CN113719422A - 单风轮飞轮储能发电系统及其偏航控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单风轮飞轮储能发电系统及其偏航控制方法，单风轮飞轮储能发电系统包括：风机，塔筒，水上平台，系泊系统以及偏航控制器。水上平台包括旋转支撑平台、与旋转支撑平台固定连接的固定连接环盘、多个螺旋桨偏航装置以及多个飞轮储能装置，固定连接环盘的底部形成有环形导向结构，多个飞轮储能装置围绕旋转支撑平台的中心均匀分布，每个飞轮储能装置均与风机电连接，以储存风机产生的电能。通过设置在水上平台设置环形导向结构，从而节省了用于偏航的昂贵的偏航轴承，由于同时设置了飞轮储能装置，因此当遇到大风大浪天气或者其他恶劣环境时，通过飞轮储能装置的高速旋转，使得水上平台具有保持稳定的能力。

Description

单风轮飞轮储能发电系统及其偏航控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种单风轮飞轮储能发电系统及其偏航控制方法。
背景技术
风能作为可再生新能源，由于其具备来源广、储量大以及无污染等优点正日益受到人们的关注。电能作为能源的特殊载体具有清洁、高效环境友好等特点，因此大力发展新能源发电意义重大。
随着人类对海上风资源认识的加深和风能开发技术的进步，风资源的开发出现了从近浅海向深远海发展的趋势。漂浮式风机是深海风能开发的重要方向，综合成本将低于传统固定式风机。
但是，相关技术中的漂浮式风机存在偏航旋转角度受限问题，另外，风机塔筒整体偏航容易造成偏航轴承载荷过大、体积过大、安装维护十分不方便等问题。
另外，漂浮平台在海上遇到大风时的抗风能力不足，从而造成对轴承的进一步损伤。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种单风轮飞轮储能发电系统，包括：
风机，所述风机用于风力发电；
塔筒，所述风机安装于所述塔筒的顶部，并能随所述塔筒同步转动；
水上平台，所述水上平台包括旋转支撑平台、与所述旋转支撑平台固定连接的固定连接环盘、多个螺旋桨偏航装置以及多个飞轮储能装置，所述固定连接环盘的底部形成有环形导向结构，多个所述螺旋桨偏航装置均匀地固定于所述固定连接环盘的外圆周，用于驱动所述水上平台旋转，所述塔筒固定于所述旋转支撑平台，并能够随所述旋转支撑平台同步转动；多个所述飞轮储能装置围绕所述旋转支撑平台的中心均匀分布，每个所述飞轮储能装置均与所述风机电连接，以储存所述风机产生的电能，每个所述飞轮储能装置均具有用于连接电网的连接线，以将储存的电能并入所述电网，所述风机和所述塔筒的重心位于所述水上平台的中心位置；
系泊系统，所述系泊系统与所述水上平台连接，并与所述环形导向结构形成导向配合，所述系泊系统用于锁定所述水上平台的位置；
以及偏航控制器，所述偏航控制器与每个所述螺旋桨偏航装置电信号连接，以控制每个所述螺旋桨偏航装置的工作状态，从而使所述水上平台转动。
本发明实施例的单风轮飞轮储能发电系统具有以下技术效果：通过设置在水上平台设置环形导向结构，从而节省了用于偏航的昂贵的偏航轴承，而且该方案安装维护方便，不需要停机操作，不需要大型安装船，经济性好；进一步，由于同时设置了飞轮储能装置，因此当遇到大风大浪天气或者其他恶劣环境时，通过飞轮储能装置的高速旋转，使得水上平台具有保持稳定的能力。
可选的，所述系泊系统包括至少三组依次相连的固定机构、连接绳索以及锁紧装置，所述固定机构用于固定于水底，所述锁紧装置与所述环形导向结构形成导向配合；所述锁紧装置能够在锁紧状态和打开状态切换，在所述锁紧状态，所述锁紧装置相对所述固定连接环盘固定，在所述打开状态，所述锁紧装置能够相对所述固定连接环盘沿所述环形导向结构滑动；
所述偏航控制器与每个所述锁紧装置电信号连接，以控制每个所述锁紧装置的锁紧状态。
