CN115085636A - 一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统 - Google Patents

一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115085636A
CN115085636A CN202210822906.6A CN202210822906A CN115085636A CN 115085636 A CN115085636 A CN 115085636A CN 202210822906 A CN202210822906 A CN 202210822906A CN 115085636 A CN115085636 A CN 115085636A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wind
power generation
photovoltaic
vertical axis
permanent magnet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210822906.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115085636B (zh
Inventor
张家安
冀勃睿
王华君
李志军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei University of Technology
Original Assignee
Tianjin Binhai High Tech Zone Hegong Electric Appliance Technology Co ltd
Hebei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Binhai High Tech Zone Hegong Electric Appliance Technology Co ltd, Hebei University of Technology filed Critical Tianjin Binhai High Tech Zone Hegong Electric Appliance Technology Co ltd
Priority to CN202210822906.6A priority Critical patent/CN115085636B/zh
Publication of CN115085636A publication Critical patent/CN115085636A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115085636B publication Critical patent/CN115085636B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/10—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
    • H02S10/12—Hybrid wind-PV energy systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/06—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/007—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations the wind motor being combined with means for converting solar radiation into useful energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/11—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing electrical energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H02K7/183—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines wherein the turbine is a wind turbine
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/30—Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment
    • H02S20/32—Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment specially adapted for solar tracking
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/32—Wind speeds
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/22—The renewable source being solar energy
    • H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/28—The renewable source being wind energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

本发明提供了一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统，涉及新能源设备领域，包括光伏装置，垂直轴风力机以及塔筒，塔筒内设有主轴，侧边设有驱动电机，垂直轴风力机包括升力型叶片，叶片支架，转动轴以及永磁发电机，光伏装置包括光伏阵列以及光伏底座，光伏阵列的非对光侧倾斜设有安装护板，光伏阵列与光伏底座之间设有导流板。本申请通过多个共用结构件实现总体结构的紧凑和成本的降低。该装置白天以光伏发电为主、可实现“光伏+风电”模式运行，实现该装置最大发电功率。夜间该装置切换到“风电”模式下运行。当垂直轴风力机超过额定风速后，该装置可以减少风能捕获，借助电磁刹车器减速直至刹车停机。

Description

一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及新能源设备领域，尤其涉及一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统。
背景技术
能源是社会经济发展基本要素，传统化石能源发电在碳达峰和碳中和背景下正在不断被低碳发电技术取代。风电、光伏发电在迅猛发展，各类风电和光伏发电技术层出不穷，针对特定的应用场景，尚有需要更好的新能源技术需求待开发。
风光互补发电系统在分布式发电领域，在风资源比较丰富地区，尽管已有各种类型风光互补技术应用，但目前技术仍然有某些不足，高度集成、灵活安装、高效率风光互补发电技术应该更具有意义。
传统风光互补发电装置的太阳能电池板都是采用固定安装，不能随着日出日落变化而灵活移动，不能充分利用太阳能。对于普通垂直轴风力机，其风能利用率有待提升。因此设计一种复合协同的发电装置，控制方法及控制系统，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统。
本发明是通过以下技术方案予以实现：一种复合协同的发电装置，其特征在于，包括光伏装置，垂直轴风力机以及与地面固连的塔筒，所述塔筒内设有与其转动连接的主轴，侧边设有驱动电机，所述主轴上设有第一转动齿轮，所述驱动电机的输出端设有与第一转动齿轮相啮合的第一传动齿轮，所述主轴的顶端固接有用于设置垂直轴风力机的主机座，所述主机座的顶面固设有支撑立柱，所述支撑立柱与主轴均位于主机座的中心轴线上，所述垂直轴风力机设有两组，对称安装在支撑立柱的两侧，包括升力型叶片，叶片支架，转动轴以及永磁发电机，所述升力型叶片通过叶片支架与转动轴固定安装，所述永磁发电机固设在主机座的底面，所述永磁发电机的输出端设有第二传动齿轮，所述第二传动齿轮上啮合有第二转动齿轮，所述转动轴的底端穿过主机座的表面与第二转动齿轮相连，所述光伏装置包括光伏阵列以及用于安装光伏阵列的光伏底座，所述光伏阵列的非对光侧倾斜设有安装护板，所述光伏阵列与光伏底座之间设有导流板，所述光伏底座的底面与支撑立柱的顶面相连，主轴的底部通过轴承与塔筒的内部相配合，转动轴的端部通过轴承室分别与光伏底座和主机座相连。
根据上述技术方案，优选地，垂直轴风力机之间的轴心距大于等于1.1倍的垂直轴风力机直径。
根据上述技术方案，优选地，第一转动齿轮和第二转动齿轮上均设有电磁刹车器，第一转动齿轮的下方设有旋转刹车限位器。
根据上述技术方案，优选地，塔筒的中下部固设有电控系统柜。
一种复合协同发电装置控制方法，包括以下步骤：
S1：根据日出、日落的时间对发电装置的方向进行控制；
S2：通过“时间步长/度”法优化跟踪控制；
S3：测量永磁发电机的空载电压，计算风速；
S4：若风速超过额定风速，减少风能捕获，极端风况下，借助电磁刹车器减速，直至刹车停机；若未超过额定风速，在两组垂直轴风力机对风状态下，保持其按最佳叶尖速比范围工作。
