CN109989878B - 电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿装置及方法，该不平衡补偿装置包括控制模块、导轨模块和滑动质量模块；控制模块包括：用于接收叶轮不平衡状况信息的信号接收模块、用于计算补偿所需的滑动质量模块的滑动方向及距离的处理模块以及用于控制输入导轨模块中的电流状态的输出模块；导轨模块包括：用于形成产生安培力所需磁场的永磁导轨模块、用于为滑动质量模块供电以在其上产生安培力的通电导轨模块以及固定底板；滑动质量模块包括：质量块基体、用于在通电后产生安培力以带动滑动质量模块滑动的驱动模块以及刹车模块。该装置及方法可以快速、有效地补偿叶轮不平衡状态，减小不平衡状况对风机结构及发电功率的不良影响。

Description

电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机叶轮异常状况补偿技术领域，具体涉及一种电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿装置及方法。

背景技术

叶轮作为风力发电机俘获风能最为重要的组成结构，其直接暴露在复杂的风况条件下，极易被风切变、塔影效应以及湍流等风况的不平衡因素所影响，从而加剧发电功率的波动与损失。与此同时，现代风机大型化的趋势导致风机叶片的几何尺寸和质量不断增大，叶轮在复杂条件下也更容易发生结构运行异常状况，如由于叶片重心偏移导致的叶轮质量不平衡和独立变桨故障引起的叶轮气动力不平衡等情况。这种叶轮结构的不平衡不仅加剧了发电功率的波动和损失，还会加重传动系统的疲劳载荷，增加发生机械故障的风险，严重缩短风机的使用寿命。无论是叶轮遭遇风况不平衡还是自身结构不平衡，如果能在探查到发生不平衡状况时快速进行补偿以恢复平衡状态，削弱甚至消除不平衡状况造成的影响，对于提高风机发电质量、维持健康运行以及延长使用寿命等都具有重大意义。

目前，风机叶轮在受到不平衡风速载荷时，大多通过独立变桨技术以调整各叶片气动力的方式进行平衡补偿。但这种方式会极大增加变桨系统的负担，尤其是当过风速（风速大于额定功率）等阶段需通过复杂的变桨策略来保持额定功率时，往往会忽略这种补偿以简化变桨机构运行。对由于叶片内部填充材料分布不均或表面覆冰等引起的叶轮质量不平衡，主要通过调整机头轮毂处的动平衡质量块来进行平衡补偿。但由于轮毂处距离叶轮中心点较近，需要较大质量的质量块来补偿，因此这种方式会显著增加叶轮的整体质量，从而在一定程度上降低风机的风能利用系数。此外，目前对于变桨误差或故障引起的叶片气动力不平衡状况，还没有切实可行的技术方法进行补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿装置及方法，该装置及方法可以快速、有效地补偿叶轮不平衡状态，减小不平衡状况对风机结构及发电功率的不良影响。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿装置，包括控制模块以及安装固定于风力发电机叶片内部的导轨模块和滑动质量模块；

