风力发电机组的变桨控制方法和设备与流程

本发明涉及风力发电控制领域。更具体地讲，涉及一种风力发电机组的变桨控制方法和设备。

背景技术：

叶片是风力发电机组的重要部件，占据风力发电机组成本的很大比重，且叶片的重量与成本正相关，因此叶片轻量化设计是控制当前风力发电机组成本的重要途径之一。但由于叶片轻量化后刚度会降低，变形量增加，增大了叶片扫塔的风险，因此净空的控制成为轻量化叶片设计的关键制约因素，其中，净空是指叶轮在旋转过程中叶尖和塔筒表面的距离。目前解决净空的主要方案是基于叶根的载荷对三叶片实施独立变桨控制，从而提升净空。目前净空的解决方案，主要存在如下以下不足：需要在叶根设置应变片测量叶根弯矩，带来较高的设备成本，调试周期长，带来了较高的时间成本。其它净空提升方案主要是提前变桨，降低在极端受力状态下的叶片变形量，但这样会严重影响风电机组发电量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风力发电机组的变桨控制方法和设备，以解决现有的净空提升方案成本较高或者影响发电量的技术问题。

本发明的一方面提供一种风力发电机组的变桨控制方法，所述变桨控制方法包括：确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内；当有叶片位于有效测量净空的角度范围内时，测量当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的净空，并确定测量的净空是否小于净空阈值；当测量的净空小于净空阈值时，在相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将所述相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值增加到预定附加桨距角给定值，并将统一桨距角给定值与所述相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值相加得到所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值，其中，所述统一桨距角给定值是指根据各个叶片当前的桨距角以及当前叶轮转速而针对所有叶片确定的统一的桨距角给定值；基于所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨。

可选地，还包括：确定当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片是否具有附加桨距角给定值；当当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片具有附加桨距角给定值时，将当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的附加桨距角给定值逐渐减小至零。

可选地，基于所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨的步骤包括：根据所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值以及所述相邻的下一个叶片的当前的桨距角确定所述相邻的下一个叶片的变桨速率给定值，并根据所述相邻的下一个叶片的变桨速率给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨。

可选地，还包括：当测量的净空大于或等于净空阈值时，在所述相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将统一桨距角给定值作为所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值。

可选地，有效测量净空的角度范围是指当叶片垂直于地面时所处的叶轮方位角附近的预定角度范围。

可选地，确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内的步骤包括：获取安装在轮毂上的方位角传感器测量的叶轮的方位角；根据所述方位角来确定是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。

可选地，根据所述方位角来确定是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内步骤包括：确定所述方位角是否位于以下任意一个角度区间：(60°-δ,60°+δ)、(180°-δ,180°+δ)以及(300°-δ,300°+δ)，其中，δ为所述预定角度的二分之一，所述叶轮12点钟方向的方位角为0度，顺时针旋转至6点钟方向为180度。

本发明的另一方面提供一种风力发电机组的变桨控制设备，所述变桨控制设备包括：第一确定单元，确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内；第二确定单元，当有叶片位于有效测量净空的角度范围内时，测量当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的净空，并确定测量的净空是否小于净空阈值；桨距角给定值确定单元，当测量的净空小于净空阈值时，在相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将所述相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值增加到预定附加桨距角给定值，并将统一桨距角给定值与所述相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值相加得到所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值，其中，所述统一桨距角给定值是指根据各个叶片当前的桨距角以及当前叶轮转速而针对所有叶片确定的统一的桨距角给定值；变桨控制单元，基于所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨。

可选地，还包括：第三确定单元，确定当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片是否具有附加桨距角给定值；当当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片具有附加桨距角给定值时，将所述当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的附加桨距角给定值逐渐减小至零。

可选地，变桨控制单元根据所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值以及所述相邻的下一个叶片当前的桨距角确定所述相邻的下一个叶片的变桨速率给定值，并根据所述相邻的下一个叶片的变桨速率给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨。

可选地，当测量的净空大于或等于净空阈值时，桨距角给定值确定单元在所述相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将统一桨距角给定值作为所述相邻的下一个叶片的桨距角给定值。

可选地，有效测量净空的角度范围是指当叶片垂直于地面时所处的叶轮方位角附近的预定角度范围。

可选地，第一确定单元获取安装在轮毂上的方位角传感器测量的叶轮的方位角，并根据所述方位角来确定是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。

可选地，第二确定单元确定所述方位角是否位于以下任意一个角度区间：(60°-δ,60°+δ)、(180°-δ,180°+δ)以及(300°-δ,300°+δ)，其中，δ为所述预定角度的二分之一，所述叶轮12点钟方向的方位角为0度，顺时针旋转至6点钟方向为180度。

