行详细说明。

通过本发明使风力发电机的C_p值在C_p-λ曲线图中的运行轨迹是，设定风力发电机当前运行状态下的风轮叶片桨距角为β，在风速突然增加的过程中，风轮叶片桨距角进行优化调整的变化(即β具有变化角度，例如变化角度为-1°)，从而使沿着β＝0°的C_p-λ曲线运行的风力发电机进行调整切换，沿着β＝-1°的C_p-λ曲线运行，其状态会由A点的C_p值变化至B点的C_p值，再由B点C_p值变化至C点的C_p值，即风力发电机沿着曲线ABC运行；当风力发电机的风轮转速逐渐稳定后，其沿着曲线CBA再由C点的C_p值回到A点的C_p值，也就是说，在一次风速变化过程中，风力发电机的C_p值在C_p-λ曲线图中会按ABC→CBA的轨迹运行。显然的，在风力发电机运行的C_p-λ曲线图中，风轮叶片桨距角β改变下的C点C_p值是明显高于不变化下的D点C_p值的，从而使得风力发电机在风速变化过程中有效、可靠地实现对风能的高效率利用，提高风力发电机的运行经济性。

以上具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。