根据上述技术方案，优选地，S2中具体包括：
在日出-日落的过程中，光伏阵列跟踪旋转0°~120°，自日出开始，每旋转1个单位角度间隔数分钟步长，先按不同时间步长寻优后，再按固定步长跟踪，这个过程是通过优化时间步长、调节主机座旋转跟踪速度与太阳照射角度变化同步。
根据上述技术方案，优选地，S3中具体包括：
永磁发电机的空载电压，由主控制器对其并网接触器进行检测，计算并网风速，平 均风速达到3m/s时，同步控制两接触器并网，并网后，主控制器测量接触器电流的频率，根 据
Figure 286755DEST_PATH_IMAGE002
得到永磁发电机转速n， 其中，
Figure 283530DEST_PATH_IMAGE004
为永磁发电机电流频率；
Figure 808052DEST_PATH_IMAGE006
为永磁发电机 极对数；n为永磁发电机转速；由于与永磁发电机同轴的第二传动齿轮和与垂直轴风力机同 轴的第二转动齿轮相啮合，因此，根据第二传动齿轮与第二转动齿轮的齿数比，间接得到垂 直轴风力机的转速。与此同时测量升压变换器输出功率，依据
Figure 827961DEST_PATH_IMAGE008
计算出此 刻风速，其中：P为永磁发电机输出功率；
Figure 96131DEST_PATH_IMAGE010
为空气密度；S为垂直轴风力机扫风面积；
Figure 947412DEST_PATH_IMAGE012
为垂 直轴风力机风能利用系数；V为风速；
Figure 908415DEST_PATH_IMAGE014
为风电机组效率。
一种复合协同发电装置控制系统，控制系统包括发电装置以及主控制器，所述主控制器分别与跟踪/偏航控制器、光伏直流升压变换器、升压变换器、并网接触器以及永磁发电机相连，所述光伏直流升压变换器与光伏阵列相连，所述升压变换器、并网接触器以及永磁发电机相互连接且设有两组，分别与两组垂直轴风力机相连，所述控制系统通过直流母线还与光伏直流升压变换器、储能双向变换器、逆变器，直流断路器相连，所述储能双向变换器与储能电池相连，所述逆变器与负载接触器相连，所述负载接触器与直流供电负载相连，所述直流断路器与直流微电网相连。
根据上述技术方案，优选地，主控制器上还设有主断路器且主控制器通过云平台实现数据的传输，所述主断路器与大电网相连。
本发明的有益效果是：本申请通过多个共用结构件实现总体结构的紧凑和成本的降低。该装置白天以光伏发电为主、可实现“光伏+风电”模式运行，实现该装置最大发电功率。夜间该装置切换到“风电”模式下运行。既可以使两组垂直轴风力机与光伏阵列同时发电。也可以使装置单独运行风力发电模式，测量永磁发电机空载电压，可估算风速，实现并网控制，根据永磁风力永磁发电机输出频率和有功功率测量计算，可控制其在最佳叶尖速比区间运行。当风速超过额定风速时，可控制垂直轴风力机实现偏航减少风能捕获，极端风况下，借助电磁刹车器减速直至刹车停机。
附图说明
图1示出了本发明发电装置主视图；
图2示出了本发明发电装置俯视图；
图3示出了本发明发电装置控制方法流程图；
图4示出了本发明发电装置控制系统图。
图中：1、光伏阵列；2、支撑立柱；3、安装护板；4、导流板；5、光伏底座；6、升力型叶片；7、叶片支架；8、转动轴；9、轴承室；10、永磁发电机；11、主机座；12、电磁刹车器；13、主轴；14、第二转动齿轮；15、第二传动齿轮；16、第一传动齿轮；17、驱动电机；18、第一转动齿轮；19、旋转刹车限位器；20、轴承；21、电控系统柜；22、塔筒；
1001、垂直轴风力机；104、跟踪/偏航控制器；105、光伏直流升压变换器；106、并网接触器；108、升压变换器；110、直流母线；111、主控制器；112、储能双向变换器；113、储能电池；114、云平台；115、逆变器；116、负载接触器；117、直流供电负载；118、直流断路器；119、直流微电网；120、主断路器；121、大电网。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图2所示，本发明提供了一种复合协同的发电装置，其特征在于，包括光伏装置，垂直轴风力机以及与地面固连的塔筒22，塔筒底部根据地质结构可直接深埋地下或与地基法兰安装，所述塔筒22内设有与其转动连接的主轴13，侧边设有驱动电机17，所述主轴13上设有第一转动齿轮18，所述驱动电机17的输出端设有与第一转动齿轮18相啮合的第一传动齿轮16，所述主轴13的顶端固接有用于设置垂直轴风力机的主机座11，所述主机座11的顶面固设有支撑立柱2，所述支撑立柱2与主轴13均位于主机座11的中心轴线上，所述垂直轴风力机设有两组，对称安装在支撑立柱的两侧，包括升力型叶片6，叶片支架7，转动轴8以及永磁发电机10，所述升力型叶片6通过叶片支架7与转动轴8固定安装，垂直轴风力机采用并排对风姿态工