可选的，所述风机包括：机舱、安装于机舱上的轮毂以及固定于所述轮毂上的三只叶片，三只所述叶片能够随所述轮毂同步转动；
所述机舱固定于所述塔筒的顶部。
可选的，每个所述螺旋桨偏航装置与所述旋转支撑平台圆心距离相等；
每个所述螺旋桨偏航装置的旋转轴向方向垂直于所述旋转支撑平台的径向，所述螺旋桨偏航装置的数量大于等于3。
可选的，所述风机所连接机舱顶部设置有风速风向仪，所述风速风向仪用于实时检测所述风机所处环境的风速和方向；所述风速风向仪的电源由所述风机提供。
可选的，所述环形导向结构为开设于所述固定连接环盘底部的环形导槽，或者，所述环形导向结构为开设于所述固定连接环盘底部的环形导轨。
可选的，所述水上平台还包括固定于所述旋转支撑平台的外周面上的多个浮筒，多个所述浮筒围绕所述旋转支撑平台等间距分布，每个所述浮筒内设置有一个所述飞轮储能装置。
可选的，所述飞轮储能装置采用全磁悬浮飞轮装置或磁悬浮轴承与机械轴承相结合的飞轮储能装置。
可选的，所述飞轮储能装置的动量矩HM＝JM(ω+θ)；所述风机的动量矩HG＝(JG—JM) θ；
来流风速对机组的倾覆力矩M风，满足以下条件：
Figure BDA0003249002050000031
水面波浪对机组的倾覆力矩M浪，满足以下条件：
Figure BDA0003249002050000032
式中：HM——飞轮储能装置的动量矩；
HG——风机的动量矩；
JM——飞轮储能装置转动惯量；
JG——风机的转动惯量；
ω——飞轮储能装置转子角速度；
θ——塔筒轴线与水面法线的夹角；
l——风机顶部与水面之间的距离；
r——风机浸水底面外缘到风机重心与水面垂线之间的距离；
A——风机迎风面的面积；
S——风机湿表面；
C——风阻系数；
ρ——空气密度；
v——来流风速；
ΔP——波浪压力；
n——S的单位外法线矢量；
r——波浪压力作用点相对于风机坐标系的位置向量。
可选的，所述飞轮储能装置的目标转速根据以下平衡公式计算：
Figure BDA0003249002050000033
可选的，所述飞轮储能装置的储能方法包括：
当所述风机输出发电功率大于额定功率时，所述飞轮储能装置吸收能量，提高储能能量；当所述风机输出发电功率小于额定功率时，所述飞轮储能装置释放能量，降低储能能量。
可选的，所述飞轮储能装置的储能方法还包括：
当水面波动小于预设范围时，所述飞轮储能装置运行在预设转速；当水面波动大于等于预设范围时，提高所述飞轮储能装置的转速，以抑制所述水上平台随波浪的晃动幅度。
可选的，所述飞轮储能装置的储能方法还包括：
实时检测来流风速参数，在来流风速小于预设值时，所述飞轮储能装置运行在预设转速；在来流风速大于等于预设值时，提高所述飞轮储能装置的转速，以抑制所述水上平台随波浪的晃动幅度。
本发明实施例还提供一种单风轮飞轮储能发电系统的偏航控制方法，包括：
当不需要控制所述风机偏航时，所述偏航控制器下发控制信号到所述锁紧装置，使所述锁紧装置处于锁紧状态；
当需要控制所述风机偏航时，所述偏航控制器下发控制信号到所述锁紧装置，使所述锁紧装置处于打开状态，所述偏航控制器接到所述锁紧装置打开状态反馈信号后，向所述螺旋桨偏航装置发送偏航运行命令，所述螺旋桨偏航装置启动，推动所述水上平台旋转；所述偏航控制器接到所述风机的偏航角度达到预定控制角度位置反馈信号后，所述偏航控制器控制所述螺旋桨偏航装置停止运行；所述偏航控制器接收到所述螺旋桨偏航装置停止运行状态反馈信号后，控制所述锁紧装置锁紧，使所述水上平台保持锁紧状态。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一实施例的单风轮飞轮储能发电系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例的固定连接环盘和系泊系统的结构示意图；
图3是本发明一实施例的单风轮飞轮储能发电系统的电路示意图；