本发明的另一方面提供一种风力发电机组的变桨控制系统，所述系统包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，执行如上所述的方法。

本发明的另一方面提供一种其中存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被执行时实现如上所述的方法。

根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制方法和设备，在统一变桨控制的基础上，根据净空来对各个叶片进行独立的变桨控制，以较低的成本即可实现减小叶轮推力，增大净空，降低风力发电机组在极端风况下叶片扫塔的风险，并且不会影响风力发电机组的发电量，从而为叶片和风力发电机组的减重设计提供了条件。

将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制方法的流程图；

图2是示出本发明的实施例方位角传感器的安装位置示例图；

图3至图5分别示出根据本发明的三个叶片分别位于有效测量净空的角度范围内时的应用示例；

图6至图9分别示出根据本发明的风力发电机组的变桨控制方法的应用仿真效果图示例；

图10是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制设备的框图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制方法的流程图。

参照图1，在步骤s10，确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。

作为示例，该有效测量净空的角度范围可以是预定的角度范围。例如，该有效测量净空的角度范围是指当叶片垂直于地面时所处的叶轮方位角附近的预定角度范围，换句话说，是指以塔架为对称线和半径且中心角为预定角度的扇形。

作为示例，可利用安装在轮毂上的方位角传感器来确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。图2是示出本发明的实施例方位角传感器的安装位置示例图。如图2所示，方位角传感器201设置在轮毂202上。

作为示例，在步骤s10中，获取安装在轮毂上的方位角传感器测量的叶轮的方位角；根据测量的方位角来确定是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。

作为示例，可定义叶轮12点钟方向的方位角为0度，顺时针旋转至6点钟方向为180度，通过确定叶轮的方位角是否位于以下任意一个角度区间来确定是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内：(60°-δ,60°+δ)、(180°-δ,180°+δ)以及(300°-δ,300°+δ)，其中，δ为所述预定角度的二分之一。作为示例，δ的取值范围可以是0°至10°。

当没有叶片位于有效测量净空的角度范围内时，继续执行步骤s10，确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。

当有叶片位于有效测量净空的角度范围内时，执行步骤s20，测量当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的净空，确定测量的净空是否小于净空阈值。

这里，可采用各种可测量当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的净空的方法来测量该净空。例如，可采用激光测距仪、红外线测距仪等等。

该净空阈值可以是预先设定的。例如，可根据以下算式(1)来预定设定净空阈值。

(ls-pct)*γm*γf＜ls(1)

其中，pct是净空阈值，ls是静态净空，γm是材料安全系数，γf是载荷安全系数，其中，静态净空是指叶轮不转动时，位于有效测量净空的角度范围内的叶片的叶尖离塔架表面的距离。

当测量的净空小于净空阈值时，说明相邻的下一个叶片(即将转入有效测量净空的角度范围内的下一个叶片)具有扫塔的风险，执行步骤s30和s50，对相邻的下一个叶片执行独立变桨控制，以提升相邻的下一个叶片的净空，避免相邻的下一个叶片扫塔；当测量的净空大于或等于净空阈值时，说明相邻的下一个叶片没有扫塔的风险，执行步骤s40和s50，对相邻的下一个叶片执行统一变桨控制，避免相邻的下一个叶片不必要的变桨，从而避免影响风力发电机组的发电量。

在步骤s30，当测量的净空小于净空阈值时，在相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将所述相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值逐渐增加到预定附加桨距角给定值，并将统一桨距角给定值与该相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值相加得到该相邻的下一个叶片的桨距角给定值，从而可对相邻的下一个叶片进行独立变桨控制。

各个叶片的附加桨距角给定值是指在所有叶片的统一桨距角给定值之外附加给各个叶片的桨距角给定值。

统一桨距角给定值是指根据各个叶片当前的桨距角以及当前叶轮转速而针对所有叶片确定的统一的桨距角给定值，属于所有叶片统一变桨控制部分的桨距角给定值，各个叶片的统一桨距角给定值彼此相同。作为示例，可采用传统的变桨控制方法中的算法来根据各个叶片当前的桨距角以及当前叶轮转速来确定统一桨距角给定值。

作为示例，预定附加桨距角给定值可以是预先设定的值，作为独立变桨的一个参数。

作为示例，在步骤s30，在相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值匀速地增加到预定附加桨距角给定值。

在步骤s40，当测量的净空大于或等于净空阈值时，在相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将统一桨距角给定值作为该相邻的下一个叶片的桨距角给定值，从而可对相邻的下一个叶片进行统一变桨控制。

在步骤s50，基于该相邻的下一个叶片的桨距角给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨。

本领域技术人员清楚，各个叶片的桨距角给定值是指各个叶片的桨距角的目标值。在步骤s50，将该相邻的下一个叶片的桨距角给定值作为该相邻的下一个叶片的桨距角的目标值，控制该相邻的下一个叶片进行变桨。

