CN106762442B - 倾角调节系统、调节方法和海上风力发电机组 - Google Patents

倾角调节系统、调节方法和海上风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种倾角调节系统、调节方法和海上风力发电机组，该系统包括：调节机构，所述调节机构设置在风力发电机组的塔筒上并利用自身的重量变化来调整施加于所述塔筒的力矩，以调节所述塔筒的倾斜度；控制器，所述控制器通过控制所述调节机构内部的储水量来改变所述调节机构的重量。根据本发明的海上风力发电机组倾角调节系统和调节方法，可调整海上风力发电机组的倾角(即，改变风力发电机组的扫风面积)，调整发电功率，降低风力发电机组的载荷，提高机组的使用寿命，并可使海上风力发电机组具有抗台风能力。

Description

倾角调节系统、调节方法和海上风力发电机组
技术领域
本发明属于风力发电领域，更具体地讲，涉及风力发电机组的倾角调节系统、调节方法和海上风力发电机组。
背景技术
随着风力发电技术的不断发展，风力发电机组已经出现在各个地区。
华北、西北、东北等地区风能资源丰富，发电总量多，然而，这些地区电能消耗较低，将电能远距离传输到能源消耗较高的地区需要极大的前期投入。
基于此，各风力发电机组厂商都将大量研发投入到难度更大的海上风力发电。海上及潮间带风电机所处的环境与陆地条件截然不同，在设计和建设海上风场过程中，不得不考虑诸如盐雾腐蚀、海浪载荷、海冰冲撞、台风破坏等恶劣自然条件的影响。
现有的近海海上风力发电机组多采用桁架或水泥结构作为基座建在海底，但随着离岸距离越远，用此种方法建立风力基座的成本将大幅增加。
陆上风机多采用变桨变速控制方法限制风机的发电功率，而海上天气多变且存在台风等恶劣天气，现有技术中的海上风力发电机组不具有抗台风能力，并且尚没有对海上风力发电机组的叶轮扫风面积进行调整以有效限制海上风力发电机组发电功率的调节系统和调节方法。
因此，需要一种能够有效地调节风力发电机组的发电功率、提高风力发电机组的承载能力、延长风力发电机组的使用寿命的调节系统、调节方法和海上风力发电机组。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能够改变风力发电机组倾角的倾角调节系统，该系统可包括：调节机构，所述调节机构设置在风力发电机组的塔筒上并利用自身的重量变化来调整施加于所述塔筒的力矩，以调节所述塔筒的倾斜度；控制器，所述控制器通过控制所述调节机构内部的储水量来改变所述调节机构的重量。
优选地，所述调节机构可包括对称布置在所述塔筒周围的多个储水器。
优选地，所述多个储水器可包括迎风侧储水器和背风侧储水器。
优选地，该系统还包括用于测量风速的测风仪或感测风力发电机组的叶轮转速的传感器，所述测风仪可设置在风力发电机组的机舱上，所述传感器可设置在所述机舱或所述塔筒内。
优选地，所述多个储水器可包括储水桶、用于抽出或排出储水器内部的水的水泵以及与所述水泵连接的水管。
优选地，该系统还可包括控制阀，所述控制阀设置在所述储水桶的底部，所述水泵及所述水管设置在所述储水桶的上部。
本发明的另一目的在于提供一种能够改变风力发电机组倾角的倾角调节方法，所述方法可利用如上所述的倾角调节系统，并且可包括：通过控制设置在塔筒上的调节机构内部的储水量来改变调节机构施加到塔筒的力矩，以调节塔筒的倾斜度。
优选地，该方法还可包括测量风速或感测风力发电机组的叶轮转速的步骤。
优选地，当测量的风速或感测到的叶轮转速大于或等于第一预定值时可减小调节机构在迎风侧施加到塔筒的力矩和/或增大调节机构在背风侧施加到塔筒的力矩。
优选地，当测量的风速或感测到的叶轮转速小于第二预定值时可增大调节机构在迎风侧施加到塔筒的力矩和/或减小调节机构在背风侧施加到塔筒的力矩。
优选地，当测量的风速或感测到的叶轮转速大于或等于第一预定值时可抽出所述迎风侧储水器内的水和/或向所述背风侧储水器供水。
优选地，当测量的风速或感测到的叶轮转速小于第二预定值时可向所述迎风侧储水器供水和/或抽出所述背风侧储水器内的水。
本发明的另一目的在于提供一种利用如上所述的倾角调节系统的海上风力发电机组。
根据本发明的风力发电机组倾角调节系统和调节方法，可调整海上风力发电机组的扫风面积、调整发电功率、提高风力发电机组的运行范围以及提高风力发电机组的使用寿命。
附图说明
通过结合附图对下面的实施例的描述，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
图1是根据本发明的实施例的风力发电机组的示意图；
图2是根据本发明的实施例的风力发电机组的调节机构的截面图；
图3a和图3b是示出根据本发明的实施例的风力发电机组倾角调节过程的示意图；
