CN116292122A - 一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统及控制方法，基于陀螺仪特性陀螺仪的定轴性和势能低的物体稳定原理，考虑储能的需求，采用储能电池为陀螺稳定平台配重，增加陀螺稳定平台的质量、降低漂浮式风力发电系统的重心，提高漂浮式风力发电的结构阻尼稳定性，通过储能电池充放电，提高电网的稳定性；通过漂浮式、半潜式浮筒动与静的相对位移，带动牵引索往复运动，驱动陀螺稳定单元产生旋转惯量。本发明依据飞轮原理对电网快速支撑，控制360度云台和电动螺旋桨立体控制，产生反向推力抑制超出上限的水体波动。
Description
技术领域
本发明涉及一种属于新能源发电领域，具体涉及一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统及控制方法。
背景技术
由于近海30米内水深以海床作为基础的风力发电资源有限，今后的海上风力发电向60～300米之间发展，从经济性、安装操作、模块换制造，实用性需求，无疑漂浮式风力发电是未来发展的方向。
由于水体的波动如海洋，造成风力发电结构和发电特性不稳定，同时也面临着众所周知光伏、风力发电的不确定性和不稳定性，造成电网的波动。由此风机发电结构、发电特性稳定和储能的三大重要问题凸显。
漂浮式风力发电主要面临着风和海浪作用引起一定的摆动不稳定性，如海浪来自水平和垂直两个维度运动影响，两种运动与风力的叠加使海上风力发电结构的可靠性、发电的稳定性面临着极大的影响。由此考虑抑制垂直方向漂浮式风力发电波动，可采用柔性减震方式或惯性重力等，而水平方向造成漂浮式风力发电一定的倾斜摆动，基于陀螺仪特性考虑，当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变：(1)转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；(2)转子角速度愈大，稳定性愈好。依据上述该特性，同时考虑储能的需求，通过储能电池配重提高转子的转动惯量和降低浮式风力发电的结构重心。一方面提高转子的稳定性即增加风力发电结构阻尼保证稳定性，另一方面通过储能提高电网的稳定性，使漂浮式风力发电的结构和发电稳定性成为可能。由此提出一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统及控制方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统及控制方法。
一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统，其特征在于：包括风塔、浮筒单元、陀螺稳定单元、储能发电单元和漂浮式风机定位单元；
所述的风塔固定安装在陀螺稳定单元之上，浮筒单元以陀螺稳定单元为圆心均匀分布；储能发电单元安装在陀螺稳定单元中；漂浮式风机定位单元安装在陀螺稳定单元底部。
所述的浮筒单元由若干个半潜式浮筒和若干个漂浮式浮筒组成，半潜式浮筒圆柱型结构，底部圆锥形结构，以陀螺稳定单元为圆心均匀分布，并通过刚性支架与陀螺稳定单元连接，半潜于水体中；漂浮式浮筒的圆柱型结构漂浮于水面，中心有一孔并通过在每个刚性支架上垂直于水面安装的滑竿，随着水体的波动上下滑动连接，通过水体的波动产生漂浮式浮筒与半潜式浮筒动与静的相对位移，利用位移产生的机械能通过牵引索双向往复运动，助力驱动陀螺稳定单元旋转产生转动惯量，基于陀螺原理稳定风机发电系统；
所述的陀螺稳定单元包括上下圆柱形密封舱、陀螺稳定平台、双向往复-自适应旋转运动耦合机构；
陀螺稳定单元包括陀螺平台、主轴齿轮和陀螺主轴。
进一步地，所述上下圆柱形密封舱包括：上圆柱形密封舱和下圆柱形密封舱，上圆柱形密封舱与下圆柱形密封舱之间相对密封独立；其中储能发电单元中的双向逆变器、电动/发电一体机和若干套双向往复-自适应旋转运动耦合机构置于上圆柱形密封舱内；储能发电单元中的电池组和陀螺稳定平台置于下圆柱形密封舱内。