所述控制模块包括：

信号接收模块，与风力发电机监测及控制系统连接，以接收叶轮不平衡状况信息；

处理模块，用于根据接收到的叶轮不平衡状况信息，计算补偿所需的滑动质量模块的滑动方向及距离，并换算为所需安培力的大小及方向；以及

输出模块，用于控制输入所述导轨模块中的电流大小及方向；

所述导轨模块包括：

永磁导轨模块，用于约束所述滑动质量模块的滑动方向，并形成在其上产生安培力所需的磁场；

通电导轨模块，用于约束所述滑动质量模块的滑动方向，并为其供电，以在其上产生安培力；以及

固定底板，用于安装永磁导轨模块和通电导轨模块，并将导轨模块整体固定于风力发动机叶片上；

所述滑动质量模块设于所述导轨模块形成的滑动空间内，包括：

质量块基体，用于提供不平衡补偿所需的质量；

驱动模块，与所述通电导轨模块导电接触，以在通电后产生安培力，带动整个滑动质量模块滑动；以及

刹车模块，用于在滑动质量模块滑动到指定位置时产生制动力进行刹车。

进一步地，所述永磁导轨模块包括左右两形状相同但磁极相异的具有内凹面的永磁导轨，所述左右两永磁导轨沿风力发电机叶片的叶根叶尖方向对向安装于所述固定底板上，以在两永磁导轨之间形成磁场；所述通电导轨模块包括安装方向与永磁导轨相同的上下两通电导轨，两通电导轨分别设于磁场上、下位置且可通电流，以通过与所述驱动模块导电接触形成闭合电流回路。

进一步地，所述质量块基体为高密度非铁磁材料，是所述不平衡补偿装置质量的主要集中部位。

进一步地，所述驱动模块设于所述质量块基体内部，包括上下两导电翅片和驱动棒，导电翅片的外侧面为与通电导轨外周部相配合的凹形结构，以与其贴合接触，所述驱动棒的安装方向同时与两永磁导轨产生的磁场方向以及通电导轨的安装方向垂直，并分别通过连接导线与上下两导电翅片导电连接。

进一步地，所述驱动棒共有两个，沿通电导轨的安装方向前后排列，并通过连接导线并联于上下两导电翅片之间。

进一步地，所述刹车模块包括左右两刹车块、电磁铁和复位弹簧，所述左右两刹车块分设于质量块基体左右两侧，刹车块的外侧面与永磁导轨的内凹面配合，以在其向外移动时与永磁导轨摩擦产生制动力，左右两刹车块分别经复位弹簧与质量块基体左右两侧连接，刹车块靠近质量块基体的内表面设有铁片，所述电磁铁设于质量块基体中部，并分别通过连接导线与上下两导电翅片导电连接，以在通电后产生左右方向的电磁吸力，吸引刹车块上的铁片带动刹车块缩回质量块基体。

进一步地，所述刹车块的外侧面上均匀布设有钕铁硼磁铁，其磁极与正对的永磁导轨的内凹面磁极相同，以产生斥力，使滑动质量模块悬浮于左右两永磁导轨之间。

本发明还提供了一种电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿方法，包括：

1）通过控制模块接收叶轮不平衡状况信息，控制通过导轨模块输入滑动质量模块中电流的大小及方向；

2）通过控制滑动质量模块得电后在导轨模块中的位移，改变叶片的转矩，进行不平衡补偿。

进一步地，所述控制模块接收、处理叶轮不平衡状况信息，计算补偿所需的滑动质量模块的滑动方向及距离，并换算为所需安培力的大小及方向，据此控制输入导轨模块中的电流大小及方向；所述导轨模块通电后，滑动质量模块内的驱动棒通过电流，在磁场中产生安培力以带动整个滑动质量模块位移；所述滑动质量模块内的电磁铁通电产生磁力，吸引滑动质量模块上的刹车块缩回，滑动质量模块在安培力的作用下向指定位置移动；到达指定位置后断电，刹车块在复位弹簧作用下弹出，卡住导轨模块使滑动质量模块位置固定。

进一步地，如果是风况因素导致的不平衡，所述滑动质量模块需要在导轨模块中持续地滑动位移，以补偿风机功率波动；如果是叶轮结构异常导致的不平衡，所述滑动质量模块只需移动到设定位置或间断滑动位移，即可补偿风机功率波动。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：可以在短时间内通过滑动质量模块的位移调节叶轮转矩，补偿叶轮不平衡状态，减小甚至消除不平衡状况给风机自身结构及发电功率带来的不良影响，调节过程完全自动化，无需人为操作，极大缓解了独立变桨机构的负担，延长其使用寿命。使用的电能可完全由风机自身提供，无需额外电源。此外，该不平衡补偿装置结构简单、响应迅敏、易于实现且制造成本低，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的装置在风力发电机叶片上的安装状态示意图。

