CN113175413B - 一种超大型风力机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大型风力机的控制方法，其特征在于，包括实现风力机从迎风状态调整到背风状态的迎背风切换控制策略。迎背风切换策略通过对风力机偏航运动和变桨运动的控制可以实现风力机从迎风状态切换到背风状态。从而允许风力机以背风状态运行，增大叶片与塔筒间隙，提高运行的工作区间，在大风下实现卸载，适应极端气候。因此，风力机可以采用更轻、更柔的叶片，降低了风轮及整机质量，降低了度电成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种超大型风力机的控制方法，属于具有特殊控制策略的风力机技术领域。
背景技术
随着科技的进步风能已经成为世界的主要能源之一。在国家政策的推动下，中国也逐渐成为风能利用的大国，各地都不约而同地开始了风力机的建造和利用，国内的风力机安装量渐渐饱和，因此由于风力机在国内的发展在安装量上已基本达饱和，所以为了继续发展风力机提高风能的利用率以及为了环保做出贡献，必须从风力机的优化上面着手。目前想要最大限度地提高风能地利用率，最有效地方法就是增加叶轮的直径，叶轮直径越大可以捕获的风能往往就越多。
然而风力机叶轮的直径越大，其质量增加的幅度更是夸张基本，接近长度增加的三次方量。因此一台20MW的风力机的质量很有可能会超过75000kg，在这么大的质量下，风力机的一些其他的部件也会有更高的要求，比如对塔筒的强度和刚度的需求，对变速箱齿轮的需求，因此会导致整个风力机成本指数级地增加。正是因为这个原因抑制风力机质量地增长成了降低度电成本的一种重要手段。而如何减小风力机的质量这个问题，国内外各种学者给出了许多的方案，比如在叶片内部可以通过优化风力机内部结构、采用新材料等，在风力机整体方面可以优化翼形优化风力机的气动性能，也可以改进叶尖至塔筒的间隙的阈值等方法。但是这样的方法对于风力机的减重来说也是杯水车薪，新材料的运用可能使成本不减反增，对于结构的优化也是治标不治本。同时更大地质量也会带来更多的安全问题，由于叶片长度的增加叶片的柔性也是注定增加的，因此在迎风型风力机中，这样的叶片会更容易打到塔筒酿成安全事故，而背风型风力机虽然没有这样的安全问题，但是由于塔筒和机舱的干扰会使效率有所下降，因此必须有一种创新的技术，将迎风型风力机的优点和背风型风力机的优点结合起来。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种超大型风力机的控制方法，包括迎背风切换控制策略，迎背风切换控制策略控制风力机进行偏航运动，运行迎背风切换控制策略后风力机的偏航角度与运行迎背风切换控制策略前风力机的偏航角度之差为A；迎背风切换控制策略控制风力机进行变桨运动，运行迎背风切换控制策略后风力机的变桨角度与运行迎背风切换控制策略前风力机的变桨角度之差为B，将风力机从迎风状态切换到背风状态。
优先地，偏航角度A的绝对值范围为150°至210°，变桨角度B的绝对值范围为150°至210°。
优先地，在运行迎背风切换控制策略前风力机处于迎风状态；在运行迎背风切换控制策略后，风力机以偏航角度A进行偏航运动，风力机以变桨角度B进行变桨运动，最终完成迎背风切换动作，使风力机处于背风状态。
优先地，从运行迎背风切换控制策略前到运行迎背风切换控制策略后，偏航机构进行动作，偏航电机通过齿轮传动驱动偏航轴承齿圈转动，偏航轴承齿圈转动传动控制风力机完成偏航角度为A的偏航运动；变桨机构进行动作，变桨机构包括若干个变桨电机和若干个变桨轴承，变桨电机通过齿轮传动驱动变桨轴承齿圈转动，变桨轴承齿圈转动传动控制风力机完成以变桨角度B进行的变桨运动，同时每个叶片都可以完成独立的变桨。
优先地，在迎背风切换动作开始前发电机的转子相对于发电机的定子的旋转方向与迎背风切换动作完成后发电机的转子相对于发电机的定子的旋转方向相反。
优先地，在迎背风切换动作开始前齿轮箱的传动轴与在迎背风切换动作完成后齿轮箱的传动轴相对于齿轮箱的壳体的旋转方向相反。