图4是本发明一实施例的单风轮飞轮储能发电系统的偏航控制示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参阅图1-图2，本实施方式提供一种单风轮飞轮储能发电系统，包括：风机10，塔筒20，水上平台30，系泊系统40以及偏航控制器。
其中，风机10用于风力发电；风机10安装于塔筒20的顶部，并能随塔筒20同步转动；水上平台30包括旋转支撑平台31、与旋转支撑平台31固定连接的固定连接环盘32、多个螺旋桨偏航装置33以及多个飞轮储能装置341，固定连接环盘32的底部形成有环形导向结构321，多个螺旋桨偏航装置33均匀地固定于固定连接环盘32的外圆周，用于驱动水上平台30旋转，塔筒20固定于旋转支撑平台31，并能够随旋转支撑平台31同步转动；多个飞轮储能装置341围绕旋转支撑平台31的中心均匀分布，每个飞轮储能装置341 均与风机10电连接，以储存风机10产生的电能，每个飞轮储能装置341均具有用于连接电网的连接线，以将储存的电能并入电网。
风机10和塔筒20的重心位于水上平台30的中心位置，从而保证整个单风轮飞轮储能发电系统的稳定性，提高其抗风浪能力。
系泊系统40与水上平台30连接，并与环形导向结构321形成导向配合，系泊系统40用于锁定水上平台30的位置；偏航控制器与每个螺旋桨偏航装置33电信号连接，以控制每个螺旋桨偏航装置33的工作状态，从而使水上平台30转动。
上述方案通过在固定连接环盘32的底部设置环形导向结构321，并配合锁紧装置43，使得整个水上平台30和设置于水上平台30上的风机10和塔筒20能够同步转动，从而不必在风机10和塔筒20之间设置旋转轴承，避免了旋转轴承的疲劳损伤；而由于环形导向结构321所处的位置较低，且可以设置较大的旋转半径，从而具有较好的稳定性，抗疲劳程度也得到提高。
进一步，上述方案由于同时设置了飞轮储能装置341，因此当遇到大风大浪天气或者其他恶劣环境时，通过飞轮储能装置341的高速旋转，使得水上平台30具有保持稳定的能力。此外，在设置风机10和塔筒20的重心位于水上平台30的中心位置的情况下，有助于飞轮储能装置341的性能发挥，在此，重心设计结合飞轮储能装置341的设置是保证本实施例的单风轮飞轮储能发电系统稳定工作的重要保障。
在一个实施例中，系泊系统40包括至少三组依次相连的固定机构41、连接绳索42以及锁紧装置43，固定机构41用于固定于水底，锁紧装置43与环形导向结构321形成导向配合；锁紧装置43能够在锁紧状态和打开状态切换，在锁紧状态，锁紧装置43相对固定连接环盘32固定，在打开状态，锁紧装置43能够相对固定连接环盘32沿环形导向结构 321滑动；偏航控制器与每个锁紧装置43电信号连接，以控制每个锁紧装置43的锁紧状态。
其中，连接绳索42可以是锁链或者其他抗腐蚀的钢丝绳。锁紧装置43本身不是本方案的侧重点，在此不予赘述。本领域技术人员可以在知悉其功能的基础上实施上述方案。
在一个实施例中，参阅图1，风机10的数量为一个，一个风机10直接安装于塔筒20的顶部。其中，风机10的旋转轴向可以与塔筒20的长度方向垂直。
其中，参阅图1，风机10包括：机舱12、安装于机舱12上的轮毂13以及固定于轮毂13上的三只叶片14，三只叶片14能够随轮毂13同步转动；机舱12固定于塔筒20的顶部。
在一个实施例中，叶片14采用金属材质或者碳纤维材质。
在一个实施例中，每个螺旋桨偏航装置33与旋转支撑平台31圆心距离相等，从而使得螺旋桨偏航装置33在控制水上平台30转动的时候更加稳定。
在一个实施例中，每个螺旋桨偏航装置33的旋转轴向方向垂直于旋转支撑平台31的径向，螺旋桨偏航装置33的数量大于等于3。例如，螺旋桨偏航装置33的数量可以是4 个、5个、6个、7个、8个，甚至更多。螺旋桨偏航装置33的数量可以根据自身的功率和水上平台30的圆周大小确定。螺旋桨偏航装置33的功率越大，则其设置的数量可以相对减小，水上平台30的圆周越大，则螺旋桨偏航装置33的数量可以增加，以保证具有足够的推动力。
