CN102644549A - 垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法及装置，包括实时获取旋转主轴的垂直倾角；计算旋转主轴在其水平截面内正交的两个方向上的振颤烈度、风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速；根据旋转主轴振颤烈度，分析确定风力发电机的期望转速；由转速内环控制器驱使风力发电机的转速快速达到期望转速；当主轴的振颤烈度超过预先设定的最大安全调控阈值时，启动转速内环控制器的反向电动制动功能，以及旋转主轴的电磁抱刹机构，使风力发电机的转速快速下降。本发明可实时测算出主轴的当前振颤烈度，抑制主轴振颤，使得风力机在保持机械稳定的同时，尽可能地获得最高的风能捕获效率。

Description

垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组的机电一体化控制领域，具体涉及一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调智能抑制方法与装置。 

背景技术

垂直轴风力机除了在世界上少数地区建立了试验性风场外，目前仍没有大规模的推广，但其优越的空气动力学性能越来越引起各国研究人员的重视。 

从结构上来说，垂直轴风力机的垂直旋转主轴结构属于高耸结构中的桅杆结构。由于高耸结构的主要特点是高度较高和水平方向的刚度较柔，因此水平荷载会引起较大的结构反应。此外，为了进一步提高垂直轴风力发电机的风能利用率，常在垂直轴风力机周身外侧安装能够随风向自导航转动的集风罩，即迎风侧加装集风板，顺风侧加装导航尾翼，如林燕山在专利CN2086318U提出的“垂直轴式风力机”、吴国庆等人在专利CN101649809提出的“垂直轴风力发电机用可自导航的聚风装置”、岸浪紘机等人在专利JP特开2007-16661A提出的“直流型风车”等，进一步地提高了垂直轴风力机的柔性。 

因此，在机械结构的高柔性和风荷载的随机性共同作用下，垂直轴风力机主轴对风的作用特别敏感，常形成的风效应有：结构的顺风向振动响应、结构的横风向涡激振动、自激振动、参数振动等形态。而整机结构和安装环境的复杂性，又导致对这些风效应固有频率的精 确测算异常困难。 

另一方面，从机械学的角度上说，垂直旋转主轴属于转子系统，其转速与风力发电机电气负载功率和风力机风能吸收的气动力学特性相关联。工程应用上，为了获取风力机最大的风能吸收效率，风力发电机常采用转速闭环控制，依据当前风速实时调节发电机的转速，以使风力机垂直旋转主轴所带动的叶轮转速与理论上的最大风能捕获转速相匹配。 

为此，利用“风力发电机转速闭环控制器可以有效地调节垂直旋转主轴的转速”这一基本方法，一些学者针对水平轴风力发电机组塔架的自振问题，提出了采用简单地“降低风力机转速”的手段来抑制现象的控制策略，如冬雷等人在专利CN201661421U提出的“风力发电塔架共振主动抑制装置”、阿洛伊斯·沃本（德）在专利CN1270080C提出的“风力发电设备和控制其的方法”等。 

但现有的“利用降低风力机转速的手段来抑制塔架的自由振动”的方法过于保守，该方法降低了风力机的风能捕获效率，甚至使得风力机始终无法达到某些风速工况下的最大风能捕获转速。而理论分析与风洞实验表明，当某一风速激发垂直旋转主轴发生自振时，提高和降低风力发电机的转速均可抑制垂直旋转主轴的自振现象。 

另外，与水平轴风力发电机组塔架的自振抑制原理不同，垂直轴风力机旋转主轴振颤的原因更加多样，不仅有固有频率自振，还有其他的风效应和机械主轴偏心等原因。因此，有必要研究设计一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的抑制方法，利用风力发电机转速的主动快速 调节方式，包括迅速地升高或降低风力机转速，以提高此类风力发电系统工作的稳定性和效率。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实时测算出主轴的当前振颤烈度，抑制主轴振颤，使得风力机在保持机械稳定的同时，尽可能地获得最高的风能捕获效率的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法及装置。 

本发明的技术解决方案是： 

一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法，其特征是：包括以下步骤： 

（1）实时获取旋转主轴的垂直倾角，所述垂直倾角包括主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值αx和αy； 