优先地，风力机处于迎风状态时风轮相对于机舱的旋转方向与风力机处于背风状态时风轮相对于机舱的旋转方向相反。
优先地，风力机处于迎风状态时，风轮位于塔筒的迎风一侧，风吹过风轮后再吹过塔筒。
优先地，风力机处于迎风状态时，风轮位于塔筒的背风一侧，风吹过塔筒后再吹过风轮。
本发明所达到的有益效果：
本发明对超大型风力机的控制策略的创新设计，采用了特殊的控制方法实现了风力机的迎背风状态的切换，可以让风力机在风速较小的时候迎风工作以便从风中获取最大的能量，在风速变大以至于可能使叶片打到塔筒的情况下，可以通过迎背风切换的方式，将风力机切换为背风状态，这样的背风状态可以保证叶片不会打到塔筒从而酿成事故，从而提高风力机的运行的风速区间以此可以从根本上大大提升风力机的工作能力和效率，同时也可以在大风下实现卸载，提高风力机的安全性，降低度电成本。
附图说明
图1为本发明中的实施例一的示意图；
图2为本发明中的实施例二的示意图；
图3为本发明中的实施例三的示意图；
图4为本发明中迎背风切换控制机构的示意图。
图5为本发明中偏航机构的示意图。
图6为本发明中变桨机构的示意图。
具体实施方式一
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
一种超大型风力机的控制方法，迎背风切换控制策略控制风力机进行偏航运动，运行迎背风切换控制策略后风力机的偏航角度与运行迎背风切换控制策略前风力机的偏航角度之差为A，迎背风切换控制策略控制风力机进行变桨运动，运行迎背风切换控制策略后风力机的变桨角度与运行迎背风切换控制策略前风力机的变桨角度之差为B，将风力机从迎风状态切换到背风状态。偏航角度A的绝对值处于150°至210°区间，变桨角度B的绝对值处于150°至210°区间。
该方法通过迎背风切换控制机构进行控制，包括机舱，迎背风切换控制策略通过迎背风切换控制机构进行迎背风切换控制，迎背风切换控制机构包括偏航机构1、变桨机构2、控制柜3、发电机4和联轴器，风力机叶轮的每一个叶片配有变桨机构2，控制柜3位于塔架底部，控制柜3电连接偏航机构1、变桨机构2及发电机4，偏航机构1设置在机舱底部，偏航机构1配置有独立电机控制。若发电机4不是同步电机，则包括齿轮箱5，发电机4通过联轴器与齿轮箱5连接，风力机叶轮的轴与齿轮箱5相连。在运行迎背风切换控制策略前风力机处于迎风状态；在运行迎背风切换控制策略后，风力机以偏航角度A进行偏航运动，风力机以变桨角度B进行变桨运动，最终完成迎背风切换动作，使风力机处于背风状态。
从运行迎背风切换控制策略前到运行迎背风切换控制策略后，偏航机构1进行动作，偏航电机1-2通过齿轮传动驱动偏航轴承1-1齿圈转动，偏航轴承1-1齿圈转动传动控制风力机完成偏航角度为A的偏航运动；变桨机构2进行动作，变桨机构2包括若干个变桨电机2-1和若干个变桨轴承2-2，变桨电机2-2通过齿轮传动驱动变桨轴承2-1齿圈转动，变桨轴承2-1齿圈转动传动控制风力机完成以变桨角度B进行的变桨运动，同时每个叶片都可以完成独立的变桨。
发电机4在迎背风切换动作开始前与迎背风切换动作完成后转子相对于定子的旋转反向相反。可使用特殊地接线方式使风力机正常并网运行。
齿轮箱5连接的传动轴在迎背风切换动作开始前与迎背风切换动作完成后旋转方向相反。
运行迎背风切换控制策略后风力机的偏航角度与运行迎背风切换控制策略前风力机的偏航角度之差为A，与中间具体偏航过程无关。
运行迎背风切换控制策略后风力机的变桨角度与运行迎背风切换控制策略前风力机的变桨角度之差为B，与中间具体变桨过程无关。
风力机处于迎风状态时风轮相对于机舱的旋转方向与风力机处于背风状态时风轮相对于机舱的旋转方向相反。
风力机处于迎风状态时，风轮位于塔筒的迎风一侧，风吹过风轮后再吹过塔筒。
风力机处于背风状态时，风轮位于塔筒的背风一侧，风吹过塔筒后再吹过风轮。
机舱、偏航机构1、变桨机构2、控制柜3、发电机4、联轴器、偏航轴承1-1、偏航电机1-2、变桨电机2-1和变桨电机2-2上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
