CN103807096B - 风力涡轮机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机以及控制该风力涡轮机的方法。所述风力涡轮机包括叶片、机舱、设置在机舱中的发电机、设置在机舱上部的风速测速仪以及设置在机舱中的控制系统，所述控制系统包括：设置在机舱下部的偏航系统、转矩控制模块、偏航控制模块、变流器，其中，在额定风速以下，偏航系统使风力涡轮机对准风向，并通过控制尖速比来控制功率，在额定风速以上时，通过偏航系统使风力涡轮机偏离风向，并控制风力涡轮机的转速，使电机功率保持在额定功率。根据本发明的风力涡轮机不使用故障率较高的变桨系统，从而高风力涡轮机的运行可靠性，使得风力涡轮机的设计重量减轻，节省了材料和成本。

Description

风力涡轮机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，更具体地讲，涉及一种不具有变桨系统的风力涡轮机及其控制方法。

背景技术

风能是一种开放、安全的可再生能源，目前风能的利用越来越受到重视。风力发电机组是依靠捕获风能，将动能转化为电能的发电设备。风力涡轮机是风力发电机组的重要组成部分。

变桨系统和偏航系统是实现风力涡轮机能量转换的两个重要控制系统。变桨系统通过对叶片变桨角的调整来保持在额定风速以上输出功率不变；偏航系统通过机舱顶部的风向标来调整机头的对风角度，从而跟踪自然界的风向变化，达到最大捕捉风能的目的。

在传统风力涡轮机中，在轮毂中安装变桨电机、变桨减速器和变桨控制柜等部件，通过变桨系统来达到控制功率的目的。然而，由于变桨系统的复杂性，大部分的电子部件和机械部件在轮毂内随叶轮旋转，很容易造成损坏；同时需要通过滑环从机舱传递电信号和控制信号。根据统计，变桨系统故障在风力涡轮机故障统计中占第一位。

此外，传统的风力涡轮机是使用被动控制方式进行涡轮机控制，即，通过机舱顶上的风向标和风速计测量风速和风向等输入信号，然后把输入信号传递到主控系统中，通过变桨和偏航系统动作达到稳定运行。在额定风速以上采用变桨系统来控制功率输出，增加了控制系统的复杂性，由于需要从静止部件传递电信号和控制信号到转动部件，需要通过滑环系统，增加了故障几率；同时由于是被动控制状态，使得风力涡轮机的设计余度增大，设计安全系数增大，从而造成机组重量偏重、价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力涡轮机及其功率控制方法。所述风力涡轮机省去了易损且昂贵的变桨系统，通过偏航系统调整对风方向，来控制风力涡轮机的功率。在额定功率以下时，控制系统根据风速测速仪测得的风速信号和风向信号，通过偏航控制系统对准风向，并通知变流器调整转矩，控制叶轮转速使叶尖速度和风速信号保持在最优尖速比，从而保持叶片工作在最优功率系数；在额定功率以上时，根据风速测速仪测得的风速信号和风向信号，通过偏航控制系统使叶轮不同程度偏离入流风向，维持功率输出恒定。

根据本发明的一方面，提供了一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括叶片、机舱、设置在机舱中的发电机、设置在机舱上的风速测速仪、设置在机舱下部的偏航系统、主控制器、变流器、转矩控制器模块以及偏航控制模块，其中，

风速测速仪测得风速信号和风向信号，并将风速信号和风向信号输入到主控制器，主控制器将当前电机功率与额定功率进行比较，并执行如下控制操作：

如果电机功率在额定功率以下，则计算当前时刻与上一时刻的风向信号偏差，通过偏航控制模块控制偏航系统基于该风向信号偏差使叶片对准风向；根据风速和风力涡轮机的最优尖速比，设定风力涡轮机的转速，并通过转矩控制模块控制变流器将发电机调节到所设定的转速，从而将电机功率控制在对应风速下的最优功率；

