CN102392792A - 垂直轴风力发电系统结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴风力发电系统结构及控制方法，属于风力发电技术领域，结构包括支架、固定桨距角叶片、顶部组合件、发电机、底部组合件，其中顶部组合件包括有轴承和顶部底盘，底部组合件包括有制动装置、数据采集和控制模块、耗能电阻和底座，其特征是将现有技术中的固定连接杆改换为可调控桨距角的中部控制组合件。其控制方法是：①设定允许值；②可变桨风机叶片垂直于地面；③定时采样输出信号；④采集值与设定值比较；⑤是否超过设定值，是，执行⑥，否，执行⑦；⑥可变桨风机叶片平行于地面；⑦以每次≤10°改变迎风角度；⑧是否大于额定风速，是，接入耗能电阻并返回③，否，执行⑨；⑨当前风速是否小于切入风速，是，系统停止运行，否，返回③。

Description

垂直轴风力发电系统结构及控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种在各种风速状况下都可以具有较高自启动性能和输出效率的垂直轴风电机组的系统结构和控制方法。

技术背景

目前，可再生能源的开发和利用日益得到各国政府的关注，通过风电机组将风能转换成电能的国内外市场非常巨大。据2004年欧盟联合研究中心预测，到本世纪末，风力发电在整个世界能源供应中的比率将超过10％。垂直轴风力发电系统(以下将简称为“系统”)包括升力型和阻力型两种，系统的优点是噪声小、振动小、与高层建筑物融合良好等，存在的问题是阻力型系统的输出效率低，而升力型系统的自启动能力差。在不久的将来，将系统与城市高层建筑相结合将成为低碳城市的重要组成部分，升力型系统具有较高的输出效率，在未来将成为系统与建筑物融合的主力型垂直型风力发电机组，但这种类型的垂直轴风力发电机组的自启动能力较差，因此，研究提供一种适于在各种风速状况下系统都具有良好自启动能力的控制方法是十分必要的。

图1显示了传统Δ形垂直轴风力发电系统的结构，它包括：支架1、固定桨距角叶片2、2’、2”、顶部组合件3、固定连接杆4、4’、4”、发电机5、中部组合件6、底部组合件7。其中顶部组合件3包括有轴承和顶部底盘，中部组合件6包括有轴承和中部底盘，底部组合件7包括制动装置8、数据采集和控制模块9、耗能电阻10和底座。菱形结构如图2所示，与Δ形结构不同处是其固定连接杆4、4’、4”可以不要，如果要安装固定连接杆4、4’、4”，则必须增加中部连接底盘12。上述两种结构的垂直轴风力发电系统存在系统不能够进行自启动及输出功率低的缺点。

发明内容

本发明目的是提供一种对现有技术进行改进了的结构及控制方法，可有效地克服现有技术存在的缺点。

本发明是这样实现的，如图3所示Δ型结构，其基本结构包括支架1、固定桨距角叶片2、2’、2”、顶部组合件3、发电机5、底部组合件7。其中顶部组合件3包括有轴承和顶部底盘，底部组合件7包括制动装置8、数据采集和控制模块9、耗能电阻10和底座。其特征是将现有技术结构中固定桨距角叶片2、2’、2”与中部组合件6之间的固定连接杆4、4’、4”改换为迎风角可调控的变桨距角叶片13、13’、13”，中部组合件6改换为可通过扰动观察或模糊逻辑最大功率跟踪法调控桨距角的中部控制组合件14。菱形结构如图4所示，其特征是将现有技术结构中固定桨距角叶片2、2’、2”与中部连接底盘12之间的固定连接杆4、4’、4”改换为迎风角可调控的变桨距角叶片13、13’、13”，中部连接底盘12改换为可通过扰动观察或模糊逻辑最大功率跟踪法调控桨距角的中部控制组合件14。其中中部控制组合件14如图5所示，包括步进电机15、15’、15”、信号接收和控制模块16、轴承17和底座18。

