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CN103244348A - 变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法 - Google Patents

变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法 Download PDF

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CN103244348A
CN103244348A CN2012100268641A CN201210026864A CN103244348A CN 103244348 A CN103244348 A CN 103244348A CN 2012100268641 A CN2012100268641 A CN 2012100268641A CN 201210026864 A CN201210026864 A CN 201210026864A CN 103244348 A CN103244348 A CN 103244348A
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贾利民
雷涛
刘展
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Beijing nenggaopukang measurement and Control Technology Co.,Ltd.
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BEIJING NEGO AUTOMATION TECHNOLOGY Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法。本发明提出的变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法分为9个步骤，最终根据计算容量系数确定针对确定风资源条件的最优功率曲线。本发明提出了一种针对变速变桨风力发电机组，当风力发电机组机型确定的情况下，通过优化机组控制参数实现变速变桨风力发电机组功率曲线与风资源条件的最优匹配，通过计算机枚举寻优实现基于容量系数最大的最优功率曲线优化设计方法。本发明的实质是通过优化变速变桨风力发电机组低于额定风速以下最大功率追踪风速段实现基于容量系数最大的风机最优功率曲线优化方法。本发明主要解决了针对确定的变速变桨风力发电机组机型，在不同风资源条件下最优功率曲线优化设计方法。

Description

变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法。
背景技术
风能是目前最具有经济价值的可再生能源，根据中国国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》，中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦，到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。
目前，风力发电已经逐步大规模广泛商业化应用，而变速变桨风力发电机组已经成为大规模风力发电的主要设备。
根据确定风场的风资源情况，在确定的风速威布尔分布参数
Figure 727352DEST_PATH_IMAGE007
后，可以通过优化变速变桨风力发电机组切入风速、额定风速和切出风速，优化平均功率，得到尽可能多的总发电量。
在不同风资源条件下，由于风频分布的不同、空气密度不同以及湍流强度不同即使同种型号的风力发电机组若采用相同的功率曲线年发电量也有可能存在较大的差异。
中国幅员辽阔，各地区间风资源条件可能有明显的差异，各地区间并网电价也可能并不相同。
通过调整变速变桨风力发电机组切入风速、额定风速、切出风速、启动转速、额定转速等相关控制参数可以实现变速变桨风力发电机组功率曲线调节。
发明内容
本发明提出一种针对风资源特性的变速变桨风力发电机组功率曲线优化设计方法。
本发明的技术方案是变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法，其特征是该方法包括以下步骤：
步骤1：获取风力发电机组相关机械参数及叶片翼型参数；
步骤2：绘制风力发电机组坎贝尔图，依据坎贝尔图确定变速变桨风力发电机组的安全转速范围
Figure 457542DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤3：在安全转速范围内，依据发电机最大调速比
Figure 174962DEST_PATH_IMAGE009
，求取切入转速范围，额定转速范围
Figure 70030DEST_PATH_IMAGE011
，设迭代计数器
Figure 830175DEST_PATH_IMAGE012
，功率曲线寻优精度
Figure 972575DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤4：令切入转速
Figure 981595DEST_PATH_IMAGE014
，则在此切入
Figure 338889DEST_PATH_IMAGE015
对应的额定转速为
Figure 142372DEST_PATH_IMAGE016
，根据风机在低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角©所对应的风轮最佳叶尖速比，依据计算对应的最大功率追踪最低风速
Figure 990656DEST_PATH_IMAGE019
和最大功率追踪最高风速
Figure 417570DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤5：通过额定转速
Figure 406999DEST_PATH_IMAGE021
求取额定风速，通过切入转速
Figure 384980DEST_PATH_IMAGE023
确定风力发电机组切入风速
Figure 467950DEST_PATH_IMAGE024
，通过额定转速
Figure 72237DEST_PATH_IMAGE025
求取切出风速
Figure 922292DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤6：通过风力发电机组的切入转速
Figure 794171DEST_PATH_IMAGE027
，额定转速，切入风速
Figure 326576DEST_PATH_IMAGE029
，最大功率追踪最低风速
Figure 956884DEST_PATH_IMAGE019