如果电机功率在额定功率以上，则根据风速、偏航角度以及额定功率的对应关系获得该风速以及额定功率对应的偏航角度，根据该偏航角度以及风向信号通过偏航控制模块控制偏航系统，使叶片逐步偏离风向；转矩控制模块根据转矩与功率的关系获得额定功率对应的转矩，通知变流器调整发电机的转矩，将电机功率控制额定功率。

根据本发明的另一方面，提供了一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括叶片、机舱、设置在机舱中的发电机、设置在机舱上的风速测速仪、设置在机舱下部的偏航系统、主控制器、变流器、转矩控制器模块以及偏航控制模块，所述方法包括如下步骤：

风速测速仪测得风速信号和风向信号，并将风速信号和风向信号输入到主控制器，主控制器将当前电机功率与额定功率进行比较；

如果电机功率在额定功率以下，则偏航控制模块计算当前时刻与上一时刻的风向信号偏差，控制偏航系统基于该风向信号偏差使叶片对准风向；转矩控制模块根据风速和风力涡轮机的最优尖速比，设定发电机的转速，并控制变流器将发电机调节到所设定的转速，从而将电机功率控制在对应风速下的最优功率；

如果电机功率在额定功率以上，则偏航控制模块根据风速、偏航角度以及额定功率的对应关系获得该风速以及额定功率对应的偏航角度，根据该偏航角度以及风向信号控制偏航系统，使叶片逐步偏离风向；转矩控制模块根据转矩与功率的关系获得额定功率对应的转矩，控制变流器调整发电机的转矩，将电机功率控制额定功率。

其中，所述风速测速仪为激光雷达测速仪。

其中，所述激光雷达测速仪设置在机舱顶部的中轴线处。

其中，在根据获得的偏航角度和风向信号控制偏航系统逐步偏航的过程中，可对偏航角度进行动态调整。

其中，风速信号和风向信号可以是设定时间段内的平均风速信号和平均风向信号。

所述风力涡轮机不使用故障率较高的变桨系统，而是通过使用前置测风的激光雷达测速仪测得风速和风向信号，风机控制系统根据风向和风速信号进行主动控制，从而高风力涡轮机的运行可靠性，使得风力涡轮机的设计重量减轻，节省了材料和成本。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明示例性实施例的风力涡轮机的示意图；

图2是根据本发明示例性实施例的风力涡轮机的控制结构示意图；

图3是根据本发明示例性实施例的风力涡轮机的主控系统的控制原理图；

图4是风速、偏航角度与额定功率之间的对应关系图。

具体实施方式

为了解决现有技术中风力涡轮机中变桨系统的故障率高的问题，本发明提出了一种省去变桨系统的风力涡轮机。在不设置变浆系统的情况下，叶片桨距角始终不变，也就是在初始安装风力涡轮机叶片时，确定一个叶片安装角，这个安装角保证在一定风速下，风力涡轮机能够达到最高的气动效率。

此外，本发明设计了一套主动控制方案，使得风力涡轮机的控制从被动受风控制转变为主动提前控制，使涡轮机在没有感受到风载之前提前动作，从而避免大风或者极端风况对涡轮机造成的部件损坏。主动控制系统的实现通过在机舱上安装可以实现前置测风的测速仪，并通过偏航系统达到控制功率的效果。

本发明的风力涡轮机通过风力涡轮机的偏航系统进行功率控制，而不使用变桨系统，这与传统的风力涡轮机有很大的差别。在没有达到额定风速之前，安装在机舱上的测速仪测量来流的风速风向信号，并传递到风力涡轮机的主控系统中，主控系统告知偏航系统偏转对准风向，同时通过调整转速来达到捕捉最大风能系数的控制目的；在额定风速以上，通过安装在机舱上的测速仪来测量来流的风速和风向信号，并控制机舱提前同来流偏转一定角度，同时全功率变流器控制主轴力矩，使功率保持在额定功率附近，从而达到功率控制的目的。

