CN114810485B - 一种抑制塔筒振动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风力发电机技术领域，提出一种基于变桨策略的抑制塔筒的振动的方法，包括下列步骤：对风力发电机的叶片进行变桨，使得所述叶片产生的挥舞振动的方向与风力发电机的塔筒振动的方向不垂直；以及将所述叶片的挥舞振动的频率配置为接近所述塔筒的振动的频率。
Description
技术领域
本发明总的来说涉及风力发电机技术领域。具体而言，本发明涉及一种抑制塔筒振动的方法。
背景技术
近年来，随着环境保护意识的提高以及各国的政策支持，清洁能源领域呈现出快速发展的趋势。清洁能源作为一种新型能源，与传统化石燃料相比具有分布广泛、可再生、环境污染小等优点。作为清洁能源的代表，风力发电机的应用日益增长。
风力发电机(或简称″风机″)在大风下会在塔筒表面产生涡激载荷，诱导出塔筒涡激振动(VIV)。如果这种塔筒振动幅度过大，则可能影响风机的安全，因此风力发电机的塔筒减振是风力发电机设计时很重要的一环。传统上通常采用附加阻尼器，例如采用水箱或者机械阻尼器来进行塔筒减震，存在成本较高的问题。并且附加阻尼器的结构通常较为复杂，会额外增加风力发电机的维护成本。另外附加阻尼器也会存在失效的潜在风险，例如会出现水箱泄漏等对风力发电机的正常运行造成影响的问题。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种抑制塔筒振动的方法，所述方法包括：
对风力发电机的叶片进行变桨，使得所述叶片产生的挥舞振动的方向与风力发电机的塔筒振动的方向不垂直；以及
将所述叶片的挥舞振动的频率配置为接近所述塔筒的振动的频率。在本发明中，术语″接近″是指A和B二者相差的绝对值小于A和B中绝对值较小者的绝对值的30％、尤其是20％、更优选地10％、最优选5％。术语″不垂直″是指二者的夹角不同于90°，该夹角尤其是0°至89°、优选0°至60°、特别优选0°至45°、最优选0°至30°。
在本发明一个实施例中规定，所述振动包括一阶振动和二阶振动
在本发明一个实施例中规定，对所述叶片以及所述塔筒进行模态分析以确定所述叶片的挥舞振动的频率以及所述塔筒的振动的频率。
在本发明一个实施例中规定，通过配置所述风力发电机的桨角以使得所述叶片在所述塔筒振动的方向上产生挥舞振动响应。
在本发明一个实施例中规定，当在所述塔筒振动方向上的所述叶片的挥舞振动的振幅小于第一数值时，增加所述叶片的变桨角度或者增加变桨的所述叶片的数量；以及
当在所述塔筒振动方向上的所述叶片的挥舞振动的振幅大于第二数值时，减小所述叶片的变桨角度或者增加变桨的所述叶片的数量。
在本发明一个实施例中规定，对所述风力发电机的风轮的扭转方向的气动扭矩和阻尼进行校核，以确保所述风轮转速可控、例如处于预定范围、如安全转速范围。
在本发明一个实施例中规定，对所述风力发电机的极限载荷进行校核。
本发明还提出一种风力发电机，包括：
变桨装置，其被配置为对叶片进行变桨；以及
控制器，其被配置为执行下列动作：
给变桨装置发送第一变桨信号以对叶片进行变桨，使得所述叶片产生的挥舞振动的方向与风力发电机的塔筒振动的方向不垂直；
以及
给变桨装置发送第二变桨信号以对叶片进行变桨，使得通过所述挥舞振动产生气动阻尼能够抑制所述塔筒的振动。
本发明至少具有如下有益效果：本发明基于风力发电机的塔筒和叶片的振动耦合特性设计变桨策略，充分利用叶片自身的气动阻尼来抑制塔筒的振动，相比于传统的安装附加阻尼器的技术方案，显著降低风力发电机的成本；本发明的变桨策略的参数设计流程简洁，基于目标风机模型，可较快的识别出最优变桨策略参数；本发明的变桨策略参数设计完成后可嵌入到风机控制逻辑中，在目标场景自动触发变桨策略避免塔筒振动过大；本发明采用的变桨策略部署和升级流程简单，相对于传统的安装附加阻尼器的技术方案，无运维要求，也不会对风力发电机的其他部件造成干扰。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1A示出了现有技术中风力发电机在停机状态下的状态示意图。
图1B示出了本发明一个实施例中一个采用本发明方法抑制塔筒振动的风力发电机在停机状态下的状态示意图。
