CN109751186A - 风力发电机的控制方法、及高功率风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机的控制方法及高功率风力发电机，控制方法包括：在额定风速以下时，采用转速控制器调节发电机转速，使发电机维持最佳转速；大于额定风速时，采用变桨距控制器，调节桨距角，使发电机维持最佳转速，从而实现最大风能跟踪，获得最大发电效率。

Description

风力发电机的控制方法、及高功率风力发电机

技术领域：

本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种风力发电机的控制方法、及高功率风力发电机。

背景技术：

风力发电作为一种低碳经济能源，近年来，在国内外得到了广泛的关注和发展。最大风能跟踪是风力发电的基本问题。在一定得风速下，存在一个最佳的发电机转速使得系统捕获的风能最大。但是，由于风速是随时变化的，导致风轮转数和发电机转数的变化，无法使发电机维持在最佳转数，获得最大发电效率。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种风力发电机的控制方法、及高功率风力发电机，使发电机维持在最佳转数，实现最大风能跟踪，获得最大发电效率。

本发明由如下技术方案实施：

第一方面，提供了一种风力发电机的控制方法，其特征在于，包括：在额定风速以下时，采用转速控制器调节发电机转速，使发电机维持最佳转速；大于额定风速时，采用变桨距控制器，调节桨距角，使发电机维持最佳转速。

在另一实施方式中，还包括，大于额定风速时，对桨叶进行统一变桨距。

在另一实施方式中，还包括，大于额定风速时，对桨叶进行独立变桨距。

在另一实施方式中，所述风力发电机包括：

一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴。

在另一实施方式中，当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；

当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。

第二方面，还提供了一种风力发电机，包括：

一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；

所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴。

在另一实施方式中，

当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；

当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明一实施例提供的风力发电机的结构示意图；

图2为本发明一实施例中叶轮转速合并机构的原理图。

具体实施方式：

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，所描述的实施例仅仅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。

风力发电机的控制方法，包括：在额定风速以下时，采用转速控制器调节发电机转速，使发电机维持最佳转速；大于额定风速时，采用变桨距控制器，调节桨距角，使发电机维持最佳转速。

本发明提供的风力发电机的控制方法，依据风速设计了两种发电机转速的控制方案，在额定风速以下时，采用转速控制器调节发电机转速，使发电机维持最佳转速；大于额定风速时，单独依靠转速控制器调节发电机转速难道较大，容易造成设备故障，因此，优先采用变桨距控制器，调节桨距角，使发电机维持最佳转速，从而实现最大风能跟踪，获得最大发电效率。

优选地，风力发电机的控制方法还包括，大于额定风速时，对桨叶进行统一变桨距。

统一变桨调节，控制方法简单，容易操作，但是风轮会因为高度的不同，即风切效应和塔影效应，会导致每个桨叶所受风速是不同的，统一变桨距控制没有考虑到这一点，它是根据已给定的叶尖速比和叶片最佳升阻比的攻角进行推算而得出的出桨距角，桨距角是同步变化的。

在风轮扫风平面内的风速因为塔影效应、风切效应影响会有不均的情况，为了解决这个问题，并且减少每一个叶片的气动载荷，确保输出的功率更加的稳定，由此提出了独立变桨距控制。

优选地，风力发电机的控制方法还包括，大于额定风速时，对桨叶进行独立变桨距。

进一步地，大于额定风速时，变桨方法如下，

S1：求得统一变桨的桨距角Δβ，

S2：分别获得每个桨叶当前位置的方位角θ_i，其中i＝1,2,3，为第i个桨叶，

S3：分别求得各个桨叶独立变化的桨距角Δβ_i，Δβ_i＝K_i×Δβ，其中

由于每一个桨叶受到的风速的不同，独立变桨距控制是对每一个桨距角进行单独控制，使风力发电机组的桨叶的升阻比始终保持最佳，使风电机组的输出功率提高并且可以稳定在额定功率附近，并可以很好的延长风电机组的使用寿命。

图1为本实施例提供的风力发电机的结构示意图；图2为本实施例中叶轮转速合并机构的原理图。附图标记如下：1一级叶轮、2二级叶轮、31第一输入轴、32第二输入轴、41第一输出轴、42第二输出轴、51太阳轮、52齿圈、53行星架、54行星轮、55驱动齿轮、6中间轴