图2为图1中风力发电机叶片区域的局部放大图。

图3为本发明实施例的方法的实现流程图。

图4为本发明实施例中导轨模块和滑动质量模块的轴侧图。

图5为本发明实施例中导轨模块和滑动质量模块的左视图（去掉固定底板）。

图6为本发明实施例中滑动质量模块的轴侧图。

图7为本发明实施例中滑动质量模块的主视图。

图8为图7的A-A剖面图。

图9为图7的B-B剖面图。

图中：

100-不平衡补偿装置，101-风力发动机叶片，102-风力发动机机舱，103-风力发动机轮毂，104-风力发动机塔架，105-风力发动机监测及控制系统；110-控制模块，120-导轨模块，130-滑动质量模块；111-信号接收模块，112-处理模块，113-输出模块，121-永磁导轨模块，122-通电导轨模块，123-固定底板，131-质量块基体，132-驱动模块，133-刹车模块；121a-左永磁导轨，121b-右永磁导轨，122a-上通电导轨，122b-下通电导轨，132a-前驱动棒，132b-后驱动棒，132c-上导电翅片，132d-下导电翅片，133a-刹车块，133b-复位弹簧，133c-电磁铁，133d-铁片，133e-钕铁硼磁铁。

具体实施方式

为了让本发明的特征、目的、技术方案和优点能更明显易懂，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当注意，实施例仅为清楚说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，常见的现代大型风力发电机一般由叶片101、机舱102、轮毂103、塔架104以及监测及控制系统105构成。本发明的电磁式风机叶轮不平衡补偿装置100，如图1、2所示，其主要模块安装固定于风力发电机叶片101内部，该位置可根据需要进行调整。此外，本发明的不平衡补偿装置100的导轨长度可根据叶片的长度及不平衡程度的预测进行调整。

如图2~图9所示，本发明的电磁式风机叶轮不平衡补偿装置100包括控制模块110、导轨模块120、滑动质量模块130及相应的配套电缆。在本实施例中，导轨模块120和滑动质量模块130安装固定于风力发电机叶片内的主梁靠近中部位置上，控制模块110与监测及控制系统105（图1-105）设置在一起，可以不设置在叶片上。

控制模块110包括信号接收模块111、处理模块112和输出模块113。信号接收模块111与风力发电机监测及控制系统105连接，以接收叶轮不平衡状况信息。处理模块112用于根据接收到的叶轮不平衡状况信息，计算补偿所需的滑动质量模块的滑动方向及距离，并换算为所需安培力的大小及方向。输出模块113用于控制输入导轨模块中的电流大小及方向。具体的，信号接收模块主要通过接收风机输出功率信号、转子电流信号、定子电流信号或机组振动信号等，提取出故障的特征频率，得到不平衡故障信息；所述处理模块根据信号接收模块得到的故障特征频率进行频谱分析，提取该频率处的幅值并与同风况下叶轮正常运行时的特征频率幅值作比较，得到需要补偿的幅值量，进而换算成补偿所需滑动数据。

导轨模块120包括永磁导轨模块121、通电导轨模块122和固定底板123。永磁导轨模块121用于约束滑动质量模块130的滑动方向，并形成在其上产生安培力所需的磁场。通电导轨模块122用于约束滑动质量模块130的滑动方向，并为其供电，以在其上产生安培力。固定底板123用于安装永磁导轨模块121和通电导轨模块122，并将导轨模块120整体固定于风力发动机叶片101上。

滑动质量模块130设于导轨模块120形成的滑动空间内，包括质量块基体131、驱动模块132和刹车模块133。质量块基体131用于提供不平衡补偿所需的质量。驱动模块132与通电导轨模块122导电接触，以在通电后产生安培力，带动整个滑动质量模块130滑动。刹车模块133用于在滑动质量模块130滑动到指定位置时产生制动力进行刹车。