图2示出了现有技术中和采用本发明方法抑制塔筒振动的叶片状态差别的示意图。
图3示出了本发明一个实施例中抑制塔筒振动的方法的原理示意图。
图4示出了本发明一个实施例中抑制塔筒振动的方法的流程示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，″布置在…上″、″布置在…上方″以及″布置在…之上″并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，″布置在…上或上方″仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为″布置在…下或下方″，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词″一个″、″一″并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，″相同″、″相等″、″等于″等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了″基本上相同″、″基本上相等″、″基本上等于″。以此类推，在本发明中，表方向的术语″垂直于″、″平行于″等等同样涵盖了″基本上垂直于″、″基本上平行于″的含义。
在本发明中，术语“温度特性”是指半导体器件的模拟模块受外界温度变化影响所产生的偏差。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
在本发明中，控制器可以用软件、硬件或固件或其组合来实现。控制器既可以单独存在，也可以是某个部件的一部分。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1A示出了现有技术中风力发电机在停机状态下的状态示意图。如图1A所示，其中所述风力发电机100可以包括塔筒101、机舱轮毂102以及多个叶片103，其中所述塔筒101支承所述机舱轮毂102，并且所述机舱轮毂102上布置有多个所述叶片103。现有技术中，在停工状态下所述叶片103处于顺桨状态，也就是说所述塔筒101产生的前后振动(fore-aft)的方向与所述叶片103产生的摆振(edgewise)的方向一致，并且与所述叶片产生的挥舞振动(flap wise)的方向垂直。
图1B示出了本发明一个实施例中一个采用本发明方法抑制塔筒振动的风力发电机在停机状态下的状态示意图。。如图1B所示，采用本发明方法的所述风力发电机100的所述叶片103的挥舞振动的方向与所述塔筒101的前后振动的方向之间的夹角不垂直。
图2示出了现有技术中和采用本发明方法抑制塔筒振动的叶片状态差别的示意图，其中可以看到现有技术中的叶片的摆振201以及基于变桨策略的叶片挥舞振动202所造成的塔筒和叶片状态的变化。
所述叶片103在挥舞振动的方向上的受风面积远大于在摆振方向上的受风面积，因此所述叶片103在发生挥舞振动时产生的气动阻尼很大，而发生摆振时的气动阻尼很小。
对于图1A所示的现有技术中未采用本发明方法的风力发电机100，所述叶片103的摆振方向与所述塔筒101的前后振动的方向一致，而当所述塔筒101发生前后方向的振动时，由于所述叶片103的摆振方向的振幅较小，因此气动阻尼较弱，不能有效抑制所述塔筒101的前后振动。
而对于图1B所示的采用本发明方法的风力发电机100，所述叶片103挥舞振动的方向与所述塔筒101的前后振动的方向之间的夹角不垂直并且较为接近，而当所述塔筒101发生前后方向的振动时，所述叶片103的挥舞振动的方向的振幅较大，并且产生较强的气动阻尼，因此可以有效抑制所述塔筒101的前后振动。
应当指出，风力发电机的塔筒振动通常包括一阶振动以及二阶振动，本发明的各实施例可以有效对二阶振动进行抑制，并且也可以适用于对一阶振动的抑制。
图4示出了本发明一个实施例中抑制塔筒振动的方法的流程示意图。。如图4所示，该方法可以包括：
步骤401、对所述叶片103进行变桨，使得所述叶片103产生的挥舞振动的方向与所述塔筒101振动的方向不垂直；以及
