CN102230453A - 一种风机、风机风轮、风机风轮的叶片及风机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机、风机风轮、风机风轮的叶片及风机的控制装置。公开的风机风轮的叶片包括叶片体和伸缩机构，伸缩机构包括滑动配合的第一部件和第二部件；所述第一部件和第二部件之间相对滑动的方向与叶片体的延伸方向平行；所述第一部件与所述叶片体的根部相连，所述第二部件与轮毂相连。由于叶片可以根据实际风速进行调整，进而能够使风机在更大的风速范围内保持正常运转，进而降低风机发电能力的浪费，提高对风机发电能力的利用率。另外，风电场风速不稳定时，通过调整叶片的长度可以使风机的输出功率保持相对稳定，为充分利用风机产生的电能提供良好前提。

Description

一种风机、风机风轮、风机风轮的叶片及风机的控制装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术，特别涉及一种风机风轮的叶片，还涉及到一种包括该叶片的风机风轮和包括该风机风轮的风机；还涉及一种风机的控制装置。

背景技术

对风能的利用是当前世界能源利用中，利用率增长速度最快的能源利用方式；当前，主要通过风力发电机(简称为风机)将风能转化为电能，再对电能加以利用。

风机一般包括风轮、发电机组和塔筒。风轮包括多个叶片和轮毂；轮毂可旋转地安装在塔筒顶端，并通过传动系统与发电机组的转子相连；多个叶片的根部均安装在轮毂上，各叶片的末端向外伸出。在风电场，风轮能够在风的作用下旋转，吸收风能，将风的动能转变为机械能，使轮毂旋转；轮毂再通过传动系统带动发电机组运转，使发电机组输出电能。

根据风机设计容量不同，不同的风机具有不同的额定风速，进而风机的风轮具有预定的直径，叶片具有预定的长度。但是由于风电场的风速具有不稳定性，且风电场的风速很少情况下与风机的额定风速相匹配。为了获得较大的额定风速，使风机具有较大的容量，通常使风轮具有较大直径，且通常设定较高的额定风速：如兆瓦级风机的额定风速通常设定在12-13m/s，但国内绝大多数的风电场全年风速在该额定风速以上的比率仅占7％-10％；因此，各风电场中，风机全年超过90％的时间工作在欠功率的发电状态，这就造成风电场的风机实际平均发电负荷远远低于风机的平均设计装机容量，造成风机发电能力的极大浪费。如果将风轮的直径设定的较小，使风机的额定风速降低，可能会产生风速过高；在风速超过其切出风速时，很容易导致风机失速，也会导致风机无法发电，进而也无法充分利用风机的发电能力，造成风机发电能力的浪费。同时，风速超过风机的切出风速还会造成风机的负载过大，使用寿命降低的问题。因此，由于风电场的风速不稳定，已经造成了风机发电能力的极大浪费。

为了克服由于风电场的风速不稳定造成的风机发电能力的浪费不足，当前的风机还设置有变浆矩系统，变浆矩系统能够使叶片相对于其轴线旋转，改变其浆矩角，获得合适的气动扭矩，稳定风机的输出功率。设置变浆矩系统虽然可以提高对风机发电能力的利用率，但受到叶片表面积的限制，风机发电能力的利用率的提高也受到一定的限制。

另外，由于风电场的风速具有不稳定性，风机的输出功率的波动性很大，进而风机产生的电会对主干电网产生冲击，并会对电网电力设施和用电器产生很大的危害；这也造成风机产生的电能无法大规模并网，进而无法充分利用风机产生的电能，造成了风机发电能力的浪费。

发明内容

为此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种风机风轮的叶片，利用该叶片，可以降低风机发电能力的浪费，提高对风机发电能力的利用率。

在提供上述叶片的基础上，还提供了种包括该叶片的风机风轮和包括该风机风轮的风机。另外，基于上述风机风轮的叶片，还提供一种风机的操作控制装置。

本发明提供的风机风轮的叶片包括叶片体，还包括伸缩机构，所述伸缩机构包括滑动配合的第一部件和第二部件；所述第一部件和第二部件之间相对滑动的方向与叶片体的延伸方向平行；所述第一部件与所述叶片体的根部相连，所述第二部件与轮毂相连。