，最大功率追踪最高风速
Figure 122417DEST_PATH_IMAGE020
，额定风速
Figure 940332DEST_PATH_IMAGE022
，切出风速，考虑机械传动系统效率和电气系统转化效率计算求取风力发电机组功率曲线
Figure 920587DEST_PATH_IMAGE030
；
步骤7：依据功率曲线结合风资源区域风频分布模型估算风力发电机组在该风资源区域的容量系数；
步骤8：记录切入转速
Figure 351348DEST_PATH_IMAGE027
对应的功率曲线以及理论估算发电量，若
Figure 711135DEST_PATH_IMAGE031
，则
Figure 947950DEST_PATH_IMAGE032
，返回步骤4，否则结束循环；
步骤9：结束枚举计算，选取容量系数最大的功率曲线作为最优功率曲线。
步骤1中，风力发电系统机械参数包括传动系统一阶扭振固有频率、叶片一阶摆振固有频率、叶片一阶舞振固有频率和塔架一阶纵弯固有频率。
步骤1中，风力发电系统叶片翼型参数包括，叶片长度、轮毂半径、叶片各叶素展向位置、翼型厚度比、后缘厚度、弦长、扭角和翼型，以及各种翼型在不同攻角对应的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数等，确保通过相关叶片翼型参数可以计算风机在不同工况情况下的各种载荷。
步骤2中，坎贝尔图主要是依据传动系统一阶扭振固有频率，叶片一阶摆振固有频率，叶片一阶舞振固有频率、塔架一阶纵弯固有频率四条横线与转频（1n）、叶片通过频率（3n）、叶片通过频率二次谐波（6n）、叶片通过频率三次谐波（9n）四条斜线的交点，确定风力发电机组工作转速不会引起机械系统共振的安全转速范围，其中n表示风轮旋转频率，坎贝尔示意图如图2所示。
步骤3中，发电机调速比是指风力发电机的额定转速与切入转速的比值。
步骤3中，目前变速变桨风力发电系统采用的大功率发电机调速比一般都小于风力发电机组额定风速与切入风速的比值，故目前变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下不可能全风速范围进行最大功率追踪。
步骤4中，依据步骤1中获取的空气动力学数据可以计算低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角©所对应的风轮最佳叶尖速比
Figure 546160DEST_PATH_IMAGE033
，则此时对应的最大功率追踪最低风速
Figure 355459DEST_PATH_IMAGE034
，最大功率追踪最高风速
Figure 761514DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 446746DEST_PATH_IMAGE036
表示风轮半径。
步骤5中，额定风速©的求解方法可以采用求解非线性方程求得，该方程可以表述为下式：
Figure 287794DEST_PATH_IMAGE037
Figure 279497DEST_PATH_IMAGE038
表示时风力发电系统机械传动环节能量转化效率；
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE039
表示风力发电系统包括电机、变流器、传输线缆等电气环节的能量转化效率；
Figure 466240DEST_PATH_IMAGE040
表示在风轮桨距角为
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE041
，转速为
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE042
，垂直于风轮平面均匀通过的风速为
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE043
情况下的风轮风能利用系数；
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE045
表示风力发电机组额定功率；
步骤5中，通过切入转速
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE047
确定风力发电机组切入风速
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE049
可以采用求解非线性方程求得，该方程可以表述为下式：
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE051
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE053
表示在风轮桨距角为
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE055
，转速为
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE057
，垂直于风轮平面均匀通过的风速为
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE059
情况下的风轮风能利用系数；
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE061
表示风力发电机组切入功率；
切出风速
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE063
可以根据在风轮保持额定转速
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE065
并且通过调整桨距角度保持额定功率输出时，风轮平面承受的最大推力
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE067
来确定，该求解方法可以表述为以下方程组：
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE071
为在切出风速
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE073
情况下，风轮保持额定转速
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE075
和额定功率
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE077
时所对应的桨距角；
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE079
表示风轮平面所受的推力，该推力可以表述为桨距角