下面，通过参照附图来详细说明根据本发明示例性实施例的风力涡轮机的结构。

如图1所示，根据本发明示例性实施例的风力涡轮机包括塔架1、设置在塔架1上的机舱5、设置在机舱5的迎风端的轮毂3、安装在轮毂3上的叶片2、设置在机舱5上的风速测速仪4、设置在机舱下部的偏航系统（包括偏航驱动发电机6和偏航轴承7），以及设置在机舱5中的风力涡轮机的控制系统。

为了测量叶轮正前方的风速和风向，将风速测速仪4安装在机舱5的顶部中轴线处。在图1所示的示例中，测速仪4为激光雷达测速仪。激光雷达测速仪的基本原理是利用多普勒效应，仪器发射激光产生干涉现象，测量空气中的微粒速度从而测量风速。之所以采用激光雷达测速仪，是利用激光雷达测速仪的特点提前预知来流的风向和风速，进行提前主动控制。但是，本发明不限于此，也可以采用能够测得风速和风速的其他任何类型的风速测速仪实现本发明的技术方案。

由激光雷达测速仪测量得的风速信号和风向信号被用于风力涡轮机的主动控制，经过控制器输出下一个时刻的风力涡轮机控制信号，即输出转速或转矩以及偏航角度，从而控制风力涡轮机的功率和对风方向。

图2示出了风力涡轮机的控制系统的配置示意图。如图2所示，控制系统包括转矩控制模块110、变流器120、偏航控制模块140、偏航系统150。另外，控制系统还包括用于进行总体控制的主控制器（未示出）。

下面，结合附图2来详细描述根据本发明示例性实施例的风力涡轮机的控制操作。

激光雷达测速仪4实时测量风速信号和风向信号，将风速信号和风向信号发送给控制系统中的转矩控制模块110和偏航控制模块140，控制系统比较此时的发电机功率与额定功率。

如果此时的电机功率在额定功率以下，则偏航控制模块140会计算前一时刻和当前时刻的风向信号偏差，然后通知偏航系统150跟踪风向，进行偏航控制使叶轮对准风向，以获得最大风能。同时，转矩控制模块110会根据输入的风速信号以及发电机的最佳转速比和风能利用系数的特性曲线计算转矩，并同上一时刻的转矩进行对比，从而控制变流器，来通过变流器调节发电机130的转速，使发电机130达到此时风速对应下的最优功率。这将参照图3的步骤320、330和340进行描述。

如果此时的功率在额定功率以上，则偏航模块140会计算前一时刻和当前时刻的风向偏差，然后通知偏航系统150开始进行偏航控制逐步偏离风向，同时把风向偏差信号输入到转矩控制模块110。转矩控制模块110此时根据输入的风速和风向偏差信号计算出此时的转矩。根据转矩和功率的关系通知变流器调整转矩，并通知偏航控制模块140需要调整的风向偏差，偏航系统150调整偏航角度。通过转矩控制和偏航控制使得此时发电机130的功率保持在额定功率。这将在下面参照图3的步骤350和360进行详细描述。

图3是根据本发明示例性实施例的风力涡轮机的主控系统的控制原理图。图4是风速、偏航角度与额定功率的对应关系图。下面结合图3和图4进行详细描述。

在步骤S310中，控制器利用激光雷达测速仪测量得到风速信号和风向信号。通常情况下，会对风速仪实时测量的数据进行处理，例如，取一段时间内的风速信号和风向信号的平均值，因此在步骤310中获得的数据包含大部分过去的数据，变化要比风速仪测得的值更小，这样确保每次偏航很小，保证了偏航系统不频繁动作，延长了偏航系统的寿命。

获得风向信号和风速信号之后，主控制器判断当前的功率是在额定功率之上还是额定功率之下。

如果当前的电机功率在额定功率以下，则在步骤320中，转矩控制模块根据当前风速设定电机转矩。具体而言，转矩控制模块根据当前风速以及风力涡轮机的最优尖速比计算得出叶尖速，从而得到电机的最佳转速。此外，转矩控制模块还测量当前发电机转速（步骤330）。在步骤S340，转矩控制模块将所设定的发电机转速与测量得到的发电机转速进行对比，计算得出转速偏差，并将该转速偏差信号输入给控制器。主控制器根据获得的电机转速偏差通过变流器调整电机转速。同时，控制器根据风向信号控制偏航系统使机舱对准风向。

