CN108590963A - 一种垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于马格纳斯效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略。风力机由环形轨道、轨道小车、圆柱转子叶片、发电车轮及相应的配套设施组成。风场中，圆柱转子叶片受可变频控制的电动机驱动旋转，其上产生的马格纳斯效应生成垂直于圆柱转子的升力和与相对风速反向的阻力；转子叶片须在环形轨道上、下风口的两结合点各改变一次转动方向方能使其升力驱动轨道小车沿轨道连续运动；叶片升力与转子转速成正比，但存在升力极限；升力对驱动风力机的效益与叶片方位角有余弦函数关系。据此，对转子叶片提出变速驱动控制策略，采用余弦变频函数延长转子加速区间，减低转子换向驱动的能量消耗，克服叶片自身能耗过大的缺陷。

Description

一种垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略
技术领域
本发明涉及一种垂直轴风力机领域，尤其涉及一种依靠马格纳斯(Magnus)效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机，其圆柱转子叶片的变速驱动控制策略。
背景技术
在风力发电技术的发展历史上，出现过一种基于马格纳斯(Magnus)效应的垂直轴升力型风力机(图1所示)，其产生升力的动力叶片是装载在轨道小车上的旋转圆柱(转子叶片)。小车被安放在环形轨道上，当来风吹向圆柱时，旋转圆柱上产生马格纳斯效应，即在圆柱的一侧，风流动的方向与圆柱面的运动方向相同，另一侧则相反，诱发的绕旋转圆柱的环流将产生垂直于风流动方向的升力(以下简称马格纳斯力或升力，方向指向上述风力与圆柱面运动方向相同一侧)，和与来流方向相反的阻力。马格纳斯力驱动车辆在环形轨道上持续运行，车轮连接发电机发电。
该技术方案是美国工程师Julius D.Madaras 1933年构想，并建造了大型实验方案，其中的旋转圆柱被称为马达拉斯(Madaras)转子(以下简称圆柱叶片、转子或转子叶片)。
该风力发电装置并没有取得大规模发电的效果，原因在于其机械的复杂性：首先圆柱叶片需要靠外界输入能量(电动机带动)形成圆柱转子转动才能产生马格纳斯力；为了驱动小车在环形轨道上连续同向圆周运动，垂直于地面的(垂直轴)圆柱转子必须在每一个上风口轨道圆弧与下风口轨道圆弧的结合点改变一次旋转方向，以使其上产生的升力相应换向；要获得有利的空气动力特性，圆柱转子需要有足够大旋转速度，而圆柱转子的转动惯量较大，换向时，圆柱转子需要反向启动，要配置足够大的驱动电动机和变速器以及自动换向机构协同工作，因此其机械结构复杂庞大且机械效率低，转子达到预定转速需要消耗的能量也较大。在当时的技术条件下，改变圆柱转子的转速和转向只能借助复杂的机械系统实现，机械损失过大。同样由于换向困难以及其它配套技术的影响，转子转速的提高受到很大限制，其转子的空气动力特性得不到充分发挥，致使该种风力机的运行效率不如发展迅速的水平轴风力机高，最终被放弃研究。
水平轴风力机技术逐渐成熟，日益向大型化方向发展的同时，也暴露出了不少自身很难克服的固有技术瓶颈，如建造和运营成本难以大幅下降，上网电价在无政府补贴的情况下没有竞争优势等，垂直轴风力机重新受到研究人员的重视。
随后的相关研究发现，流场中旋转圆柱上产生的马格纳斯力不仅取决于转子的转速，还与流场中的风速有关。在外界风速变化后，转子所能产生的最大马格纳斯力所对应的转子转速也发生变化，只要转子转速达到现场风速下能够获得其马格纳斯力最大值后，不必在任何风速情况下都使转子运行在最高转速；
转子上产生的马格纳斯力和转子风阻的反作用力的合力，驱动小车在环形轨道上运行，转子在环形轨道上的方位不同，上述合力对环形轨道中心产生的转矩就不同，也就是说马格纳斯力对驱动环形轨道上车辆的效益是随着车辆在轨道上的实际位置变化而变化的，而在马格纳斯力驱动效益比较低的区域，让转子产生出最大的马格纳斯力意义不大。
