一種風(fēng)電機(jī)組塔體傾斜度計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種風(fēng)電機(jī)組塔體傾斜度計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)電機(jī)組塔體在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中主要起支撐作用，塔體本身承受自身的重力、風(fēng)的 推力、葉輪的扭力等復(fù)雜多變的負(fù)荷，同時(shí)受氣象及地質(zhì)因素的影響，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在 運(yùn)行的過程中，塔體作為一個(gè)彈性剛體會產(chǎn)生一定幅度的搖擺。在長期運(yùn)行過程中，塔基會 因塔體搖擺等因素的作用而產(chǎn)生沉降等現(xiàn)象，進(jìn)而使塔體發(fā)生偏斜。塔體過大的傾斜會影 響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的還會產(chǎn)生安全事故。因此，研究出一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔 體傾斜度計(jì)算方法是非常有必要的。
[0003] 在現(xiàn)有的技術(shù)方案中，有一種方案通過兩個(gè)傾角傳感器計(jì)算得到風(fēng)電機(jī)組塔體的 傾斜度：此方案包括在塔體頂部設(shè)置的第一傾角傳感器、塔體底座設(shè)置的第二傾角傳感器 以及分別與兩個(gè)傳感器相連接的處理器。處理器根據(jù)第一傾角數(shù)據(jù)和第二傾角數(shù)據(jù)分別計(jì) 算得到塔體頂部中心相對于塔體底座中心在水平方向上的第一偏移量和塔體底座中心在 水平方向上的第二偏移量，進(jìn)而經(jīng)過處理器處理得到第一傾角數(shù)據(jù)ax、ay和第二傾角數(shù) 據(jù)Px、Py，當(dāng)其大于報(bào)警閾值時(shí)，便向主控機(jī)房發(fā)出報(bào)警信號。
[0004] 同時(shí)，也有研究者對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)塔筒的受力情況進(jìn)行了分析。通過分析塔筒 所受推力、升力力矩、重力對其產(chǎn)生的影響，進(jìn)一步得到塔筒傾斜的偏移量與風(fēng)速之間的關(guān) 系。
[0005] 上述采用傳感器測量計(jì)算方案只是動(dòng)態(tài)測量計(jì)算塔體頂部中心同塔體底部中心 的相對偏移量，得不到靜止條件下塔體的實(shí)際偏移量。在風(fēng)電機(jī)組塔體偏移量與受力之間 關(guān)系的研究中，其只是得到一個(gè)偏移量與風(fēng)速之間的關(guān)系，并沒有考慮不同風(fēng)速下其受力 情況的變化以及傾斜度與槳距角之間的關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)電機(jī)組塔體傾斜度計(jì)算方法，解決了目前在風(fēng)電機(jī) 組塔體偏移量與受力之間關(guān)系的研究中，其只是得到一個(gè)偏移量與風(fēng)速之間的關(guān)系，并沒 有考慮不同風(fēng)速下其受力情況的變化以及傾斜度與槳距角之間的關(guān)系的問題。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照以下步驟進(jìn)行：
[0008] 步驟1 :塔體傾斜角度同風(fēng)速、槳距角之間的關(guān)系式如下：
[0009]
[0010] 式中，v代表風(fēng)速，e代表槳距角，0代表塔體傾斜角度，f表示擬合函數(shù)關(guān)系；
[0011] 在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，其受風(fēng)的推力、自身的的重力等產(chǎn)生傾斜，采用疊加法計(jì) 算得到的塔體偏移量f?為：
[0012]
[0013]式中，h為塔筒高，E為彈性模量，I為塔筒彎曲時(shí)關(guān)于中性軸的慣性矩，P為空氣 密度，S為葉片面積，I、1(2為常數(shù)，v為風(fēng)速；
[0014] 步驟2 :小于額定風(fēng)速運(yùn)行情況下算式的求??；
[0015] 當(dāng)v< 12m/s時(shí)，采用自適應(yīng)最小二乘算法擬合風(fēng)速與塔體傾斜度之間的函數(shù)關(guān) 系，進(jìn)而求得當(dāng)風(fēng)速為零或接近于零時(shí)，風(fēng)機(jī)塔體的傾斜度；
[0016] 步驟3 :大于額定風(fēng)速運(yùn)行情況下算式的求??；
[0017] 當(dāng)12〈v彡25m/s時(shí)，采用多元非線性回歸分析法求取傾斜角度同風(fēng)速、槳距角之 間的關(guān)系，建立二次多項(xiàng)式回歸模型
[0018] 9 =k1+k2v+k3v2+k4 0 +k5 0 2+k6v0 (3)
[0019] 式中，v為風(fēng)速，0為槳距角，kji= 1，…，6)為常系數(shù)，表示回歸參數(shù)；采用最小 二乘法估計(jì)多元線性回歸模型的參數(shù)，得到傾斜角度。
[0020] 進(jìn)一步，所述步驟2的方法為：
[0021]1)對得到的數(shù)據(jù)組（Vl，0J(i= 1，2,…m)，Vl、0i表示一組數(shù)據(jù)中第i個(gè)風(fēng)速 和塔體傾斜角度，選取n= 2次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)：
[0022]
[0023] 用常規(guī)的最小二乘法求出擬合函數(shù)的系數(shù)= (U…即得到第一次擬合函 數(shù)

[0028] 3)數(shù)據(jù)（Vl，0i)(i=1，2,…m)經(jīng)過一次擬合迭代重整= 對
[0024]2)對擬合曲線進(jìn)行上下平移A0，A0的取值為：
[0025]
[0026]