Figure 2012100268641100002DEST_PATH_IMAGE081
，风轮转速
Figure DEST_PATH_IMAGE083
和风速
Figure DEST_PATH_IMAGE085
的非线性函数。
步骤6中，风轮的功率曲线可以按照下式来确定：
表示当风速满足
Figure DEST_PATH_IMAGE091
，风力发电系统叶尖速比
Figure DEST_PATH_IMAGE093
时，风轮进行最大风能捕获。
步骤7中，风资源区域风频分布模型通常可以用威布尔来进行描述，其计算公式可以表述为：
Figure DEST_PATH_IMAGE095
Figure DEST_PATH_IMAGE097
为风速分布概率密度函数；
表示风速；
表示形状参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE103
表示尺度参数。
步骤7中，容量系数可以按照下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE105
Figure DEST_PATH_IMAGE107
表示容量系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE109
表示功率曲线；
Figure DEST_PATH_IMAGE111
表示功率曲线对应的额定功率。
本发明提出了一种针对变速变桨风力发电机组，当风力发电机组机型和风资源条件确定的情况下，通过优化机组控制参数实现变速变桨风力发电机组功率曲线与风资源条件的最优匹配，通过计算机枚举寻优实现基于容量系数最大的最优功率曲线优化设计方法。
附图说明
图1功率曲线优化流程图
图2坎贝尔示意图
图3变速变桨风机运行工况示意图
具体实施方式
步骤1中，风力发电系统机械参数包括传动系统一阶扭振固有频率、叶片一阶摆振固有频率、叶片一阶舞振固有频率和塔架一阶纵弯固有频率的一般精度计算时可以通过材料力学中相关计算公式求取，在进行搞精度计算可以通过有限元计算求取或通过商业软件代入相关参数直接求取；
步骤1中，通过相关叶片翼型参数可以计算风机在不同工况情况下的各种载荷主要包括计算风轮及各叶片作用的主轴中心线的旋转扭矩、垂直于风轮平面的推力、叶片的俯仰力矩以及在风力发电机组不同机械部位产生的载荷强度，一般精度载荷计算可以按照叶素-动量定理进行，高精度计算可以通过有限元计算完成或通过商业软件代入相关参数直接求取；
步骤2中，风力发电机组可能产生具有实际考虑意义的共振主要为传动系统一阶扭振固有频率，叶片一阶摆振固有频率，叶片一阶舞振固有频率、塔架一阶纵弯固有频率四条横线与转频（1n）、叶片通过频率（3n）、叶片通过频率二次谐波（6n）、叶片通过频率三次谐波（9n）四条斜线的交点处产生的共振，理论上而言风力发电机组存在大量的其它的共振频率点，但仅限于理论分析讨论；
步骤2中，通过坎贝尔图分析往往在设计转速范围的过程中不能规避所有的共振频率点，因此在控制过程中需要通过控制手段避免风力发电机组长时间工作在可能引起的共振的旋转频率；
步骤4中，计算低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角所对应的风轮最佳叶尖速比
Figure DEST_PATH_IMAGE115
一般精度载荷计算可以按照叶素-动量定理进行，高精度计算可以通过有限元计算完成或通过商业软件代入相关参数直接求取；
步骤5中，切入风速
Figure DEST_PATH_IMAGE117
、额定风速和切出风速
Figure DEST_PATH_IMAGE121
的求解非线性方程及方程组可以通过数值求解方法求取；
步骤5中，由于风资源在高于切出风速出现的频率极低，故切出风速
Figure 424107DEST_PATH_IMAGE121
在额定转速变化不大的情况下也可以按照确定值处理；
步骤6中，风力发电系统机械传动系统效率和电气系统转化效率可以通过对风力发电机组进行测试，基于测试数据进行估算。
结合图3，说明步骤6中风力发电机组功率曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE125
，图3中，虚线表示风轮桨距角最小时在不同风速不同转速的气动力矩特性，点实线表示最大功率追踪曲线，实线表示风机实际控制曲线，风机实际控制曲线AB段对应功率曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE127
，表示风机在高于切入风速
Figure DEST_PATH_IMAGE129
低于最大功率追踪最低风速
Figure DEST_PATH_IMAGE131
保持切入转速运行；BC段对应功率曲线，表示风机在高于最大功率追踪最低风速
Figure DEST_PATH_IMAGE135
低于最大功率追踪最高风速
Figure DEST_PATH_IMAGE137
之间进行最大功率追踪控制；CD段对应功率曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE139
，表示风机在高于最大功率追踪最高风速
Figure 441084DEST_PATH_IMAGE137
低于额定风速
Figure 306534DEST_PATH_IMAGE119
保持额定转速运行；D点对应功率曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE141
表示风机在高于额定风速
Figure 352594DEST_PATH_IMAGE119
低于切出风速保持额定转速、额定力矩运行，从而保持额定功率输出。
本发明的实质是针对确定风资源条件，通过优化变速变桨风力发电机组低于额定风速以下最大功率追踪风速段实现基于容量系数最大的风机最优功率曲线优化方法。
本发明主要解决的问题是：提出了一种针对确定的变速变桨风力发电机组机型，基于容量系数最大的最优功率曲线优化设计方法。

Claims (6)

1.变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1：获取风力发电机组相关机械参数及叶片翼型参数；
步骤2：绘制风力发电机组坎贝尔图，依据坎贝尔图确定变速变桨风力发电机组的安全转速范围
Figure 628885DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤3：在安全转速范围内，依据发电机最大调速比，求取切入转速范围，额定转速范围，设迭代计数器，功率曲线寻优精度
Figure 709393DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤4：令切入转速
Figure 715919DEST_PATH_IMAGE006
，则在此切入转速
Figure 639882DEST_PATH_IMAGE007