导轨模块120主要由永磁导轨模块121和通电导轨模块122组成，通过固定底板123固定在叶片主梁靠近中部位置。永磁导轨模块由左右两具有内凹圆弧面、形状相同但磁极相异（N，S极）的永磁导轨121a和121b构成，左右两永磁导轨121a和121b沿叶片的叶根叶尖方向对向安装于固定底板123上（内凹圆弧面对向设置），从而在两永磁导轨之间形成磁场。通电导轨模块122包括安装方向与永磁导轨相同的上通电导轨122a（远离固定底板）和下通电导轨122b（靠近固定底板），两通电导轨分别设于磁场上、下位置且可通电流，两通电导轨的两端均固定于固定底板123上，通过驱动模块132上的上下导电翅片132c和132d与驱动模块132导电接触形成闭合电流回路。

质量块基体131为高密度非铁磁材料，具有体积小质量大的特点，是本装置质量的主要集中部位。驱动模块132设于质量块基体131内部，包括上下两导电翅片132c、132d和驱动棒。在本实施例中，为了使滑动质量模块受力更均衡，驱动棒采用了沿通电导轨的安装方向并排设置前后双驱动棒132a、132b的并联设计。前后两驱动棒132a、132b分别通过连接电线（未标号）与上下导电翅片132c、132d导电连接，并联于上下两导电翅片132c、132d之间，构成驱动模块132。驱动棒的安装方向同时与两永磁导轨产生的磁场方向以及通电导轨的安装方向垂直，即垂直于固定底板123安装在滑动质量模块130内部，嵌在质量块基体131内前后两侧。上下导电翅片132c、132d为的外侧面为与通电导轨外周部相配合的凹形结构，以与上下通电导轨122a、122b对应贴合接触，通电产生安培力带动整个滑动质量模块移动。

刹车模块133包括左右两刹车块133a、电磁铁133c和复位弹簧133b，左右两刹车块133a为两个形状相同的半球形块体，分设于质量块基体131左右两侧。刹车块133a的外侧面与永磁导轨的内凹圆弧面配合，以在其向外移动时与永磁导轨摩擦产生制动力。左右两刹车块133a分别经复位弹簧133b与质量块基体131左右两侧连接。复位弹簧133b共有四个，两侧各两个，滑动质量模块130可滑动时处于压缩状态，刹车时处于伸展状态。刹车块133a靠近质量块基体131的内表面设有铁片133d，电磁铁133c设于质量块基体131中部，并分别通过连接导线与上下两导电翅片132c、132d导电连接，以在通电后产生左右方向的电磁吸力，吸引刹车块133a上的铁片133d带动刹车块缩回质量块基体131。

刹车模块133主要由刹车块133a与对应的永磁导轨121内凹圆弧面挤压接触进行制动，所需压力由复位弹簧133b伸展得到。当通电导轨通电时，刹车模块133通电，安装于前后两驱动棒132a、132b之间并与之并联的电磁铁133c产生磁力，吸引两侧嵌入刹车块内表面的铁片133d，带动两半球形刹车块133a压迫复位弹簧133b回缩至质量块基体131上，导致刹车块133a与永磁导轨121内凹圆弧面脱离接触产生间隙，使整个滑动质量模块处于沿导轨可前后自由移动状态。断电时弹簧复位，刹车块133a弹出，制动重启，滑动质量模块再次停止。刹车模块133的半球形刹车块133a的外侧面上嵌设有均匀排布的钕铁硼圆形磁铁133e，其磁极与正对的永磁导轨121的内凹圆弧面磁极相同，进而产生斥力，使滑动质量块130悬浮于左右两永磁导轨121a、121b之间，并减轻电磁铁133c的对刹车块133a的吸附压力。整个滑动质量模块130的滑动同时受永磁导轨121和通电导轨122的约束，因而只能在沿导轨方向移动。此外，导轨模块120外部安装绝磁绝缘材料（图中未标出）以防止漏磁漏电，同时导轨末端安装有挡板（图中未标出）以防止质量块滑出导轨。三支叶片均安装本发明装置后，初始启动需进行质量块位置调节以达到叶轮初始质量平衡状态。

