CN106762465B - 风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片、风力发电机组及方法，能够降低风力发电机组调速过程中的变桨频率。风力发电机组的叶片，包括中空腔体，中空腔体中设置有质块组件、驱动组件和传感器。质块组件和驱动组件，驱动组件用于驱动质块组件沿叶片长度方向移动；传感器，检测驱动组件中的至少部分元件的运动量或质块组件的位移量。本发明提供的叶片，可通过质块组件在叶片内移动改变叶轮的转动惯量，从而调节叶轮速度。

Description

风力发电机组

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种叶片、风力发电机组及方法。

背景技术

风力发电机组运行过程中，为了获取最佳的风能转换效率，叶轮叶片应在不同风速下具有不同桨距角，通过调整不同的桨距角，进而调整叶轮的转速，达到最优的发电模式。

风力发电机组的变桨系统可以调整叶片的桨距角，桨距角改变时气流作用在叶片上的驱动力发生变化，驱动力变化时叶轮所受的转矩也相应变化，从而实现叶轮转速调整。例如，当风速小于目标风速时可以启动变桨系统以调整叶片的桨距角，从而增大叶片所获得的驱动力，使得风力发电机组获得最为理想的启动力矩；风力发电机组运行过程中，当风速发生变化时，特别是风速超过额定风速后，需要通过变桨系统调整叶片的桨距角，控制叶轮的转速，维持风力发电机组稳定的发电功率。

但是，频繁的变桨动作会降低变桨系统或风力发电机组的寿命，使风力发电机组的可靠性降低。

在风力发电机组正常运行的时候，风速较小的时候，风力发电机组的塔筒或主轴因重力问题，收到顺时针的弯矩影响可能会有突然的大风或阵风，风力发电机组的塔筒或主轴因风阻产生的逆弯矩突然变大，长久时间就会对风力发电机组的塔筒或主轴巨大影响，目前没有特别好的方法解决。

当叶片由于质量问题或是风况问题导致叶轮整体质量不平衡的时候，需要进行调整，但是目前位置也没有什么好的解决办法。风力发电机组在偏航时，尤其是柔性塔架，产生共振，导致风力发电机组出现故障或是塔架无法增高，如何避免共振问题，主要是使叶片停机，但是这样会影响发电量。

发明内容

本发明实施例提供一种叶片、风力发电机组及方法，能够解决风力发电机组叶片调速过程中的变桨频率过高，叶轮对塔筒或主轴的弯矩过大，叶轮整体质量不平衡以及产生共振的问题。

第一方面，提供一种风力发电机组的叶片，包括中空腔体，腔体中设置有：

质块组件和驱动组件，驱动组件用于驱动质块组件沿叶片长度方向移动；

传感器，检测驱动组件中的至少部分元件的运动量或质块组件的位移量。

在第一种可能实现的方式中，传感器为电压传感器、电流传感器或位移传感器。

在第二种可能实现的方式中，腔体中沿叶片长度方向固定设置有导轨，驱动组件固定连接有质块组件，且驱动组件和质块组件能一起沿着导轨移动。

在第三种可能实现的方式中，还包括沿叶片长度方向设置于叶片腔体中的齿条或链轮，齿条或链路上设有质块组件；驱动组件为电机，电机驱动齿条或链轮带动质块组件移动。

在第四种可能实现的方式中，驱动组件包括电机、滑轮和牵引绳，电机连接有滑轮，滑轮上安装有牵引绳，牵引绳上设有质块组件。

在第五种可能实现的方式中，驱动组件为液压缸，液压缸的固定端固定安装在腔体上，液压缸的活动端连接有质块组件。

在第六种可能实现的方式中，腔体中还设有限位装置，限位装置用于限制质块组件的移动范围。

第二方面，提供一种风力发电机组，包括主控系统和叶轮，叶轮包括轮毂和叶片，轮毂上设有叶片，叶片为第一方面中的叶片，叶片和轮毂围绕转子旋转轴线转动。

第三方面，提供一种风力发电机组的叶轮转速调节方法，用于控制上述风力发电机组的叶轮转速，包括如下步骤：获取叶轮转速、叶轮所处位置处的风速及各个叶片内质块组件相对于叶轮中心的距离；比较获得的叶轮所处位置处的风速和风力发电机组的额定风速；当判定叶轮所处位置处的风速大于风力发电机组的额定风速时，向驱动组件发出控制指令以使各个质块组件向叶尖方向移动。

