CN111608859B - 一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法，涉及风力发电技术领域。本发明包括底座、塔筒和外罩,底座与塔筒固定连接，塔筒上端连接有回转轴承装置，回转轴承装置上端连接有外罩支架，外罩支架和塔筒均通过法兰与回转轴承装置连接，外罩支架上端焊接有外罩，外罩内设置有发电仓，发电仓内设置有发电机。本发明通过使用外罩，实现风轮叶片的防护，提高安全性，降低叶片断裂对人身安全的威胁；本发明通过使用驱动装置和可控栅叶，使气流进入发电仓后能够通过驱动装置控制可控栅叶的开合角度，从而控制出风量，调节发动机的转速，提高了发电效率；本发明通过使用积分分离PID算法，实现了发电机转速的闭环控制。

Description

一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法。
背景技术
目前小型风力发电机包括有水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴小型风力发电机主要由风轮、发电机、回转体、调速机构、调向机构、刹车机构和塔架等构成，目前应用广泛。调速主要有刹车及调整叶片角度进行调速控制。垂直轴小型风力发电机风轮的旋转轴垂直于地面或者气流的方向。
然而现有水平轴小型风力发电机应用广泛但是存在几方面缺点：1、安全性差，水平轴风力发电机多用于家用或者城市风光互补路灯场合，工作场景人员密集。高速旋转的桨叶有失效及断裂风险，对人身安全构成极大隐患。2、调速采用刹车调速有失效风险，进一步降低水平轴风力发电机的安全性。调整桨叶角度进行调速结构及控制方法复杂。现有垂直轴小型风力发电机安全性较高，但其发电效率较低，输出功率低。针对上述问题本发明提出一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法，解决现有的小型风力发电机安全性差高速旋转的桨叶有失效及断裂风险，对人身安全构成极大隐患，调速采用刹车调速有失效风险，调整桨叶角度进行调速结构及控制方法复杂，另外现有垂直轴小型风力发电机安全性较高，但其发电效率较低，输出功率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种具有防护装置和转速可调的风力发电机，包括底座、塔筒和外罩；
所述底座与塔筒固定连接，所述塔筒上端连接有回转轴承装置，所述回转轴承装置上端连接有外罩支架，所述外罩支架和塔筒均通过法兰与回转轴承装置连接，所述外罩支架上端焊接有外罩，所述外罩内设置有发电仓，所述发电仓内设置有发电机，所述发电机一端固定连接有齿轮箱，所述齿轮箱一端固定连接有风轮叶片，所述发电仓一端还固定连接有若干栅叶控制机构腔，所述栅叶控制机构腔内安装有驱动装置，所述发电仓内还安装有主处理器，所述主处理器与发电机电性连接；上述结构中，在风轮叶片外部安装外罩构成进气涵道，实现风轮叶片的防护，提高风机安全性，降低风轮叶片断裂对人身安全的威胁。
所述驱动装置包括步进电机、第一连杆、若干第二连杆、若干升降杆和若干栅叶轴，所述第一连杆和第二连杆一表面均开设有若干滑槽，所述升降杆一表面固定连接有若干滑杆，所述滑杆与滑槽滑动连接，所述步进电机的转轴周侧面与第一连杆固定连接，所述栅叶轴周侧面转动配合有可控栅叶；上述结构中，通过控制步进电机转动，可以带动第一连杆上下摆动，第一连杆摆动时可以带动升降杆上下往复运动，当升降杆上下往复运动时，滑杆在滑槽内往复移动，从而使第二连杆上下摆动，第二连杆带动栅叶轴在一定的角度范围内往复转动，栅叶轴带动可控栅叶在一定角度内转动，从而达到控制可控栅叶的开合角度的目的。
优选地，述外罩周侧面还固定连接有若干尾翼，以便于实现风向跟踪。
优选地，所述主处理器内设有三相整流模块、主控制器、DC/DC功率转换模块、和电流电压检测模块、逆变器和蓄电池；主处理器能够接收并处理收到的发电机的转速信息并及时做出反馈，智能控制驱动装置工作。
优选地，所述主控制模块内置有电流电压检测模块，这能够实时检测主控制模块内部的电压及电流变化，避免电路过热。
优选地，所述栅叶控制机构腔内设有导向槽，所述升降杆与导向槽滑动配合，导向槽可以限制升降杆左右移动，使其只能沿导向槽的方向上下移动。
一种具有防护装置和转速可调的风力发电机控制方法，包括以下步骤：
步骤一：气流从风轮叶片的一侧吹向风轮叶片，风轮叶片随风力旋转，从而带动发电机转动发电；
步骤二：发电机将转速信息传递给主处理器，主处理器根据积分分离PID算法实现发电机转速的闭环控制，通过驱动装置来调节可控栅叶的开合角度。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过使用外罩，实现风轮叶片的防护，提高安全性，降低叶片断裂对人身安全的威胁；
2.本发明通过使用驱动装置和可控栅叶，使气流进入发电仓后能够通过驱动装置控制可控栅叶的开合角度，从而控制出风量，调节发动机的转速，提高了发电效率；
3.本发明通过使用积分分离PID算法，实现了发电机转速的闭环控制。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法的正面三维结构示意图；