步骤402、将所述叶片103的挥舞振动的频率配置为接近所述塔筒101的振动的频率。
图3示出了本发明一个实施例中抑制塔筒振动的方法的原理示意图，其中当所述塔筒101发生振动时，如果所述叶片103的振动频率与所述塔筒101的振动频率接近，则所述叶片103会发生较大幅度的振动，从而产生更多的气动阻尼来抑制所述塔筒101的振动。然而由于所述叶片103的摆振所产生的气动阻尼很小，因此当没有采用变桨策略时，所述叶片103对所述塔筒101的减振效果很小。而本发明中，基于变桨策略使得所述叶片103的挥舞振动的方向与所述塔筒101的前后振动的方向接近，同时结合模态分析，寻找与所述塔筒101的振动频率接近的所述叶片的挥舞振动频率，此时所述塔筒101的前后振动会诱导出相同方向的所述叶片103的大幅值的挥舞振动，从而可以产生较大的气动阻尼，有效抑制所述塔筒101的振动。
在本发明的一个优选的使用实例中，所述变桨策略包括：
步骤一、对所述塔筒101以及所述叶片103进行模态分析，并且基于所述塔筒101以及所述叶片103的模态分析结果识别所述叶片103的挥舞振动频率与所述塔筒101的振动频率的接近程度。
步骤二、进行桨角设置以使得在模态分析结果中所述叶片103的挥舞振动模态在所述塔筒101的前后振动方向上有显著的振动响应，以满足对气动阻尼的要求。
步骤三、基于步骤一和步骤二，当所述塔筒101的前后振动方向上的所述叶片的挥舞振动的振幅较小时，则需增加所述叶片103的变桨角度或增加采用变桨方案的所述叶片103的数量；当所述塔筒101的前后振动方向上的所述叶片103的挥舞振动的振幅较大时，则可以适当减小所述叶片103的变桨角度或者减少采用变桨方案的所述叶片103的数量。其中例如可以当在所述塔筒101的前后振动方向上的所述叶片103的挥舞振动的振幅小于第一数值时，增加所述叶片103的变桨角度或者增加变桨的所述叶片103的数量；以及当在所述塔筒101的前后振动方向上的所述叶片103的挥舞振动的振幅大于第二数值时，减小所述叶片103的变桨角度或者增加变桨的所述叶片103的数量。其中所述第一数值和所述第一数值可以基于塔筒设计中疲劳指标对振动幅值要求来确定。
步骤四、在确定桨角设置后，校核风轮扭转方向上的气动扭矩和阻尼，以确保风轮的转速可控。
步骤五、结合风力发电机的设计工况，校核变桨策略下的风力发电机的极限载荷，并且对满足要求的变桨参数结果进行筛选。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (7)
1.一种抑制塔筒振动的方法，其特征在于，所述方法包括：
对风力发电机的叶片进行变桨，使得所述叶片产生的挥舞振动的方向与风力发电机的塔筒振动的方向不垂直；以及
将所述叶片的挥舞振动的频率配置为接近所述塔筒的振动的频率，其中接近表示所述叶片的挥舞振动的频率与所述塔筒的振动的频率相差的绝对值小于所述叶片的挥舞振动的频率和所述塔筒的振动的频率中绝对值较小者的绝对值的30％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动包括一阶振动和二阶振动。
3.根据权利要求1所述的抑制塔筒振动的方法，其特征在于，对所述叶片以及所述塔筒进行模态分析以确定所述叶片的挥舞振动的频率以及所述塔筒的振动的频率。
4.根据权利要求2所述的抑制塔筒振动的方法，其特征在于，通过配置所述风力发电机的桨角以使得所述叶片在所述塔筒振动的方向上产生挥舞振动响应。
5.根据权利要求3所述的抑制塔筒振动的方法，其特征在于，当在所述塔筒振动方向上的所述叶片的挥舞振动的振幅小于第一数值时，增加所述叶片的变桨角度或者增加变桨的所述叶片的数量；以及
当在所述塔筒振动方向上的所述叶片的挥舞振动的振幅大于第二数值时，减小所述叶片的变桨角度或者增加变桨的所述叶片的数量，其中第二数值大于第一数值。
6.根据权利要求4所述的抑制塔筒振动的方法，其特征在于，对所述风力发电机的风轮的扭转方向的气动扭矩和阻尼进行校核，使得所述风轮的转速可控。
7.根据权利要求5所述的抑制塔筒振动的方法，其特征在于，对所述风力发电机的极限载荷进行校核。
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