在第二种可能实现的方式中，当判定叶轮所处位置处的风速小于风力发电机组的额定风速时，向驱动组件发出控制指令以使各个质块组件向叶根方向移动。

第四方面，提供一种风力发电机组的弯矩控制方法，用于调整上述风力发电机组的塔筒或主轴因风阻产生的弯矩，包括如下步骤：获取叶轮所处位置处的风速及各个叶片内质块组件相对于叶轮中心的距离；比较获取的叶轮所处位置处的风速和风力发电机组的预定风速；当判定叶轮所处位置处的风速大于风力发电机组的第一预定风速时，调整各个质块组件整体的重心向下调整。

在第二种可能实现的方式中，当判定叶轮所处位置处的风速小于风力发电机组的第二预定风速时，调整各个质块组件整体的重心向上调整。

第五方面，提供一种风力发电机组的叶轮质量平衡的调整方法，用于调整上述风力发电机组的叶轮整体的质量平衡，并在每只叶片上设有振动检测仪，该方法包括如下步骤：获取各个叶片的振动检测仪的振动参考值及各个叶片内质块组件相对于叶轮中心的距离；比较获取的叶片振动参考值和风力发电机组的预定振动参考值；当判定某个叶片振动参考值大于风力发电机组的预定振动参考值时，调整该叶片内部的质块组件向该叶片的叶尖移动。

在第二种可能的实现方式中，当判定某个叶片振动参考值小于风力发电机组的预定振动参考值时，调整该叶片内部的质块组件向该叶片的叶根移动。

在第三种可能的实现方式中，振动参考值包括振动的位移、加速度和频率中的至少一个。

第六方面，提供一种风力发电机组固有频率的调整方法，用于调整上述风力发电机组偏航时避免与风力发电机组产生共振，偏航时，调整所有质块组件移动至叶根处。

本发明提供的叶片、风力发电机组及方法，通过可控地改变叶片中质心的位置调整叶轮转速，不需要改变叶片所受的风力，因此不依赖于变桨系统，从而可以减少变桨频率，延长变桨系统寿命。

本发明中通过改变叶片中质心的位置，还可以改变叶轮对塔筒或主轴的弯矩，防止弯矩过大。

本发明中通过改变叶片中质心的位置，还可以平衡叶轮的整体质量。

本发明中通过改变叶片中质心的位置，还可以避免偏航时产生共振。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明一个实施例的叶片的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的风力发电机组叶轮转速调节方法的示意图；

图3为根据本发明一个实施例提供的风力发电机组塔筒和主轴在风阻过大时的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

从能量守恒的角度理解，风力发电过程中即风力发电机组将风能转换为电能；另外，由于发电过程需要使叶轮保持转动状态，因此有部分风能转换为了叶轮的转动动能。因此，风力发电过程就是风能转换为电能和叶轮的转动动能的过程。风能大小可以由风速大小表征，在同样的风速和同样的发电功率下，叶轮所获得的转动动能是相同的。

对于具有同样质量和同样动能的叶轮，其质量分布越偏向叶片的叶尖其转速越小，因此，在同样的风速下调整叶轮在其径向的质量分布时会改变叶轮转速，将质量分布向叶尖部分转移则能降低叶轮转速，将质量分布向叶根部分转移则能提高转速。同样的原理，在风速增大时将叶轮的质量向叶尖的位置转移时可以使叶轮保持原速度，在风速降低时将叶轮的质量向叶根的位置转移时也可以使叶轮保持原速度。

根据以上原理，本发明提供了一种风力发电机组叶片，在机组的叶片内设置可沿叶片长度方向移动的质块组件，并根据外界风速来控制质块组件在叶片内距离叶轮轮毂中心线的位置，从而调节叶轮转速。当实时风速大于额定风速时，控制质块组件向叶尖方向移动。会将风速增大带来的额外风能转换为自身的动能，从而抑制叶轮转速增大，不会造成叶轮转速波动。同样的原理，叶片在同样的角速度下时，质块组件越靠近叶根其线速度越小，其动能也越小。因此，当实时风速小于额定风速时，质块组件向叶根方向移动会将自身的部分动能转移至整个叶轮，弥补风速降低减少的风能，从而防止叶轮减速，避免叶轮转速波动。

请参考图1，图1为根据本发明一个实施例的叶片的结构示意图，图2根据本发明一个实施例的叶片的质块组件和驱动组件的结构示意图。在本实施例中，叶片20能够使自身的质心沿其长度方向移动。