作为示例，在步骤s50，可根据该相邻的下一个叶片的桨距角给定值以及该相邻的下一个叶片当前的桨距角确定该相邻的下一个叶片的变桨速率给定值，基于该相邻的下一个叶片的变桨速率给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨。这里，可采用现有的方法来根据该相邻的下一个叶片的桨距角给定值以及该相邻的下一个叶片当前的桨距角确定该相邻的下一个叶片的变桨速率给定值。

作为示例，根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制方法还可包括以下步骤(图中未示出)：确定当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片是否具有附加桨距角给定值；当当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片具有附加桨距角给定值时，将当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的附加桨距角给定值逐渐减小至零。这是由于当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片已经脱离或即将脱离叶片可能扫塔的风险区域，因此，为了减少叶片不必要的变桨，从而避免对风力发电机组的发电量造成影响，可以将为了避免当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片扫塔的附加桨距角给定值逐渐减小为零。

以下将参照图3至图9来描述根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制方法的应用示例以及效果示例。在该应用示例中，预先定义叶轮的方位角为零时指示叶片1的方向为竖直向上。

图3至图5分别示出根据本发明的三个叶轮分别位于有效测量净空的角度范围内时的应用示例。

如图3所示，当叶轮的方位角在区间(60°-δ,60°+δ)内时，如果检测到叶片2的净空小于pct，则对叶片1执行变桨保护策略(即独立变桨控制)，在叶片1转至有效测量净空的角度范围内(即叶轮的方位角变为(180°-δ,180°+δ))的过程中，逐渐增大叶片1的附加桨距角给定值至pep(预定附加桨距角给定值)，此外，也可以同时检查叶片2当前是否具有附加桨距角给定值，如果有，则逐渐减小叶片2的附加桨距角给定值至零。

如图4所示，当叶轮的方位角在区间(180°-δ,180°+δ)内时，如果检测到叶片1的净空小于pct，则对叶片3执行变桨保护策略(即独立变桨控制)，在叶片3转至有效测量净空的角度范围内(即叶轮的方位角变为(300°-δ,300°+δ))的过程中，逐渐增大叶片3的附加桨距角给定值至pep，此外，也可以同时检查叶片1当前是否具有附加桨距角给定值，如果有，则逐渐减小叶片1的附加桨距角给定值至零。

如图5所示，当叶轮的方位角在区间(300°-δ,300°+δ)内时，如果检测到叶片3的净空小于pct，则对叶片2执行变桨保护策略(即独立变桨控制)，在叶片2转至有效测量净空的角度范围内(即叶轮的方位角变为(60°-δ,60°+δ))的过程中，逐渐增大叶片2的附加桨距角给定值至pep，此外，也可以同时检查叶片3当前是否具有附加桨距角给定值，如果有，则逐渐减小叶片3的附加桨距角给定值至零。

图6至图9分别示出根据本发明的风力发电机组的变桨控制方法的应用仿真效果图示例。

如图6所示，仿真风况为基于iec标准中的dlc1.5的极端风剪切工况，图7至图9分别示出了本发明的变桨控制方法和传统变桨控制方法的桨距角、塔架净空和叶尖位移对比，可以看出，根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制方法基于净空来控制变桨，可以有效减小叶轮面的推力，减小叶尖位移，提升塔架净空。

图10是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制设备的框图。如图10所示，本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制设备包括第一确定单元10、第二确定单元20、桨距角给定值确定单元30和变桨控制单元40。

第一确定单元10确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。

作为示例，该有效测量净空的角度范围可以是预定的角度范围。例如，该有效测量净空的角度范围是指当叶片垂直于地面时所处的叶轮方位角附近的预定角度范围，换句话说，是指以塔架为对称线和半径且中心角为预定角度的扇形。

作为示例，可利用安装在轮毂上的方位角传感器来确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。作为示例，本发明的实施例方位角传感器的安装位置可如图2所示。

作为示例，第一确定单元10获取安装在轮毂上的方位角传感器测量的叶轮的方位角；根据测量的方位角来确定是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。

作为示例，可定义叶轮12点钟方向的方位角为0度，顺时针旋转至6点钟方向为180度，通过确定叶轮的方位角是否位于以下任意一个角度区间来确定是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内：(60°-δ,60°+δ)、(180°-δ,180°+δ)以及(300°-δ,300°+δ)，其中，δ为所述预定角度的二分之一。作为示例，δ的取值范围可以是0°至10°。

当没有叶片位于有效测量净空的角度范围内时，第一确定单元10继续确定当前是否有叶片位于有效测量净空的角度范围内。

当有叶片位于有效测量净空的角度范围内时，第二确定单元20测量当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的净空，确定测量的净空是否小于净空阈值。