可以利用上述这项技术特点，随着驱动效益的提高合理安排转子的加速区间和加速曲线，以达到转子驱动能量消耗、风力机机械能获取的最佳匹配，在提高风能利用率的同时，降低对转子驱动部位的机械系统复杂性要求。
总之，随着现代科技的不断进步，以上所述圆柱转子叶片风力机方案中出现的技术问题已可以通过新的技术手段和方法予以解决，本发明就是利用现代先进的电机变频控制技术，优化转子驱动控制的方法，提高此类风力机的风能利用效率，克服导致其试验失败的技术缺陷，促使马格纳斯效应垂直轴轮轨式风力机变成实用技术。
研究表明，马格纳斯效应的旋转圆柱叶片可以获得比其它翼型更大的升力，且制造成本低廉，经过改进的马格纳斯效应垂直轴风力机有着良好的应用前景。
发明内容
技术问题：针对马格纳斯效应垂直轴风力机工作时必须完成圆柱转子的驱动问题，以及圆柱转子载体沿环形轨道圆周运动(公转)一周内转子需要两次改变转动(自转)方向的过程中能量消耗过大的问题，本发明提供了一种该类风力机圆柱转子的驱动控制策略。
该方法在定量分析圆柱转子最大马格纳斯效应力和风力机有效驱动力关系的基础上，采用连续控制转子电动机驱动频率的方法，把转子在运行中所处方位和转子的期望转速联系起来，使驱动电动机在确保转子叶片的转速取得足够好的马格纳斯有效驱动力的前提下，以变频控制的方法尽可能延长加速时间。
本方法可以有效减低对圆柱叶片驱动电机输出扭矩(功率)的要求，有效降低叶片加速过程中驱动能量的消耗，提高风力机的风能利用效率。
技术方案：本发明技术方案的实施需涉及到马格纳斯效应垂直轴风力机。结合上述技术背景中的说明，进一步对马格纳斯效应垂直轴风力机与本发明技术方案协同工作后的工作过程叙述如下：基于马格纳斯效应的风力机上安装的圆柱状叶片在风场中绕其轴线旋转，马格纳斯效应在叶片圆周方向上产生压差，驱动图1所示的轮轨式垂直轴风力机沿轨道圆周运行。
圆柱转子叶片驱动其载体小车沿环形轨道连续移动，对风力机轨道中心形成公转。
以风力机旋转中心为原点设立俯视风力机的平面坐标系xOy，建立风力机驱动的简化几何数学模型如图2所示。
图2中R为环形轨道半径；W为圆柱叶片中心点沿环形轨道公转的角速度；r为圆柱叶片半径；ω为圆柱转子自传的角速度；U为风场的来流风速；θ为圆柱叶片以x轴正向为起点做圆周运动后叶片的方位角；V为圆柱中心点的相对风速；α为圆柱叶片中心公转的线速度(反向)WR与V的夹角。
在图2所示的来流风向及圆柱叶片旋转方向的前提下，所产生的马格纳斯效应力将推动圆柱叶片及小车沿环形轨道逆时针转动。叶片在风力机中所处的位置可以用方位角θ表示。
忽略叶片的诱导速度和叶片运动前后气流的干扰，叶片的公转线速度WR和来流风速U合成为圆柱叶片中心的相对风速V。
旋转叶片受到的马格纳斯升力FL可以由库塔——儒可夫斯基定理(Kutta-Joukowski)求出：
FL＝ρΓV＝2πρωr2V------(1)
式中，ρ为空气的密度(kg/m3)。上式表明在空气密度ρ、转子叶片半径r及相对风速V一定的理想情况下，转子叶片上产生的升力与其自传角速度ω成正比。
进一步的研究指出，随着圆柱的旋转，其表面环量速度从零开始增加，当环量速度增加到两倍风速时，旋转圆柱叶片的升力系数达到最大值4π，若叶片转速进一步增大，其升力系数和升力不再继续升高。
综上所述，在圆柱叶片半径和空气密度一定时，转子叶片上的马格纳斯力取决于来流风速和转子的转速；在风速一定的情况下，马格纳斯效应随着转子转速的提高而加强；当转速提高到一定程度后，在转子上产生的马格纳斯效应力达到最大值，且这种效应力不再随着转子转速的提高而增加。
实际中，由于粘性的影响，叶片所受绕流阻力不为零，且尚不能通过理论计算确定，需要借助于实验测定，但对于该类旋转半径较大的轮轨式风力机，圆柱叶片所受阻力对风力机旋转的阻碍作用被弱化，原因如下：在图1所示的轮轨式垂直轴风力机方案中，由于风速一般远大于圆柱叶片的公转线速度，而圆柱叶片上所受阻力总是与相对风速方向相反，图2中叶片逆时针运行在y轴上部时，其受到的阻力对风力机的旋转做负功；但叶片处于y轴下部时其受到的阻力则对风力机的旋转做正功。