作，且两垂直轴风力机按对旋形式安装升力型叶片，其最佳旋转方向为迎风侧在两组垂直轴风力机之间、两垂直轴风力机叶尖转向与风向一致，所述永磁发电机10固设在主机座11的底面，所述永磁发电机10的输出端设有第二传动齿轮15，所述第二传动齿轮15上啮合有第二转动齿轮14，所述转动轴8的底端穿过主机座11的表面与第二转动齿轮14相连，所述光伏装置包括光伏阵列1以及用于安装光伏阵列1的光伏底座5，所述光伏阵列1的非对光侧倾斜设有安装护板3，从而减少风阻，所述光伏阵列1与光伏底座5之间设有导流板4，导流板在垂直轴风力机工作时，导流板间有空气流动，其气流方向与导流板平行时阻力最小，当风向改变时，气流与导流板间的阻力增大，因此，气流会推动导流板，从而使主机座转动，进而完成两组垂直轴风力机的自动偏航对风过程；而当风速超过额定风速时，驱动电机会主动带动主机座转动，从而带动两组垂直轴风力机转动，即改变气流与两组垂直轴风力机的迎风方向，减少风能的捕获；当平均风速超过15m/s以上的极端风况时，通过电磁刹车器使垂直轴风力机减速直至刹车停机。
因此，导流板一方面可以对光伏阵列起到支撑的作用，另一方面，也可以起到对风偏航的作用，实现垂直轴风力机的自动对风，光伏阵列的倾斜安装角度，可以根据装置工作的具体地理坐标而定，所述光伏底座5的底面与支撑立柱2的顶面相连。
本装置的工作原理为：本装置在使用时，根据当时所处的工作环境可以选择不同的工作模式。当本装置在夜晚进行工作时，即傍晚到早晨这一时间段，处于“风电”模式运行，两组垂直轴风力机自动偏航运行，而在白天工作时，若基本无风的情况下，采用“光伏”发电模式运行，若有风，则采用光伏+风电”模式运行，二者协同控制工作，驱动电机可以带动主机座转动，从而带动光伏阵列转动，使其处于一直正对太阳的位置，从而实现最大发电功率运行。光伏装置与垂直轴风力机叠加安装，基础安装简单，安装位置灵活，可以高效的利用空间，两者复合使用，提升了装置的发电能力。
主轴13的底部通过轴承20与塔筒的内部相配合，便于主轴的转动并约束主轴在塔筒内的位置，转动轴8的端部通过轴承室9分别与光伏底座5和主机座11相连。
垂直轴风力机之间的轴心距大于等于1.1倍的垂直轴风力机直径，并排对风安装的垂直轴风力机可以提升垂直轴风力机的Cp值。
根据上述实施例，优选地，第一转动齿轮和第二转动齿轮上均设有电磁刹车器12，第二转动齿轮与第二传动齿轮的升速比为3-7倍，这样可以提高永磁发电机转速，减少永磁发电机极对数，电磁刹车器在极端风况时使用，有利于降低成本，第一转动齿轮与第一传动齿轮的传动比为5-10倍，第一转动齿轮18的下方设有旋转刹车限位器19，实现对主机座方位的调整。
根据上述实施例，优选地，塔筒的中下部固设有电控系统柜21，电控系统柜内置储能电池、控制器及风光储共享变流器。
如图3所示，一种复合协同发电装置控制方法，包括以下步骤：
S1：根据日出、日落的时间对发电装置的方向进行控制；
S2：通过“时间步长/度”法优化跟踪控制；
S3：测量永磁发电机的空载电压，计算风速；
S4：若风速超过额定风速，减少风能捕获，极端风况下，借助电磁刹车器减速，直至刹车停机；若未超过额定风速，在两组垂直轴风力机对风状态下，保持其按最佳叶尖速比范围工作。
根据上述实施例，优选地，S2中具体包括：
在日出-日落的过程中，光伏阵列跟踪旋转0°~120°，自日出开始，每旋转1个单位角度间隔数分钟步长，先按不同时间步长寻优后，再按固定步长跟踪，这个过程是通过优化时间步长、调节主机座旋转跟踪速度与太阳照射角度变化同步。
以一天日出-日落的时间为八小时为例，发电装置按日出-日落时序进行自东向西旋转方向控制，从上午8时开始到下午4时停止，光伏发电模式下8小时随太阳旋转120度，使光伏阵列平面基本垂直太阳光照入射角、以光伏阵列MPPT（Maximum Power PointTracking，意为最大功率点跟踪）为目标进行“时间步长/度”法优化跟踪控制。
其中，“时间步长/度”法是指主机座每旋转单位角度，如1、1.5、2度，旋转动作的时间间隔分别对应为4、6、8分钟，优选设置时间间隔-时间步长和单位角度后，上午8时自旋转机座起始位置开始，第一个时间步长后，用3-5秒旋转主机座并同时测量光伏阵列发电功率变化，当光伏发电功率逐渐增加到开始微降的时刻立刻停止转动，旋转角度在1-2度范围内。按此次实际旋转角度的大小，依据15度/小时计算再一次时间步长，时间步长限制在4-8分钟之内。光伏阵列各时段均可按上述规则进行优化调控。当风速满足垂直轴风力机工作条件时（平均风速达到3m/s），控制两组垂直轴风力机与光伏阵列可实现同时发电，二者发电量最大者运行姿态优先，二者最优姿态接近时以光伏发电姿态为主运行。
根据上述实施例，优选地， S3中具体包括：
永磁发电机的空载电压，由主控制器对其并网接触器进行检测，计算并网风速，平 均风速达到3m/s时，同步控制两接触器并网，并网后，主控制器测量接触器电流的频率，根 据