由于风力涡轮机设计之后，都会有最优的尖速比，因此，这里可以利用优尖速比来确定电机的转矩。尖速比=叶尖速度/风速，风力涡轮机的功率曲线可以表示为尖速比和功率系数的曲线，只要调整尖速比就可以控制功率系数。涡轮机需要运行在功率系数最大的状态，因此，在已知风速的情况下，可以根据最优尖速比获得叶尖速度，从而获得电机的最佳转速。将该转速设定为电机转速，转矩控制模块通过变流器调整发电机的转速，从而将电机功率控制为最优功率。

如果当前的电机功率在额定功率以上，则执行步骤S350和S360。

在步骤S350中，主控制器根据获得的风速信号，通过查找表和差值来获得偏航角度。图4示出了风速、偏航角度与额定功率的对应关系，查找表可依据该关系图得出。

在电机功率大于额定功率的情况下，通过偏航系统控制机舱偏离风向，从而使电机功率保持在额定功率附近。根据图4所示的对应关系，在控制器获得风速信号的情况下，可以根据风速信号得到对应的额定功率下的偏航角度，然后根据当前风向信号调整机舱偏离风向。

如图4所示，根据输入的三个值，额定功率、风速、风向，能够插值出两个偏航角度，这两个偏航角度理论上是相等的，不过一个是正值，一个是负值，是对应于风向向左偏和向右偏的角度值。如果此时风力涡轮机的偏航位置更靠近两个位置的其中一个位置，那么就向更靠近的位置偏航。

在步骤S360中，利用实时测得的风向信号和风速信号对偏航角度进行动态补偿。自然界的风速和风向是不断变化的，有可能几秒内就变了，所以优选地使用风速和风向信号的一段时间内的平均值。风力涡轮机的偏航响应是很慢的，另外为了避免偏航疲劳也不宜偏航过快，通常偏航刚进到一部分，风速和风向就已经变了，所以偏航角度的设定值变换很快。因此，在偏航过程中，需要根据风速和风向的实时变化对偏航角度进行不断调整，即，对偏航角度进行动态补偿。

主控制器根据动态补偿后的偏航角度，调整机舱的方向，使得机舱偏离风向。同时，控制器将额定功率对应的电机转速设定为电机的目标转速，将设定转速传递给变流器，通过变流器调整反向转矩来使发电机调整到设定转速，从而将风力涡轮机的功率控制在额定功率附近。

根据本发明的风力涡轮机省去了故障率高的变桨系统，通过激光雷达测速仪、偏航系统和变流器的控制来达到功率控制。这样做的好处是减小了风力涡轮机设计余度，减轻了重量和成本，同时减少了轮毂内变桨系统的复杂性和故障率，提高了系统可靠性。

本发明不仅可以适用于陆上风力涡轮机，也适用于海上风力涡轮机。此外，附图中虽然示出的是三叶风力涡轮机，但是本发明不限于此，而且也适用于水平轴的风力涡轮机。

由于本发明省去了变浆系统，因此，叶片的安装角是不变的。初始安装角一般是这样定义的：由于不同风力涡轮机叶片采用的翼型以及弦长和扭角的分布不同，所以每个风力涡轮机叶片的设计是不同的，这就决定了不同的风力涡轮机采用的初始安装角是不一样的，当然如果用同样的叶片，初始安装角就一样。虽然初始安装角是不一样的，但是计算初始安装角的方法是通用的，只不过用不同的输入数据而已。初始安装角的计算是这样的，它用无量纲的尖速比和叶片气动效率来决定（采用了无量纲的尖速比，就不用考虑不同风速下情况，只需要考虑尖速比即可），根据叶片的设计（包括翼型、弦长和扭角分布），使用BEM方法（Blade Element Momentum Method叶片基元动量方法）计算得到一个最优的尖速比和最优的叶片气动效率，那么此时的叶片的位置就是计算得到的安装位置，那么就可以在叶片的根部标出这个位置，就是叶片的计算安装角。实际安装叶片的时候会按照这个位置来安装叶片，然后让风力涡轮机试运行一段时间，看看发电功率曲线是否和计算的功率曲线一致，如果不一致，就对初始安装角进行微调，一般是2度左右，这样就可以使实际功率曲线和计算功率曲线一致。

