CN108035844B - 一种中高空风能发电系统的控制方法 - Google Patents

一种中高空风能发电系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中高空风能发电系统的控制方法，中高空风能发电系统包括若干中高空风能转换装置，且控制上行的所述中高空风能转换装置的数量大于或等于下行的所述中高空风能转换装置的数量。与现有技术比较，本发明提供了一种中高空风能发电系统的控制方法，该控制方法操作简单，能够保证了整个发电系统一直保持一定数量的上行中高空风能转换装置，在尽量增加系统发电量的同时能够实现发电系统稳定发电。另外，本发明可根据需要很灵活地调节系统的发电量，灵活度和可控制性非常高。

Description

一种中高空风能发电系统的控制方法
技术领域
本发明涉及高空风能发电领域，具体涉及一种中高空风能发电系统的控制方法。
背景技术
风能是一种清洁的可再生能源，而高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。高空风及高空风能的特点是：风速大、平均能量密度高、地域分布广、稳定性高、常年不断。如何将高空风能充分能利用起来为人类所用是科学研究工作者一直关注的热点话题，高空风能的诸多优势也使其越来越受到世界各国的重视。
高空风能的利用是在高空中采集风能，将风能转化为机械能，最后将机械能转换为电能或其它形式的能量。现有利用高空风能进行发电的方式主要有两种：一种是将发电机悬置于高空中；另一种是将发电机设置在地面。发电机悬置于高空的发电系统，由于受制于空中系统的重量和体积不能过大等问题导致空中部分不能实现很好的控制和实现大的发电量；而将发电机设置于地面则能地解决上述问题。
目前，将发电机设置于地面的发电系统多采用的是中高空风能发电装置。现有的中高空风能发电装置包括高空风筝型发电装置和伞型风力装置。地面发电机组设置多台与发电机连接的动力卷扬机，动力卷扬机连接有高空风筝型发电装置或伞型风力装置，由高空风筝型发电装置或伞型风力装置拖动地面上的卷扬机做功发电。但是由于高空风筝型发电装置或伞型风力装置需要不断地上行和下行循环往复运动，因此对于单个高空风筝型发电装置或伞型风力装置来说，其发电过程是间歇式的，因此也称之为间歇式的中高空风能发电装置。为了使地面发电系统持续发电，现有技术是通过设置两组或偶数组与发电机串联设置的卷扬机——通过控制其中一组上行做功，另一组下行收回，但是该方案灵活度不高，对于发电设备的利用率低，难以大幅提高地面发电系统的发电量。
发明内容
为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种灵活度高、发电量大且对设备利用率高的中高空风能发电系统的控制方法。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种中高空风能发电系统的控制方法，所述中高空风能发电系统包括若干中高空风能转换装置，且控制上行的所述中高空风能转换装置的数量大于或等于下行的所述中高空风能转换装置的数量。
本发明提供了一种非常灵活的中高空风能发电系统的控制方法，可通过控制一定量的中高空风能转换装置上行，另一部分下行，即可实现地面发电系统持续发电，获得稳定的发电量。本发明所提供的方法可以实现只有一个中高空风能转换装置下行收回，而其余的中高空风能转换装置都上行做功发电，如此能够实现系统的发电量最大。
为确保风能转换系统能正常运作，本发明需要保证至少有一个中高空风能转换装置在下行收回。
作为本发明的一种优选方案，各所述中高空风能转换装置的上下行运动是不同步的。
进一步地，上行的所述中高空风能转换装置的运动速度小于或等于下行的所述中高空风能转换装置的运动速度。
进一步地，上行的所述中高空风能转换装置数量为n 上，且以相同的上行速度v 上匀速上行；下行的所述中高空风能转换装置n 下，且以相同的下行速度匀速下行，下行速度为v 下；且
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，k为系数。
由于所述中高空风能转换装置的上行和下行过程当中，由上行转为下行所用的时间与由下行转为上行所用的时间不同，因此设置系数k。例如，对于伞形风力装置，由于高空伞开伞过程和关伞过程是不相同的，因此其开伞时间和关伞时间也可能会不同，因此需增加系数k对公式进行调整。其中，系数k根据具体中高空风能转换装置来确定。
进一步地，初始状态：所有中高空风能转换装置都处于收回状态；所述中高空风能转换装置的总行程为H，所述中高空风能转换装置从最低位置上行至最大高度所需的时间t上=H/v 上；
具体为：自第一个中高空风能转换装置开始上行开始计时，每隔t 上/n 上的时间间隔，下一个中高空风能转换装置开始上行；当所述中高空风能转换装置达到上行最大高度H后开始下行。
为便于实现对整个系统的控制，本方案中，各个中高空风能转换装置的上行速度或下行速度相同，且各个中高空风能转换装置的运动（上行或下行）是不同步的，初始时，各个中高空风能转换装置在不同时段上行，如此循环，可保证发电系统中一直有一定数量的中高空风能转换装置在上行做功，同时能够更大程度地提高发电系统的发电量。
