一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法

摘要

本发明涉及一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法，其包括以下步骤：(1)根据目标风场风速沿垂向变化的规律，得到风速沿垂向变化的方程；(2)求出随来流攻角的变化，叶型段升力系数和叶型段阻力系数；(3)定义一支叶片在某一时刻在旋转平面中的位置为θ角，将叶片延叶片长度方向分成m个微元段，计算每一微元段所受的升力和阻力；(4)根据每一微元段所受的升力和阻力，得到该微元段对轮毂中心轴产生的弯矩；(5)由步骤(4)得到整支叶片对轮毂中心轴的弯矩；(6)根据叶片改变角度β的特性及β与θ的对应关系，求得令轮毂中心轴的弯矩之和为零的β值，将该β值代入弯矩公式中，消除了垂向风速变化引起的交变弯矩。本发明可广泛应用于拥有独立变桨系统的三叶片风力发电机组中。

主权项

1.一种控制风速垂向变化对风力发电机组影响的方法，其包括以下步骤：(1)根据目标风场的风速沿垂向变化的规律，得到风速沿垂向变化的方程为：$V\left(h\right)=V\left(h_0\right)\frac{\ln \left(\frac{h}{Z_0}\right)}{\ln \left(\frac{h_0}{Z_0}\right)},$式中，V(h)为风轮叶片距地面高度为h处的风速；V(h₀)为轮毂高度h₀处的风速；Z₀为名义地表粗糙度系数，根据风场测风数据，根据上述公式能拟合出Z₀；(2)计算在垂向风速梯度流场中风轮叶片的受力，由于叶型的升力、阻力系数随来流攻角呈线性变化段，因此，随来流攻角α的变化，叶型段升力系数C_L为：C_L＝Aα+B，随来流攻角α的变化，叶型段阻力系数C_D为：C_D＝Eα+F，其中，系数A、B、E、F根据叶型的风洞数据得到；(3)定义一支叶片在某一时刻在旋转平面中的位置为θ角，将叶片沿叶片长度方向分成m个微元段，每段沿叶片长度方向的厚度为dr，根据叶型理论及所述步骤(1)、(2)，得到每一微元段所受的升力dL和阻力dD；(4)根据每一微元段所受的所述升力dL和阻力dD，得到该微元段对轮毂中心轴产生的弯矩dM为：$\mathrm{dM}=\frac{\rho }{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[A({\alpha }_1\left(r\right)+\beta )+B]\cos \left[\alpha \left(r\right)\right]+\frac{\rho }{2}{V}^{2}C\left(r\right)\mathrm{dr}[E({\alpha }_1\left(r\right)+\beta )+F]\sin \left[\alpha \left(r\right)\right],$其中，α₁(r)和β为距离轮毂中心半径为r处的来流攻角α(r)的两个组成部分，α₁(r)由风轮叶片原始安装角和原始风机控制逻辑要求的与当前风速对应的桨角位置组成，β为叶片改变角度；ρ为空气密度；V为每一微元段叶片距地面高度处的风速；C(r)为dr段内的叶型弦长；(5)由所述步骤(4)得到整支叶片对轮毂中心轴的弯矩为：(6)根据叶片改变角度β的特性及β与θ的对应关系，求得令三支叶片在垂向来流风速不均匀的情况下所受的轴向推力对轮毂中心轴的弯矩之和为零的β值，将该β值代入所述步骤(5)中的弯矩公式中，即消除了垂向风速变化引起的交变弯矩；其中，所述叶片改变角度β的求解方法如下：①由叶片改变角度β的特性得到β与θ存在对应关系，设β＝f(θ)，则三支叶片的叶片改变角度分别为：β₁＝f(θ)，β₂＝f(θ+120°)，β₃＝f(θ+240°)；②根据β特性可知，f(θ)与1-cosθ的分布规律吻合，则令三支叶片对轮毂中心轴的力矩之和为零，得到两个力矩平衡方程为：M_YN＝0和M_ZN＝0；③根据所述步骤②，令f(θ)＝a(1-cosθ)²+b(1-cosθ)，将该式及任意θ角度代入所述两个力矩平衡方程中，求得a，b的值；④根据求得的a，b值，得到β随θ变化的关系，能求得叶片改变角度β，进而使三叶片作用在轮毂中心轴的力矩之和为零；⑤由于改变叶片桨角需要在一定的时间内完成，因此需要确定变桨速度V′，根据变桨速度V′及叶片改变角度β，即实现对已有的变桨程序模块进行修改，实现通过独立变浆克服交变弯矩、并保护传动链的功能；其中，所述变桨速度V′为：$V^{\prime }=\frac{\mathrm{d\beta }}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\beta }}{\mathrm{d\theta }}\frac{\mathrm{d\theta }}{\mathrm{dt}},$式中，由β＝f(θ)得出；为风轮当前的转速，由现有控制系统中的传感器读出。