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    重庆时时彩红树林官网: 风电机组的载荷模型建立方法及载荷控制方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201610619335.0

    申请日:

    2016.07.29

    公开号:

    CN106224162A

    公开日:

    2016.12.14

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):F03D 7/00申请日:20160729|||公开
    IPC分类号: F03D7/00 主分类号: F03D7/00
    申请人: 电子科技大学
    发明人: 彭超; 邹见效; 李艳; 徐红兵; 李立英
    地址: 611731 四川省成都市高新区(西区)西源大道2006号
    优先权:
    专利代理机构: 成都行之专利代理事务所(普通合伙) 51220 代理人: 温利平;陈靓靓
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610619335.0

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.10.16|||2017.01.11|||2016.12.14

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种风电机组的载荷模型建立方法及载荷控制方法,首先迭代获取每组叶尖速比和桨距角下对应的轴向诱导因子和周向诱导因子,然后计算挥舞系数和风能系数,通过若干组叶尖速比和桨距角对应的挥舞系数和风能系数,非线性拟合得到挥舞系数、风能系数关于叶尖速比和桨距角的计算公式,得到载荷模型;然后在载荷模型的基础上,求取每个风速下输出恒定时最小挥舞载荷对应的最优桨距角,非线性拟合得到最优桨距角关于风速的公式,在风电机组运行时根据风速计算得到最优桨距角,得到桨距角调整值,与基于PID的变桨控制方法得到的桨距角调整值叠加,进行桨距角控制。本发明综合考虑摆振载荷和挥舞载荷,实现更为准确的载荷模型和载荷控制方法。