为了进一步有效利用风能，提高发电功率，本实施例提供了下述风力发电机，包括：一级叶轮1、二级叶轮2和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴31、第二输入轴32、第一输出轴41和第二输出轴42，所述一级叶轮1与所述第一输入轴31驱动连接，所述二级叶轮2与所述第二输入轴32驱动连接，所述第一输出轴41通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴42通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接。

所述一级叶轮1与所述二级叶轮2同轴连接，所述一级叶轮1的叶片长度大于所述二级叶轮2的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮1位于所述二级叶轮2的前方。

工作时，气流先通过一级叶轮1，再通过二级叶轮2，二级叶轮2的直径小于一级叶轮1，因此，二级叶轮2工作所需的最低风速也小于一级叶轮1。为了增加机头工作时的稳定性，一级叶轮1与二级叶轮2的转动方向相反，从而抵消扭矩。

其中，叶轮转速合并机构能够将一级叶轮1和二级叶轮2的转速合并，从而获得更大的输出转速，驱动发电机工作，从而有效利用剩余风能，提高发电效率。

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮51、齿圈52和行星架53，所述行星架53上设有多个行星轮54，所述齿圈52设有内齿和外齿，所述行星轮54啮合在所述齿圈52的内齿和所述太阳轮51之间，所述第一输入轴31设有驱动齿轮55，所述驱动齿轮55与所述齿圈52的外齿啮合，所述第二输入轴32与所述太阳轮51的转轴连接，所述行星架53的转轴通过中间轴6与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴41，另一端形成所述第二输出轴42。

例如，太阳轮51的转速为n1，齿圈52的转速为n2，行星架53的转速为n3，齿圈52内齿和太阳轮51的齿数比值为a，n3＝(n1+a*n2)/(1+a)。从而实现转速和力矩的叠加。

本实施例中，一级叶轮的叶片长度75m，二级叶轮的叶片长度35m。在一个发电机工作的情况下，且当仅有一级叶轮工作时，风机的启动风速4m/s，额定风速15m/s，安全风速25m/s，额定功率3MW，当仅有二级叶轮工作时，风机的启动风速3m/s，额定风速10m/s，安全风速25m/s，额定功率1.5MW。

由于低风速工作中，第一叶轮工作中的能量损耗较大，且功率低，为了使该风力发电机能够适应较大范围的风速，有效利用风资源，上述风力发电机的控制中涉及两个阈值，第一阈值为6m/s，第二阈值为10m/s。

具体控制方法如下：获得风速，当风速小于第一阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1停止发电状态，二级叶轮2处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态。从而在低风速时启动风机进行发电，并减小风机发电过程中的内耗，提高发电效率。

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态。从而通过第一叶轮进行高功率发电，并通过第二叶轮有效利用剩余风能。在该模式下，风机的最大功率能够达到4MW。

当风速大于第二阈值时，一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。风速较大超过单台发电机所需的额定风速10m/s时，利用两台发电机同时发电，可达到最大发电功率为8MW，能够有效利用风能，提高发电功率，且不会增加叶轮的直径，避免叶片太长，增加制造、运输、和安装维护成本。

由于一级叶轮1的直径较大，当风力小于第一阈值时无法驱动一级叶轮1转动，因此调节一级叶轮1的桨叶，减小迎风面积，使气流经过一级叶轮1，直接驱动二级叶轮2转动，且为了减小启动风速，第二离合器处于分离状态，仅第一发电机工作。

当风力增大到第一阈值和第二阈值时，第一叶轮也开始转动，并通过第二叶轮有效利用剩余风能，第一叶轮和第二叶轮的转速经叶轮转速合并机构叠加后驱动第一发电机工作。

当风力继续增大到大于第二阈值后，由于叶轮的转速不能无限提升，但驱动力提高，将第二离合器啮合，同时驱动第一发电机和第二发电机发电，提高发电效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.风力发电机的控制方法，其特征在于，包括：在额定风速以下时，采用转速控制器调节发电机转速，使发电机维持最佳转速；大于额定风速时，采用变桨距控制器，调节桨距角，使发电机维持最佳转速。

2.根据权利要求1所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，还包括，大于额定风速时，对桨叶进行统一变桨距。

3.根据权利要求1所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，还包括，大于额定风速时，对桨叶进行独立变桨距。

4.根据权利要求1所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，所述风力发电机包括：

一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴。

5.根据权利要求4所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，

当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；

当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。

6.一种风力发电机，其特征在于，包括：

一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；

所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴。

7.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于：

当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；

当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。