所以，圆柱叶片上所受的阻力在其公转一周过程中对风力机旋转的实际阻碍作用部分抵消，马格纳斯效应转子叶片特有的升阻比低的技术缺陷，在大型轮轨式垂直轴风力机的应用场合被有效“掩饰”。
叶片的升力显然是驱动风力机工作的主要动力，分析过程暂不考虑阻力的影响。
由图2所示，圆柱转子上产生的马格纳斯效应力FL可以分解为沿圆转子公转切线方向力FT和径向力FR。其中只有FT形成风力机的有效驱动力；FR指向风力机转动中心，不能形成有效转矩，实际作用在环形轨道侧面上，该力在风力机运行过程中不做功。
由式(1)及图2，转子叶片公转过程中马格纳斯效应的有效驱动力可归纳为：
FT＝ρΓVcos(π/2-α)——(2)
图2所示，设圆柱叶片在预定参数下自转，从x正半轴开始沿环形轨道逆时针移动，其瞬时位置可用方位角θ表示，与α角的关系归纳为：
图2所示，圆柱叶片处于第一和第二象限时，α为锐角；第三和第四象限时α为钝角。圆柱叶片的线速度WR对合成的相对风速V的影响周期性波动。
把式(3)代入式(2)，得马格纳斯有效驱动力与方位角之间的关系：
运用软件对上式(4)图形化处理，得到图3所示FT与θ在叶片的一个运转周期(0，2π)内的关系曲线。
图3所示，圆柱叶片在方位角为0和时，其所产生的马格纳斯效应转换为风力机的有效驱动力为其最大值。
随着叶片由0°方位角开始绕风力机旋转中心公转运行，在圆柱叶片马格纳斯效应变化很小(一般情况下WR＝U，α角度变化引起的相对速度V的变化不大，对马格纳斯效应影响也较小)的情况下，有效驱动力随方位角的增加按近似余弦规律减小，并在运行通过方位角时，有效驱动力FT趋近于零，并由正变负，继续按余弦近似规律在时由负变正。
由此看出，为了使圆柱叶片上的马格纳斯力推动风力机沿着预定方向持续转动，圆柱叶片需要在每通过和的周期点时改变一次自转的旋转方向(如图2所示)；
当圆柱叶片在接近和时，其马格纳斯力对风力机的驱动作用迅速减少，此时即使圆柱叶片获得了理想的气动性能，产生了足够的马格纳斯效应，但在圆柱叶片上产生的升力偏向风力机转动中心，其主要分力将通过承载圆柱叶片小车的车轮，水平作用在轨道上(只增大车轮与轨道侧面的压力及小车倾覆力矩)；分解到轨道切线方向的有效驱动力的数值减小，驱动效益逐渐变差。
由此可以得出：
(1)须把叶片方位角为和时设置为圆柱叶片自转的换向点，圆柱叶片每个周期经过上述两点后都必须改变驱动方向，以使驱动风力机的力矩持续为正；
(2)在每个换向点前后一段区域，马格纳斯效应对有效驱动力的贡献微弱，圆柱叶片在这一区域不必为产生足够的马个纳斯效应而全速旋转。这一特征可以被利用做如下两项工作：
工作1：利用叶片接近换向点前的一段区域对圆柱叶片的转动能量进行回收。为了获得足够的驱动力，大型轮轨式垂直轴风力机的圆柱叶片的尺寸和转动惯量较大，在靠近换向点时，圆柱叶片的高转速逐渐失去了效益，可以利用专门的能量回收机构把圆柱转子的转动能量转换成圆柱叶片以外的能量储存(一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置及其使用方法，专利申请号：201610121903.4)，圆柱叶片则在接近换向点前逐渐失去动能后停转；当叶片运行通过上述换向点后，能量回收机构把回收的能量反向输入给圆柱转子，使其获得初始的反向启动动能。
工作2：圆柱转子叶片通过换向点后，不必急于把转子叶片加速到可以获得最大马格纳斯效应的最高转速，可以通过延长加速时间，适当降低转子加速度；转子加速度的降低导致其所需驱动扭矩降低，可以把圆柱转子的转轴与电动机直联(或通过速比不大的简单传动机构联接)，简化转子驱动的机械结构，并对电动机转速采用变频驱动控制方式。
综上所述，风力机运行中，当某一圆柱转子的方位角满足上述换向点后，转子驱动电动机获得反方向驱动指令，并按预定的变频加速曲线对圆柱转子加速。