在一个实施例中，风机10所连接机舱顶部设置有风速风向仪，风速风向仪用于实时检测风机10所处环境的风速和方向。其中，风速风向仪的电源由风机10提供，风速风向仪的输出信号通过电缆发送给浮式风机控制器。
在一个实施例中，参阅图2，环形导向结构321为开设于固定连接环盘32底部的环形导槽。锁紧装置43设置于环形导槽内，并能够沿环形导槽滑动，当锁紧装置43处于锁紧状态时，锁紧装置43不能沿环形导槽滑动。
环形导向结构321并不限于环形导槽，在一些实施例中，环形导向结构321也可以是开设于固定连接环盘32底部的环形导轨。锁紧装置43通过该环形导轨与固定连接环盘32形成导向配合即可。
在一个实施例中，水上平台30还包括固定于旋转支撑平台31的外周面上的多个浮筒 34，多个浮筒34围绕旋转支撑平台31等间距分布。浮筒34能够增加水上平台30的浮力，从而提高水上平台30的稳定性。
在一个实施例中，水上平台30还包括固定于旋转支撑平台31的外周面上的多个浮筒 34，多个浮筒34围绕旋转支撑平台31等间距分布，每个浮筒34内设置有一个飞轮储能装置341。
其中，飞轮储能装置341采用全磁悬浮飞轮装置或磁悬浮轴承与机械轴承相结合的飞轮储能装置。
在一个实施例中，飞轮储能装置341的动量矩HM＝JM(ω+θ)；
风机10的动量矩HG＝(JG—JM)θ；
来流风速对机组的倾覆力矩M风，满足以下条件：
Figure BDA0003249002050000071
水面波浪对机组的倾覆力矩M浪，满足以下条件：
Figure BDA0003249002050000072
式中：HM——飞轮储能装置的动量矩；
HG——风机的动量矩；
JM——飞轮储能装置转动惯量；
JG——风机的转动惯量；
ω——飞轮储能装置转子角速度；
θ——塔筒轴线与水面法线的夹角；
l——风机顶部与水面之间的距离；
r——风机浸水底面外缘到风机重心与水面垂线之间的距离；
A——风机迎风面的面积；
S——风机湿表面；
C——风阻系数；
ρ——空气密度；
v——来流风速；
ΔP——波浪压力；
n——S的单位外法线矢量；
r——波浪压力作用点相对于风机坐标系的位置向量。
在一个实施例中，飞轮储能装置341的目标转速根据以下平衡公式计算：
Figure BDA0003249002050000073
通过以上力矩平衡关系式，以来流风速及波浪振动幅值为输入条件，计算出飞轮储能装置的目标转速。通过飞轮转速的控制，实现飞轮动量矩与来流风倾覆力矩及波浪倾覆力矩的平衡，保持海上浮式风机的稳定状态。
在一个实施例中，飞轮储能装置341的储能方法包括：当风机10输出发电功率大于额定功率时，飞轮储能装置341吸收能量，提高储能能量；当风机10输出发电功率小于额定功率时，飞轮储能装置341释放能量，降低储能能量。
在一个实施例中，飞轮储能装置341的储能方法还包括：当水面波动小于预设范围时，飞轮储能装置341运行在预设转速；当水面波动大于等于预设范围时，提高飞轮储能装置 341的转速，以抑制水上平台30随波浪的晃动幅度。
具体地，飞轮储能装置341的储能方法还包括：实时检测来流风速参数，在来流风速小于预设值时，飞轮储能装置341运行在预设转速；在来流风速大于等于预设值时，提高飞轮储能装置341的转速，以抑制水上平台30随波浪的晃动幅度。
本实施方式进一步提供一种单风轮飞轮储能发电系统的偏航控制方法，该单风轮飞轮储能发电系统为上述任一实施例的单风轮飞轮储能发电系统，参阅图4，偏航控制方法包括：
当不需要控制风机10偏航时，偏航控制器下发控制信号到锁紧装置43，使锁紧装置 43处于锁紧状态；