可选的，所述伸缩机构为液压缸，所述第一部件和第二部件分别为液压缸的缸体和活塞杆。

可选的，所述伸缩机构还包括驱动第一部件相对于第二部件滑动的伸缩驱动件。

可选的，所述第一部件和第二部件可旋转配合，形成的旋转轴线与叶片体的延伸方向平行；还包括驱动第一部件相对于第二部件旋转的变浆矩驱动机构。

可选的，所述第一部件和第二部件均为筒状结构，所述第一部件套装在第二部件的内部。

本发明提供的风机风轮包括叶片和轮毂，所述叶片的根部与轮毂相连，所述叶片为上述任一种叶片。

本发明提供的风机包括风轮、发电机组和塔筒，所述风轮安装在塔筒的顶端，所述风轮为上述的风机风轮。

本发明还提供一种风机的操作控制装置，所述风机包括风轮，所述风轮包括上述叶片，该操作控制装置包括风速检测装置、控制器和伸缩控制装置；所述风速检测装置用于检测风电场的风速，所述控制器能够根据风速检测装置的检测信号及预定的策略向所述伸缩控制装置发送控制指令；所述伸缩控制装置能够根据控制指令使所述伸缩机构进行伸缩；

所述预定策略包括：在风电场的风速大于第一预定风速时，使所述伸缩机构缩短；在风电场的风速小于该第一预定风速时，使所述伸缩机构伸长。

可选的，所述风机的操作控制装置还包括变浆矩控制装置；所述控制器还能够根据风速检测装置的检测信号及预定的策略向所述变浆矩控制装置发送控制指令；所述变浆矩控制装置能够根据控制指令使风机的变浆矩系统的变浆矩驱动机构动作，进而改变叶片的浆矩角；

所述预定策略还包括：在风电场的风速大于第二预定风速时，使所述叶片的浆矩角增大；在风电场的风速小于第二预定风速时，使所述叶片的浆矩角减小。

可选的，所述预定策略还包括：在风电场风速大于第三预定风速时，使所述伸缩机构伸至最长；在风电场风速小于第四预定风速时，使所述伸缩机构缩至最短；所述第三预定风速小于第一预定风速；所述第四预定风速大于第一预定风速。

为解决上述技术问题，本发明提供的风机风轮的叶片包括叶片体，还包括伸缩机构，所述伸缩机构包括滑动配合的第一部件和第二部件；所述第一部件和第二部件相对滑动的方向与叶片体的延伸方向平行；所述第一部件与所述叶片体的根部相连，所述第二部件与轮毂相连。在风机包括该叶片时，通过伸缩机构可以使叶片体在风机风轮的径向方向上移动，进而使叶片伸长或收缩。这样就能够根据风电场的风速调整风轮的直径。当风电场的风速较高时，可以使叶片收缩，使风轮的直径减小，使风机的切出风速减小，防止风机各部件过载，保持风机的正常运转，进而在风电场风速较大时，使风机保持正常发电；在风电场的风速较低时，可以使叶片伸长，使风轮直径增加，提高风轮的风能捕捉能力，降低风轮的启动力矩，使风机的切入风速减小，保持风机的正常运转，进而在风电场风速较小时，使风机保持发电。由于叶片可以根据实际风速进行调整，进而能够使风机在更大的风速范围内保持正常运转，进而降低风机发电能力的浪费，提高对风机发电能力的利用率。另外，在风电场风速不稳定时，可以通过调整叶片的长度，使风轮捕捉的风能保持相对稳定，使风轮的旋转力矩及旋转速度保持相对稳定，进而使风机的输出功率保持相对稳定，减小由于风电场风速不稳定导致的风机输出电能对主干电网产生的冲击，为充分利用风机产生的电能提供良好前提。

在进一步的技术方案中，所述第一部件和第二部件可旋转配合，形成的旋转轴线与叶片体的延伸方向平行；还包括驱动第一部件相对于第二部件旋转的变浆矩驱动机构。这样，伸缩机构的第一部件和第二部件同时能够相对旋转，进而可以通过变浆矩驱动机构实现对叶片的浆矩角的变浆矩操作。利用该叶片可以将对风轮叶片的长度和叶片浆矩角的调整进行结合，使风机具有更大的适应范围，增加风机控制的控制手段及冗余量，为进一步提高对风机发电能力的利用率提供前提。