（2）计算旋转主轴的振颤烈度K_v，所述振颤烈度定义为，  $K_v=\sqrt{{{\mathrm{\α}}_x}^2+{{\mathrm{\α}}_y}^2}+\sqrt{{{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_x}^2+{{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_x}^2}+\sqrt{{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}}_x}^2+{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}}_y}^2};$

（3）根据当前风速，计算风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速ω_op； 

（4）根据旋转主轴振颤烈度，分析确定风力发电机的期望转速ω_g： 

a）获取风力发电机的当前转速ω_c； 

b）判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的临界调控阈值Kt， 

若是，进入步骤d）； 

若否，进入步骤c）； 

c）将最优转速ω_op确定为风力发电机的期望转速ω_g； 

d）比较当前转速ω_c与最优转速ω_op的大小， 

若|ω_c-ω_op|>ε，则将最优转速ω_op确定为风力发电机的期望转速ω_g； 

若|ω_c-ω_op|≤ε，则将风力发电机的期望转速ω_g设定为低于最优转速ω_op； 

式中，ε为正实数，是代表当前转速ω_c与最优转速ω_op差异的一个数值量； 

（5）由转速内环控制器驱使风力发电机的转速快速达到期望转速ω_g； 

（6）判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的最大安全调控阈值Ks以内， 

若是，进入步骤（7）； 

若否，返回步骤（1）； 

（7）启动转速内环控制器的风力发电机反向电动制动功能，以及旋转主轴的电磁抱刹机构，使风力发电机的转速快速下降； 

（8）发送故障停机信号，并等待复位重启指令。 

所述步骤10）中：通过旋转主轴顶端的静止部件上安装两轴倾角传感器获取垂直倾斜偏角值αx和αy。 

所述风力发电机为开关磁阻风力发电机。 

步骤（5）中转速内环控制器的快速转速调节方式为直接切断部 分相绕组励磁的发电机升速方法或放开电流斩波限的发电机降速方法。 

一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法的专用装置，其特征是：至少包括： 

两轴倾角传感器，安装于旋转主轴顶端的静止部件上，用于获取旋转主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值αx和αy； 

转速传感器，安装于风力发电机的机身上，用于获取风力发电机的当前转速ω_c； 

风速传感器，安装于垂直轴风电机组的工作现场，用于获取现场风速； 

风力发电机，与垂直轴风力机旋转主轴同轴安装，用于机电能量转换和调节垂直轴风力机的转速； 

电磁抱刹机构，与垂直轴风力机旋转主轴同轴安装，用于阻止垂直轴风力机的旋转； 

转速内环控制器，用于控制风力发电机的转速，根据外环控制器给出的期望转速ω_g，以及转速传感器检测得到的当前转速ω_c，运用包括发电功率控制、反向电动制动技术在内的转速闭环控制算法，使得风力发电机的转速快速到达期望转速ω_g； 

机电协调外环控制器，用于实时接收两轴倾角传感器、风速传感器、转速传感器信号，并由此，计算旋转主轴的振动烈度、最大功率跟踪目标下的最优转速ω_op，判断旋转主轴的振颤烈度相对于临界调控阈值和最大安全调控阈值的强弱程度，确定风力发电机的期望转速 ω_g、反向电动制动指令、电磁抱刹指令、以及停机、复位信号。 

所述风力发电机为开关磁阻风力发电机。 

与现有技术相比本发明的优点在于： 

（1）采用两轴倾角传感器作为检测元件，实时测算主轴的振颤烈度，因而：（a）无需事先获知垂直轴风力机旋转主轴精准的固有自振频率值，仅通过当前振颤烈度值大小的判断，即可判别出主轴是否处于自振状态，即主轴自振状态的检测精准、可靠、自适应好；（b）此振颤烈度值，不仅可反映主轴是否有发生自振，还可反映主轴是否发生了其他风效应、机械回转偏心、主轴垂直度偏差过大等主轴不稳定状态，即主轴振颤源的判别多样、准确。 

（2）根据垂直旋转主轴的振颤烈度、风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速，以及风力发电机当前转速，来确定风力发电机的期望转速，以抑制主轴振颤。此期望转速值制定科学、合理，可使得风力机在保持机械稳定的同时，尽可能地获得最高的风能捕获效率。 