虽然已经结合示例性实施例对本发明进行了描述，但是本发明不限于上述具体实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对上述实施例进行各种修改和变型。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括叶片、机舱、设置在机舱中的发电机、设置在机舱上的风速测速仪、设置在机舱下部的偏航系统、主控制器、变流器、转矩控制器模块以及偏航控制模块，其中，在初始安装风力涡轮机的叶片时，以预定角度来安装叶片，所述预定角度确保在预定风速下，风力涡轮机能够达到最高的气动效率，

其中，风速测速仪测得风速信号和风向信号，并将风速信号和风向信号输入到主控制器，主控制器将当前电机功率与额定功率进行比较，并执行如下控制操作：

如果电机功率在额定功率以下，则计算当前时刻与上一时刻的风向信号偏差，通过偏航控制模块控制偏航系统基于该风向信号偏差使叶片对准风向；根据风速和风力涡轮机的最优尖速比，设定风力涡轮机的转速，并通过转矩控制模块控制变流器将发电机调节到所设定的转速，从而将电机功率控制在对应风速下的最优功率；

如果电机功率在额定功率以上，则根据风速、偏航角度以及额定功率的对应关系获得该风速以及额定功率对应的偏航角度，根据该偏航角度以及风向信号通过偏航控制模块控制偏航系统，使叶片逐步偏离风向；转矩控制模块根据转矩与功率的关系获得额定功率对应的转矩，通知变流器调整发电机的转矩，将电机功率控制额定功率。

2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述风速测速仪为激光雷达测速仪。

3.如权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述激光雷达测速仪设置在机舱顶部的中轴线处。

4.如权利要求1-3中任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，在根据获得的偏航角度和风向信号控制偏航系统逐步偏航的过程中，对偏航角度进行动态调整。

5.如权利要求1-3中任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，风速信号和风向信号是设定时间段内的平均风速信号和平均风向信号。

6.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括叶片、机舱、设置在机舱中的发电机、设置在机舱上的风速测速仪、设置在机舱下部的偏航系统、主控制器、变流器、转矩控制器模块以及偏航控制模块，其中，在初始安装风力涡轮机的叶片时，以预定角度来安装叶片，所述预定角度确保在预定风速下，风力涡轮机能够达到最高的气动效率，其中，所述方法包括如下步骤：

风速测速仪测得风速信号和风向信号，并将风速信号和风向信号输入到主控制器，主控制器将当前电机功率与额定功率进行比较；

如果电机功率在额定功率以下，则偏航控制模块计算当前时刻与上一时刻的风向信号偏差，控制偏航系统基于该风向信号偏差使叶片对准风向；转矩控制模块根据风速和风力涡轮机的最优尖速比，设定发电机的转速，并控制变流器将发电机调节到所设定的转速，从而将电机功率控制在对应风速下的最优功率；

如果电机功率在额定功率以上，则偏航控制模块根据风速、偏航角度以及额定功率的对应关系获得该风速以及额定功率对应的偏航角度，根据该偏航角度以及风向信号控制偏航系统，使叶片逐步偏离风向；转矩控制模块根据转矩与功率的关系获得额定功率对应的转矩，控制变流器调整发电机的转矩，将电机功率控制额定功率。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述风速测速仪为激光雷达测速仪。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述激光雷达测速仪设置在机舱顶部的中轴线处。

9.如权利要求7或8所述的方法，其中，在根据获得的偏航角度和风向信号控制偏航系统逐步偏航的过程中，对偏航角度进行动态调整。

10.如权利要求7或8所述的方法，其中，风速信号和风向信号是设定时间段内的平均风速信号和平均风向信号。