專利名稱：風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)及方法。主要應用于大型風力發(fā)電機組，可以改善結冰地區(qū)風場內(nèi)機組的運行條件，降低結冰時整機運行載荷，提高風機在惡劣環(huán)境下的生存能力，保證風機的設計使用壽命。
背景技術：
我國大部分風場冬季都有結冰現(xiàn)象，尤其是風資源比較豐富的東北、華北和西北地區(qū)，風力發(fā)電機組在運行過程中經(jīng)常會葉片結冰，出現(xiàn)冰載運行的情況。葉片上出現(xiàn)結冰時通常集中在翼型的前沿，導致翼型幾何形狀改變，葉片性能下降，葉輪升力減小。當冰層變得越來越厚的時候，會進一步導致葉輪重量不均衡，造成整機運行疲勞載荷過大，發(fā)電效率降低，甚至葉片斷裂，嚴重的影響風力發(fā)電機組的性能及使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種可降低冰載運行疲勞載荷的風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)及方法。實現(xiàn)上述目的的技術方案如下風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括氣象條件檢測模塊及主控制器PLC，所述主控制器PLC包括結冰風險等級計算模塊及冰載運行優(yōu)化控制模塊；所述氣象條件檢測模塊檢測到的氣象條件信號輸入結冰風險等級計算模塊，結冰風險等級計算模塊根據(jù)氣象條件信號計算得到的結冰風險等級信號輸入冰載運行優(yōu)化控制模塊，冰載運行優(yōu)化控制模塊根據(jù)結冰風險等級信號輸出變槳控制信號及扭矩控制信號。進一步地，所述氣象條件檢測模塊包括大氣溫度傳感器、大氣壓強傳感器、空氣濕度傳感器、機組表面濕度傳感器及風速傳感器。進一步地，所述氣象條件檢測模塊安裝在風力發(fā)電機組機艙后部外側。進一步地，所述結冰風險等級計算模塊包括根據(jù)大氣壓強和風速計算冰凍點的冰凍點計算模塊；根據(jù)冰凍點和大氣溫度判斷結冰溫度條件的結冰溫度條件判斷模塊；在符合結冰溫度條件下根據(jù)空氣濕度判斷結冰水分條件的結冰水分條件判斷模塊；在符合結冰水分條件下根據(jù)機組表面濕度計算結冰厚度的結冰厚度計算模塊；根據(jù)結冰厚度和機組葉片的類型、強度判斷結冰風險等級的結冰風險等級判斷模塊。風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制方法，包括如下步驟(1)氣象條件檢測模塊將其檢測到的氣象條件信號輸入結冰風險等級計算模塊；(2)結冰風險等級計算模塊將根據(jù)氣象條件信號計算得到的結冰風險等級輸入冰載運行優(yōu)化控制模塊；(3)冰載運行優(yōu)化控制模塊將根據(jù)結冰風險等級信號切換不同的運行控制方案， 改變變槳控制和發(fā)電機電磁扭矩控制的相關參數(shù)。進一步地，所述步驟(1)中的氣象條件信號包括大氣溫度、大氣壓強、空氣濕度、機組表面濕度及風速信號。進一步地，所述步驟O)中的結冰風險等級計算方法為(a)根據(jù)檢測到的大氣壓強以及風速條件計算當前下的冰凍點；(b)將步驟(a)中的冰凍點與當前的大氣溫度進行比較，判斷是否符合結冰溫度條件，在不符合結冰溫度條件下不進入結冰狀態(tài)；(c)在符合結冰溫度條件下根據(jù)空氣濕度判斷是否符合結冰水分條件，在不符合結冰水分條件下不進入結冰狀態(tài)；(d)在符合結冰水分條件下根據(jù)機組表面濕度計算結冰厚度；(e)根據(jù)結冰厚度和機組葉片的類型、強度判斷結冰風險等級。進一步地，所述步驟(3)中的冰載運行優(yōu)化控制模塊將根據(jù)結冰風險等級切換不同的運行控制方案，主要是選取不同于正常運行情況的、與結冰風險等級對應的最小槳距角，在風力發(fā)電機組運行在額定風速以下時，保證槳距角不低于當前結冰風險等級對應的最小槳距角值，在葉片結冰風險等級較高時停止運行。