本发明实施过程的特征是：首先是在传统升力型风力发电系统结构上增加了可变桨控制的阻力型风机叶片，根据所选用的风力发电机设定相应的电压、电流、功率以及切入、切出、额定风速等值，在开始工作时，可变桨风机叶片13、13’、13”垂直于地面，即迎风角为90°，此时系统属于升力型和阻力型相结合的系统，关闭制动装置，并通过数据采集和控制模块9定时采集电机定子上输出的电压、电流和功率信号(以下将简称为“信号”)，然后，通过采集到的信号与设定值的比较判断此时系统的工作状态(信号值小则说明此时环境风速较低，系统输出功率小；信号值大则说明此时环境风速较高，系统输出功率大)。如果风速低于系统启动风速，则不需改变可变桨风机叶片13、13’、13”的状态，使系统具有良好的自启动特性；如果风速大于系统启动风速但小于设定风速，则系统虽然已经开始工作但升力型系统仍无法提供足够的自启动力，此时可变桨风机叶片13、13’、13”也无需改变状态，保持系统良好的自启动能力；如果风速大于等于设定风速并小于等于系统额定风速，即进入到了系统正常工作的范围，这一工作阶段，风机叶片2、2’、2”具有较大的自启动力，无需可变桨风机叶片13、13’、13”再提供额外自启动力，此时将可变桨风机叶片13、13’、13”的状态变为平行于地面，即迎风角为0°，使系统具有良好的输出效率；如果风速大于系统额定风速但小于切出风速，此时将可变桨风机叶片13、13’、13”的状态由平行于地面变为可变桨状态，以降低系统的输出效率，并利用数据采集和控制模块9外接耗能电阻10，控制系统的输出为额定值；如果风速大于等于系统切出风速，此时将可变桨风机叶片13、13’、13”的状态由可变桨状态变为平行于地面，以降低系统的自启动能力，并利用数据采集和控制模块9启动制动装置8，使系统停止工作。其中可变桨叶片的变桨控制方法可采用传统的扰动观察或模糊逻辑最大功率跟踪法，也可根据所采集到的信号判断，如果信号值增加并超过设定值(设定值与所选定的发电机的输出电压、电流和功率有关)则减小叶片的迎风角，按照每次≤10°变化(由90°→0°变化)，如果信号值减小并小于设定值则增加叶片的迎风角，按照每次≤10°变化(由0°→90°变化)。

本发明的控制方法如图6所示，操作步骤是：

步骤一、根据系统采用的风力发电机组的输出电压、电流和功率设定出允许的电压、电流、功率值及切入、切出、额定风速值；

步骤二、通过步进电机使可变桨风机叶片垂直于地面并关闭制动装置；

步骤三、定时采样风电机组输出的电压、电流、功率值；

步骤四、将采样值与设定值进行比较；

步骤五、根据比较的结果判断当前风速是否超过系统设定的切出风速，是，则执行步骤六，否，执行步骤七；

步骤六、如果当前风速超过系统设定的切出风速则启动制动装置，接入耗能电阻，并使可变桨风机叶片平行于地平面，即迎风角为0°，系统停止运行；

步骤七、如果当前风速没有超过系统设定的切出风速则采用扰动观察或模糊逻辑最大功率跟踪法以每次≤10°改变可变桨风机叶片的迎风角度；

步骤八、根据当前的风速判断是否要接入耗能负载，如果大于设定的额定风速则接入耗能负载，并返回步骤三，否则执行步骤九；

步骤九、判断当前风速是否小于系统设定的切入风速，如果小于系统设定的切入风速则系统停止运行，否则返回步骤三。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：(1)输出效率高：传统垂直轴风电机组如直接采用阻力型风轮则输出效率较低，如直接采用升力型风轮则在风速较低的情况下由于自启动能力差导致输出效率较低，而本发明采用了可变桨阻力型风机叶片与升力型系统相结合的方式，在风速较低的情况下提高了系统的自启动能力，使得系统输出效率提高；(2)抗过载能力高：直接采用升力型系统在风速较高的情况下将导致电机转速过高，使系统输出功率过大并可能损坏发电机和系统本身，而本发明由于采用了可变桨阻力型风机叶片与升力型系统相结合的方式，在风速较高的情况下利用可变桨风机叶片可以有效降低系统输出效率，降低发电机转速和输出效率，可以使系统在较大的风速范围内正常工作；3)高风速情况下系统故障率低：如系统直接采用阻力型风机叶片，则在高风速情况下，阻力型风机叶片承受的启动转矩非常大，有可能导致制动装置失效，进而导致整个系统的损坏，而本发明采用的是可变桨阻力型风机叶片与升力型系统相结合的方式，在高风速情况下，可变桨阻力型风机叶片与地面水平，风机叶片迎风面积非常小，即系统的启动转矩较小，有效降低了制动系统失效的可能；(4)性价比高，整个系统设计和传统升力型系统相比只是增加了三片可变桨阻力型风机叶片和三个步进电机，控制原理简单，成本相对低廉，对于提高系统的性能具有积极意义。

