CN108050014A - 一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法：步骤1、监测风力机功率P；步骤2、当发电机功率增大时，判断发电机功率是否达到额定功率，若发电机功率还未达到额定功率，则进入步骤3；步骤3、逐渐提高发电机转速，追寻最佳叶尖速比λopt并记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。当发电机功率减小时，判断初始发电机功率是不是额定功率，若初始发电机功率不是额定功率，则，逐渐降低发电机转速，追寻最佳叶尖速比λopt并记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。降低风力机制造成本，提高风能利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法。
背景技术
风力机是将风能转化为机械能再转化为电能的装置，主要由叶片、轮毂、传动系统、机舱、塔筒、偏航系统、变桨变速系统、风向标以及风速仪等组成，其中，风向标和风速仪分别用来监测风向和风速值，其工作性能直接影响风力机的风能转化效率。而风速仪一般安装在机舱尾部，工作时会受到叶轮气流干扰，降低风速值监测精度，针对该问题，部分风电场采用激光测风仪测量叶轮前方风速，测量精度较高，但是成本非常高，与风力发电产业亟需降低度电成本的需求相违背。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，不仅降低了风力机制造成本，还使风力机具有了对风速变化的感知能力，最终提高风能利用效率，可进行大范围的推广和普及引用。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，包括如下步骤：
步骤1、监测风力机功率P，其中：
风力机功率式中，Cp为风力机风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮扫风面积，V为入流风速；
步骤2、当发电机功率增大时，判断发电机功率是否达到额定功率，若发电机功率还未达到额定功率，则进入步骤3；
步骤3、逐渐提高发电机转速，追寻最佳叶尖速比λopt并记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。
优选，当发电机功率减小时，判断初始发电机功率是不是额定功率，若初始发电机功率不是额定功率，则，逐渐降低发电机转速，追寻最佳叶尖速比λopt并记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。
优选，步骤2中，若发电机功率已达到额定功率，则保持风力机在额定转速下运行，当发电机功率进一步增大时，启动变桨控制系统，调节叶片桨距角，维持风力机输出额定功率。
优选，步骤3中，若在逐渐提高发电机转速过程中，发电机功率达到额定功率，则保持风力机在额定转速下运行，当发电机功率进一步增大时，启动变桨控制系统，调节叶片桨距角，维持风力机输出额定功率。
优选，当发电机功率减小时，若初始发电机功率是额定功率，则，先通过变桨控制系统维持风力机输出额定功率，若功率仍进一步下降，则启动变速系统逐渐降低发电机转速。
优选，在启动变速系统逐渐降低发电机转速的过程中，若发电机功率出现回升趋势，则重置桨距角为初始状态，并关闭变桨控制系统，继续降低发电机转速，记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。
本发明的有益效果是：
本发明通过监测风力机发电机的功率变化，判断并追踪风速变化，使风力机具有对风速变化的感知能力，从而避免使用风速仪，使其在低于额定风速的情况下能实现风能的最大利用，在高于额定风速的情况下能维持输出功率的稳定，保证风力机按照设计功率曲线运行，降低了风力机制造成本，提高了风力机风能利用效率。
附图说明
图1是本发明无风速仪的水平轴风力机的结构示意图；
图2是风速变化时的风力机功率曲线变化示意图；
图3是风能利用系数和叶尖速比的关系示意图；
附图的标记含义如下：
1：风轮；2：发电机；3：变压器；4：电网。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明控制方法的风电机组工作原理如图1所示，整套装置由风轮1、控制系统、发电机2、电力电子部分、变速控制部分、变桨、偏航控制部分、传动系统、转速测量仪、功率测量仪、风向标、变压器3以及电网4构成，无需设置风速仪。则一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，包括如下步骤：
步骤1、监测风力机功率P，其中：
风力机功率式中，Cp为风力机风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮扫风面积，V为入流风速，风速变化时的风力机功率曲线变化示意图如图2所示。
当风速增大或减小时，在未启动变速控制时，根据叶尖速比表达式其中ω为风轮转速，r为风轮半径，V为入流风速，叶尖速比λ会相应减小或增大，风轮会偏离最佳叶尖速比，根据风能利用系数和尖速比的关系曲线，比如图3所示，风力机风能利用系数Cp会下降，当低于额定风速时，发电机功率不能输出最大值，根据风力机功率表达式可知，风力机功率P会增大或减小，但不能取得相应风速下的最大值。
步骤2、当发电机功率增大时，判断发电机功率是否达到额定功率，若发电机功率还未达到额定功率，则进入步骤3。若发电机功率已达到额定功率，则不再继续提高发电机转速，保持风力机在额定转速下运行，当发电机功率进一步增大时，启动变桨控制系统，调节叶片桨距角，维持风力机输出额定功率。
步骤3、逐渐提高发电机转速，追寻最佳叶尖速比λopt并记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，实时监测发电机功率，将发电机调节至该转速下工作。