如图3所示，本发明还提供了上述不平衡补偿装置相应的不平衡补偿方法。

在遭遇到风况不平衡状况或叶轮结构异常状况的时候，风力发电机监测及控制系统105及时接受到故障信号并识别出异常状况的类型，将反馈信号发至装置控制模块110。如果是风况因素导致的不平衡，滑动质量模块130需要在导轨模块120中持续不间断地滑动位移，以补偿风机功率波动；如果是叶片质量或气动力不平衡等叶轮结构异常导致的不平衡，滑动质量模块130只需移动到设定位置或间断滑动位移，即可补偿风机功率波动。控制模块110通过接收模块111接收到叶轮不平衡状况信息后，通过处理模块112计算补偿所需的滑动质量模块的滑动方向及距离，并换算为所需安培力的大小及方向，通过输出模块113控制输入导轨模块120，并通过导轨模块120输入滑动质量模块130中的电流大小及方向。滑动质量模块130得电后在导轨模块120中位移，改变叶片的转矩，进行不平衡补偿。导轨模块120通电后，滑动质量模块130内的驱动棒通过电流，在磁场中产生安培力以带动整个滑动质量模块130位移。滑动质量模块130内的电磁铁通电产生磁力，吸引滑动质量模块上的刹车块缩回，滑动质量模块在安培力的作用下向指定位置移动；到达指定位置后断电，刹车块在复位弹簧作用下弹出，卡住导轨模块使滑动质量模块位置固定。滑动质量模块滑动响应如图4、图5所示。图4、图5中，通电导轨122通入电流，假设电流从上通电导轨122a经过驱动模块132再到下通电导轨122b形成回路，永磁导轨121a为N极，121b为S极，根据左手定则，滑动质量模块所受安培力方向沿图4中导轨方向向左，反之向右，电流越大所受安培力越大，加速度即越大。滑动质量模块所受安培力由下式计算：

F = BIL sin α

式中：F为安培力，B为磁感应强度，I为电流大小，L为驱动棒的长度，α为磁感线与电流方向的夹角。

滑动质量模块130为本发明装置的核心部分，其顺利移动及停止对本发明装置能否正常运行至关重要。在本实施例中，通电导轨122通过卡在上下导电翅片132c、132d上限制滑动质量模块130上下移动，永磁导轨121通过卡在左右两个刹车块133a外限制滑动质量模块130左右移动，因此滑动质量模块130仅可以沿导轨前后移动。在本发明实施例中，为了使滑块受力更均衡，防止受力不均引起的滑块卡死等现象，采用了前后双驱动棒132a、132b并联设计，其结构如图8、9所示。在本发明实施例中，刹车模块133通过半球形刹车块133a、复位弹簧133b、电磁铁133c、嵌入刹车块内表面的铁片133d以及嵌在刹车块外表面的钕铁硼圆形磁铁133e等有效配合，实现滑动质量模块130的自动启停。在本实施例中，采用电磁铁133c与双驱动棒132a、132b并联设计，即为实现通电启、断电停的自动功能。在本实施例中，均匀排布的钕铁硼圆形磁铁133e，主要作用在于依靠排斥力使滑块悬浮于两永磁导轨121a、121b之间，减小滑块位移时的摩擦及碰撞，有利于滑块的快速位移。

需要强调的是，本发明并不局限于上述实施例，任何本领域技术人员在本发明启示下均可得到其他形式的电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿装置及方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化或修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿装置，其特征在于，包括控制模块以及安装固定于风力发电机叶片内部的导轨模块和滑动质量模块；