图4至图6是根据本发明的实施例的风力发电机组的倾角调节方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的实施例，在附图中相同的标号始终指示相同的部件。
图1是根据本发明的实施例的风力发电机组的示意图。
根据本发明的实施例的风力发电机组可包括：调节系统111、叶轮(包括叶片102和轮毂103)、机舱104、塔筒105、支撑环106等，其中，叶片102连接到轮毂103，轮毂103与机舱104连接，机舱104由塔筒105支撑，支撑环106缠绕在塔筒105上。缆绳可系在支撑环106上，使风力发电机组保持稳定。
如图1所示，天气正常的情况下，塔筒105与海平面保持一定的角度(整个风力发电机组后仰一定的角度)，机舱104的转轴与水平风向的夹角保持一定的角度。
当天气状况恶化(例如，台风)，风速较高或者叶轮转速较大时，可调节机舱104的转轴与水平风向之间的夹角(以下称为“倾角”)，来改变风力发电机组的扫风面积，从而改变风力发电机组的发电功率，降低风力发电机组的载荷并提高其使用寿命。
调节系统111可包括调节机构和控制单元，控制单元可通过控制调节机构内部的储水量来改变调节机构的重量，由此改变调节机构施加到塔筒105的力矩，以调节塔筒105的倾斜度，改变叶轮的扫风面积，从而调整风力发电机组的发电功率。
调节机构可设置在塔筒105上或设置在塔筒105周围。例如，调节机构可设置在支撑环106的上方。
控制单元可包括控制器，控制器可设置在塔筒105或机舱104内，并且控制器可通过集成电路实现。
当向调节机构供水或释放调节机构内的水时，调节机构的储水量发生变化，调节机构施加到塔筒105的力矩发生改变，因此塔筒105向一侧倾斜，例如，塔筒105可向迎风侧倾斜或向背风侧倾斜，使风力发电机组的扫风面积改变，从而改变风力发电机组的发电功率。
另外，本发明的实施例不限于基础式平台，本发明的实施例还可应用于单柱式平台、张力腿平台、驳船型平台和半潜式平台等。
下面将结合图2对根据本发明的实施例的风力发电机组倾角调节系统和调节机构进行详细的描述。
图2是根据本发明的实施例的风力发电机组的调节机构的截面图。
根据本发明的实施例，风力发电机组倾角调节系统111可包括调节机构101和控制单元。为了解释的方便，图2中示出调节机构101包括塔筒105等，但是根据本发明的调节机构101也可不包括塔筒105等。
调节机构101可预先存储预定量的水(例如，50％～60％)。如图2所示，调节机构101可以设置在塔筒105上或设置在塔筒105周围，并能够利用自身的重量变化来调整施加于塔筒105的力矩，以调节塔筒105的倾斜度，同时改变风力发电机组的扫风面积。
例如，调节机构101可包括对称布置在塔筒105周围的多个储水器201。可选地，各个储水器201可包括储水桶和用于抽出或排出储水桶内的水的水泵202和与水泵(202)连接的水管204。各个储水器201还可包括控制阀(未示出)，控制阀可设置在储水桶的底部，水泵202和水管204可设置在储水桶的上部。
多个储水器201可通过支撑架203设置(例如，固定)在塔筒105周围，也可通过其他的固定装置或直接设置在塔筒105周围。
支撑架203可具有矩形截面，因此有利于多个储水器201的对称设置，便于改变塔筒105的倾斜度或改变风力发电机组的扫风面积。
另外，多个储水器201可以以塔筒105为中心对称布置，对称地设置储水器201便于对风力发电机组的扫风面积或塔筒105的倾斜度进行调节。储水器201的数量可以为偶数，优选地，储水器201的数量为四个。
然而，本发明不限于此，储水器201的数量可以是任意数量。如图2所示，四个储水器201分别对称地设置在塔筒105的周围。具体地，四个储水器201分别对称设置在矩形支撑架203上。
多个储水器201可包括位于迎风侧的储水器和背风侧的储水器，还可以包括位于风向两侧的阻尼用的储水器(左、右两侧)，阻尼用储水器储水之后可以使整个风力发电机组的平稳性提高。因此，控制单元可调节迎风侧储水器和背风侧储水器内的储水量，改变迎风侧储水器在迎风侧施加到塔筒105的力矩和/或改变背风侧储水器在背风侧施加到塔筒105的力矩，改变塔筒105的倾斜度，由此改变风力发电机组的扫风面积。
可选地，根据本发明的实施例的海上风力发电机组的倾角调节系统还可包括测量风速的测风仪或感测风力发电机组的叶轮转速的传感器，测量风速的测风仪可设置在机舱104上，感测风力发电机组的叶轮转速的传感器可设置在机舱104或塔筒105内。
控制单元可在测量的风速或叶轮转速大于等于第一预定值时抽出迎风侧储水器内的水和/或向背风侧储水器供水。换言之，为进一步改变塔筒105的倾斜度，调节风力发电机组的倾角，在抽出迎风侧储水器内的水的同时，还可向背风侧储水器供水，以进一步减小扫风面积。
下面将结合图3a和图3b对根据本发明的实施例的风力发电机组的倾角调节过程进行具体的说明。