[0027] 卜,6^1' = 1義，)再進(jìn)行以上步驟，得到第二次擬合重整數(shù)據(jù)^42^'=1爲(wèi)___爾)，計(jì)算這 兩次迭代擬合的RMS均方根值之差X，若x>e，e為誤差，則繼續(xù)迭代，直到滿足x彡e， 迭代停止，此時(shí)得到的擬合函數(shù)…即為n= 2時(shí)的最終擬合結(jié)果，擬合次數(shù)為 k式I M2；
[0029] 經(jīng)過該擬合得到其擬合函數(shù)關(guān)系，通過取極限把C:(v)或令v = 〇,最終得到風(fēng) 機(jī)塔體在靜止條件下傾斜的角度。
[0030] 進(jìn)一步，所述步驟3中估計(jì)多元線性回歸模型的參數(shù)方法為：
[0031] 設(shè)序列Xl，x2，…，xn，進(jìn)行如下變換：
[0032]
(6)
[0033] 式中，
則又。y2，…yj新序列，其均值為0,方差 為1 ;令Zi=V，Z2=V2,z3= 0，z4= 0 2,z5=V0，將上述非線性模型轉(zhuǎn)化為多元線性模 型，即為：
[0034] 9 =k1+k2z1+k3z2+k4z3+k5Z4+k6Z5 (7)
[0035] 已知n組監(jiān)測數(shù)據(jù)（Zll，zl2，…，zl5; 0J，樣本求得的誤差為：
[0036]
[0037] 采用最小二乘法估計(jì)多元線性回歸模型的參數(shù)，即令下式取最小值時(shí)的解。
[0038]
[0039] 式中，Q為觀測值與估計(jì)值之差的平方和，0 1表示塔體傾斜角度的第i個(gè)觀測值， |表示塔體傾斜角度的第i個(gè)估計(jì)值；對式（9)分別求關(guān)于回歸參數(shù)Lk2, ....k6的偏導(dǎo) 數(shù)，并令其等于〇 ;然后聯(lián)立求解即得到回歸參數(shù)k2, . . . .k6)的估計(jì)值，估計(jì)值表示為 H??i,，；最后，將估計(jì)值代入式（5)得傾斜角度。
[0040] 本發(fā)明的有益效果是提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傾斜角與風(fēng)速、槳距角之間的函數(shù)關(guān) 系，并計(jì)算得到靜止時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔體傾斜的角度，對風(fēng)電機(jī)組塔體進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測；然后 在傾斜角度變化超過預(yù)設(shè)值時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，防止發(fā)生風(fēng)電機(jī)組倒塌事故，能夠精確得到 不同風(fēng)速下的傾斜度。
【附圖說明】
[0041] 圖1是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0043] 1風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況的劃分
[0044] 變速變槳距風(fēng)電機(jī)組的一個(gè)重要運(yùn)行特性就是運(yùn)行工況隨風(fēng)速變化切換的特性， 如圖1所示。根據(jù)風(fēng)速情況和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率特性，可以將整個(gè)運(yùn)行過程劃分為四個(gè)典 型工況，每個(gè)工況下變槳距系統(tǒng)控制的目標(biāo)與策略均有所不同。這四個(gè)典型工況分別為：起 動(dòng)并網(wǎng)階段、最大風(fēng)能捕獲階段、恒功率控制階段、超風(fēng)速切出階段。
[0045] 由圖1可以看出，在第一工況下，風(fēng)速未達(dá)到切入風(fēng)速，風(fēng)機(jī)處于停運(yùn)狀態(tài)，此時(shí) 塔體傾斜只與風(fēng)速有關(guān)；在第二工況下，風(fēng)機(jī)處于欠功率運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)槳距角維持不變， 當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉尖速比A使風(fēng)機(jī)輸出的機(jī)械功率繼續(xù)增大至額 定功率，這時(shí)整個(gè)機(jī)組在最佳的狀態(tài)運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)機(jī)處于第三工況時(shí)，為防止其輸出功率超過 額定值，需要通過變槳距系統(tǒng)調(diào)整葉片的槳距角，降低風(fēng)能利用率CP，從而使風(fēng)機(jī)能夠以額 定功率長期穩(wěn)定輸出，此時(shí)葉片受到的阻力增大；當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)停機(jī)。
[0046] 2風(fēng)電機(jī)組塔體傾斜度分段計(jì)算算式的求取
[0047] 從上述分析中可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)處于第一、第二工況時(shí)，塔體的傾斜角度只與風(fēng)速有 關(guān)；當(dāng)風(fēng)機(jī)處于第三工況時(shí)，塔體的傾斜角度不僅與風(fēng)速有關(guān)還與槳距角有關(guān)。考慮到第四 工況出現(xiàn)頻率較小，本發(fā)明不進(jìn)行深入分析。設(shè)風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速v= 3m/s，額定風(fēng)速v= 12m/ s，切出風(fēng)速v= 25m/s，從而可得，塔體傾斜角度同風(fēng)速、槳距角之間的關(guān)系式如下：
[0048]
[0049] 式中，v代表風(fēng)速，0代表槳距角，0代表塔體傾斜角度，f表示擬合函數(shù)關(guān)系。
[0050] 在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，其受風(fēng)的推力、自身的的重力等產(chǎn)生傾斜，采用疊加法計(jì) 算得到的塔體偏移量為：
[0051]
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