作为本发明的另一种优选方案，至少一个所述中高空风能转换装置组成一个中高空风能转换装置组，所述中高空风能转换装置组的数量为N，控制n组中高空风能转换装置组上行做功发电，其余的中高空风能转换装置组下行收回；各所述中高空风能转换装置组的上下行运动是不同步的。
本方案将中高空风能转换装置分组控制，当发电系统所包含的中高空风能转换装置数量较大时，能够大大减小控制的复杂程度，降低控制成本。
为了进一步便于实现对发电系统的自动控制，本发明通过将中高空风能转换装置分成多个组，各个组的中高空风能转换装置的数量可以相同也可以不同，只要能够保证发电在过程中上行的数量大于或等于下行数量即可。
进一步地，各组中高空风能转换装置组包括相同数量的中高空风能转换装置，且n ≥0.5N。
进一步地，上行的所述中高空风能转换装置组的运动速度小于或等于下行的所述中高空风能转换装置组的运动速度。
进一步地，上行的所述中高空风能转换装置组以相同的上行速度匀速上行，上行速度为V 上；下行的所述中高空风能转换装置组以相同的下行速度匀速下行，下行速度为V 下；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，K为系数。其中，系数K也是根据具体中高空风能转换装置来确定。
进一步地，初始状态：N组中高空风能转换装置组都处于收回状态；所述中高空风能转换装置组的总行程为H，所述中高空风能转换装置组从最低位置上行至最大高度所需的时间T 上 =H/V 上；
具体为：自第一组中高空风能转换装置组开始上行开始计时，每隔T 上/n的时间间隔，其中一组中高空风能转换装置组开始上行；当所述中高空风能转换装置组达到上行最大高度H后开始下行。
与现有技术比较，本发明提供了一种中高空风能发电系统的控制方法，该控制方法操作简单，能够保证了整个发电系统一直保持一定数量的上行中高空风能转换装置，在尽量增加系统发电量的同时能够实现发电系统持续发电。另外，本发明可根据需要很灵活地调节系统的发电量，灵活度和可控制性非常高。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步详细地说明。
实施例1
本实施例提供了一种中高空风能发电系统的控制方法，包括M个中高空风能转换装置，其中，预设m个中高空风能转换装置上行做功，剩余的中高空风能转换装置下行收回，其中0.5M＜m＜M。
实际上本实施例中上行的风能转换装置和下行的风能转换装置的数量是不限的，只要上下行的数量都不为零即可。但在实际应用中，最好是上行数量大于下行数量，如此能够更大程度地提高发电系统的设备利用率，在原配置下得到更大的发电量。
在实际控制中，由于匀速运动更便于控制，因此，作为本实施例的一个优选方案，所有上行的中高空风能转换装置都以相同的上行速度v 上匀速上行，所有下行的中高空风能转换装置都以相同的下行速度v 下匀速下行；且
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，k为系数。
本实施例所提供的控制方法具体如下：
设定初始状态为所有中高空风能转换装置都处于收回状态；中高空风能转换装置上行至最大高度所需的时间t 上。
自第一个中高空风能转换装置开始上行开始计时，每隔t 上/m的时间间隔，下一个中高空风能转换装置开始上行；当所述中高空风能转换装置达到上行最大高度后开始下行。
假设发电系统共包括8个伞型风力装置，预设需要保证6个上行，2个下行，初始状态是所有伞型风力装置都处于收回状态。
则具体控制方案为：第一伞型风力装置以速度v 上匀速上行做功，其他待命；当第一伞型风力装置上行至总行程的1/6时，第二伞型风力装置开始以速度v 上匀速上行；当第二伞型风力装置上行至总行程的1/6时，第三伞型风力装置开始以速度v 上匀速上行；如此一直到第六伞形风力装置行至总行程的1/6时，此时第一伞型风力装置已到达最大上行高度，则第一伞型风力装置开始以速度v 下匀速下行，且v 下=3v 上；当第二伞型风力装置上行至最大上行高度时，第一伞型风力装置下行至总行程的一半；当第三伞型风力装置上行至最大上行高度时，第一伞型风力装置完全收回（即下行至最低处）；当第三伞型风力装置开始下行时，第一伞型风力装置则以速度v 上匀速上行做功，如此循环下去。
实施例2
本实施例提供了一种中高空风能发电系统的控制方法，包括N组中高空风能转换装置组，其中每个中高空风能转换装置组至少包括一个中高空风能转换装置。控制其中n组中高空风能转换装置组上行做功发电，其余的中高空风能转换装置组下行收回。
本实施例中，各组中高空风能转换装置组中的中高空风能转换装置的数量可以相同也可以不同，只要每个时刻上行的中高空风能转换装置的数量大于或等于下行数量即可。
在实际控制中，由于匀速运动更便于控制，因此，作为本实施例的一个优选方案，上行的中高空风能转换装置组以相同的上行速度匀速上行，上行速度为V 上；下行的中高空风能转换装置组以相同的下行速度匀速下行，下行速度为V 下；且，K为系数。
本实施例所提供的控制方法具体如下：