附图说明

图1为现有技术Δ型垂直轴风力发电系统结构示意图；

图2为现有技术菱型垂直轴风力发电系统结构示意图；

图3为本发明Δ型垂直轴风力发电系统结构示意图；

图4为本发明菱型垂直轴风力发电系统结构示意图；

图5为本发明系统中部控制组合件结构示意图。

图6为本发明控制方法流程图

图中：1-支架，2、2′、2″-固定桨距角风机叶片，3-顶端组合件，4、4′、4″-固定连接杆，5-发电机，6-中部组合件，7-底部组合件，8-制动装置，9-数据采集和控制模块，10-耗能电阻，11-地基，12-中部连接底盘，13、13′、13″-可变桨距角风机叶片，14-中部控制组合件，15、15′、15″-步进电动机，16-信号接收和控制模块，17-轴承，18-底座

具体实施方式

现以选定的Δ升力型风力发电系统为例，其发电机额定功率为500W，额定电压为50V，额定电流为10A，固定桨距角风机叶片长度为1.5m，可变桨距角风机叶片长度为0.8m，宽度为0.5m，设定的切入风速为3m/s，切出风速为20m/s，额定风速为15m/s。

以实际风速为5m/s为例，控制方法步骤为①设定发电机额定功率为500W，额定电压为50V，额定电流为10A，设定风力发电系统的切入风速为3m/s，切出风速为20m/s，额定风速为15m/s，执行步骤②；②可变桨风机叶片垂直于地面并关闭制动装置，执行步骤③；③定时采样发电机输出电压、电流、功率值，采用现有技术则发电机输出电压值为40V，输出电流为0.625A，输出功率为25W，执行步骤④；④采集值与设定值比较，则实际的风速大于切入风速，小于额定风速，发电机输出电压小于额定电压，输出电流小于额定电流，执行步骤⑤；⑤实际风速小于切出风速，执行步骤⑦；⑦调用可控制桨距角的扰动观察或模糊逻辑最大功率跟踪法，以每次1°改变迎风角度，则发电机输出电压值为44V，输出电流为0.795A，输出功率为35W，执行步骤⑧；⑧实际风速小于额定风速，不需要接入耗能电阻，执行步骤⑨；⑨实际风速大于切入风速，返回步骤③。

其运行结果与现有技术比较为表1所示。

表1

由此，本发明在风速较低的情况下可以自启动并提高了系统输出功率的效率；在风速较大的情况下，增加了系统的切出风速，提高了系统输出功率的效率。

Claims (2)

1.一种垂直轴风力发电系统结构，包括支架(1)、固定桨距角叶片(2、2′、2″)、顶部组合件(3)、发电机(5)、底部组合件(7)，其中顶部组合件(3)包含有轴承和顶部底盘，底部组合件(7)包括制动装置(8)、数据采集和控制模块(9)、耗能电阻(10)和底座，其特征是将现有技术结构中的固定连杆(4、4′、4″)改变成为可通过扰动观察或模糊逻辑最大功率跟踪法调控的中部控制组合件(14)，该中部控制组合件(14)包括有步进电机(15、15′、15″)，信号接收和控制模块(16)、轴承(17)和底座(18)。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电系统结构的控制方法，其特征在于控制步骤是：

步骤一、根据系统采用的风力发电机组的输出电压、电流和功率设定出允许的电压、电流、功率值及切入、切出、额定风速值；

步骤二、通过步进电机使可变桨风机叶片垂直于地面并关闭制动装置；

步骤三、定时采样风电机组输出的电压、电流、功率值；

步骤四、将采样值与设定值进行比较；

步骤五、根据比较的结果判断当前风速是否超过系统设定的切出风速，是，则执行步骤六，否，执行步骤七；

步骤六、如果当前风速超过系统设定的切出风速则启动制动装置，接入耗能电阻，并使可变桨风机叶片平行于地平面，即迎风角为0°，系统停止运行；

步骤七、如果当前风速没有超过系统设定的切出风速则采用扰动观察或模糊逻辑最大功率跟踪法以每次≤10°改变可变桨风机叶片的迎风角度；

步骤八、根据当前的风速判断是否要接入耗能负载，如果大于设定的额定风速则接入耗能负载，并返回步骤三，否则执行步骤九；

步骤九、判断当前风速是否小于系统设定的切入风速，如果小于系统设定的切入风速则系统停止运行，否则返回步骤三。

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