步骤3中，若在逐渐提高发电机转速过程中，发电机功率达到额定功率，则不再继续提高发电机转速，保持风力机在额定转速下运行，当发电机功率进一步增大时，启动变桨控制系统，调节叶片桨距角，维持风力机输出额定功率。
优选，当发电机功率减小时，判断初始发电机功率是不是额定功率，若初始发电机功率不是额定功率，则，逐渐降低发电机转速，追寻最佳叶尖速比λopt并记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，实时监测发电机功率，将发电机调节至该转速下工作。
优选，当发电机功率减小时，若初始发电机功率是额定功率，则，先通过变桨控制系统维持风力机输出额定功率，若功率仍进一步下降，无法保持额定功率，则启动变速系统逐渐降低发电机转速。
优选，在启动变速系统逐渐降低发电机转速的过程中，若发电机功率出现回升趋势，则表明风力机在逼近最佳尖速比，重置桨距角为初始状态，并关闭变桨控制系统，继续降低发电机转速，实时监测发电机功率，记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。
下面结合具体实施例进行描述，如图2所示，起初风力机在O点工作，对应风速为V0，风轮转速ω0，风力机在最佳叶尖速比下运行，输出相应风速下的最大设计功率。
当风速从V0增大为V1时，风力机在A1点工作，此时风轮转速仍为ω0，根据尖速比表达式在风轮转速和半径不变而风速增加的情况下，尖速比λ必定下降，如附图3所示，此时风力机不在最佳尖速比λopt下运行，风能利用系数达不到Cpmax，根据风力机功率表达式风力机输出功率会增大为P3，但不能达到对应风速下的设计最大功率为P4，此时启动变速控制系统，增大发电机转速，因风力机为定传动比，因此风轮转速也会按比例增加，实时监测发电机功率，直至达到设计最大功率P4，并重置当前对应风速为V0。
当风速从V0下降为V2时，风力机在A2点工作，此时风轮转速仍为ω0，根据尖速比表达式在风轮转速和半径不变而风速下降的情况下，尖速比λ必定增大，如附图3所示，此时风力机不在最佳尖速比λopt下运行，风能利用系数达不到Cpmax，根据风力机功率表达式风力机输出功率会减小为P1，不能达到对应风速下的设计最大功率为P2，此时启动变速控制系统，减小发电机转速，风轮转速也会按比例减小，实时监测发电机功率，直至达到设计最大功率P2，并重置当前对应风速为V0。
若在前述调控过程中，发电机功率达到额定功率，则保持风力机在额定转速下运行，当功率进一步增大时，启动变桨控制系统，调节叶片桨距角，维持风力机输出额定功率。
若初始发电机功率为额定功率，当发电机功率减小时，先通过变桨控制系统维持风力机输出额定功率，若功率仍进一步下降，无法保持额定功率，则启动变速系统，慢慢降低发电机转速，若发电机功率出现回升趋势，表明风力机在逼近最佳叶尖速比，则重置桨距角为初始状态，并关闭变桨系统，继续降低发电机转速，实时监测发电机功率，记录最大功率值所对应转速，将发电机调节至该转速下工作。
本发明可简化风力机设计，无需配套风速仪，能够使风力机在不同风况下达到设计功率，不仅能节省风力机生产制造成本，而且克服了传统风速仪受叶轮气流干扰导致测风不准的问题。本发明通过监测风力机发电机的功率变化，判断并追踪风速变化，使风力机具有对风速变化的感知能力，从而避免使用风速仪，使其在低于额定风速的情况下能实现风能的最大利用，在高于额定风速的情况下能维持输出功率的稳定，保证风力机按照设计功率曲线运行，降低了风力机制造成本，提高了风力机风能利用效率。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、监测风力机功率P，其中：
风力机功率式中，Cp为风力机风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮扫风面积，V为入流风速；
步骤2、当发电机功率增大时，判断发电机功率是否达到额定功率，若发电机功率还未达到额定功率，则进入步骤3；
步骤3、逐渐提高发电机转速，追寻最佳叶尖速比λopt并记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。
2.根据权利要求1所述的一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，其特征在于，当发电机功率减小时，判断初始发电机功率是不是额定功率，若初始发电机功率不是额定功率，则，逐渐降低发电机转速，追寻最佳叶尖速比λopt并记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。
3.根据权利要求1所述的一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，其特征在于，步骤2中，若发电机功率已达到额定功率，则保持风力机在额定转速下运行，当发电机功率进一步增大时，启动变桨控制系统，调节叶片桨距角，维持风力机输出额定功率。
4.根据权利要求1所述的一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，其特征在于，步骤3中，若在逐渐提高发电机转速过程中，发电机功率达到额定功率，则保持风力机在额定转速下运行，当发电机功率进一步增大时，启动变桨控制系统，调节叶片桨距角，维持风力机输出额定功率。
5.根据权利要求2所述的一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，其特征在于，当发电机功率减小时，若初始发电机功率是额定功率，则，先通过变桨控制系统维持风力机输出额定功率，若功率仍进一步下降，则启动变速系统逐渐降低发电机转速。
6.根据权利要求5所述的一种无风速仪的水平轴风力机变速控制方法，其特征在于，在启动变速系统逐渐降低发电机转速的过程中，若发电机功率出现回升趋势，则重置桨距角为初始状态，并关闭变桨控制系统，继续降低发电机转速，记录发电机转速调节过程中最大功率值所对应的发电机转速，将发电机调节至该转速下工作。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180518 |