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明的風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)及方法，使風力發(fā)電機組能自動檢測判斷葉片是否結冰以及結冰的風險等級，并優(yōu)化冰載運行過程中的控制策略，根據(jù)葉片結冰的程度制定不同的控制方案，可避免冰載運行帶來的大疲勞載荷，防止葉片損壞，提高機組的安全性能，保證風機設計壽命。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發(fā)明風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)結構框圖；圖2為結冰風險等級計算模塊示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明的風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)如圖1所示，主要包括氣象條件檢測模塊、主控制器PLC(結冰等級計算模塊和冰載運行優(yōu)化控制模塊)。氣象條件檢測模塊檢測到的氣象條件信號輸入結冰風險等級計算模塊，結冰風險等級計算模塊根據(jù)氣象條件信號計算得到的結冰風險等級信號輸入冰載運行優(yōu)化控制模塊，冰載運行優(yōu)化控制模塊根據(jù)結冰風險等級信號輸出變槳控制信號及扭矩控制信號。其中，氣象條件檢測模塊在安裝在風力發(fā)電機組機艙后部外側，由大氣溫度傳感器，大氣壓強傳感器，空氣濕度傳感器，機組表面濕度傳感器和風速傳感器組成，分別檢測風機運行期間的氣溫、氣壓、空氣濕度，機艙高度處的機組表面濕度和風速，其中風速也可以直接引用現(xiàn)有風速儀的測量數(shù)據(jù)。這些測量數(shù)據(jù)經(jīng)過信號傳輸通路進入風力發(fā)電機組主控制器PLC中，用來進行結冰等級計算。如圖2所示，結冰風險等級計算模塊包括根據(jù)大氣壓強和風速計算冰凍點的冰凍點計算模塊；根據(jù)冰凍點和大氣溫度判斷結冰溫度條件的結冰溫度條件判斷模塊；在符合結冰溫度條件下根據(jù)空氣濕度判斷結冰水分條件的結冰水分條件判斷模塊；在符合結冰水分條件下根據(jù)機組表面濕度計算結冰厚度的結冰厚度計算模塊；根據(jù)結冰厚度和機組葉片的類型、強度判斷結冰風險等級的結冰風險等級判斷模塊。結冰風險等級計算方法為根據(jù)檢測到的大氣壓強以及風速條件計算當前下的冰凍點；將冰凍點與當前的大氣溫度進行比較，判斷是否符合結冰溫度條件，在不符合結冰溫度條件下不進入結冰狀態(tài)；在符合結冰溫度條件下根據(jù)空氣濕度判斷是否符合結冰水分條件，在不符合結冰水分條件下不進入結冰狀態(tài)；符合結冰水分條件下，預報風機進入結冰狀態(tài)，并根據(jù)當前的機組表面濕度計算結冰厚度，再根據(jù)結冰厚度和機組葉片的類型、強度判斷結冰風險等級。由于不同的風力發(fā)電機組的葉片類型和強度不同，同樣的結冰厚度風險值不同，表1列出了某1. 5MW風力發(fā)電機組葉片冰層厚度風險等級。表1. 1. 5MW風力發(fā)電機組葉片冰層厚度風險等級(葉片長度40. 3m)
權利要求
1.風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于，包括氣象條件檢測模塊及主控制器PLC，所述主控制器PLC包括結冰風險等級計算模塊及冰載運行優(yōu)化控制模塊；所述氣象條件檢測模塊檢測到的氣象條件信號輸入結冰風險等級計算模塊，結冰風險等級計算模塊根據(jù)氣象條件信號計算得到的結冰風險等級信號輸入冰載運行優(yōu)化控制模塊，冰載運行優(yōu)化控制模塊根據(jù)結冰風險等級信號輸出變槳控制信號及扭矩控制信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于，所述氣象條件檢測模塊包括大氣溫度傳感器、大氣壓強傳感器、空氣濕度傳感器、機組表面濕度傳感器及風速傳感器。