本发明提供的风机的操作控制装置能够充分利用叶片长度可调的特点，为保持风机输出电能的稳定及提高对风机发电能力的利用率提供前提。

附图说明

图1为本发明提供的一种风机风轮的叶片的结构示意图。

图2是利用本发明提供的叶片的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应视为对本发明公开技术内容的限制。

请参考图1，该图是本发明提供的一种风机风轮的叶片的结构示意图。该风机风轮的叶片包括叶片体100和伸缩机构200；叶片体100为长形结构，并在预定方向上延伸；伸缩机构200包括滑动配合的第一部件210和第二部件220，且第一部件210和第二部件220之间相对滑动的方向与叶片体100的延伸方向平行。其中，第一部件210与叶片体100的一端相连；与第一部件相连的该端称为叶片体100的根端，叶片体100的另一端为末端。第二部件220安装在风机叶轮的轮毂(图中未示出)上。这样就能够将叶片体100与轮毂安装在一起。

伸缩机构200的第一部件210和第二部件220能够相对滑动，进行该伸缩机构能够进行伸长或收缩动作。如图1所示，在伸缩机构伸长时，第一部件210和叶片体100相对于第二部件220向叶片体100的末端滑动L距离，使叶片的整体长度增加L。在收缩时，第一部件210和叶片体100相对于第二部件220反向滑动L，使叶片的整体长度在原来基础上减小L。

请参考图2，利用该叶片时，通过伸缩机构200，可以使叶片体100在风机风轮的径向方向上移动，进而使叶片伸长或收缩。这样，在风机的风轮包括该叶片时，就能够根据风电场的风速调整风轮的直径。当风电场的风速较高时，可以使叶片收缩，使风轮的直径减小，如图2所示，此时风轮的直径为2R；此时可以使风机的切出风速减小；进而防止风机各部件过载，保持风机的正常运转；这样就可以在风电场风速较大时，使风机保持发电。

在风电场风速较低时，可以使叶片伸长，使风轮直径增加，如图2所示，此时，风轮的直径为2(R+L)；叶片伸长后扫风面积增加量为：ΔS＝π(R+L)²-πR²＝πL(R+L)。这样就能够提高风轮的风能捕捉能力，降低风轮的启动力矩，使风机的切入风速减小，保持风机的正常运转；这样就能够在风电场的风速较小时，使风机保持发电。

实验证明：利用上述包括伸缩机构100的叶片，在风机的额定风速保持不变的情况下，可以将切入风速从6m/s减小到4m/s，将切出风速从25m/s增加到27m/s。

实验证明：在保持切出风速不变，同时避免风机各部件过载的情况下，可以将风机的额定风速从12-13m/s减小到6-10m/s；相应地可以将风机的额定功能降低，进而使风机能够在更多的时间内满负载运转，使风机全年满负载运转的时间比例最高可提升至50-65％，进而能够极大地降低风机发电能力的浪费，进而大幅度地提高对风机发电能力的利用率。同时，在风电场风速达到或超过风机的切出风速时，由于能够通过叶片的收缩减小风机的气动负载，降低风机的传动系统及发电机组相应结构的负载，进而可以减小传动系统及发电机组相应部件的强度要求和设计尺寸，进而降低风机的制造成本；这样还有利于风机的安装。由于风机的额定功率降低，还有利于减小风机输出功率的波动，提高风机输出电能的品质，为利用风机输出的电能提供方便。

另外，在风电场的风速不稳定时，可以通过调整叶片的长度，使风轮捕捉的风能保持相对稳定，使风轮的旋转力矩及旋转速度保持相对稳定，进而使风机的输出功率保持相对稳定，减小由于风电场风速不稳定导致的输出电能对主干电网产生的冲击，为充分利用风机产生的电能提供前提。

伸缩机构200同时可以具有伸缩动力，以进行自主伸缩。因此，伸缩机构200可以是液压缸，且其缸体形成第一部件210、活塞杆形成第二部件220；活塞杆上设置有活塞体，并使该活塞体将缸体的内腔分成有杆腔和无杆腔。通过适当的控制阀可以控制伸缩机构200的伸长或收缩，在有杆腔和无杆腔分别与高压油路和低压油路相通时，伸缩机构200伸长；在有杆腔和无杆腔分别与低压油路和高压油路相通时，伸缩机构200收缩。