当天气状况良好时，机舱转轴方向与风向成预定角度(例如，机舱向后倾斜)，转轴方向与风向之间的夹角成一定的角度。
如图3a所示，为了便于解释本发明的技术方案，将转轴方向与风向之间的夹角成一定的角度视为约等于零。因此，可将塔筒105视为与海平面基本垂直。当海上天气发生变化时，控制单元通过控制调节机构101内部的储水量来改变调节机构101的重量，由此调整调节机构101施加于塔筒105的力矩，从而调节塔筒105的倾斜度，改变风力发电机组的叶轮倾角或扫风面积。
例如，如图3b所示，当海上天气恶化(例如，台风)，风速较大或者风力发电机组的叶轮的转速大于或等于第一预定值时，控制单元可减小调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩。
具体地，控制单元可抽出迎风侧储水器(即，如图2所示的位于迎风侧的储水器201)内的水。
为进一步调节海上风力发电机组的扫风面积，控制单元可在减小调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩的同时，增大调节机构101在背风侧施加到塔筒105的力矩，以进一步减小扫风面积。
具体地，控制单元可在抽出迎风侧储水器内的水的同时，还可进一步向背风侧储水器(即，如图2所示的位于背风侧的储水器201)供水。
此时，还可以通过向阻尼用储水桶内供水而增加整个风力发电机组的稳定性。
如图3b所示，机舱104的转轴方向与风向之间形成θ角(即，风力发电机组或塔筒105向后倾斜)，因此风力发电机组的扫风面积减小，风力发电机的发电功率降低。
类似地，当风速变小时，例如，当风速或风力发电机组的叶轮的转速小于第二预定值时，控制单元可增大调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩。
具体地，控制单元可向迎风侧储水器(即，如图2所示的位于迎风侧的储水器201)供水。
为进一步调节风力发电机组的扫风面积，控制单元可在增大调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩的同时，减小调节机构101在背风侧施加到塔筒105的力矩，以进一步增大扫风面积。
具体地，控制单元还可抽出背风侧储水器(即，如图2所示的位于背风侧的储水器201)内的水。
通过上述调节方式，可提高风力发电机组在恶劣天气(例如，台风)下的生存能力。
根据本发明的实施例，上述第一预定值可以等于第二预定值。
根据本发明的实施例，上述第一预定值可以大于第二预定值。当风速大于等于第二预定值并且小于第一预定值时，可以不调整风力发电机组的扫风面积，也可以根据发电功率的实际需求，对风力发电机组的扫风面积进行适应性调整。
下面，将结合图4至图6对根据本发明的实施例的风力发电机组的倾角调节方法进行说明。
如图4所示，根据本发明的实施例的风力发电机组的倾角调节方法可包括：步骤S501，通过控制设置在塔筒105上的调节机构101内部的储水量来改变调节机构101施加到塔筒105的力矩，以调节塔筒105的倾斜度。
如上所述，当调节机构101内部的储水量发生改变时，调节机构的重量改变，因此调节机构101施加到塔筒105的力矩发生改变，导致塔筒105的倾斜度改变，风力发电机组的扫风面积随之改变。
如图5所示，根据本发明的实施例的风力发电机组的倾角调节方法还可包括：步骤S601，测量风速或测量叶轮转速；步骤S602，根据测量的风速或叶轮转速调整调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩和/或调整调节机构101在背风侧施加到塔筒105的力矩。
如图6所示，根据本发明的实施例的风力发电机组的倾角调节方法可包括：步骤S701，测量风速或测量叶轮转速；步骤S702和/或步骤S703，当测量的风速或测量的叶轮转速小于第一预定值时，增大调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩和/或减小调节机构101在背风侧施加到塔筒105的力矩(即，S702)，当测量的风速或测量的叶轮转速大于等于第一预定值时，减小调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩和/或增大调节机构101在背风侧施加到塔筒105的力矩(即，S703)。
第一预定值可以等于第二预定值。在这种情况下，当测量的风速或测量的叶轮转速小于第二预定值时，增大调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩和/或减小调节机构101在背风侧施加到塔筒105的力矩。