进一步地，每套双向往复-自适应旋转运动耦合机构包括双向往复-旋转运动耦合器和牵引索；漂浮式浮筒通过牵引索牵引双向往复-旋转运动耦合器，将漂浮式浮筒受海水的波动的上下运动机械能转换成旋转运动动能，并通过双向往复-旋转运动耦合器和陀螺稳定平台中的主轴齿轮助力驱动陀螺稳定平台旋转；牵引索一端与漂浮式浮筒底端连接，另一端经刚性支架内、上圆柱形密封舱内、双向往复-自适应旋转运动耦合机构与悬锤连接；悬锤的重力解决漂浮式浮筒向下运行时对牵引索产生同步的拉力。
进一步地，所述陀螺平台为圆柱形结构，与主轴齿轮、陀螺主轴同心，并固定安装；陀螺主轴上端与电动/发电一体机连接，中间与主轴齿轮固定连接，置于上圆柱形密封舱内；陀螺主轴下端通过下圆柱形密封舱上端密封上轴承、贯穿陀螺平台中心与下圆柱形密封舱底部通过下轴承连接；多套双向往复-自适应旋转运动耦合机构通过主轴齿轮传动，驱动陀螺主轴带动陀螺平台旋转。
进一步地，所述的电池组均匀的安放在陀螺平台上，电池输入输出正端通过陀螺主轴的电源正连接环与双向逆变器正接线端子连接；电池输入输出负端通过陀螺主轴的电源负连接环与双向逆变器负接线端子连接；当风力发电有余电时，分别通过双向逆变器正接线端子和负接线端子，经陀螺主轴的电源正连接环和电源负连接环，通过电池输入输出正端和电池输入输出负端对电池组充电；以及增加对电动/发电一体机之电动机的驱动功率，提高陀螺平台转速。
进一步地，当对电网瞬时支撑供电时，利用陀螺平台转动惯量带动陀螺主轴驱动电动/发电机一体机之发电机快速发电，对电网支撑；
当需持续对电网支撑时，电池组通过陀螺主轴的电源正连接环和电源负连接环经双向逆变器正接线端子和负接线端子对电网供电。
进一步地，漂浮式风机定位单元为电动螺旋桨，通过360度云台与下圆柱形密封舱浮筒底部连接，目的通过GPS点位信息控制360度云台和电动螺旋桨修正漂浮式风机位于水面地理位置，以及漂浮式风机发生异常运动时，通过控制360度云台和电动螺旋桨产生与异常运动方向相反的推力，有效地抑制漂浮式风机异常运动。
本发明还提供一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1、当风力发电有余电时，风力发电分别通过双向逆变器对储能电池充电，以及通过电动/发电一体机增加对电动机的驱动功率，助力双向往复-自适应旋转运动耦合机构提高陀螺稳定平台转速；
步骤2、当对电网瞬时支撑时，且陀螺稳定平台转速大于下限转速时，陀螺稳定平台带动电动/发电机一体机之发电机发电，对电网快速支撑；
步骤3、当需持续对电网支撑时，且储能电池剩余电量大于剩余电量下限时，储能电池通过双向逆变器对电网供电；
步骤4、为保证漂浮式风力发电系统的稳定性，控制器通过控制360度云台和电动螺旋桨产生与异常运动方向相反的推力，有效地抑制漂浮式风机异常运动。
有益效果：
1)依据陀螺仪原理提高漂浮式风力发电系统的结构稳定；
2)采用储能电池为陀螺稳定平台配重，一方面增加陀螺稳定平台的质量、降低漂浮式风力发电系统的重心，提高漂浮式风力发电的结构稳定性，另一方面通过储能电池充放电，提高电网的稳定性；
3)依据飞轮原理同时对电网的快速支撑，速度可为毫秒级。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统结构图；
图2为漂浮式风力发电浮筒单元和陀螺稳定单元剖面结构关系图；
图3为储能发电单元示意图。
其中：陀螺主轴1，陀螺平台2，下圆柱形密封舱3，漂浮式浮筒4，电动/发电一体机5，刚性支架6，风塔7，双向逆变器8、电源正连接环9，电源负连接环10，正接线端子11，负接线端子12，电池组13，下轴承14，上轴承15，电池输入输出负端16，电池输入输出正端17，半潜式浮筒18，滑竿19，牵引索20，悬锤21，主轴齿轮22，双向往复-旋转运动耦合器23，上圆柱形密封舱24，360度云台25，电动螺旋桨26，