第一部件210和第二部件220之间也可以在其他驱动部件的驱动下进行伸缩；即伸缩机构200也可以包括伸缩驱动件，通过伸缩驱动件驱动第一部件210相对于第二部件220滑动。伸缩驱动件的动力源可以为电动机，发动机、电磁线圈、液压马达等等，通过相应齿轮、齿轮齿条、蜗轮蜗杆等传动机构驱动第一部件210相对于第二部件220滑动。

另外，伸缩机构200中，可以使第一部件210和第二部件220可旋转配合，并使形成的旋转轴线与叶片体100的延伸方向平行。另外，叶片还包括驱动第一部件210相对于第二部件220旋转的变浆矩驱动机构；变浆矩驱动机构可以包括原动机和变浆矩轴承；变浆矩轴承的内圈和外圈可以分别与第一部件210和第二部件220相连。由于伸缩机构200的第一部件210和第二部件220能够相对旋转，进而通过变浆矩驱动机构就可以实现对叶片的浆矩角的变浆矩操作。进而，利用该叶片时，可以将对风轮叶片的长度和叶片浆矩角的调整进行结合，使风机具有更大的适应范围，增加风机控制的控制手段及冗余量，为进一步提高对风机发电能力的利用率提供前提。

当然，也可以利用现有的变浆矩控制系统实现对叶片浆矩角的调整。在利用现有的变浆矩系统时，变浆矩系统的变浆矩轴承可以安装在叶片体与第一部件210之间，也可以安装在轮毂与第二部件220之间。

为了保证第一部件210和第二部件220之间连接的可靠性，优选技术方案中，第一部件210和第二部件220均为筒状结构，且第一部件210套装在第二部件220内部。当然，也可以是滑动配合的其他具体结构。

在提供上述叶片的基础上，本发明提供的风机风轮包括叶片和轮毂，其叶片的根部与轮毂相连。其中，所述叶片为上述任一种风机风轮的叶片。另外，还提供一种风机，该风机包括风轮、发电机组和塔筒，所述风轮安装在塔筒顶端，所述风轮为上述的风机风轮。由于风机风轮的叶片具有上述技术效果，包括该叶片的风机风轮及风机也具有相对应的技术效果。

在提供上述风机的基础上，还提供了一种风机的操作控制装置。该操作控制装置包括风速检测装置、控制器和伸缩控制装置；所述风速检测装置用于检测风电场的风速，所述控制器能够根据风速检测装置的检测信号及预定的策略向所述伸缩控制装置发送控制指令；所述伸缩控制装置能够根据控制指令使所述伸缩机构进行伸缩。其中，所述预定策略包括：在风电场风速大于第一预定风速时，使伸缩机构200缩短，使风机风轮的直径减小，以减小风机风轮捕捉风能和能力；这样就能够在风速较大时，减小风机的输出功率；在风电场风速小于该第一预定风速时，使所述伸缩机构伸长，使风机风轮的直径减小；这样就能够增加风机的输出功率。

使伸缩机构200根据风电场风速的大小进行伸缩，能够保持风机输出功率的稳定，减小风电场风速不稳定对主干电网产生的冲击，为充分利用风机产生的电能提供前提。第一预定风速可以根据实际需要进行设定，如为了提高风机的使用寿命，第一预定风速可以是额定风速，为了提高风机发电的品质，减小对主干电网的冲击，第一预定风速可以根据主干电网的情况设定其他预定风速。

在风机还包括变浆矩控制系统的情况下，还可以将变浆矩控制系统和伸缩机构伸缩结合，以调整风机的输出功率，尽可能地为利用风机的发电能力提供前提。此时，风机的操作控制装置还可以包括变浆矩控制装置，所述变浆矩控制装置能够使风机变浆矩系统的变浆矩驱动机构动作，改变叶片的浆矩角；控制器还能够根据风速检测装置的检测信号及预定的策略向所述变浆矩控制装置发送控制指令；变浆矩控制装置根据相应控制指令控制叶片的浆矩角。此时，所述预定策略还包括：在风电场风速大于第二预定风速时，使叶片的浆矩角增大，在风电场风速小于第二预定风速时，使叶片的浆矩角减小。通过对叶片浆矩角与叶片长度的调整，可以更好地提高风机的使用效率，稳定风机的输出功率，提高风机的适应性能。