叶片20，包括中空腔体，腔体内部设置有质块组件21和驱动组件，该驱动组件用于驱动质块组件21沿叶片长度方向移动，还包括传感器，检测驱动组件中的至少部分元件的运动量或质块组件21的位移量。

传感器可以根据实际情况设置为电压传感器、电流传感器或位移传感器。

第一种质块组件和驱动组件的连接方式：腔体中沿叶片长度方向固定设置有导轨，驱动组件固定连接有质块组件21，且驱动组件和质块组件21能一起沿着导轨移动。导轨可以固定设置在叶片的腹板或是内壳体上。驱动组件可以为发电机，发电机带动质块组件21一起沿着导轨移动。传感器直接可以设置在质块组件上，限位装置设置在导轨上，限制质块组件的移动范围。

第二种质块组件和驱动组件的连接方式：还包括沿叶片长度方向设置于叶片腔体中的齿条或链轮，齿条或链轮上设有质块组件21；驱动组件为电机，电机驱动齿条或链轮带动质块组件21移动。传感器直接可以设置在质块组件上或是齿轮或链轮上，限位装置设置在齿轮或链轮上。

第三种质块组件和驱动组件的连接方式：所述驱动组件包括电机、滑轮和牵引绳，电机连接有滑轮，所述滑轮上安装有所述牵引绳，所述牵引绳上设有所述质块组件21。

第四种质块组件和驱动组件的连接方式：驱动组件为液压缸，液压缸的固定端固定安装在腔体上，液压缸的活动端连接有质块组件21。

每种质块组件和驱动组件的连接方式上都可以选择性地设置有限位装置。当然，实际情况，不止这些，还有很有可以实现的方式，但是只要能使驱动质块组件在叶片长度方向移动的都在我们的保护范围之内。

本发明还保护一种风力发电机组，包括主控系统和叶轮，叶轮包括轮毂和叶片，轮毂上设有叶片，叶片中设有质块组件21和驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述质块组件21沿所述叶片20长度方向移动。

本发明提供的风力发电机组，可以通过调整叶片中质块组件相对于轮毂中心的距离来改变叶轮的转动惯量，从而控制叶轮转速。或者，还可以使所有质块组件作为整体时的质心位于叶轮中心的上方，通过质心处离心力的作用减小叶轮重力对主轴的弯矩。

另外，叶轮本身可能会由于叶片加工或安装精度问题出现质心偏离旋转中心的情况，造成叶轮运转时发生震动。本发明提供的叶轮，各个叶片中设置有可移动的质块，通过适当的调整可以使叶轮的质量重新分布，使叶轮质心与旋转中心重合，实现叶轮的动平衡。

除此之外，质块越远离叶轮的旋转中心则叶轮的固有振动频率会越低，反之越高。因此，在风电机组停机偏航时，则可以调整质块在叶片内的位置，使质块组件均靠近叶片叶根处，增大叶轮机的振动频率，从而避免偏航机组发生共振。

请参考图2，下面结合图2的风力发电机组叶轮结构对本发明实施例提供的一种风力发电机组叶轮转速调节方法进行详细描述。

本发明实施例提供的一种风力发电机组叶轮转速调节方法，用于控制叶轮的转速，减少变桨频率，包括如下步骤：

获取所述叶轮转速、叶轮所处位置处的风速及各个叶片内所述质块组件相对于所述叶轮中心的距离；

比较获得的所述叶轮所处位置处的风速和所述风力发电机组的额定风速；

当判定所述叶轮所处位置处的风速大于所述风力发电机组的额定风速时，向所述驱动组件发出控制指令以使各个所述质块组件向叶尖方向移动。

当判定所述叶轮所处位置处的风速小于所述风力发电机组的额定风速时，向所述驱动组件发出控制指令以使各个所述质块组件向叶根方向移动。

由于质块组件21向叶片的叶尖方向移动时线速度变大，能将部分风能转化为自身动能，相当于将该部分风能存储在了整个叶轮中，所以可以在风速降低时再将质块组件向叶根方向移动，从而将其动能转换为整个叶轮的动能，提高了风能的利用率。

作为一个可选实施例，在步骤S13或S14中，在质块组件21分别沿叶片长度方向在叶片20、30和40的空腔内移动时，使质块组件21与叶轮轮毂10的中心线11具有相等的距离。此时，三者的运动轨迹为圆60的圆周，圆60的圆心与轮毂10的中心线11同心。应当理解，圆60为虚拟的圆，并不表示任何实体特征，其圆周用于表征质块组件21的运动轨迹，其半径表示三者与轮毂10的中心线11之间的距离。当质块组件21向叶片的叶尖方向移动时，圆60的直径是增大的；当质块组件21向叶片的叶根方向移动时，圆60的直径是减小的。