（3）采用机电协调转速控制方法，包括发电机反向电动制动和电磁抱刹，对风力机转速进行调节。具有调节速度快，工作效率高、实时性好等优点。尤其是采用开关磁阻风力发电机的反向电动制动方法，其正/负转矩的产生仅与导通角所属相电感的升/降区间有关，转矩大小的调节仅与相电流的斩波限有关，因此，反向电动制动转矩平滑易控。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

图1为本发明垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法实施例的流程图。 

图2为图1中分析确定风力发电机的期望转速的实例流程图。 

图3为本发明垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制装置的结构示意图。 

图4为本发明垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制装置的控制方块图。 

具体实施方式

参考图1，该图是本发明垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法实施例的流程图。该实施例包括以下步骤： 

S100、开始。 

S110、实时获取旋转主轴的垂直倾角。 

所述垂直倾角包括主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值α_x和α_y。该倾斜偏角值可通过旋转主轴顶端的静止部件上安装两轴倾角传感器获取。 

S120、计算旋转主轴的振颤烈度K_v。 

所述振颤烈度定义为， $K_v=\sqrt{{{\mathrm{\α}}_x}^2+{{\mathrm{\α}}_y}^2}+\sqrt{{{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_x}^2+{{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_x}^2}+\sqrt{{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}}_x}^2+{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}}_y}^2};$

由上述计算式可知，振颤烈度K_v值包含了旋转主轴在水平截面内倾斜量（倾斜偏角值αx和αy的平方和的二次方根， 

）、倾斜速度（倾斜偏角值αx和αy一阶导数的平方和的二次方根， 

）和倾斜加速度（倾斜偏角值αx和αy二阶导数的平方和的二次方根， 

）等信息量，可以反映出旋转主轴实时的静态和动态工作特征， 包括主轴是否发生了自振、顺风向振动、横风向涡激振动、回转偏心程度、垂直度静态偏差程度等。 

S130、根据当前风速，计算风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速ω_op； 

由风力机的特征参数C_p(λ,β)，根据当前风速，可在线计算（包括查表插值法等）出风力发电机的最优转速跟踪功率P_max-ω_op，风力机在此最优转速ω_op下运行，可最大限度地吸收风能。 

S140、根据旋转主轴振颤烈度，分析确定风力发电机的期望转速ω_g； 

S150、由转速内环控制器驱使风力发电机的转速快速达到期望转速ω_g； 

转速内环控制器的转速调节算法需依据风力发电机的类型来设计。本发明选用开关磁阻风力发电机，因此，由开关磁阻风力发电机的控制原理可知，转速内环控制器可以采用调励磁开关角的APC控制、调励磁电流限的CCC控制、调励磁强度的电压PWM控制等常规方法来驱使风力发电机的转速达到期望转速ω_g；特别地，为了更快速地调节多相开关磁阻风力发电机的转速，本发明设计出了采用直接切断部分相绕组励磁的发电机升速方法（切断相绕组后，相应相无励磁电流，即不能产生负转矩，机械能无法转换为电能，因此，发电机会在风力机的带动下快速升速）和放开电流斩波限的发电机降速方法（电流斩波限放开后，励磁电流急剧增大，负转矩亦成平方倍增大，机械能大量转换为电能，因此，发电机带动风力机快速降速），这两 种非常规调速方法。 

S160、判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的最大安全调控阈值Ks以内， 

若是，进入步骤S170； 

若否，返回步骤S110； 

S170、启动转速内环控制器的风力发电机反向电动制动功能，以及旋转主轴的电磁抱刹机构，使风力发电机的转速快速下降。 

此步骤的目的是快速降速，以保证垂直风力机的机械稳定性，本发明在考虑效率和可靠的因素下，采用机电协调转速控制方法：机械方面，电磁抱刹机构出力大、工作可靠，还可方便地通过电压PWM控制方式调节其抱刹的负阻力矩大小；电气方面，开关磁阻风力发电机的反向电动制动状态可有效、快速地产生负阻力转矩，并通过诸如APC控制、CCC控制和电压PWM控制方式，使得负阻力转矩柔性调节。 