图2为本发明的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法的背面三维结构示意图；
图3为本发明的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法的正视图；
图4为本发明的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法的侧视图
图5为图3中A-A面的剖视图；
图6为图4中B-B面的剖视图；
图7为图2中A区域的放大视图；
图8为本发明的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法的控制装置的结构图。
图9为本发明的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法的控制关系图。
图10为本发明的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法的积分分离PID算法的逻辑运算图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-底座，2-塔筒，3-回转轴承装置，4-外罩支架，5-外罩，6-尾翼，7-风轮叶片，8-可控栅叶，9-栅叶控制机构腔，10-发电机，11-发电仓，12-驱动装置，13-步进电机，14-第一连杆，15-滑槽，16-滑杆，17-第二连杆，18-升降杆，19-栅叶轴，20-齿轮箱，21-主处理器，22-导向槽。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”、“四周”方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-9所示，本发明为一种具有防护装置和转速可调的风力发电机，包括底座1、塔筒2和外罩5；
底座1与塔筒2固定连接，塔筒2上端连接有回转轴承装置3，回转轴承装置3上端连接有外罩支架4，外罩支架4和塔筒2均通过法兰与回转轴承装置3连接，外罩支架4上端焊接有外罩5，外罩5内设置有发电仓11，发电仓11内设置有发电机10，发电机10一端固定连接有齿轮箱20，齿轮箱20一端固定连接有风轮叶片7，发电仓11一端还固定连接有若干栅叶控制机构腔9，栅叶控制机构腔9内安装有驱动装置12，发电仓11内还安装有主处理器21，主处理器21与发电机10电性连接；上述结构中，在风轮叶片7外部安装外罩5构成进气涵道，实现风轮叶片7的防护，提高风机安全性，降低风轮叶片7断裂对人身安全的威胁。
驱动装置12包括步进电机13、第一连杆14、若干第二连杆17、若干升降杆18和若干栅叶轴19，第一连杆14和第二连杆17一表面均开设有若干滑槽15，升降杆18一表面固定连接有若干滑杆16，滑杆16与滑槽15滑动连接，步进电机13的转轴周侧面与第一连杆14固定连接，栅叶轴19周侧面转动配合有可控栅叶8；上述结构中，通过控制步进电机13转动，可以带动第一连杆14上下摆动，第一连杆14摆动时可以带动升降杆18上下往复运动，当升降杆18上下往复运动时，滑杆16在滑槽15内往复移动，从而使第二连杆17上下摆动，第二连杆17带动栅叶轴19在一定的角度范围内往复转动，栅叶轴19带动可控栅叶8在一定角度内转动，从而达到控制可控栅叶8的开合角度的目的。
其中，述外罩5周侧面还固定连接有若干尾翼6，以便于实现风向跟踪。
其中，主处理器21内设有三相整流模块、主控制器、DC/DC功率转换模块、和电流电压检测模块、逆变器和蓄电池；主处理器21能够接收并处理收到的发电机10的转速信息并及时做出反馈，智能控制驱动装置12工作。
其中，主控制模块内置有电流电压检测模块，这能够实时检测主控制模块内部的电压及电流变化，避免电路过热。
其中，栅叶控制机构腔9内设有导向槽22，升降杆18与导向槽22滑动配合，导向槽22可以限制升降杆18左右移动，使其只能沿导向槽22的方向上下移动。
一种具有防护装置和转速可调的风力发电机控制方法，包括以下步骤：
步骤一：气流从风轮叶片7的一侧吹向风轮叶片7，风轮叶片7随风力旋转，从而带动发电机10转动发电；
步骤二：发电机10将转速信息传递给主处理器21，主处理器21根据积分分离PID算法实现发电机10转速的闭环控制，通过驱动装置12来调节可控栅叶8的开合角度。
请参阅图1-9所示，本发明为一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法，使用的步进电机13的输出功率为100-2000W，，其工作原理为：
塔筒2通过回转轴承装置3与外罩支架4连接，回转轴承装置3以上部分会随着风向变化转动。风通过进气涵道吹向风轮叶片7，推动风轮叶片7转动从而带动发电仓11内电机转动发电，外罩5构成进气涵道并通过固定于外罩5的尾翼6实现风向跟踪。
另外通过实时控制可控栅叶8的开合控制出风量从而控制风轮叶片7的转速在额定范围内。具体过程为通过控制步进电机13转动，可以带动第一连杆14上下摆动，第一连杆14摆动时可以带动升降杆18上下往复运动，当升降杆18上下往复运动时，滑杆16在滑槽15内往复移动，从而使第二连杆17上下摆动，第二连杆17带动栅叶轴19在一定的角度范围内往复转动，栅叶轴19带动可控栅叶8在一定角度内转动，当风力小时，可控栅叶8全部打开，发电仓11内的风全部通过，风速过高导致风轮叶片7转速过快时，控制可控栅叶8关闭一定角度，降低风轮叶片7转速，可控栅叶8角度与风轮叶片7转速实施闭环控制，确保风速过大时风轮叶片7的转速处于额定值。