由于圆柱叶片的马格纳斯效应力通过方位角的近似余弦函数影响风力机的有效驱动力，因此驱动叶片的电动机可以获得较充裕的加速时间而不对风力机的有效驱动造成大的影响。
获得的有益之处是：可以减小转子叶片驱动系统机械的复杂性，降低对驱动电动机容量及换向过程的电能消耗，克服该种类型风力机由于自身运行中耗能过多，导致其风能转换率低的缺点。
有益效果：如前所述，圆柱叶片上马格纳斯效应对风力机驱动的效益随着圆柱叶片所处方位角按照近似余弦规律变化，在换向点后一段区域给圆柱叶片施加较大的驱动频率，使其快速达到最佳马格纳斯效应对应的高转速没有实际意义。因此，充分利用此段对马格纳斯效应的不敏感区域，选择合适的电机变频驱动曲线，就可以使圆柱叶片换向后获得一个较低但合理的加速度参数，显著降低对驱动电动机输出扭矩(电机额定功率)的要求，可有效减少圆柱叶片换向过程中的能量消耗。上述技术特征称之为转子叶片的变速驱动控制策略。
附图说明
图1为马格纳斯效应垂直轴轮轨式风力机运行示意图；
图2为马格纳斯效应垂直轴轮轨式风力机圆柱叶片转子的简化几何数学模型。
图3为单个圆柱转子叶片运行中所处方位角与其有效驱动力的关系曲线
图4为全过程获得最大马格纳斯效应为目标的圆柱转子理想转速时与采用余弦规律变频转子转速时其有效驱动力随方位角变化的关系曲线。
图中：1-圆柱转子叶片，2-轨道小车，3-发电车轮，4-环形轨道。
具体实施方式
本发明实施例中提供了一种垂直轴风力机转子叶片的变速驱动控制策略。
在图1所示马格纳斯效应垂直轴轮轨式风力机上，把驱动转子叶片的原动机改变为可变频驱动的同步电动机(或可变频驱动的异步电动机，但需把其瞬时实际转速理解为等于本发明的变频驱动频率)，电动机的输出轴与转子叶片轴直联(或通过传动比为i的减速机减速后联接)。
设定风力机工作参数如下：圆柱转子叶片半径r＝0.5m，圆柱叶片高度h＝4m，环形轨道半径R＝5m，风力机正常运行时圆柱叶片公转角速度W＝(π/30)rad/s；并假定此时风场空气密度ρ＝1.29kg/m3，风速U＝8m/s。
进一步假设圆柱叶片的自转转速全程均达到了可获得最大马格纳斯效应力的状态，即把Γ＝4πrV代入式(4)，可得出单个叶片每一个动态瞬时可以贡献给风力机的最大驱动力为：
当θ＝0±2π时，将上述对风力机预设的工作参数代入上式，可得FTmax＝521.1N。
对上式进行计算和图形化处理，并在叶片经过方位角和改变自转方向，得到如图4中实线所示FT与θ在叶片的一个运转周期(0，2π)内的关系曲线。图中纵坐标代表有效驱动力FT，横坐标代表圆柱转子中心公转时的方位角θ。
在转子的实际换向过程中，转子由0加速到最高转速需要一定的时间，若把圆柱叶片在一个较短的换向区间内加速到可获得最大马格纳斯效应的最高转速(如普通电动机+减速器的驱动方式)，会使电动机和换向机构消耗大量的能量。
显然，为转子叶片设置的升速区间越短，转子需要的角加速度越大，所需输入扭矩(功率)也越大，驱动电机的容量及所消耗的能量就会越大，反之就越小。
从图4看出，在换向点前后一段区间内，圆柱转子获得高转速从而获得最大马格纳斯力对驱动风力机的实际驱动效益不高。
从图2所示，圆柱叶片可能的最大换向区间是换向点后的区间，即叶片最迟应该在FT达到最大值时，获得最大马格纳斯效应的转速，才能有效保证风力机风能利用率。
如前所述，圆柱叶片获得最大马格纳斯效应的转速为：且当WR＝U时V≈U，则转子的最高同步运行频率可设定为：
在风力机的整个运行过程中，圆柱叶片实际同步频率f可以设定为叶片所处方位角的余弦函数，即：
上述的马格纳斯效应垂直轴风力机圆柱叶片转速的变速驱动方法称为：转子叶片余弦变频驱动控制方法。
转子叶片采用此方法变速驱动后，风力机可获得的驱动效益为：
FT＝ρΓVcos(π/2-α)cosθ
图4所示为圆柱叶片采用上述余弦变频驱动控制方法获得同步转速时对风力机的有效驱动力，和其全程为理想最高转速所获得最大马格纳斯效应时对风力机的有效驱动力的效益比较。