初始状态：N组中高空风能转换装置组都处于收回状态；所述中高空风能转换装置组的总行程为H，所述中高空风能转换装置组从最低位置上行至最大高度所需的时间T 上 =H/V 上；
具体为：自第一组中高空风能转换装置组开始上行开始计时，每隔T 上/n的时间间隔，其中一组中高空风能转换装置组开始上行；当所述中高空风能转换装置组达到上行最大高度H后开始下行。
具体示例为：假设发电系统共5组中高空风能转换装置组，每组包含2个中高空风能转换装置，可预设保证在发电过程中3组上行，2组下行初始状态是所有伞型风力装置都处于收回状态。
则具体控制方案为：第一伞型风力装置组以速度V 上匀速上行做功，其他待命；当第一伞型风力装置组上行至总行程的1/3时，第二伞型风力装置组开始以速度V 上匀速上行；当第二伞型风力装置组上行至总行程的1/3时，第三伞型风力装置组开始以速度V 上匀速上行；如此一直到第四伞形风力装置组上行至总行程的1/3时，此时第一伞型风力装置组已到达最大上行高度，则第一伞型风力装置组开始以速度V 下匀速下行，且V 下=1.5V 上；当第二伞型风力装置组上行至最大上行高度时，第一伞型组风力装置下行至H/2处，而第二伞型风力装置组开始以速度V 下匀速下行；当第三伞型风力装置组上行至最大上行高度时，第一伞型组风力装置完全收回；而当第三伞型风力装置组开始下行时，第一伞型风力装置组则以速度V 上匀速上行做功，如此循环下去。
另外一种情况，假设发电系统一共4组中高空风能转换装置组，各组所包括的中高空风能转换装置的数量分别为1个、2个、3个和2个，可以预设3组上行，1组下行，初始状态是所有伞型风力装置都处于收回状态。
则具体控制方案为：第一伞型风力装置组以速度V 上匀速上行做功，其他待命；当第一伞型风力装置组上行至总行程的1/3时，第二伞型风力装置组开始以速度V 上匀速上行；当第二伞型风力装置组上行至总行程的1/3时，第三伞型风力装置组开始以速度V 上匀速上行；当第三伞形风力装置组上行至总行程的1/3时，此时第一伞型风力装置组已到达最大上行高度，则第一伞型风力装置组开始以速度V 下匀速下行，且V 下=3V 上；当第二伞型风力装置组上行至最大上行高度时，第一伞型组风力装置已完全收回，则第一伞型风力装置组再以速度V 上匀速上行做功，如此循环下去。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种中高空风能发电系统的控制方法，其特征在于，中高空风能发电系统包括若干中高空风能转换装置，且控制上行的所述中高空风能转换装置的数量大于或等于下行的所述中高空风能转换装置的数量；
各所述中高空风能转换装置的上下行运动是不同步的；
上行的所述中高空风能转换装置的运动速度小于或等于下行的所述中高空风能转换装置的运动速度；
上行的所述中高空风能转换装置数量为n上，且以相同的上行速度匀速上行；下行的所述中高空风能转换装置n下，且以相同的下行速度匀速下行，下行速度为v下；
Figure FDA0002420167220000011
k为系数。
2.根据权利要求1所述的中高空风能发电系统的控制方法，其特征在于，初始状态：所有间歇式的中高空风能转换装置都处于收回状态；所述中高空风能转换装置的总行程为H，所述中高空风能转换装置从最低位置上行至最大高度所需的时间t上＝H/v上；
具体为：自第一个中高空风能转换装置开始上行开始计时，每隔t上/n上的时间间隔，下一个中高空风能转换装置开始上行；当所述中高空风能转换装置达到上行最大高度后开始下行。
3.根据权利要求1所述的中高空风能发电系统的控制方法，其特征在于，至少一个所述中高空风能转换装置组成一个中高空风能转换装置组，所述中高空风能转换装置组的数量为N，控制n组中高空风能转换装置组上行做功发电，其余的中高空风能转换装置组下行收回；各所述中高空风能转换装置组的上下行运动是不同步的。
4.根据权利要求3所述的中高空风能发电系统的控制方法，其特征在于，各组中高空风能转换装置组包括相同数量的中高空风能转换装置，且n≥0.5N。
5.根据权利要求3或4所述的中高空风能发电系统的控制方法，其特征在于，上行的所述中高空风能转换装置组的运动速度小于或等于下行的所述中高空风能转换装置组的运动速度。
6.根据权利要求5所述的中高空风能发电系统的控制方法，其特征在于，上行的所述中高空风能转换装置组以相同的上行速度匀速上行，上行速度为V上；下行的所述中高空风能转换装置组以相同的下行速度匀速下行，下行速度为V下；
Figure FDA0002420167220000012
K为系数。
7.根据权利要求6所述的中高空风能发电系统的控制方法，其特征在于，
初始状态：N组中高空风能转换装置组都处于收回状态；所述中高空风能转换装置组的总行程为H，所述中高空风能转换装置组从最低位置上行至最大高度所需的时间T上＝H/V上；具体为：自第一组中高空风能转换装置组开始上行开始计时，每隔T上/n的时间间隔，其中一组中高空风能转换装置组开始上行；当所述中高空风能转换装置组达到上行最大高度后开始下行。
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