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、2所示，本发明的漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统主要包括：风塔7、浮筒单元、陀螺稳定单元、储能发电单元和漂浮式风机定位单元。
所述的风塔7固定安装在陀螺稳定单元之上，浮筒单元以陀螺稳定单元为圆心均匀分布；储能发电单元安装在陀螺稳定单元中；漂浮式风机定位单元安装在陀螺稳定单元底部。
所述的浮筒单元由若干个半潜式浮筒18和若干个漂浮式浮筒4组成，半潜式浮筒18圆柱型结构，底部圆锥形结构，以陀螺稳定单元为圆心均匀分布，并通过刚性支架6与陀螺稳定单元连接，半潜于水体中；主要目的对漂浮式风力发电系统在水体上漂浮支撑，同时半潜式浮筒18结合圆锥形结构，可以对纵向波浪减少的影响相对静止。漂浮式浮筒4圆柱型结构漂浮于水面，中心有一孔并通过在每个刚性支架6上垂直于水面安装的滑竿19，随着水体的波动上下滑动连接。主要目的通过水体的波动产生漂浮式浮筒4与半潜式浮筒18动与静的相对位移，利用位移产生的机械能通过牵引索20双向往复运动，助力驱动陀螺稳定单元旋转产生转动惯量，基于陀螺原理稳定风机发电系统。所述的陀螺稳定单元包括：上下圆柱形密封舱、陀螺稳定平台、双向往复-自适应旋转运动耦合机构；
上下圆柱形密封舱包括：上圆柱形密封舱24和下圆柱形密封舱3，上圆柱形密封舱24与下圆柱形密封舱3之间相对密封独立；其中储能发电单元中的双向逆变器8、电动/发电一体机5和若干套双向往复-自适应旋转运动耦合机构置于上圆柱形密封舱24内；储能发电单元中的电池组13和陀螺稳定平台2置于下圆柱形密封舱3内；
每套双向往复-自适应旋转运动耦合机构包括：双向往复-旋转运动耦合器23和牵引索20。漂浮式浮筒4通过牵引索20牵引双向往复-旋转运动耦合器，将漂浮式浮筒4受海水的波动的上下运动机械能转换成旋转运动动能，并通过双向往复-旋转运动耦合器23和陀螺稳定平台中的主轴齿轮22助力驱动陀螺稳定平台旋转。其中，牵引索20一端与漂浮式浮筒4底端连接，另一端经刚性支架6内、上圆柱形密封舱24内、双向往复-自适应旋转运动耦合机构与悬锤21连接。悬锤21重力解决漂浮式浮筒4向下运行时对牵引索20产生同步的拉力。
其中，双向往复-自适应旋转运动耦合机构基于棘轮单向传动原理，实现链条往复运动驱动转轮单方向持续转动，具有往复-旋转运动耦合、无级变速、齿轮驱动等功能。双向往复-自适应旋转运动耦合机构与漂浮式浮筒4相互配合数量相等。
陀螺稳定单元包括：陀螺平台2、主轴齿轮22和陀螺主轴1。其中，陀螺平台2为圆柱形结构，与主轴齿轮22、陀螺主轴1同心，并固定安装。陀螺主轴1上端与电动/发电一体机5连接，中间与主轴齿轮22固定连接，置于上圆柱形密封舱24内。陀螺主轴1下端通过下圆柱形密封舱3上端密封上轴承15、贯穿陀螺平台2中心与下圆柱形密封舱3底部通过下轴承14连接。多套双向往复-自适应旋转运动耦合机构通过主轴齿轮22传动，驱动陀螺主轴1带动陀螺平台2旋转。
为了提高陀螺稳定平台的稳定，基于转动动能原理
利用储能电池13提供陀螺平台2的质量m电池，由此将电池组13均匀的安放在陀螺平台2上，起到提升陀螺稳定单元稳定、降低漂浮式风力发电系统重心的目的，同时重量势能惯性可抵消一部分纵向浪涌的波动。
陀螺主轴1上端安装经变速的电动/发电一体机5，目的是电动/发电机一体机5之电动机驱动陀螺主轴1带动陀螺平台2旋转，提升陀螺稳定平台速度，增加陀螺稳定平台旋转惯量，保证漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统的稳定。反之陀螺单元旋转动能驱动电动/发电一体机5之发动机快速支撑电网。
如图3所示，所述的电池组13均匀的安放在陀螺平台2上，电池输入输出正端17通过陀螺主轴1的电源正连接环9与双向逆变器8正接线端子11连接；电池输入输出负端16通过陀螺主轴1的电源负连接环10与双向逆变器8负接线端子12连接。当风力发电有余电时，分别通过双向逆变器8正接线端子11和负接线端子12，经陀螺主轴1的电源正连接环9和电源负连接环10，通过电池输入输出正端17和电池输入输出负端16对电池组13充电；以及增加对电动/发电一体机5之电动机的驱动功率，提高陀螺平台2转速。