需要说明的是，请参阅图9所示，本发明为一种具有防护装置和转速可调的风力发电机及其控制方法，由于主处理器21内设有三相整流模块、主控制器、DC/DC功率转换模块、和电流电压检测模块、逆变器和蓄电池，所以发电机10与主控制器电性连接，主控制器与驱动装置12电性连接，另一方面，发电机10与三相整流模块电性连接，三相整流模块与DC/DC功率变换模块连接，DC/DC功率变换模块同时与逆变器和蓄电池连接，然后逆变器直接与外界的交流负载连接，此外主控制器还与DC/DC功率变换模块和电流电压检测模块电性连接；上述模块在工作过程中，发电机10将转速信息传递给主控制器，主控制器将数据分析后调节驱动装置12改变可控栅叶8的角度，从而控制发电机10的转速，另一方面，发电机10产生的电压首先经过三相整流模块进行整流，然后再进入DC/DC功率变换模块使交流电相位幅频与电网相同，便于与外界电网组网，然后进入逆变器进行直流电与交流电的转换，或者进入蓄电池储能，最后进入交流负载。
需要进一步说明的是，积分分离PID算法的具体实施内容是，当可控栅叶8角度一定时，风速越大发电机10转速越高，当转速超过750RPM时通过步进电机13调整可控栅叶8角度减小进风量，当发电机10转速低于750RPM时增大进风量直至可控栅叶8全部打开。另外，发电机10输出C相电压经整形后送入主处理器21，主处理器21实时计算发电机10转速并经积分分离PID计算得出控制输出量，该输出量为步进电机13正转或者反转步数，进而实现发电机10的转速控制。
需要进一步说明的是，主处理器21中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度，但是在系统的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内会造成PID运算的积分积累，致使算得的控制量过大，会引起较大的超调，甚至引起系统的振荡，这在控制过程中是不允许的。采用积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。
该算法的表达式为：
Figure GDA0002560961670000091
式中为积分项的逻辑系数，即：
Figure GDA0002560961670000092
ε为设定的阈值，当偏差大于阈值时采用PD控制算法，小于等于阈值时采用PID算法，积分分离PID算法的逻辑运算图如图10所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种具有防护装置和转速可调的风力发电机，包括底座(1)、塔筒(2)和外罩(5)，其特征在于：
所述底座(1)与塔筒(2)固定连接，所述塔筒(2)上端连接有回转轴承装置(3)，所述回转轴承装置(3)上端连接有外罩支架(4)，所述外罩支架(4)和塔筒(2)均通过法兰与回转轴承装置(3)连接，所述外罩支架(4)上端焊接有外罩(5)，所述外罩(5)内设置有发电仓(11)，所述发电仓(11)内设置有发电机(10)，所述发电机(10)一端固定连接有齿轮箱(20)，所述齿轮箱(20)一端固定连接有风轮叶片(7)，所述发电仓(11)一端还固定连接有若干栅叶控制机构腔(9)，所述栅叶控制机构腔(9)内安装有驱动装置(12)，所述发电仓(11)内还安装有主处理器(21)，所述主处理器(21)与发电机(10)电性连接；
所述驱动装置(12)包括步进电机(13)、第一连杆(14)、若干第二连杆(17)、若干升降杆(18)和若干栅叶轴(19)，所述第一连杆(14)和第二连杆(17)一表面均开设有若干滑槽(15)，所述升降杆(18)一表面固定连接有若干滑杆(16)，所述滑杆(16)与滑槽(15)滑动连接，所述步进电机(13)的转轴周侧面与第一连杆(14)固定连接，所述栅叶轴(19)周侧面转动配合有可控栅叶(8)；
所述主处理器(21)内设有三相整流模块、主控制器、DC/DC功率转换模块、和电流电压检测模块、逆变器和蓄电池，所述主控制模块内置有电流电压检测模块；
所述栅叶控制机构腔(9)内设有导向槽(22)，所述升降杆(18)与导向槽(22)滑动配合。
2.根据权利要求1所述的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机，其特征在于，所述外罩(5)周侧面还固定连接有若干尾翼(6)。
3.如权利要求1所述的一种具有防护装置和转速可调的风力发电机控制方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤一：气流从风轮叶片(7)的一侧吹向风轮叶片(7)，风轮叶片(7)随风力旋转，从而带动发电机(10)转动发电；
步骤二：发电机(10)将转速信息传递给主处理器(21)，主处理器(21)根据积分分离PID算法实现发电机(10)转速的闭环控制，通过驱动装置(12)来调节可控栅叶(8)的开合角度。
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