当需要控制风机10偏航时，偏航控制器下发控制信号到锁紧装置43，使锁紧装置43 处于打开状态，偏航控制器接到锁紧装置43打开状态反馈信号后，向螺旋桨偏航装置33发送偏航运行命令，螺旋桨偏航装置33启动，推动水上平台30旋转；偏航控制器接到风机10的偏航角度达到预定控制角度位置反馈信号后，偏航控制器控制螺旋桨偏航装置33 停止运行；偏航控制器接收到螺旋桨偏航装置33停止运行状态反馈信号后，控制锁紧装置 43锁紧，使水上平台30保持锁紧状态。
下面结合图1-图4，介绍本发明一个具体的实施例。
在风机10需进行偏航动作时，主控系统下发偏航控制命令给偏航控制器，偏航控制器下发控制信号到锁紧装置，锁紧装置使锁紧装置处于打开状态；偏航控制器接到偏航锁紧装置松开状态反馈信号后，向偏航螺旋桨发送偏航运行命令，螺旋桨启动，推动浮式风机 10绕旋转支撑平台31中心旋转；偏航控制器接到风机10偏航角度达到预定控制角度位置反馈信号后，偏航控制器控制螺旋桨系统停止偏航；偏航控制器接收到螺旋桨停止运行状态反馈信号后，控制偏航锁紧装置锁紧，浮式风机基础整机保持锁紧状态。
在一个实施例中，可以在水上平台30设置一定数量飞轮储能装置341，飞轮储能装置的飞轮变流器连接于风机10的变流器直流母线，飞轮储能装置341吸收或释放的能量通过风机变流器的直流母线连接于风机和电网，通过调节飞轮储能装置的转速来调节飞轮储能装置的旋转动能，从而调节飞轮储能系统稳定浮式风机抗外力波动的能力。
具体地，飞轮储能装置341的安装位置根据浮式风机基础平的结构和重心位置确定确定，对于半潜式的水上平台30可以将飞轮储能装置设置在三角形平台的三个浮筒内部，并通过机械刚性连接稳定固定在基础平台上。对于单柱式漂浮机组，飞轮储能装置设置在单柱基础内部，通过刚性机械连接固定于单柱式风机基础。对于其他浮式风机，飞轮储能装置的安装位置根据浮式风机基础平台结构形式和整机的中心位置确定。
对于飞轮储能装置的选择原则，选择大惯量的盘型结构飞轮，有利于提高飞轮轴向外的状态和自身重量，从而有利于提高浮式风机的稳定能力。
布置的飞轮储能装置总功率小于等于风机10的额定功率P风机，单台飞轮储能装置的功率P飞轮等于浮式风机的额定功率除以飞轮储能装置的台数N飞轮，即P飞轮＝P风机/N飞轮。
飞轮储能装置可以采用全磁悬浮飞轮装置或磁悬浮轴承与机械轴承相结合的飞轮储能装置。
在风机10处于平稳状态条件下，通过连接于风机变流器直流母线的飞轮储能变流器驱动飞轮储能装置加速到额定转速，此过程飞轮储能装置从浮式风机或电网吸收能量。此时，高速旋转的飞轮储能装置旋转动能达到额定值，飞轮储能装置具备抗倾覆力矩的能力。高速旋转的飞轮转子与浮式风机基础之间通过电磁力耦合传递力矩，平衡飞轮转子与浮式风机基础受力关系。
当风机输出发电功率大于额定功率时，飞轮储能装置吸收能量，提高储能能量。风机输出发电功率小于额定功率时，飞轮储能装置释放能量，降低储能能量。此过程，飞轮储能装置可以用来平衡浮式风机的功率波动。
在飞轮储能装置运行在稳定浮式风机基础平台的工作模式下，根据在海水波浪波动参数调节飞轮储能装置的转速。在海水波动较小时，飞轮储能装置运行在额定转速，完全可以抵抗海水波动造成的平台基础晃动。海水波动较大时，提高飞轮储能装置的转速，抑制基础平台随波浪的晃动幅度。
浮式风机控制器实时检测来流风速参数，在来流风速小于飞轮储能装置额定转速下对应抑制来流风速对浮式风机基础平台影响的风速条件下，飞轮储能装置稳定运行在额定转速范围。此时飞轮储能系统可运行在对外充放电模式，平滑风电机组输出功率。在来流风速大于等于飞轮储能装置额定转速下对应抑制来流风速对浮式风机基础平台影响的风速条件下，飞轮储能装置通过吸收风电机组电能来提高转速，进而增强飞轮储能装置抑制浮式风机受来流风速影响的能力，此时飞轮储能系统只运行在充电模式。