当对电网瞬时支撑供电时，利用陀螺平台2转动惯量带动陀螺主轴1驱动电动/发电机一体机5之发电机快速发电，对电网支撑，原理同飞轮。
当需持续对电网支撑时，电池组13通过陀螺主轴1的电源正连接环9和电源负连接环10经双向逆变器8正接线端子11和负接线端子12对电网供电。
所述的漂浮式风机定位单元为电动螺旋桨26，通过360度云台25与下圆柱形密封舱浮筒3底部连接，目的通过GPS点位信息控制360度云台25和电动螺旋桨26修正漂浮式风机位于水面地理位置，以及漂浮式风机发生异常运动时，通过控制360度云台25和电动螺旋桨26产生与异常运动方向相反的推力，有效地抑制漂浮式风机异常运动。
本发明的原理在于：基于陀螺仪特性和转动动能公式为
采用储能电池配重一方面提高陀螺平台的质量，降低漂浮式风力发电系统的重心，通过余电助力驱动陀螺平台旋转，保证漂浮式风力发电系统结构的稳定，克服浪涌对风力发电波动影响。另一方面通过储能电池提供余电储能、和对电网支撑，同时兼有飞轮储能功能，即陀螺单元旋转动能驱动发动机快速支撑电网。其中，ω为陀螺角速度；E陀螺为转动动能；m电池为电池质量微元；r为陀螺平台半径；M电池为电池质量分布。
利用水体的波动产生漂浮式浮筒与半潜式浮筒动与静的相对位移，利用位移产生的机械能通过牵引索双向往复运动，驱动双向往复-自适应旋转运动耦合机构，助力驱动陀螺稳定单元旋转产生转动惯量，基于陀螺原理稳定漂浮式风力发电系统结构稳定。
为保障漂浮式风力发电的稳定，通过控制360度云台和电动螺旋桨产生与异常运动方向相反的推力，有效地抑制漂浮式风机异常运动。
本发明的控制方法包括如下步骤：
步骤1、当风力发电有余电时，风力发电分别通过双向逆变器对储能电池充电，以及通过电动/发电一体机增加对电动机的驱动功率，助力双向往复-自适应旋转运动耦合机构提高陀螺稳定平台转速。
步骤2、当对电网瞬时支撑时，且陀螺稳定平台转速大于下限转速时，陀螺稳定平台带动电动/发电机一体机之发电机发电，对电网快速支撑，其原理同飞轮储能。
步骤3、当需持续对电网支撑时，且储能电池剩余电量大于剩余电量下限时，储能电池通过双向逆变器对电网供电。
步骤4、为保证漂浮式风力发电系统的稳定性，控制器通过控制360度云台和电动螺旋桨产生与异常运动方向相反的推力，有效地抑制漂浮式风机异常运动。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统，其特征在于：包括风塔、浮筒单元、陀螺稳定单元、储能发电单元和漂浮式风机定位单元；
所述的风塔固定安装在陀螺稳定单元之上，浮筒单元以陀螺稳定单元为圆心均匀分布；储能发电单元安装在陀螺稳定单元中，漂浮式风机定位单元安装在陀螺稳定单元底部；
所述的浮筒单元由若干个半潜式浮筒和若干个漂浮式浮筒组成，半潜式浮筒圆柱型结构，底部圆锥形结构，以陀螺稳定单元为圆心均匀分布，并通过刚性支架与陀螺稳定单元连接，半潜于水体中；漂浮式浮筒的圆柱型结构漂浮于水面，中心有一孔并通过在每个刚性支架上垂直于水面安装的滑竿，随着水体的波动上下滑动连接，通过水体的波动产生漂浮式浮筒与半潜式浮筒动与静的相对位移，利用位移产生的机械能通过牵引索双向往复运动，助力驱动陀螺稳定单元旋转产生转动惯量，基于陀螺原理稳定风机发电系统；
所述的陀螺稳定单元包括上下圆柱形密封舱、陀螺稳定平台、双向往复-自适应旋转运动耦合机构；
陀螺稳定单元包括陀螺平台、主轴齿轮和陀螺主轴。
2.根据权利要求1所述的一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统，其特征在于：所述上下圆柱形密封舱包括：上圆柱形密封舱和下圆柱形密封舱，上圆柱形密封舱与下圆柱形密封舱之间相对密封独立；其中储能发电单元中的双向逆变器、电动/发电一体机和若干套双向往复-自适应旋转运动耦合机构置于上圆柱形密封舱内；储能发电单元中的电池组和陀螺稳定平台置于下圆柱形密封舱内。