对应的额定转速为
Figure 225584DEST_PATH_IMAGE008
，根据风机在低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角
Figure 845309DEST_PATH_IMAGE009
所对应的风轮最佳叶尖速比
Figure 70623DEST_PATH_IMAGE010
，依据
Figure 801206DEST_PATH_IMAGE010
计算对应的最大功率追踪最低风速
Figure 693944DEST_PATH_IMAGE011
和最大功率追踪最高风速
Figure 153744DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤5：通过额定转速
Figure 123144DEST_PATH_IMAGE013
求取额定风速
Figure 451226DEST_PATH_IMAGE014
，通过切入转速
Figure 201401DEST_PATH_IMAGE015
确定风力发电机组切入风速
Figure 956736DEST_PATH_IMAGE016
，通过额定转速
Figure 425151DEST_PATH_IMAGE017
求取切出风速
Figure 684488DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤6：通过风力发电机组的切入转速
Figure 286239DEST_PATH_IMAGE019
，额定转速
Figure 679654DEST_PATH_IMAGE020
，切入风速
Figure 366856DEST_PATH_IMAGE021
，最大功率追踪最低风速
Figure 416502DEST_PATH_IMAGE022
，最大功率追踪最高风速
Figure 200656DEST_PATH_IMAGE023
，额定风速
Figure 363040DEST_PATH_IMAGE024
，切出风速
Figure 475222DEST_PATH_IMAGE025
，考虑机械传动系统效率和电气系统转化效率计算求取风力发电机组功率曲线
Figure 815374DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤7：依据功率曲线结合风资源区域风频分布模型估算风力发电机组在该风资源区域的容量系数；
步骤8：记录切入转速
Figure 454035DEST_PATH_IMAGE027
对应的功率曲线以及理论估算发电量，若，则
Figure 590061DEST_PATH_IMAGE029
，返回步骤4，否则结束循环；
步骤9：结束枚举计算，选取容量系数最大的功率曲线作为最优功率曲线。
2.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法，其特征是步骤4中，最大功率追踪最低风速
Figure 666994DEST_PATH_IMAGE030
，最大功率追踪最高风速，表示风轮半径。
3.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法，其特征是步骤5中，额定风速
Figure 390603DEST_PATH_IMAGE033
的求解方法可以采用求解非线性方程求得，该方程可以表述为下式：
Figure 271227DEST_PATH_IMAGE034
表示时风力发电系统机械传动环节能量转化效率；
Figure 182737DEST_PATH_IMAGE036
表示风力发电系统包括电机、变流器、传输线缆等电气环节的能量转化效率；
Figure 833772DEST_PATH_IMAGE037
表示在风轮桨距角为
Figure 62629DEST_PATH_IMAGE038
，转速为
Figure 343437DEST_PATH_IMAGE039
，垂直于风轮平面均匀通过的风速为
Figure 265126DEST_PATH_IMAGE040
情况下的风轮风能利用系数。
4.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法，其特征是步骤5中，通过切入转速
Figure DEST_PATH_IMAGE041
确定风力发电机组切入风速
Figure 188476DEST_PATH_IMAGE042
可以采用求解非线性方程求得，该方程可以表述为下式：
Figure 738799DEST_PATH_IMAGE044
表示在风轮桨距角为
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，转速为
Figure 188628DEST_PATH_IMAGE046
，垂直于风轮平面均匀通过的风速为情况下的风轮风能利用系数；
Figure 468169DEST_PATH_IMAGE048
表示风力发电机组切入功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE049
表示风力发电机组额定功率。
5.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法，其特征是切出风速
Figure DEST_PATH_IMAGE051
可以根据在风轮保持额定转速并且通过调整桨距角度保持额定功率输出时，风轮平面承受的最大推力
Figure DEST_PATH_IMAGE055
来确定，该求解方法可以表述为以下方程组：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为在切出风速情况下，风轮保持额定转速
Figure DEST_PATH_IMAGE063
和额定功率
Figure DEST_PATH_IMAGE065
时所对应的桨距角；
表示风轮平面所受的推力，该推力可以表述为桨距角
Figure DEST_PATH_IMAGE069
，风轮转速
Figure DEST_PATH_IMAGE071
和风速的非线性函数。
6.6.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法，其特征是步骤6中，风轮的功率曲线可以按照下式来确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE075
Figure DEST_PATH_IMAGE077
，表示当风速满足
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，风力发电系统叶尖速比
Figure DEST_PATH_IMAGE081
时，风轮进行最大风能捕获。
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