    权利要求书

    1.一种风电机组的载荷模型建立方法,其特征在于,包括以下步骤:
    S1:根据风电机组的实际情况设置其叶尖速比λ的取值范围[λmin,λmax]及桨距角β的取
    值范围[0,βmax];对风力发电机组的桨叶进行叶素划分,记叶素数量为D;令数据组序号i=
    1;
    S2:在叶尖速比λ的取值范围[λmin,λmax]和桨距角β的取值范围[0,βmax]内随机取得第i
    组叶尖速比λi和桨距角βi;
    S3:初始化每个叶素的轴向诱导因子aj和周向诱导因子bj,j=1,2,…,D;
    S4:计算每个叶素的入流角φj:
    <mrow> <msub> <mi>&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>a</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>&Omega;r</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
    其中,v1表示为风轮前来流速度,v1=ΩR/λi,Ω表示风轮的转动角速度,rj表示叶素的
    半径;
    S5:计算每个叶素的风攻角αj=φj-βi;
    S6:基于风攻角α和翼型空气动力学特性曲线计算每个叶素的升力系数Cl,j和阻力系数
    Cd,j,然后计算叶素的切向力系数Ct,j=Cl,jsinφj-Cd,jcosφj与叶素的法向力系数Cn,j=Cl,
    jcosφj+Cd,jsinφj;
    S7:更新轴向诱导因子a′j:
    <mrow> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>j</mi> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>K</mi> <mi> </mi> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&sigma;</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>
    其中,B表示桨叶数目,cj表示叶素的弦长;K=K1K2,K1表示叶尖修正系数,K2
    表示轮毂修正系数,其计算公式分别为:
    <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> </mfrac> <msup> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>&lsqb;</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>B</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>r</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>sin&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> </mrow>
    <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> </mfrac> <msup> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>&lsqb;</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>B</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>r</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>r</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>sin&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> </mrow>
    其中,R表示桨叶半径,r0表示轮毂半径,exp表示指数函数;
    如果计算得到的轴向诱导因子a′j>0.4,采用以下计算公式修正:
    <mrow> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>j</mi> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>18</mn> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <mn>20</mn> <mo>-</mo> <mn>3</mn> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>50</mn> <mo>-</mo> <mn>36</mn> <mi>K</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>12</mn> <mi>K</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> </mrow> <mrow> <mn>36</mn> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <mn>50</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>
    其中,CF,j表示叶素的推力系数,其计算公式为:
    <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>a</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&sigma;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>cos&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>sin&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    更新周向诱导因子b′j:
    <mrow> <msubsup> <mi>b</mi> <mi>j</mi> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>K</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>sin&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>cos&phi;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&sigma;</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>
    S8:判断是否每个叶素的诱导因子均满足|a′j-aj|≤Ta且|b′j-bj|≤Tb,Ta、Tb分别表示
    预设的误差阈值,如果是,进入步骤S9,否则令aj=a′j、bj=b′j,返回步骤S4;
    S9:计算第i组叶尖速比λi和桨距角βi对应的挥舞系数CM,i和风能系数CP,i:
    <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>B</mi> <mrow> <msup> <mi>&pi;R</mi> <mn>3</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&Integral;</mo> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&phi;</mi> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>cC</mi> <mi>n</mi> </msub> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow>
    <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>B</mi> <mrow> <msup> <mi>&pi;R</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&Integral;</mo> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&phi;</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>sin</mi> <mn>3</mn> </msup> <mi>&phi;</mi> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>cC</mi> <mi>t</mi> </msub> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow>
    S10:如果i<N,N表示非线性拟合需要的数据组数,令i=i+1,返回步骤S2,否则根据N
    组叶尖速比λi、桨距角βi和对应的挥舞系数CM,i、风能系数CP,i,采用非线性拟合得到挥舞系
    数CM和风能系数CP的计算公式CM=f1(λ,β)、CP=f2(λ,β),得到载荷模型。
    2.根据权利要求1所述的载荷模型建立方法,其特征在于,所述公式CM=f1(λ,β)、CP=f2
    (λ,β)进行非线性拟合时采用如下经验公式:
    <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>&lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mn>4</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mn>5</mn> </mrow> </msub> <mi>&beta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mn>6</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&beta;</mi> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mi>P</mi> <mo>,</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    其中,hx,1、hx,2、hx,3、hx,4、hx,5、hx,6为拟合参数。
    3.一种风电机组的载荷控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
    S1:采用权利要求1所述的风电机组的挥舞载荷模型建立方法得到挥舞系数CM和风能系
    数CP关于叶尖速比λ、桨距角β的计算公式CM=f1(λ,β)、CP=f2(λ,β);
    S2:令风速初始值v1=ve,ve表示额定风速;
    S3:计算风速值v1对应的叶尖速比λ=ΩR/v1,其中Ω表示风轮的转动角速度,R表示桨
    叶半径;
    S4:求解以下目标优化问题,得到最小挥舞载荷My对应的最优桨距角βbest:
    min My=0.5ρπR3v12CM
    <mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>s</mi> <mo>.</mo> <mi>t</mi> <mo>.</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>&Element;</mo> <mo>&lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&gamma;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>P</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&gamma;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>P</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
    其中,Pr=0.5ρπR2v13Cp,表示风电机组的额定机械输出功率,γ表示允许偏差比例;
    S5:如果v1<vc,vc表示切出风速,令v1=v1+Δv,Δv表示风速增加步长,返回步骤S4,否
    则根据得到的所有风速和最优桨距角数据进行非线性拟合,得到最优桨距角关于风速的公
    式βbest=f3(v1);
    S6:在风电机组实际运行过程中,采用基于PID的变桨控制方法得到保持功率恒定所需
    的桨距角调整值βP,测量当前风速v1,根据公式βbest=f3(v1)计算得到最小挥舞载荷对应的
    最优桨距角βbest,然后计算最小挥舞载荷的桨距角调整值βf=βbest-β′,β′为当前实际桨距
    角,然后将两个桨距角调整值叠加,得到最终的桨距角调整值βO=βP+βf,以此由变桨系统控
    制桨叶转动,从而完成桨距角调整。
    4.根据权利要求2所述的载荷控制方法,其特征在于,所述步骤S4中最优桨距角βbest的
    求解方法为:
    S4.1:在桨距角β的取值范围[0,βmax]内随机选取Q个桨距角;
    S4.2:令桨距角序号q=1,初始化挥舞载荷最小值My,min=∞,初始化最优桨距角βbest=
    β1;
    S4.3:根据挥舞系数CM和风能系数CP的计算公式CM=f1(λ,β)、CP=f2(λ,β)计算得到叶
    尖速比λ和当前桨距角βq对应的挥舞系数CM和风能系数CP;
    S4.4:计算风电机组机械输出功率Pr和挥舞载荷My,计算公式为:
    Pr=0.5ρπR2v13Cp
    My=0.5ρπR3v12CM
    S4.5:如果进入步骤S4.6,否则直接进入步骤S4.8;
    S4.6:如果My<My,min,进入步骤S4.7,否则直接进入步骤S4.8;
    S4.7:令My,min=My,βbest=βq,进入步骤S4.8;
    S4.8:如果q<Q,令q=q+1,返回步骤S4.3,否则搜索结束,得到最优桨距角βbest。
    5.根据权利要求2所述的载荷控制方法,其特征在于,所述步骤S5中公式βbest=f3(v1)
    进行非线性拟合时采用的公式为:
    βbest=p1v15+p2v14+p3v13+p4v12+p5v1+p6
    其中,p1、p2、p3、p4、p5、p6为需要拟合的参数。

    关 键 词:
    机组 载荷 模型 建立 方法 控制
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