在飞轮储能装置转速达到允许运行的上限转速时，风电机组控制器开始执行变桨控制模式。当浮式风机输出功率到达额定功率值后，浮式风机转速超过额定转速n0且大于等于 n1时，此时n1＞n0，浮式风机控制器开始下达变桨指令，便将机构执行增大桨距角变桨动作。当浮式风机转速降低到停止变桨转速n2后，此时n＞n2，浮式风机控制器开始下达停止变桨指令，便将机构执行停止变桨动作，风机叶片维持在当前将桨距角位置。
特别地，当浮式风机输出功率到达额定功率值后，桨距角大于浮式风机初始桨距角β0 时，浮式风机转速小于额定转速n0且小于等于n2时，此时n2＞n0，浮式风机控制器开始下达变桨指令，便将机构执行减小桨距角变桨动作。当浮式风机转速提高到停止变桨转速 n1后，此时n1＞n0，浮式风机控制器开始下达停止变桨指令，便将机构执行停止变桨动作，风机叶片维持在当前将桨距角位置。
特别地，当浮式风机叶片桨距角等于初始桨距角β0时，停止变桨，机组重新进入飞轮储能系统稳定浮式风机平稳运行工作模式。
在一个实施例中，所述浮式风机控制器可以包括信号检测与处理模块、信号滤波模块、变桨控制模块、偏航控制模块、发电机转速/转矩控制模块、飞轮储能控制模块。
其中，浮式风机控制器信号检测模块用于实时采集浮式风机各类传感器发送过来的信号，并将采集到的信号进行电平变换、滤波与数字化处理；浮式风机控制器信号滤波模块用于实时对信号检测与处理模块发送的信号进行数字滤波，滤除浮式风机传感器信号中的干扰信号，并把滤波后的各类信号发送给后续控制模块；浮式风机控制器变桨控制模块用于实时对浮式风机的叶片进行变桨角度计算，并把变桨角度计算结果实时发送给变桨执行机构，对变桨执行机构开展实施监控，判断变桨执行机构的运行状态；浮式风机控制器偏航控制模块用于实时对浮式风机的机舱进行偏航角度计算，并把偏航角度计算结果实时发送给偏航执行机构，对偏航执行机构开展实施监控，判断偏航执行机构的运行状态；浮式风机控制器发电机转速/转矩控制模块用于实时对浮式风机的发电机组的转速和转矩进行计算，并把转速和转矩计算结果实时发送给浮式风机变流器的机侧变流器，对发电机组的转速和转矩值开展实施监控，判断发电机组和机侧变流器的运行状态；浮式风机控制器飞轮储能控制模块用于实时对飞轮储能装置的转速和充放电状态进行计算与判断，并把飞轮储能装置转速计算结果以及充放电状态实时发送给飞轮储能变流器，对飞轮储能装置和飞轮储能变流器开展实施监控，判断飞轮储能装置和飞轮储能变流器的运行状态。
综上，本实施方式的单风轮飞轮储能发电系统及其偏航控制方法，通过在不同型式浮式风机确定安装设置飞轮储能装置的类型，根据浮式风机的功率计算飞轮储能装置的功率和储能容量，进而确定飞轮储能装置的数量和安装位置。根据飞轮储能装置的陀螺稳定运行原理，通过高速旋转的飞轮储能装置自身抗扰稳定运行能力，来提高浮式风机整体抗外力稳定运行能力，解决了浮式风机抗外力稳定运行能力差的问题。通过浮式风机变流器直流母线与飞轮储能装置变流器直流侧的连接，为飞轮储能装置提供率充放电能量传递接口，在飞轮储能装置稳定浮式风机运行状态的同时，通过能量的充放控制，极大改善了浮式风机输出功率波动性问题，提高了浮式风机并网电能质量的友好性。通过实时检测来流风速、风向、发电机转速、飞轮转速、并网功率等信号，通过浮式风机控制器的实时计算与分析，在大风速条件下采取浮式风机飞轮储能装置与变桨系统的协调控制方法，实时准确控制浮式风机并网功率、风轮转速、风机晃动等参数，做到浮式风机在大风速条件下稳定发电，解决了浮式风机现有技术中完全靠系泊系统、变桨控制策略来实现机组稳定运行控制的效率低、成本高、安全性差等问题，具有良好的应用前景。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (14)

1.一种单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，包括：
风机(10)，所述风机(10)用于风力发电；
塔筒(20)，所述风机(10)安装于所述塔筒(20)的顶部，并能随所述塔筒(20)同步转动；