Figure DEST_PATH_IMAGE015
得到永磁发电机转速n， 其中，
Figure 946778DEST_PATH_IMAGE004
为永磁发电机电流频率；
Figure 753060DEST_PATH_IMAGE006
为永磁发电机 极对数；n为永磁发电机转速，由于与永磁发电机同轴的第二传动齿轮和与垂直轴风力机同 轴的第二转动齿轮相啮合，根据第二传动齿轮与第二转动齿轮的齿数比，间接得到垂直轴 风力机的转速,与此同时测量升压变换器输出功率，依据
Figure 918901DEST_PATH_IMAGE008
计算出此刻风 速，其中：P为永磁发电机输出功率；
Figure 581963DEST_PATH_IMAGE010
为空气密度；S为垂直轴风力机扫风面积；
Figure 842043DEST_PATH_IMAGE012
为垂直轴 风力机风能利用系数；V为风速；
Figure 452016DEST_PATH_IMAGE014
为风电机组效率。
由于需要保持垂直轴风力机在最佳叶尖速比的范围内工作，而叶尖速比为叶片尖端的线速度与风速之比，所以在已知垂直轴风力机转速的情况下，根据线速度的计算公式，线速度（m/s）等于圆周长（m）乘以转速（r/s），得出线速度的大小，再与风速相比，得出叶尖速比。
根据所测量风速和垂直轴风力机转速，控制器调节升压变换器的输出功率，在两组垂直轴风力机的对风状态下、保持其按最佳叶尖速比范围工作。
根据上述实施例，优选地，S4中最佳尖速比在2.5~3.0之间；额定风速由垂直轴风 力机设计确定，一般为8m/s~10m/s。工作时依据
Figure 215573DEST_PATH_IMAGE008
测得。当风速超过额定风 速时，由主控制器指令跟踪/偏航控制器动作使两组垂直轴风力机实现偏航，也就是在驱动 电机的作用下，使主机座转动，从而减少两组垂直轴风力机的风能捕获，极端风况下，平均 风速超过15m/s以上，借助电磁刹车器减速、直至刹车停机。
如图4所示，一种复合协同发电装置控制系统，包括发电装置以及主控制器111，所述主控制器分别与跟踪/偏航控制器104、光伏直流升压变换器105、升压变换器108、并网接触器106以及永磁发电机10相连，所述光伏直流升压变换器105与光伏阵列1相连，所述升压变换器108、并网接触器106以及永磁发电机10相互连接且设有两组，分别与两组垂直轴风力机1001相连，控制系统通过直流母线110还与光伏直流升压变换器105、储能双向变换器112、逆变器115、直流断路器118相连，可以使本申请共用一个逆变器输出三相交流电，也可通过其维持直流母线电压的稳定，储能双向变换器112与储能电池113相连，所述逆变器115与负载接触器116相连，所述负载接触器116与直流供电负载117相连，所述直流断路器118与直流微电网119相连。
在主控制器111的作用下，跟踪/偏航控制器104控制光伏阵列1按日出/日落的时间进行方向控制，再以发电量MPPT（Maximum Power Point Tracking，意为最大功率点跟踪）为目标进行“时间步长/度”法优化跟踪控制，垂直轴风力机1001与光伏阵列1共用一个跟踪/偏航控制器104，二者同时发电时，主控制器111通过测量光伏直流升压变换器105和升压变换器108一段间隔二者发电量并进行比较，控制发电装置按发电量最大者姿态运行，二者最优姿态接近时以光伏发电姿态为主运行。
根据上述实施例，优选地，主控制器111上还设有主断路器120且主控制器111负责装置的现地常规控制和智能控制，装置运行状态、运行参数的优化计算，等智能运行和智能维护工作并通过云平台114实现数据的传输，智能运行以及智能维护，所述主断路器120与大电网121相连。
本发明的有益效果是：本申请通过多个共用结构件实现总体结构的紧凑和成本的降低。该装置白天以光伏发电为主、可实现“光伏+风电”模式运行，实现该装置最大发电功率。夜间该装置切换到“风电”模式下运行。既可以使两组垂直轴风力机与光伏阵列同时发电。也可以使装置单独运行风力发电模式，测量永磁发电机空载电压，可估算风速，实现并网控制，根据永磁风力永磁发电机输出频率和有功功率测量计算，可控制其在最佳叶尖速比区间运行。当风速超过额定风速时，可控制垂直轴风力机实现偏航减少风能捕获，极端风况下，借助电磁刹车器减速直至刹车停机。