实施例二
进一步地风力机运行迎背风切换控制策略后，偏航运动和变桨运动同步进行，如图1所示。
实施例三
进一步地风力机运行迎背风切换控制策略后，先进行变桨运动，然后进行偏航运动如图2所示。
实施例四
进一步地风力机运行迎背风切换控制策略后，先进行偏航运动，然后进行变桨运动，如图3所示。
进一步地风力机在进行偏航运动和变桨运动的中间过程视具体运行时的工况而定，最终只需要实现风力机偏航A、变桨B的结果。中间过程由于要考虑叶片翼形的对风，也要考虑攻角的改变，所以过程不需要一次性完成，可以分部慢慢进行，且由于运动进行中风速、风向也可能随时改变，因此控制策略也可以随着风速、风向的改变而随时变化。
这种控制策略的优点是让风力机在风速较小的时候迎风工作以便从风中获取最大效率，在风速变大以至于可能使叶片打到塔筒的情况下，可以通过迎背风切换使风力机成为背风型，增大叶片与塔筒的间隙，提高运行的工作区间，在大风下实现卸载，适应极端气候以防止风力机弯曲而导致与塔筒相撞产生运行事故，由此提高运行的工作区间，适应极端气候。采用本控制策略的风力机可以采用设计的更轻、更柔的叶片，降低了风轮及整机质量，降低了度电成本。
综上所述，本发明应用范围较广，可以使用于各种现有的风力机，对超大型风力机减重，降低度电成本，提升安全性能有重要作用，对于风力机大型化和风力机叶片轻柔化以及在极端天气下风力机的运行具有重要意义。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种超大型风力机的控制方法，其特征在于，包括迎背风切换控制策略，迎背风切换控制策略控制风力机进行偏航运动，运行迎背风切换控制策略完毕后风力机的偏航角度与运行迎背风切换控制策略前风力机的偏航角度之差为A；迎背风切换控制策略控制风力机进行变桨运动，运行迎背风切换控制策略完毕后风力机的变桨角度与运行迎背风切换控制策略前风力机的变桨角度之差为B，将风力机从迎风状态切换到背风状态；
偏航角度A的绝对值范围为150°至210°，变桨角度B的绝对值范围为150°至210°；
偏航机构（1）进行动作，偏航电机（1-2）通过齿轮传动驱动偏航轴承（1-1）齿圈转动，偏航轴承（1-1）齿圈转动传动控制风力机完成偏航角度为A的偏航运动；变桨机构（2）进行动作，变桨机构（2）包括若干个变桨电机（2-1）和若干个变桨轴承（2-2），变桨电机（2-2）通过齿轮传动驱动变桨轴承（2-1）齿圈转动，变桨轴承（2-1）齿圈转动传动控制风力机完成以变桨角度B进行的变桨运动，同时每个叶片都可以完成独立的变桨；
在迎背风切换动作开始前发电机（4）的转子相对于发电机（4）的定子的旋转方向与迎背风切换动作完成后发电机（4）的转子相对于发电机（4）的定子的旋转方向相反；
在迎背风切换动作开始前齿轮箱（5）的传动轴与在迎背风切换动作完成后齿轮箱（5）的传动轴相对于齿轮箱（5）的壳体的旋转方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种超大型风力机的控制方法，其特征在于，在运行迎背风切换控制策略前风力机处于迎风状态；在运行迎背风切换控制策略后，风力机以偏航角度A进行偏航运动，风力机以变桨角度B进行变桨运动，最终完成迎背风切换动作，使风力机处于背风状态。
3.根据权利要求1所述的一种超大型风力机的控制方法，其特征在于，风力机处于迎风状态时风轮相对于机舱的旋转方向与风力机处于背风状态时风轮相对于机舱的旋转方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种超大型风力机的控制方法，其特征在于，风力机处于迎风状态时，风轮位于塔筒的迎风一侧，风吹过风轮后再吹过塔筒。
5.根据权利要求1所述的一种超大型风力机的控制方法，其特征在于，风力机处于背风状态时，风轮位于塔筒的背风一侧，风吹过塔筒后再吹过风轮。
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