水上平台(30)，所述水上平台(30)包括旋转支撑平台(31)、与所述旋转支撑平台(31)固定连接的固定连接环盘(32)、多个螺旋桨偏航装置(33)以及多个飞轮储能装置(341)，所述固定连接环盘(32)的底部形成有环形导向结构(321)，多个所述螺旋桨偏航装置(33)均匀地固定于所述固定连接环盘(32)的外圆周，用于驱动所述水上平台(30)旋转，所述塔筒(20)固定于所述旋转支撑平台(31)，并能够随所述旋转支撑平台(31)同步转动；多个所述飞轮储能装置(341)围绕所述旋转支撑平台(31)的中心均匀分布，每个所述飞轮储能装置(341)均与所述风机(10)电连接，以储存所述风机(10)产生的电能，每个所述飞轮储能装置(341)均具有用于连接电网的连接线，以将储存的电能并入所述电网，所述风机(10)和所述塔筒(20)的重心位于所述水上平台(30)的中心位置；
系泊系统(40)，所述系泊系统(40)与所述水上平台(30)连接，并与所述环形导向结构(321)形成导向配合，所述系泊系统(40)用于锁定所述水上平台(30)的位置；
以及偏航控制器，所述偏航控制器与每个所述螺旋桨偏航装置(33)电信号连接，以控制每个所述螺旋桨偏航装置(33)的工作状态，从而使所述水上平台(30)转动。
2.根据权利要求1所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述系泊系统(40)包括至少三组依次相连的固定机构(41)、连接绳索(42)以及锁紧装置(43)，所述固定机构(41)用于固定于水底，所述锁紧装置(43)与所述环形导向结构(321)形成导向配合；所述锁紧装置(43)能够在锁紧状态和打开状态切换，在所述锁紧状态，所述锁紧装置(43)相对所述固定连接环盘(32)固定，在所述打开状态，所述锁紧装置(43)能够相对所述固定连接环盘(32)沿所述环形导向结构(321)滑动；
所述偏航控制器与每个所述锁紧装置(43)电信号连接，以控制每个所述锁紧装置(43)的锁紧状态。
3.根据权利要求2所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述风机(10)包括：机舱(12)、安装于机舱(12)上的轮毂(13)以及固定于所述轮毂(13)上的三只叶片(14)，三只所述叶片(14)能够随所述轮毂(13)同步转动；
所述机舱(12)固定于所述塔筒(20)的顶部。
4.根据权利要求2所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，每个所述螺旋桨偏航装置(33)与所述旋转支撑平台(31)圆心距离相等；
每个所述螺旋桨偏航装置(33)的旋转轴向方向垂直于所述旋转支撑平台(31)的径向，所述螺旋桨偏航装置(33)的数量大于等于3。
5.根据权利要求1所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述风机(10)所连接机舱顶部设置有风速风向仪，所述风速风向仪用于实时检测所述风机(10)所处环境的风速和方向；所述风速风向仪的电源由所述风机(10)提供。
6.根据权利要求1所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述环形导向结构(321)为开设于所述固定连接环盘(32)底部的环形导槽，或者，所述环形导向结构(321)为开设于所述固定连接环盘(32)底部的环形导轨。
7.根据权利要求1所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述水上平台(30)还包括固定于所述旋转支撑平台(31)的外周面上的多个浮筒(34)，多个所述浮筒(34)围绕所述旋转支撑平台(31)等间距分布，每个所述浮筒(34)内设置有一个所述飞轮储能装置(341)。