第一预定值可以大于第二预定值。在这种情况下，当测量的风速或测量的叶轮转速小于第二预定值时，可增大调节机构101在迎风侧施加到塔筒105的力矩和/或减小调节机构101在背风侧施加到塔筒105的力矩，并且当测量的风速或测量的叶轮转速大于等于第二预定值而小于第一预定值时，可以根据所需的发电功率适应性地调整调节机构101在迎风侧和/或背风侧施加到塔筒105的力矩。
传统的风力发电机组在低于预定切入风速时停机，或者在高于预定切出风速时停机。
根据本发明的实施例，可提高风力发电机组的切出风速值并且降低风力发电机组的切入风速值。根据本发明的实施例的风力发电机组可具有更高的切出风速和/或更低的切入风速。换言之，第一预定值可以比上述预定切出风速的值大，第二预定值可以比上述预定切入风速的值小。因此，本发明的实施例可以使风力发电机组具有更宽的运行范围。
以上仅示出本发明的实施例的优选方式，本领域的技术人员可根据本发明的教导对本发明的实施例进行组合或做出显而意见的改变。
根据本发明的实施例的风力发电机组的倾角调节系统和调节方法，可调节风力发电机组的扫风面积，提高风力发电机组的运行范围，提高其使用寿命。
本发明的实施例不仅可应用于陆上风力发电机组，还可应用于其他类型的风力发电机组，例如海上风力发电机组。
根据本发明的实施例的海上风力发电机组可具有抗台风能力，具有更高的生存能力。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内容易想到的改变或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种风力发电机组的倾角调节系统，其特征在于，包括：
调节机构(101)，所述调节机构(101)设置在风力发电机组的塔筒(105)上并利用自身的重量变化来调整施加于所述塔筒(105)的力矩，以调节所述塔筒(105)的倾斜度；
控制器，所述控制器通过控制所述调节机构(101)内部的储水量来改变所述调节机构(101)的重量，
其中，所述控制器根据测量的风速或叶轮转速调整调节机构(101)在迎风侧施加到塔筒(105)的力矩和/或调整调节机构(101)在背风侧施加到塔筒(105)的力矩。
2.根据权利要求1所述的倾角调节系统，其特征在于，所述调节机构(101)包括对称布置在所述塔筒(105)周围的多个储水器(201)。
3.根据权利要求2所述的倾角调节系统，其特征在于，所述多个储水器(201)包括迎风侧储水器和背风侧储水器。
4.根据权利要求3所述的倾角调节系统，其特征在于，还包括设置在风力发电机组的机舱(104)上的测风仪或设置在所述机舱(104)或所述塔筒(105)内的叶轮转速传感器。
5.根据权利要求2至4任一项所述的倾角调节系统，其特征在于，所述多个储水器(201)包括储水桶、用于抽出或排出储水器内部的水的水泵(202)以及与所述水泵(202)连接的水管(204)。
6.根据权利要求5所述的倾角调节系统，其特征在于，还包括：控制阀，所述控制阀设置在所述储水桶的底部，所述水泵(202)及所述水管(204)设置在所述储水桶的上部。
7.一种风力发电机组的倾角调节方法，所述风力发电机组具有倾角调节系统，所述倾角调节系统包括设置在所述风力发电机组的塔筒(105)上的调节机构(101)，所述方法包括：
通过控制所述调节机构(101)内部的储水量来改变所述调节机构(101)施加到所述塔筒(105)的力矩，以调节所述塔筒(105)的倾斜度，
其中，根据测量的风速或叶轮转速调整调节机构(101)在迎风侧施加到塔筒(105)的力矩和/或调整调节机构(101)在背风侧施加到塔筒(105)的力矩。
8.根据权利要求7所述的倾角调节方法，其特征在于，当测量的风速或感测到的叶轮转速大于或等于第一预定值时减小调节机构(101)在迎风侧施加到塔筒(105)的力矩和/或增大调节机构(101)在背风侧施加到塔筒(105)的力矩。
9.根据权利要求7或8所述的倾角调节方法，其特征在于，当测量的风速或感测到的叶轮转速小于第二预定值时增大调节机构(101)在迎风侧施加到塔筒(105)的力矩和/或减小调节机构(101)在背风侧施加到塔筒(105)的力矩。
10.根据权利要求8所述的倾角调节方法，其特征在于，所述调节机构(101)包括对称布置的迎风侧储水器和背风侧储水器，当测量的风速或感测到的叶轮转速大于或等于第一预定值时抽出所述迎风侧储水器内的水和/或向所述背风侧储水器供水。
11.根据权利要求9所述的倾角调节方法，其特征在于，所述调节机构(101)包括对称布置的迎风侧储水器和背风侧储水器，当测量的风速或感测到的叶轮转速小于第二预定值时向所述迎风侧储水器供水和/或抽出所述背风侧储水器内的水。
12.一种海上风力发电机组，其特征在于，包括根据权利要求1至6任一项所述的倾角调节系统。
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