图4中实线所示为圆柱叶片在换向点实施换向且换向区间为零时，风力机所能获得的最大马格纳斯效应时有效驱动力曲线，虚线为叶片按余弦规律计算变频曲线，加速驱动转子获得的风力机有效驱动力变化曲线。
虽然转子叶片按余弦变速驱动比转子理想最高转速时，在大部分运行区间其有效驱动力(纵坐标)会有所降低，但在实际运行中，换向区为零是不可能实现的，因此，余弦驱动控制的实际损失率应小于图4所示部分，而余弦变速驱动所对应的最大加速区间为圆柱叶片驱动时能耗的降低提供了较大的空间。
实施上述转子叶片余弦变频驱动控制的更加具体的做法是：利用风力传感器采集风场的实时风速U；位置传感器确定某圆柱叶片相对于起点的运行方位角θ；控制器按转子叶片余弦变频驱动控制方法计算出控制频率并对转子实施变频控制。
当同步电动机直联驱动圆柱叶片转轴时，把上述余弦变频控制信号直接输出给同步电动机控制系统；当同步电动机通过传动比为i的减速机驱动圆柱叶片转轴时，上述余弦变频控制信号与减速器传动比i相乘后作为同步电机的变频驱动频率；若圆柱转子采用异步电动机驱动还需要上述余弦变频控制信号与电动机的转差率的倒数相乘作为其变频驱动信号。
以上对本发明所提供的一种马格纳斯效应垂直轴风力机圆柱转子叶片转速的变速驱动策略进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于马格纳斯效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略，风力机由环形轨道、轨道小车、圆柱转子叶片、发电车轮及相应的配套设施组成，圆柱转子叶片受可变频控制的电动机驱动旋转，风场中，其上产生的马格纳斯效应生成垂直于圆柱转子的升力带动轨道小车沿轨道移动，车轮带动发电机发电；转子叶片须在环形轨道上、下风口的两结合点各改变一次转动方向，使其升力相应改变方向，驱动轨道小车沿轨道连续运动；叶片升力与转子转速成正比，但存在升力极限；升力对驱动风力机的效益与叶片方位角有余弦函数关系；据此，对转子叶片提出变速驱动控制策略，采用余弦变频函数延长转子加速区间，减低转子换向驱动的能量消耗。
2.根据权利要求1所述的一种基于马格纳斯效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略，其特征在于所述圆柱转子叶片驱动电动机可以是同步电机也可以是异步电机，配套的电动机控制器按预定的变频控制函数向电动机发出变频控制信号，电动机则按变频控制信号指示的转速和转向带动圆柱转子叶片旋转。
3.根据权利要求1所述的一种基于马格纳斯效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略，其特征在于在风速一定的情况下，当转子的转速使其圆柱叶片表面线速度等于风速2倍值附近时，叶片上产生的升力达到其升力极限，即转子叶片上获得最大升力时的转速随风场风速变化而变化，采用根据风场实时风速改变转子叶片最大转速的方法，可以减少转子叶片驱动的能量消耗。
4.根据权利要求1所述的一种基于马格纳斯效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略，其特征在于风力机圆柱叶片的升力对驱动风力机的效益与叶片方位角有余弦函数关系：对转子叶片提出变速驱动控制策略，采用余弦变频函数全程驱动控制转子叶片转速，延长转子加速区间，减低转子换向驱动的能量消耗，克服叶片自身能耗过大的缺陷。
5.根据权利要求1所述的一种基于马格纳斯效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略，也可以采用其它如直线、抛物线、双曲线等作为变频函数，同样以延长转子加速区间的方式减低转子换向能量消耗的目的，也在本权利要求保护之内。
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