基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法及系统与流程

1.本公开涉及风电控制技术领域，特别涉及一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着可再生能源的大力开发，风电机组功率等级在逐步增大，对应的叶片长度、塔筒高度、塔筒柔性也在不断增大，相应的塔顶载荷也随之增大，由于机舱位于塔筒上方，是整个风机振动幅值最大的部位，机舱振动直接导致机舱位移超限，为保证风机的安全运行，机舱位移的监测优化变得尤为重要。
4.由于风力发电机组所处环境条件恶劣，不能对机舱位移进行实时观察，另外极端风况、机组偏航、刹车等动作都会使机组产生振动，当机舱位移超过一定限值时，机组会进行告警停机动作，若严重甚至可能有倒塔风险，直接损坏机组，造成严重的经济损失。其中，风是影响风机气动特性和结构特性最直接的因素，对应的湍流强度表征脉动风速的相对强度，湍流强度也是风机安全等级分级的重要参数之一，湍流强度过大，则会引起机舱振动幅值超限，载荷增大，进而影响机组安全。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本公开提出了一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法及系统，本公开拟采用安装机舱位移传感器(或其他传感器)进行机舱位移的实时监测，主要通过风电机组载荷软件仿真得到风速、湍流强度和机舱位移最大值的关系(为方便描述，所述机舱位移最大值均为绝对最大值)，根据实时风速获取湍流强度进而得到当前风况下的机舱位移最大值，再根据机舱位移最大值开发监测优化算法，从而优化振动问题，提升机组发电量。
6.根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法，采用如下技术方案：
7.一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法，包括：
8.根据机组当前湍流强度，获取当前机舱位移最大值；
9.当首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，风机执行变桨优化动作；
10.当非首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，且在规定时间内机舱位移值大于等于停机阈值的次数达到停机次数上限，则风机执行变桨停机动作，否则进入告警逻辑判断；
11.在规定时间内机舱位移值大于等于告警阈值的次数达到告警次数上限，则风机执行告警动作，否则风机正常运行。
12.根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于湍流强度的风电机组机舱位
移监测优化系统，采用如下技术方案：
13.一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化系统，包括：
14.机舱位移确定模块，被配置为根据机组当前湍流强度，获取当前机舱位移最大值；
15.风机变桨优化模块，被配置为当首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，风机执行变桨优化动作；
16.风机变桨停机模块，被配置为当非首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，且在规定时间内机舱位移值大于等于停机阈值的次数达到停机次数上限，则风机执行变桨停机动作，否则进入风机变桨告警模块判断；
17.风机变桨告警模块，被配置为在规定时间内机舱位移值大于等于告警阈值的次数达到告警次数上限，则风机执行告警动作，否则风机正常运行。
18.根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种非暂态计算机可读存储介质。
19.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上述第一个方面所述的一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法中的步骤。
20.根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备。
21.一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上述第一个方面所述的一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法中的步骤。
22.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
23.1、本公开所述的方法采用当前风况下的机舱位移最大值，进而设置告警阈值和停机阈值，精准控制机组动作，减少机组的不必要停机时间，减少发电量损失；
24.2、本公开所述的方法，控制优化方法简单容易实现，可提高机组可靠性；
25.3、本公开所述的方法，控制优化方法能有效减缓机组振动问题，降低机组运行载荷。
附图说明
26.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
27.图1是本公开实施例一所述的基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法流程图；
28.图2是本公开的实施例一所述的基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法中的机舱位移方向示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
30.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
31.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
32.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.实施例一
34.本实施例提供了一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法，包括：
35.根据机组当前湍流强度，获取当前机舱位移最大值；
36.当首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，风机执行变桨优化动作；
37.当非首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，且在规定时间内机舱位移值大于等于停机阈值的次数达到停机次数上限，则风机执行变桨停机动作，否则进入告警逻辑判断；
38.在规定时间内机舱位移值大于等于告警阈值的次数达到告警次数上限，则风机执行告警动作，否则风机正常运行。
39.具体地，选择安装有机舱位移传感器(或其他传感器)的机组，实现风电机组机舱位移的实时监测功能；
40.按照iec 61400-1-2019中风机等级分类的标准，设置湍流强度参考值(即平均风速15m/s对应的湍流强度参考值)的上下限及湍流强度仿真间隔，固定其他机组参数，进行仿真分析，统计不同湍流强度参考值下各风速的机舱位移最大值分布情况；
41.通过机组实时风速获取机组当前湍流强度，再结合实时风速对上述不同湍流强度参考值下各风速的机舱位移最大值分布情况进行数值查找得到当前风况下的机舱位移最大值(中间值可通过插值处理获取)；
42.在当前机舱位移最大值基础上，设置机舱位移告警阈值、停机阈值；告警时间、告警次数上限、停机次数上限；