质块组50的质心51为质块组件21所构成的三角形的三条中线的交点，由于该三角形为等边三角形，因此质块组50的质心51与圆60的圆心61及叶轮中心线11重合，因此上述措施不会造成叶轮质心改变，避免了质心偏心造成的震动。

本发明实施例提供的风力发电机组叶轮转速调节方法不需要改变叶片的受力，因此不依赖于变桨系统，从而可以减少变桨频率，延长变桨系统寿命。

参考图3，图中可以看出在风速过大是塔筒会产生倾斜，主轴也会因为风阻产生过大的弯矩。

本发明实施例提供的风力发电机组弯矩调整方法，可以减轻上述风力发电机组的塔筒因风阻产生的倾斜以及主轴因风阻产生的弯矩。

本方法可抵消/减轻叶轮风阻对塔筒2和主轴的弯矩，包括如下步骤：

S21、获取叶轮所处位置处的风速及各个叶片内所述质块组件相对于所述叶轮中心的距离；

S22、比较获取的所述叶轮所处位置处的风速和所述风力发电机组的预定风速；

S23、当判定所述叶轮所处位置处的风速大于所述风力发电机组的第一预定风速时，调整各个所述质块组件整体的重心向下调整；

S24、当判定所述叶轮所处位置处风速小于所述风力发电机组的第二预定风速时，调整各个所述质块组件整体的重心向上调整。

弯矩的调整方法可以在叶轮转速调节方法之后调整或是同步调整。在步骤S21中，获取各个叶片中质块组件与叶轮中心的距离后，可结合叶片角度由几何关系计算得出其相对于叶轮中心的空间位置，并计算出所有质块组件作为一个整体时质心51的位置。在实际运行中，质心51相对于叶轮中心的方位可以根据各个叶片中质块组件与叶轮中心的距离及叶片方位角由控制系统实时计算出来，也可以将其所有可能的方位信息存储于控制系统中，再根据实时的质块组件与叶轮中心的距离、以及叶片方位角信息从控制系统中直接获取质心51的方位信息。

在步骤S22中，比较获取的叶轮所处位置处风速和风力发电机组的第一预定风速，如是否大于该风电机组的1.2倍的额定风速。

当判定叶轮所处位置处风速大于风力发电机组的第一预定风速时，在步骤S23中，根据各个叶片所处的方位角调整其内部质块组件与叶轮中心的距离，以使所有质块组件整体的质心51向上调整。

本发明实施例还提供了一种风力发电机组的叶轮质量平衡的调整方法，能够控制上述实施例中风力发电机组的叶轮整体的质量平衡，叶轮的每只叶片上设有振动检测仪。该方法包括如下步骤：

S31、获取各个所述叶片的振动检测仪的振动参考值及各个叶片内所述质块组件相对于所述叶轮中心的距离；

S32、比较获取的所述叶片振动参考值和所述风力发电机组的预定振动参考值；

S33、当判定某个所述叶片振动参考值大于所述风力发电机组的预定振动参考值时，调整该叶片内部的所述质块组件向该叶片的叶尖移动；

S34、当判定某个所述叶片振动参考值小于所述风力发电机组的预定振动参考值时，调整该叶片内部的所述质块组件向该叶片的叶根移动。

在步骤S31中，获取各个叶片的振动检测仪的振动参考值，以及通过叶片内的传感器获取各个叶片内质块组件相对于叶轮中心的距离。本实施例中，振动参考值为振动频率。

在步骤S32中，比较获取的叶片振动频率值和风力发电机组的预定振动参考值。该预定振动参考值应小于风力发电机组所能承受的最大振动值。

当判定某个叶片振动参考值大于风力发电机组的预定振动参考值时，在步骤S33中，调整该叶片内部的质块组件向该叶片的叶尖移动。如果该振动频率高于参考值，说明该叶片质量重心偏于叶根处，应当使质块组件向叶尖移动以使质量分布趋于均匀。

当判定某个叶片振动参考值小于风力发电机组的预定振动参考值时，在步骤S34中，调整该叶片内部的质块组件向该叶片的叶根移动。如果该振动频率低于参考值，说明该叶片质量重心偏于叶尖处，应当使质块组件向叶根移动以使质量分布趋于均匀。