3.根據(jù)權利要求2所述的冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于，所述氣象條件檢測模塊安裝在風力發(fā)電機組機艙后部外側。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于，所述結冰風險等級計算模塊包括根據(jù)大氣壓強和風速計算冰凍點的冰凍點計算模塊；根據(jù)冰凍點和大氣溫度判斷結冰溫度條件的結冰溫度條件判斷模塊；在符合結冰溫度條件下根據(jù)空氣濕度判斷結冰水分條件的結冰水分條件判斷模塊；在符合結冰水分條件下根據(jù)機組表面濕度計算結冰厚度的結冰厚度計算模塊；根據(jù)結冰厚度和機組葉片的類型、強度判斷結冰風險等級的結冰風險等級判斷模塊。
5.風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制方法，其特征在于，包括如下步驟(1)氣象條件檢測模塊將其檢測到的氣象條件信號輸入結冰風險等級計算模塊；(2)結冰風險等級計算模塊將根據(jù)氣象條件信號計算得到的結冰風險等級輸入冰載運行優(yōu)化控制模塊；(3)冰載運行優(yōu)化控制模塊將根據(jù)結冰風險等級信號切換不同的運行控制方案，改變變槳控制和發(fā)電機電磁扭矩控制的相關參數(shù)。
6.根據(jù)權利要求5所述的冰載運行優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述步驟(1)中的氣象條件信號包括大氣溫度、大氣壓強、空氣濕度、機組表面濕度及風速信號。
7.根據(jù)權利要求6所述的冰載運行優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述步驟(2)中的結冰風險等級計算方法為(a)根據(jù)檢測到的大氣壓強以及風速條件計算當前下的冰凍點；(b)將步驟(a)中的冰凍點與當前的大氣溫度進行比較，判斷是否符合結冰溫度條件， 在不符合結冰溫度條件下不進入結冰狀態(tài)；(c)在符合結冰溫度條件下根據(jù)空氣濕度判斷是否符合結冰水分條件，在不符合結冰水分條件下不進入結冰狀態(tài)；(d)在符合結冰水分條件下根據(jù)機組表面濕度計算結冰厚度；(e)根據(jù)結冰厚度和機組葉片的類型、強度判斷結冰風險等級。
8.根據(jù)權利要求7所述的冰載運行優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述步驟C3)中的冰載運行優(yōu)化控制模塊將根據(jù)結冰風險等級切換不同的運行控制方案，主要是選取不同于正常運行情況的、與結冰風險等級對應的最小槳距角，在風力發(fā)電機組運行在額定風速以下時， 保證槳距角不低于當前結冰風險等級對應的最小槳距角值，在葉片結冰風險等級較高時停止運行。
全文摘要
本發(fā)明公開了風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)及方法，包括氣象條件檢測模塊、結冰風險等級計算模塊及冰載運行優(yōu)化控制模塊；所述氣象條件檢測模塊檢測到的氣象條件信號輸入結冰風險等級計算模塊，結冰風險等級計算模塊根據(jù)氣象條件信號計算得到的結冰風險等級信號輸入冰載運行優(yōu)化控制模塊，冰載運行優(yōu)化控制模塊根據(jù)結冰風險等級信號輸出變槳控制信號及扭矩控制信號。本發(fā)明的風力發(fā)電機組冰載運行優(yōu)化控制系統(tǒng)和方法，使風電機組能自動檢測判斷葉片是否結冰及結冰的風險等級，并優(yōu)化冰載運行過程中的控制策略，根據(jù)葉片結冰的程度制定不同的控制方案，可避免冰載運行帶來的大疲勞載荷，防止葉片損壞，提高機組的安全性能，保證風機設計壽命。
文檔編號F03D7/00GK102410140SQ201110310448
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權日2011年10月13日
發(fā)明者孫黎翔, 潘磊, 王寧, 王建明, 紀國瑞 申請人:國電聯(lián)合動力技術有限公司