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合协同的发电装置，其特征在于，包括光伏装置，垂直轴风力机以及与地面固连的塔筒，所述塔筒内设有与其转动连接的主轴，侧边设有驱动电机，所述主轴上设有第一转动齿轮，所述驱动电机的输出端设有与第一转动齿轮相啮合的第一传动齿轮，所述主轴的顶端固接有用于设置垂直轴风力机的主机座，所述主机座的顶面固设有支撑立柱，所述支撑立柱与主轴均位于主机座的中心轴线上，所述垂直轴风力机设有两组，对称安装在支撑立柱的两侧，包括升力型叶片，叶片支架，转动轴以及永磁发电机，所述升力型叶片通过叶片支架与转动轴固定安装，所述永磁发电机固设在主机座的底面，所述永磁发电机的输出端设有第二传动齿轮，所述第二传动齿轮上啮合有第二转动齿轮，所述转动轴的底端穿过主机座的表面与第二转动齿轮相连，所述光伏装置包括光伏阵列以及用于安装光伏阵列的光伏底座，所述光伏阵列的非对光侧倾斜设有安装护板，所述光伏阵列与光伏底座之间设有导流板，所述光伏底座的底面与支撑立柱的顶面相连，所述主轴的底部通过轴承与塔筒的内部相配合，所述转动轴的端部通过轴承室分别与光伏底座和主机座相连。
2.根据权利要求1所述的一种复合协同的发电装置，其特征在于，所述垂直轴风力机之间的轴心距大于等于1.1倍的垂直轴风力机直径。
3.根据权利要求2所述的一种复合协同的发电装置，其特征在于，所述第一转动齿轮和第二转动齿轮上均设有电磁刹车器，所述第一转动齿轮的下方设有旋转刹车限位器。
4.根据权利要求3所述的一种复合协同的发电装置，其特征在于，所述塔筒的中下部固设有电控系统柜。
5.一种复合协同发电装置控制方法，应用于权利要求1-4中任一发电装置，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1：根据日出、日落的时间对发电装置的方向进行控制；
S2：通过“时间步长/度”法优化跟踪控制；
S3：测量永磁发电机的空载电压，计算风速；
S4：若风速超过额定风速，减少风能捕获，极端风况下，借助电磁刹车器减速，直至刹车停机；若未超过额定风速，在两组垂直轴风力机对风状态下，保持其按最佳叶尖速比范围工作。
6.根据权利要求5所述的一种复合协同发电装置控制方法，其特征在于，所述S2中具体包括：
在日出-日落的过程中，光伏阵列跟踪旋转0°~120°，自日出开始，每旋转1个单位角度间隔数分钟步长，先按不同时间步长寻优后，再按固定步长跟踪，这个过程是通过优化时间步长、调节主机座旋转跟踪速度与太阳照射角度变化同步。
7.根据权利要求5所述的一种复合协同发电装置控制方法，其特征在于，所述S3中具体包括：
永磁发电机的空载电压，由主控制器对其并网接触器进行检测，计算并网风速，平均风 速达到3m/s时，同步控制两接触器并网，并网后，主控制器测量接触器电流的频率，根据
Figure 742794DEST_PATH_IMAGE001
得到永磁发电机转速n， 其中，
Figure 885063DEST_PATH_IMAGE002
为永磁发电机电流频率；
Figure 910787DEST_PATH_IMAGE003
为永磁发电机极 对数；n为永磁发电机转速；根据第二传动齿轮与第二转动齿轮的齿数比，得到垂直轴风力 机的转速,与此同时测量升压变换器输出功率，依据
Figure 240138DEST_PATH_IMAGE004
计算出此刻风速，其 中：P为永磁发电机输出功率；
Figure 766934DEST_PATH_IMAGE005
为空气密度；S为垂直轴风力机扫风面积；
Figure 29288DEST_PATH_IMAGE006
为垂直轴风力 机风能利用系数；V为风速；
Figure 225914DEST_PATH_IMAGE007
为风电机组效率。
8.根据权利要求5所述的一种复合协同发电装置控制方法，其特征在于，所述S4中最佳尖速比在2.5~3.0之间。
9.一种复合协同发电装置控制系统，应用于权利要求5的控制方法，其特征在于，所述控制系统包括发电装置以及主控制器，所述主控制器分别与跟踪/偏航控制器、光伏直流升压变换器、升压变换器、并网接触器以及永磁发电机相连，所述光伏直流升压变换器与光伏阵列相连，所述升压变换器、并网接触器以及永磁发电机相互连接且设有两组，分别与两组垂直轴风力机相连，所述控制系统通过直流母线还与光伏直流升压变换器、储能双向变换器、逆变器、直流断路器相连，所述储能双向变换器与储能电池相连，所述逆变器与负载接触器相连，所述负载接触器与直流供电负载相连，所述直流断路器与直流微电网相连。
10.根据权利要求9所述的一种复合协同发电装置控制系统，其特征在于，所述主控制器上还设有主断路器且主控制器通过云平台实现数据的传输，所述主断路器与大电网相连。
CN202210822906.6A 2022-07-14 2022-07-14 一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统 Active CN115085636B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210822906.6A CN115085636B (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210822906.6A CN115085636B (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115085636A true CN115085636A (zh) 2022-09-20