所述控制模块包括：

信号接收模块，与风力发电机监测及控制系统连接，以接收叶轮不平衡状况信息；

处理模块，用于根据接收到的叶轮不平衡状况信息，计算补偿所需的滑动质量模块的滑动方向及距离，并换算为所需安培力的大小及方向；以及

输出模块，用于控制输入所述导轨模块中的电流大小及方向；

所述导轨模块包括：

永磁导轨模块，用于约束所述滑动质量模块的滑动方向，并形成在其上产生安培力所需的磁场；

通电导轨模块，用于约束所述滑动质量模块的滑动方向，并为其供电，以在其上产生安培力；以及

固定底板，用于安装永磁导轨模块和通电导轨模块，并将导轨模块整体固定于风力发动机叶片上；

所述滑动质量模块设于所述导轨模块形成的滑动空间内，包括：

质量块基体，用于提供不平衡补偿所需的质量；

驱动模块，与所述通电导轨模块导电接触，以在通电后产生安培力，带动整个滑动质量模块滑动；以及

刹车模块，用于在滑动质量模块滑动到指定位置时产生制动力进行刹车；

所述永磁导轨模块包括左右两形状相同但磁极相异的具有内凹面的永磁导轨，所述左右两永磁导轨沿风力发电机叶片的叶根叶尖方向对向安装于所述固定底板上，以在两永磁导轨之间形成磁场；

所述通电导轨模块包括安装方向与永磁导轨相同的上下两通电导轨，两通电导轨分别设于磁场上、下位置且可通电流，以通过与所述驱动模块导电接触形成闭合电流回路；

所述质量块基体为高密度非铁磁材料，是所述不平衡补偿装置质量的主要集中部位；所述驱动模块设于所述质量块基体内部，包括上下两导电翅片和驱动棒，导电翅片的外侧面为与通电导轨外周部相配合的凹形结构，以与其贴合接触，所述驱动棒的安装方向同时与两永磁导轨产生的磁场方向以及通电导轨的安装方向垂直，并分别通过连接导线与上下两导电翅片导电连接；所述驱动棒共有两个，沿通电导轨的安装方向前后排列，并通过连接导线并联于上下两导电翅片之间；

所述刹车模块包括左右两刹车块、电磁铁和复位弹簧，所述左右两刹车块分设于质量块基体左右两侧，刹车块的外侧面与永磁导轨的内凹面配合，以在其向外移动时与永磁导轨摩擦产生制动力，左右两刹车块分别经复位弹簧与质量块基体左右两侧连接，刹车块靠近质量块基体的内表面设有铁片，所述电磁铁设于质量块基体中部，并分别通过连接导线与上下两导电翅片导电连接，以在通电后产生左右方向的电磁吸力，吸引刹车块上的铁片带动刹车块缩回质量块基体；所述刹车块的外侧面上均匀布设有钕铁硼磁铁，其磁极与正对的永磁导轨的内凹面磁极相同，以产生斥力，使滑动质量模块悬浮于左右两永磁导轨之间。

2.一种基于权利要求1所述装置的电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿方法，其特征在于，包括：

1)通过控制模块接收叶轮不平衡状况信息，控制通过导轨模块输入滑动质量模块中电流的大小及方向；

2)通过控制滑动质量模块得电后在导轨模块中的位移，改变叶片的转矩，进行不平衡补偿。

3.如权利要求2所述的电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿方法，其特征在于，所述控制模块接收、处理叶轮不平衡状况信息，计算补偿所需的滑动质量模块的滑动方向及距离，并换算为所需安培力的大小及方向，据此控制输入导轨模块中的电流大小及方向；所述导轨模块通电后，滑动质量模块内的驱动棒通过电流，在磁场中产生安培力以带动整个滑动质量模块位移；所述滑动质量模块内的电磁铁通电产生磁力，吸引滑动质量模块上的刹车块缩回，滑动质量模块在安培力的作用下向指定位置移动；到达指定位置后断电，刹车块在复位弹簧作用下弹出，卡住导轨模块使滑动质量模块位置固定。

4.如权利要求2所述的电磁式风力发电机叶轮不平衡补偿方法，其特征在于，如果是风况因素导致的不平衡，所述滑动质量模块需要在导轨模块中持续地滑动位移，以补偿风机功率波动；如果是叶轮结构异常导致的不平衡，所述滑动质量模块只需移动到设定位置或间断滑动位移，即可补偿风机功率波动。