8.根据权利要求1所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述飞轮储能装置(341)采用全磁悬浮飞轮装置或磁悬浮轴承与机械轴承相结合的飞轮储能装置。
9.根据权利要求1所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述飞轮储能装置(341)的储能方法包括：
当所述风机(10)输出发电功率大于额定功率时，所述飞轮储能装置(341)吸收能量，提高储能能量；当所述风机(10)输出发电功率小于额定功率时，所述飞轮储能装置(341)释放能量，降低储能能量。
10.根据权利要求9所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述飞轮储能装置(341)的储能方法还包括：
当水面波动小于预设范围时，所述飞轮储能装置(341)运行在预设转速；当水面波动大于等于预设范围时，提高所述飞轮储能装置(341)的转速，以抑制所述水上平台(30)随波浪的晃动幅度。
11.根据权利要求10所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述飞轮储能装置(341)的储能方法还包括：
实时检测来流风速参数，在来流风速小于预设值时，所述飞轮储能装置(341)运行在预设转速；在来流风速大于等于预设值时，提高所述飞轮储能装置(341)的转速，以抑制所述水上平台(30)随波浪的晃动幅度。
12.根据权利要求1所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述飞轮储能装置(341)的动量矩HM＝JM(ω+θ)；所述风机(10)的动量矩HG＝(JG—JM)θ；
来流风速对机组的倾覆力矩M风，满足以下条件：
Figure FDA0003249002040000031
水面波浪对机组的倾覆力矩M浪，满足以下条件：
Figure FDA0003249002040000032
式中：HM——飞轮储能装置的动量矩；
HG——风机的动量矩；
JM——飞轮储能装置转动惯量；
JG——风机的转动惯量；
ω——飞轮储能装置转子角速度；
θ——塔筒轴线与水面法线的夹角；
l——风机顶部与水面之间的距离；
r——风机浸水底面外缘到风机重心与水面垂线之间的距离；
A——风机迎风面的面积；
S——风机湿表面；
C——风阻系数；
ρ——空气密度；
v——来流风速；
ΔP——波浪压力；
n——S的单位外法线矢量；
r——波浪压力作用点相对于风机坐标系的位置向量。
13.根据权利要求12所述的单风轮飞轮储能发电系统，其特征在于，所述飞轮储能装置(341)的目标转速根据以下平衡公式计算：
Figure FDA0003249002040000041
14.一种如权利要求2-13任一项所述的单风轮飞轮储能发电系统的偏航控制方法，其特征在于，包括：
当不需要控制所述风机(10)偏航时，所述偏航控制器下发控制信号到所述锁紧装置(43)，使所述锁紧装置(43)处于锁紧状态；
当需要控制所述风机(10)偏航时，所述偏航控制器下发控制信号到所述锁紧装置(43)，使所述锁紧装置(43)处于打开状态，所述偏航控制器接到所述锁紧装置(43)打开状态反馈信号后，向所述螺旋桨偏航装置(33)发送偏航运行命令，所述螺旋桨偏航装置(33)启动，推动所述水上平台(30)旋转；所述偏航控制器接到所述风机(10)的偏航角度达到预定控制角度位置反馈信号后，所述偏航控制器控制所述螺旋桨偏航装置(33)停止运行；所述偏航控制器接收到所述螺旋桨偏航装置(33)停止运行状态反馈信号后，控制所述锁紧装置(43)锁紧，使所述水上平台(30)保持锁紧状态。
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