这里，可采用各种可测量当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的净空的方法来测量该净空。例如，可采用激光测距仪、红外线测距仪等等。

该净空阈值可以是预先设定的。例如，可根据上述算式(1)来预定设定净空阈值。

当测量的净空小于净空阈值时，说明相邻的下一个叶片(即将转入有效测量净空的角度范围内的下一个叶片)具有扫塔的风险，对相邻的下一个叶片执行独立变桨控制，以提升相邻的下一个叶片的净空，避免相邻的下一个叶片扫塔；当测量的净空大于或等于净空阈值时，说明相邻的下一个叶片没有扫塔的风险，对相邻的下一个叶片执行统一变桨控制，避免相邻的下一个叶片不必要的变桨，从而避免影响风力发电机组的发电量。

桨距角给定值确定单元30当测量的净空小于净空阈值时，在相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将所述相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值逐渐增加到预定附加桨距角给定值，并将统一桨距角给定值与该相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值相加得到该相邻的下一个叶片的桨距角给定值，从而可对相邻的下一个叶片进行独立变桨控制。

各个叶片的附加桨距角给定值是指在所有叶片的统一桨距角给定值之外附加给各个叶片的桨距角给定值。

统一桨距角给定值是指根据各个叶片当前的桨距角以及当前叶轮转速而针对所有叶片确定的统一的桨距角给定值，属于所有叶片统一变桨控制部分的桨距角给定值，各个叶片的统一桨距角给定值彼此相同。作为示例，可采用传统的变桨控制方法中的算法来根据各个叶片当前的桨距角以及当前叶轮转速来确定统一桨距角给定值。

作为示例，预定附加桨距角给定值可以是预先设定的值，作为独立变桨的一个参数。

作为示例，桨距角给定值确定单元30在相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将相邻的下一个叶片的附加桨距角给定值匀速地增加到预定附加桨距角给定值。

桨距角给定值确定单元30当测量的净空大于或等于净空阈值时，在相邻的下一个叶片从当前位置转入有效测量净空的角度范围内的过程中，将统一桨距角给定值作为该相邻的下一个叶片的桨距角给定值，从而可对相邻的下一个叶片进行统一变桨控制。

变桨控制单元40基于该相邻的下一个叶片的桨距角给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨。

本领域技术人员清楚，各个叶片的桨距角给定值是指各个叶片的桨距角的目标值。变桨控制单元40将该相邻的下一个叶片的桨距角给定值作为该相邻的下一个叶片的桨距角的目标值，控制该相邻的下一个叶片进行变桨。

作为示例，变桨控制单元40可根据该相邻的下一个叶片的桨距角给定值以及该相邻的下一个叶片当前的桨距角确定该相邻的下一个叶片的变桨速率给定值，基于该相邻的下一个叶片的变桨速率给定值控制所述相邻的下一个叶片进行变桨。这里，可采用现有的方法来根据该相邻的下一个叶片的桨距角给定值以及该相邻的下一个叶片当前的桨距角确定该相邻的下一个叶片的变桨速率给定值。

作为示例，根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制设备还可包括第三确定单元(图中未示出)：确定当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片是否具有附加桨距角给定值；当当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片具有附加桨距角给定值时，将当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片的附加桨距角给定值逐渐减小至零。这是由于当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片已经脱离或即将脱离叶片可能扫塔的风险区域，因此，为了减少叶片不必要的变桨，从而避免对风力发电机组的发电量造成影响，可以将为了避免当前位于有效测量净空的角度范围内的叶片扫塔的附加桨距角给定值逐渐减小为零。

根据本发明的实施例的风力发电机组的变桨控制方法和设备，在统一变桨控制的基础上，根据净空来对各个叶片进行独立的变桨控制，以较低的成本即可实现减小叶轮推力，增大净空，降低风力发电机组在极端风况下叶片扫塔的风险，并且不会影响风力发电机组的发电量，从而为叶片和风力发电机组的减重设计提供了条件。

根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种其中存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被执行时实现如上所述的方法。

根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种风力发电机组的变桨控制系统。所述系统包括：处理器和存储器。存储器存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，执行如上所述的方法。

此外，应该理解，根据本发明示例性实施例的设备中的各个单元可被实现硬件组件和/或软件组件。本领域技术人员根据限定的各个单元所执行的处理，可以例如使用现场可编程逻辑控制器(plc)、现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic)来实现各个单元。

此外，根据本发明示例性实施例的方法可以被实现为计算机可读记录介质中的计算机程序。本领域技术人员可以根据对上述方法的描述来实现所述计算机程序。当所述计算机程序在计算机中被执行时实现本发明的上述方法。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。