特别地，由开关磁阻电机基本运行原理可知，开关磁阻风力发电机处于电动态或是发电态，仅与相绕组导通角度区间在相电感的上升或是下降区间有关，即可在不改变功率变换器和控制电路的条件下，通过控制算法的调整方便地运行在发电态或是反向电动态（产生负转矩），而且负转矩大小的调节仅与控制器给出的相电流斩波限有关，因此，开关磁阻风力发电机的反向电动制动转矩调节过程平滑易控，较其他类型的风力发电机有明显的功能和调控优势。 

S180、发送故障停机信号，并等待复位重启指令。 该故障停机信号代表发生了旋转主轴的振颤烈度超过了预先设定的最大安全调控阈值这一事件。复位重启指令可以由外部人工操作给出，也可由系统延时一段时间后，确认风力机主轴处于稳定状态的情况下，自动重启。 

在本实施例中，根据垂直旋转主轴的振颤烈度、风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速ω_op，以及风力发电机当前转速ω_c，来确定风力发电机的期望转速ω_g，其目的即是通过控制风力发电机的转速的办法来抑制主轴振颤，使得风力机在保持机械稳定的同时，尽可能地获得最高的风能捕获效率。具体如下所述。 

参考图2，该图是图1中分析确定风力发电机的期望转速ω_g的实例流程图。其包括以下步骤： 

S141、获取风力发电机的当前转速ω_c； 

当前转速ω_c可由安装于风力发电机转子转轴上的转速传感器检测得到。 

S142、判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的临界调控阈值Kt， 

若是，进入步骤S143； 

若否，进入步骤S144； 

S144、将风力发电机的期望转速ω_g设定为最优转速ω_op，即ω_g←ω_op。 

S143、比较当前转速ω_c与最优转速ω_op的大小， 

若|ω_c-ω_op|>ε，表明当前转速ω_c与最优转速ω_op相差比较大，则将最优转速ω_op确定为风力发电机的期望转速ω_g，即ω_g←ω_op； 

若|ω_c-ω_op|≤ε，表明当前转速ω_c与最优转速ω_op相差不大，接近相等，则将风力发电机的期望转速ω_g设定为低于最优转速ω_op，即ω_g<ω_op； 

式中，ε为正实数，是代表当前转速ω_c与最优转速ω_op差异的一个数值量。 

通过以上的智能在线分析决策过程，即可确定出当前状态下，此刻的风力发电机的期望转速ω_g值（该ω_g值可以大于、等于和小于当前转速ω_c值）。再将此期望转速ω_g值引入到转速内环控制器的给定输入端，即可达到通过改变风力机转速的手段来抑制主轴振颤的目的。 

下面对本发明的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调智能抑制装置进行说明。 

参考图3和图4，垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制装置包括：两轴倾角传感器1和2，安装于旋转主轴3顶端的静止部件11上，用于获取旋转主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值αx和αy；转速传感器7，安装于风力发电机6的机身上，用于获取风力发电机6的当前转速ω_c；风速传感器10，安装于垂直轴风电机组的工作现场，用于获取现场风速；风力发电机6，与垂直轴风力机4旋转主轴3同轴安装，用于调节垂直轴风力机4的转速；电磁抱刹机构5，与垂直轴风力机4旋转主轴3同轴安装，用于阻止垂直轴风力机4的旋转； 

转速内环控制器8，用于控制风力发电机6的转速，根据外环控制器8给出的期望转速ω_g，以及转速传感器7检测得到的当前转速ω_c， 运用包括发电功率控制（通过调节发电机发出的电功率来控制其转速）、反向电动制动技术在内的转速闭环控制算法，使得风力发电机6的转速快速到达期望转速ω_g； 

机电协调外环控制器9，用于实时接收两轴倾角传感器1和2、风速传感器10、转速传感器7的信号，并由此，计算旋转主轴3的振动烈度、最大功率跟踪目标下的最优转速ω_op，判断旋转主轴3的振颤烈度相对于临界调控阈值和最大安全调控阈值的强弱程度，确定风力发电机的期望转速ω_g、反向电动制动指令、电磁抱刹指令、以及停机、复位信号； 