叶轮质量平衡的调整方法可以在叶轮转速调节方法之后调整或是同步调整。

上述方法可以消除叶片因制造或安装误差造成的质量分布不均，减轻叶片的振动。

在一些可选实施例中，振动参考值还可以为振动的位移；在另一些可选实施例中，振动参考值还可以为加速度。振动参考值包括振动的位移、加速度和频率中的至少一个。

本发明实施例还提供了一种风力发电机组固有频率的调整方法，用于控制上述实施例中的风力发电机组偏航时避免与风力发电机组产生共振，具体为，当风力发电机组进行偏航时，调整所有质块组件移动至叶片的叶根处。进行偏航操作时，偏航产生的振动频率应避开整机固有频率，以免机舱和叶轮发生共振。偏航中将质块组件全部移动至叶根处，可以使叶轮整体的质量向叶轮中心集中分布，从而提高整机固有频率，防止整机固有频率接近偏航振动频率，避免共振。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种风力发电机组，包括主控系统和叶轮，所述叶轮包括轮毂和叶片(20)，所述轮毂上设有叶片(20)，所述叶片(20)和所述轮毂围绕转子旋转轴线转动，其特征在于，所述叶片(20)包括中空腔体，所述腔体中设置有：质块组件(21)和驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述质块组件(21)沿所述叶片(20)长度方向移动；传感器，检测所述驱动组件中的至少部分元件的运动量或所述质块组件(21)的位移量；

所述主控系统：

根据方案一控制所述叶轮，所述方案一包括：获取所述叶轮转速、叶轮所处位置处的风速及各个叶片内所述质块组件相对于所述叶轮中心的距离；比较获得的所述叶轮所处位置处的风速和所述风力发电机组的额定风速；当判定所述叶轮所处位置处的风速大于所述风力发电机组的额定风速时，向所述驱动组件发出控制指令以使各个所述质块组件向叶尖方向移动；或者，

根据方案二控制所述叶轮，所述方案二包括：获取叶轮所处位置处的风速及各个叶片内所述质块组件相对于所述叶轮中心的距离；比较获取的所述叶轮所处位置处的风速和所述风力发电机组的预定风速；当判定所述叶轮所处位置处风速大于所述风力发电机组的第一预定风速时，调整各个所述质块组件整体的重心向下调整。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述叶片上设有振动检测仪；

所述主控系统根据方案三控制所述叶轮，所述方案三包括：获取各个所述叶片的振动检测仪的振动参考值及各个叶片内所述质块组件相对于所述叶轮中心的距离；比较获取的所述叶片振动参考值和所述风力发电机组的预定振动参考值；当判定某个所述叶片振动参考值大于所述风力发电机组的预定振动参考值时，调整该叶片内部的所述质块组件向该叶片的叶尖移动。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述传感器为电压传感器、电流传感器或位移传感器。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述腔体中沿叶片长度方向固定设置有导轨，所述驱动组件固定连接有所述质块组件(21)，且所述驱动组件和所述质块组件(21)能一起沿着所述导轨移动。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，还包括沿所述叶片长度方向设置于所述叶片腔体中的齿条或链轮，所述齿条或链轮上设有所述质块组件(21)；所述驱动组件为电机，所述电机驱动所述齿条或所述链轮带动所述质块组件(21)移动。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述驱动组件包括电机、滑轮和牵引绳，所述电机连接有滑轮，所述滑轮上安装有所述牵引绳，所述牵引绳上设有所述质块组件。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述驱动组件为液压缸，所述液压缸的固定端固定安装在所述腔体上，所述液压缸的活动端连接有所述质块组件(21)。

8.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述腔体中还设有限位装置，所述限位装置用于限制所述质块组件(21)的移动范围。

9.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述方案一还包括：当判定所述叶轮所处位置处的风速小于所述风力发电机组的额定风速时，向所述驱动组件发出控制指令以使各个所述质块组件向叶根方向移动。

10.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述方案二还包括：当判定所述叶轮所处位置处风速小于所述风力发电机组的第二预定风速时，调整各个所述质块组件整体的重心向上调整。

11.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于，所述方案三还包括：当判定某个所述叶片振动参考值小于所述风力发电机组的预定振动参考值时，调整该叶片内部的所述质块组件向该叶片的叶根移动。

12.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于，所述叶片振动参考值和所述风力发电机组的预定振动参考值均包括振动的位移、加速度和频率中的至少一个。