CN115085636B CN115085636B (zh) 2022-12-16

Family

ID=83259090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210822906.6A Active CN115085636B (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115085636B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117452977A (zh) * 2023-12-22 2024-01-26 天津轻工职业技术学院 风光发电机的跟踪驱动器的控制方法及风光发电机
CN117703667A (zh) * 2024-02-06 2024-03-15 东北电力大学 基于光伏板导流增效的水平垂直轴风力机及控制方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101451499A (zh) * 2007-11-28 2009-06-10 蔡心一 恒向四象限全升力垂直轴风力发电机
US20090184521A1 (en) * 2008-01-17 2009-07-23 Chong Wun C Twin wind turbine power system
CN201377393Y (zh) * 2009-02-25 2010-01-06 王川 弹力控速风力发电机
CN102255566A (zh) * 2011-06-14 2011-11-23 沈阳航空航天大学 风光互补发电装置
CN104131952A (zh) * 2014-07-29 2014-11-05 南通理工学院 一种垂直轴风力发电机
CN105515033A (zh) * 2016-02-29 2016-04-20 许昌学院 一种光储微电网系统的功率协调控制方法
CN105673329A (zh) * 2015-09-02 2016-06-15 张桂臣 船舶风光储波浪能综合利用发电装置
CN205805826U (zh) * 2016-06-23 2016-12-14 易海燕 一种垂直轴风力发电机
CN109838348A (zh) * 2017-11-27 2019-06-04 蓝悦祯 一种贯流型垂直轴风光发电机
CN111476293A (zh) * 2020-04-03 2020-07-31 河海大学 一种计及风速风向的风电场分群方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101451499A (zh) * 2007-11-28 2009-06-10 蔡心一 恒向四象限全升力垂直轴风力发电机
US20090184521A1 (en) * 2008-01-17 2009-07-23 Chong Wun C Twin wind turbine power system
CN201377393Y (zh) * 2009-02-25 2010-01-06 王川 弹力控速风力发电机
CN102255566A (zh) * 2011-06-14 2011-11-23 沈阳航空航天大学 风光互补发电装置
CN104131952A (zh) * 2014-07-29 2014-11-05 南通理工学院 一种垂直轴风力发电机
CN105673329A (zh) * 2015-09-02 2016-06-15 张桂臣 船舶风光储波浪能综合利用发电装置
CN105515033A (zh) * 2016-02-29 2016-04-20 许昌学院 一种光储微电网系统的功率协调控制方法
CN205805826U (zh) * 2016-06-23 2016-12-14 易海燕 一种垂直轴风力发电机
CN109838348A (zh) * 2017-11-27 2019-06-04 蓝悦祯 一种贯流型垂直轴风光发电机
CN111476293A (zh) * 2020-04-03 2020-07-31 河海大学 一种计及风速风向的风电场分群方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117452977A (zh) * 2023-12-22 2024-01-26 天津轻工职业技术学院 风光发电机的跟踪驱动器的控制方法及风光发电机