风力发电机6选用开关磁阻风力发电机。此实施例中，由于旋转主轴3和静止部件11的机械运动关系，开关磁阻风力发电机6为外转子型，即发电机6的外转子与旋转主轴3相连接同步旋转，内定子与静止部件11相连接静止不动； 

转速内环控制器8和机电协调外环控制器9还存储与控制相关的参数。 

预先设定的临界调控阈值K_t：代表旋转主轴振颤烈度强弱的一个量，当旋转主轴振颤烈度小于临界调控阈值K_t时，表示旋转主轴振颤微弱，处于良好的机械稳定工作状态，无需外界干预调控。 

预先设定的最大安全调控阈值K_s：代表旋转主轴振颤烈度强弱的一个量，K_s>K_t，当旋转主轴振颤烈度大于最大安全调控阈值K_s时，表示旋转主轴振颤剧烈，即将达到非常危险的机械不稳定工作状态，若不采用更强的直接快速降速手段调控，可能造成事故。 

Claims (6)

1.一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）实时获取旋转主轴的垂直倾角，所述垂直倾角包括主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值αx和αy；

（2）计算旋转主轴的振颤烈度K_v，所述振颤烈度定义为， 

（3）根据当前风速，计算风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速ω_op；

（4）根据旋转主轴振颤烈度，分析确定风力发电机的期望转速ω_g：

a）获取风力发电机的当前转速ω_c；

b）判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的临界调控阈值Kt，

若是，进入步骤d）；

若否，进入步骤c）；

c）将最优转速ω_op确定为风力发电机的期望转速ω_g；

d）比较当前转速ω_c与最优转速ω_op的大小，

若|ω_c-ω_op|>ε，则将最优转速ω_op确定为风力发电机的期望转速ω_g；

若|ω_c-ω_op |≤ε，则将风力发电机的期望转速ω_g设定为低于最优转速ω_op； 

式中，ε为正实数，是代表当前转速ω_c与最优转速ω_op差异的一个数值量；

（5）由转速内环控制器驱使风力发电机的转速快速达到期望转速ω_g；

（6）判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的最大安全调控阈值Ks以内，

若是，进入步骤（7）；

若否，返回步骤（1）；

（7）启动转速内环控制器的风力发电机反向电动制动功能，以及旋转主轴的电磁抱刹机构，使风力发电机的转速快速下降；

（8）发送故障停机信号，并等待复位重启指令。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法，其特征是：所述步骤10）中：通过旋转主轴顶端的静止部件上安装两轴倾角传感器获取垂直倾斜偏角值αx和αy。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法，其特征是：所述风力发电机为开关磁阻风力发电机。

4.根据权利要求3所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法，其特征是：步骤（5）中转速内环控制器的快速转速调节方式为直接切断部分相绕组励磁的发电机升速方法或放开电流斩波限的发电机降速方法。

5.一种权利要求1所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法的专用装置，其特征是：至少包括： 

两轴倾角传感器，安装于旋转主轴顶端的静止部件上，用于获取旋转主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值αx和αy；

转速传感器，安装于风力发电机的机身上，用于获取风力发电机的当前转速ω_c；

风速传感器，安装于垂直轴风电机组的工作现场，用于获取现场风速；

风力发电机，与垂直轴风力机旋转主轴同轴安装，用于机电能量转换和调节垂直轴风力机的转速；

电磁抱刹机构，与垂直轴风力机旋转主轴同轴安装，用于阻止垂直轴风力机的旋转；

转速内环控制器，用于控制风力发电机的转速，根据外环控制器给出的期望转速ω_g，以及转速传感器检测得到的当前转速ω_c，运用包括发电功率控制、反向电动制动技术在内的转速闭环控制算法，使得风力发电机的转速快速到达期望转速ω_g；

机电协调外环控制器，用于实时接收两轴倾角传感器、风速传感器、转速传感器信号，并由此，计算旋转主轴的振动烈度、最大功率跟踪目标下的最优转速ω_op，判断旋转主轴的振颤烈度相对于临界调控阈值和最大安全调控阈值的强弱程度，确定风力发电机的期望转速ω_g、反向电动制动指令、电磁抱刹指令、以及停机、复位信号。

6.根据权利要求5所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法的专用装置，其特征是：所述风力发电机为开关磁阻风力发电机。 

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