3.根据权利要求1所述的一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统，其特征在于：每套双向往复-自适应旋转运动耦合机构包括双向往复-旋转运动耦合器和牵引索；漂浮式浮筒通过牵引索牵引双向往复-旋转运动耦合器，将漂浮式浮筒受海水的波动的上下运动机械能转换成旋转运动动能，并通过双向往复-旋转运动耦合器和陀螺稳定平台中的主轴齿轮助力驱动陀螺稳定平台旋转；牵引索一端与漂浮式浮筒底端连接，另一端经刚性支架内、上圆柱形密封舱内、双向往复-自适应旋转运动耦合机构与悬锤连接；悬锤的重力解决漂浮式浮筒向下运行时对牵引索产生同步的拉力。
4.根据权利要求1所述的一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统，其特征在于：所述陀螺平台为圆柱形结构，与主轴齿轮、陀螺主轴同心，并固定安装；陀螺主轴上端与电动/发电一体机连接，中间与主轴齿轮固定连接，置于上圆柱形密封舱内；陀螺主轴下端通过下圆柱形密封舱上端密封上轴承、贯穿陀螺平台中心与下圆柱形密封舱底部通过下轴承连接；多套双向往复-自适应旋转运动耦合机构通过主轴齿轮传动，驱动陀螺主轴带动陀螺平台旋转。
5.根据权利要求1所述的一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统，其特征在于：所述的电池组均匀的安放在陀螺平台上，电池输入输出正端通过陀螺主轴的电源正连接环与双向逆变器正接线端子连接；电池输入输出负端通过陀螺主轴的电源负连接环与双向逆变器负接线端子连接；当风力发电有余电时，分别通过双向逆变器正接线端子和负接线端子，经陀螺主轴的电源正连接环和电源负连接环，通过电池输入输出正端和电池输入输出负端对电池组充电；以及增加对电动/发电一体机之电动机的驱动功率，提高陀螺平台转速。
6.根据权利要求1所述的一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统，其特征在于：当对电网瞬时支撑供电时，利用陀螺平台转动惯量带动陀螺主轴驱动电动/发电机一体机之发电机快速发电，对电网支撑；
当需持续对电网支撑时，电池组通过陀螺主轴的电源正连接环和电源负连接环经双向逆变器正接线端子和负接线端子对电网供电。
7.根据权利要求1所述的一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统，其特征在于：漂浮式风机定位单元为电动螺旋桨，通过360度云台与下圆柱形密封舱浮筒底部连接，目的通过GPS点位信息控制360度云台和电动螺旋桨修正漂浮式风机位于水面地理位置，以及漂浮式风机发生异常运动时，通过控制360度云台和电动螺旋桨产生与异常运动方向相反的推力，有效地抑制漂浮式风机异常运动。
8.根据权利要求1-7之一所述的一种漂浮式风力发电、储能和陀螺稳定系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、当风力发电有余电时，风力发电分别通过双向逆变器对储能电池充电，以及通过电动/发电一体机增加对电动机的驱动功率，助力双向往复-自适应旋转运动耦合机构提高陀螺稳定平台转速；
步骤2、当对电网瞬时支撑时，且陀螺稳定平台转速大于下限转速时，陀螺稳定平台带动电动/发电机一体机之发电机发电，对电网快速支撑；
步骤3、当需持续对电网支撑时，且储能电池剩余电量大于剩余电量下限时，储能电池通过双向逆变器对电网供电；
步骤4、为保证漂浮式风力发电系统的稳定性，控制器通过控制360度云台和电动螺旋桨产生与异常运动方向相反的推力，有效地抑制漂浮式风机异常运动。
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