43.当首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，风机执行变桨优化动作；
44.当风机进行变桨优化时，通过判断机舱位移的方向及当前风速大小进行桨距角的调整，从而执行不同变桨优化动作；
45.当非首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，且在规定时间内机舱位移值大于等于停机阈值的次数达到停机次数上限，则风机执行变桨停机动作，否则进入告警逻辑判断；
46.在规定时间内机舱位移值大于等于告警阈值的次数达到告警次数上限，则风机执行告警动作，否则风机正常运行。
47.以下结合说明书附图和具体实施例对本公开作进一步描述。
48.如图1所示，本实施例中，以某5mw风电机组为例进行说明，5mw机组的风轮直径171m，塔筒高度110m，切入风速3m/s，切出风速22m/s，额定风速9.9m/s，年平均风速7.3m/s，主要包括以下步骤：
49.s1：选择安装有机舱位移传感器(或其他传感器)的机组，实现风机机舱位移s的实时测量功能。
50.s2：按照iec 61400-1-2019中风机等级分类的标准，将湍流强度参考值设为0.1至
0.2(该范围可根据实际情况进行调整)，间隔0.02(该范围可根据实际情况进行调整)，固定其他机组参数，利用风电机组载荷软件进行仿真分析，考虑到极限工况中机舱位移出现超限的可能性较大，现计算极限工况的机舱位移最大值分布情况(可添加其他工况)。
51.表1为不同湍流强度参考值下各风速对应的湍流强度值，为使表1中的湍流强度值分布范围较大，现选择极限湍流模型(etm)进行湍流计算(可选用其他湍流模型)，极限湍流模型中轮毂高度处各风速的纵向标准偏差σ1由下式确定：
[0052][0053]
其中，v
vae
代表轮毂高度处的年平均风速；v
hub
代表轮毂高度处风速；i
ref
代表湍流强度参考值，此风速下的湍流强度为σ1/v
hub
。
[0054]
统计不同湍流强度参考值下各风速的机舱位移最大值(绝对最大值)分布，以机舱前后位移为例，具体如表2所示。
[0055]
表1 不同湍流强度参考值下各风速对应的湍流强度值
[0056][0057]
表2 不同湍流强度参考值下各风速对应的机舱位移最大值(单位m)
[0058][0059]
s3：规定风速小于7.9m/s时的机舱位移最大值按表2中7.9m/s的对应行进行数值查找，风速大于20m/s时的机舱位移最大值按表2中20m/s的对应行进行数值查找。
[0060]
s4：由机组当前风速信号求取实时湍流强度i，其中σ
10min
为10min的风速标准偏差(m/s)；v
10min
为10min的平均风速(m/s)。
[0061]
[0062]
s5：由当前风速和实时湍流强度值查对表1和表2进行数值查找(中间值可通过插值处理获取)，可得到对应的机舱位移最大值s
max
，设置机舱位移告警阈值s1＝s
max
+λ1，停机阈值s2＝s
max
+λ2；其中λ1和λ2是告警阈值和停机阈值调整系数，λ2≥λ1≥0。
[0063]
s6：设置告警时间t及告警次数上限n1、停机次数上限n2。
[0064]
s7：判断机舱位移是否达到停机阈值s2，若首次出现s≥s2，机组执行变桨优化动作。
[0065]
s8：设置变桨优化逻辑，具体步骤如下：
[0066]
(a)首先定义机舱位移方向，规定顺风向为正，反方向为负，如图2所示；
[0067]
(b)当机舱向前偏移，出现正位移时，说明此时对应叶轮受力较大，需要增加变桨角度，降低叶轮的推力增加，避免塔架继续后仰；
[0068]
(c)当机舱向后偏移，出现负位移时，说明对应叶轮受力较小，需要降低变桨角度，从而增大叶轮推力，避免塔架继续前倾；
[0069]
(d)按经验制定风速-桨距角调整关系表(具体数值可修改)，当机组执行变桨优化时，根据机舱位移的正负及风速大小进行桨距角的调整，即在现有的变桨角度上增加或消减一个变桨调整值，该变桨调整值可根据风速查表3获取。
[0070]
上述5mw机组为例，风速-桨距角调整关系如表3所示。
[0071]
表3 风速-桨距角调整关系表
[0072][0073][0074]
s9：判断机舱位移是否达到停机阈值s2，若非首次出现s≥s2，且在时间t内机舱位移达到s2的次数n大于等于停机次数上限n2，即n≥n2，机组执行变桨停机动作，说明经过变桨优化后机舱位移仍超停机阈值，为保障机组安全，需执行停机动作，否则进入告警逻辑判断。
[0075]
s10：统计在时间t内机舱位移达到告警阈值s1的次数n，若大于等于告警次数上限n1，即n≥n1，执行告警动作，若n《n1，则机组正常运行。
[0076]
实施例二
[0077]
本实施例提供了一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化系统，包括：
[0078]
机舱位移确定模块，被配置为根据机组当前湍流强度，获取当前机舱位移最大值；
[0079]
风机变桨优化模块，被配置为当首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，风机执行变桨优化动作；
[0080]
风机变桨停机模块，被配置为当非首次出现机舱位移值大于等于停机阈值时，且在规定时间内机舱位移值大于等于停机阈值的次数达到停机次数上限，则风机执行变桨停
机动作，否则进入风机变桨告警模块判断；
[0081]
风机变桨告警模块，被配置为在规定时间内机舱位移值大于等于告警阈值的次数达到告警次数上限，则风机执行告警动作，否则风机正常运行。
[0082]
此处需要说明的是，上述机舱位移确定模块、风机变桨优化模块和风机变桨停机模块与所述实施例一所述的方法对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
[0083]
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
[0084]
所提出的系统，可以通过其他的方式实现。例如以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时，可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0085]
实施例三
[0086]
本实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上述实施例一所述的一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法中的步骤。
[0087]
实施例四
[0088]
本实施例提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上述实施例一所述的一种基于湍流强度的风电机组机舱位移监测优化方法中的步骤。
[0089]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0090]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0091]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0092]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一
个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0093]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0094]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。