第二预定风速可以与第一预定风速相等，也可以与第一预定风速不相等；第二预定风速可以根据实际需要设定，以满足预定的要求。

为了提高风机的适应性，提高对风机发电能力的利用率，所述预定策略还可以包括：在风电场风速大于切入风速，且小于第一预定风速时，使伸缩机构200伸至最长，以增加风轮的直径，增加风机的年发电量，提高对风机发电能力的利用率。在风电场风速小于切出风速时，使伸缩机构200缩至最短，以减小风轮的直径，减小风机的气动负载，保证风机各部件的安全。当然，不限于在风电场的风速大于切入风速时，使伸缩机构200伸至最长；也可以在风电场的风速大于其他预定风速(为了描述的方便，该预定风速称为第三预定风速)，使伸缩机构200伸至最长。同样，也可以在风电场的风速小于其他预定风速(为了描述的方便，该预定风速称为第四预定风速)，使伸缩机构200缩至最短；以满足预定要求。其中，上述第三预定风速可以分别小于第一预定风速和第二预定风速；第四预定风速可以分别大于第一预定风速和第二预定风速。

当然，在风电场的风速小于切入风速(或其他预定风速)时，可以使伸缩机构缩至最短，并使发电机组停止发电；这样可以避免风机发出无用的电。在风电场的风速大于切出风速(或其他预定风速)时，也可以使伸缩机构缩至最短，并使发电机组停止发电；此时，可以避免风机各部件负载过大，或者避免风机风轮失速现象的发生。

本文中应用了具体个例对本发明提供的技术方案进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明提供的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风机风轮的叶片，包括叶片体，其特征在于，还包括伸缩机构，所述伸缩机构包括滑动配合的第一部件和第二部件；所述第一部件和第二部件之间相对滑动的方向与叶片体的延伸方向平行；所述第一部件与所述叶片体的根部相连，所述第二部件与轮毂相连。

2.根据权利要求1所述的风机风轮的叶片，其特征在于，所述伸缩机构为液压缸，所述第一部件和第二部件分别为液压缸的缸体和活塞杆。

3.根据权利要求1所述的风机风轮的叶片，其特征在于，所述伸缩机构还包括驱动第一部件相对于第二部件滑动的伸缩驱动件。

4.根据权利要求1、2或3所述的风机风轮的叶片，其特征在于，所述第一部件和第二部件可旋转配合，形成的旋转轴线与叶片体的延伸方向平行；还包括驱动第一部件相对于第二部件旋转的变浆矩驱动机构。

5.根据权利要求1或3所述的风机风轮的叶片，其特征在于，所述第一部件和第二部件均为筒状结构，所述第一部件套装在第二部件的内部。

6.一种风机风轮，包括叶片和轮毂，所述叶片的根部与轮毂相连，其特征在于，所述叶片为权利要求1-5任一项所述的叶片。

7.一种风机，包括风轮、发电机组和塔筒，所述风轮安装在塔筒的顶端，其特征在于，所述风轮为权利要求6所述的风机风轮。

8.一种风机的操作控制装置，所述风机包括风轮，所述风轮包括权利要求1所述的叶片，其特征在于，该操作控制装置包括风速检测装置、控制器和伸缩控制装置；所述风速检测装置用于检测风电场的风速，所述控制器能够根据风速检测装置的检测信号及预定的策略向所述伸缩控制装置发送控制指令；所述伸缩控制装置能够根据控制指令使所述伸缩机构进行伸缩；

所述预定策略包括：在风电场的风速大于第一预定风速时，使所述伸缩机构缩短；在风电场的风速小于该第一预定风速时，使所述伸缩机构伸长。

9.根据权利要求8所述风机的操作控制装置，其特征在于，还包括变浆矩控制装置；所述控制器还能够根据风速检测装置的检测信号及预定的策略向所述变浆矩控制装置发送控制指令；所述变浆矩控制装置能够根据控制指令使风机的变浆矩系统的变浆矩驱动机构动作，进而改变叶片的浆矩角；

所述预定策略还包括：在风电场的风速大于第二预定风速时，使所述叶片的浆矩角增大；在风电场的风速小于第二预定风速时，使所述叶片的浆矩角减小。

10.根据权利要求8或9所述的风机的操作控制装置，其特征在于，所述预定策略还包括：在风电场风速大于第三预定风速时，使所述伸缩机构伸至最长；在风电场风速小于第四预定风速时，使所述伸缩机构缩至最短；

所述第三预定风速小于第一预定风速；所述第四预定风速大于第一预定风速。

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