CN117452977B (zh) * 2023-12-22 2024-04-12 天津轻工职业技术学院 风光发电机的跟踪驱动器的控制方法及风光发电机
CN117703667A (zh) * 2024-02-06 2024-03-15 东北电力大学 基于光伏板导流增效的水平垂直轴风力机及控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115085636B (zh) 2022-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115085636B (zh) 一种复合协同的发电装置、控制方法及控制系统
CN109209758B (zh) 风光一体化发电装置及其使用方法
CN109194248A (zh) 一种球状一体式风光互补发电系统及方法
CN207835390U (zh) 一种可同时利用风能和太阳能的光伏支架
CN107542624B (zh) 一种太阳能风能一体发电装置
US20210399549A1 (en) Apparent Power Management in Hybrid Power Stations
KR20120109889A (ko) 건물형 태양광 및 풍력에너지 발전장치
CN106936372A (zh) 一种风光互补一体式发电结构
CN203374433U (zh) 一种风力发电幕墙
CN206211906U (zh) 一种风光互补一体化基站
CN211082138U (zh) 一种用于风力发电机的专用调向机构
CN210074791U (zh) 基于多能源互补的合同能源服务系统
KR200344088Y1 (ko) 1kW~5kW급 연계 계통형 소형풍력발전장치
Yamauchi et al. Operation principle of multiple DC smart grids
CN113014037A (zh) 一种含飞轮和无极传动的电转气装置及其运行方法
KR101116123B1 (ko) 건물 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템
Wenli Research on Energy Storage and Hydrogen Production System of Offshore Wind-solar Hybrid Power Generation Based on 3D Finite Element Method
CN219999282U (zh) 一种风光一体化发电装置
Ilamathi et al. Hybrid energy generation through vertical axis savonius wind turbine and solar panel
CN217935527U (zh) 基于发电玻璃的变电站光伏系统
CN218897195U (zh) 风光结合的发电装置
CN216588942U (zh) 一种风能太阳能一体化发电装置
CN220452093U (zh) 一种风光发电装置及发电系统
CN218598288U (zh) 一种风光蓄力的q型风力发电机装置
Donode et al. Grid connected hybrid renewable energy system for vehicles charging station and street lightning system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20221128

Address after: No. 5340, Xiping Road, Shuang Kou Town, Beichen District, Tianjin

Applicant after: Hebei University of Technology

Address before: 300384 room 104-008, floor 1, star enterprise center, No. 3, Haitai development road 6, Huayuan Industrial Zone, Binhai high tech Zone, Binhai New Area, Tianjin

Applicant before: Tianjin Binhai high tech Zone Hegong Electric Appliance Technology Co.,Ltd.

Applicant before: Hebei University of Technology

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant