[發明專利]風力渦輪機及其控制方法

有效

• 申請號: 201410054135.6
• 申請日: 2014-02-18
• 公開（公告）號: CN103807096A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 白洛林;劉磊;張新剛
• 申請（專利權）人: 江蘇金風科技有限公司
• 主分類號: F03D7/04
• 分類號: F03D7/04
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 劉奕晴;鄭玉

技術領域

本發明涉及一種風力渦輪機，更具體地講，涉及一種不具有變槳系統的風力渦輪機及其控制方法。

背景技術

風能是一種開放、安全的可再生能源，目前風能的利用越來越受到重視。風力發電機組是依靠捕獲風能，將動能轉化為電能的發電設備。風力渦輪機是風力發電機組的重要組成部分。

變槳系統和偏航系統是實現風力渦輪機能量轉換的兩個重要控制系統。變槳系統通過對葉片變槳角的調整來保持在額定風速以上輸出功率不變；偏航系統通過機艙頂部的風向標來調整機頭的對風角度，從而跟蹤自然界的風向變化，達到最大捕捉風能的目的。

在傳統風力渦輪機中，在輪轂中安裝變槳電機、變槳減速器和變槳控制柜等部件，通過變槳系統來達到控制功率的目的。然而，由于變槳系統的復雜性，大部分的電子部件和機械部件在輪轂內隨葉輪旋轉，很容易造成損壞；同時需要通過滑環從機艙傳遞電信號和控制信號。根據統計，變槳系統故障在風力渦輪機故障統計中占第一位。

此外，傳統的風力渦輪機是使用被動控制方式進行渦輪機控制，即，通過機艙頂上的風向標和風速計測量風速和風向等輸入信號，然后把輸入信號傳遞到主控系統中，通過變槳和偏航系統動作達到穩定運行。在額定風速以上采用變槳系統來控制功率輸出，增加了控制系統的復雜性，由于需要從靜止部件傳遞電信號和控制信號到轉動部件，需要通過滑環系統，增加了故障幾率；同時由于是被動控制狀態，使得風力渦輪機的設計余度增大，設計安全系數增大，從而造成機組重量偏重、價格昂貴。

發明內容

本發明的目的在于提供一種風力渦輪機及其功率控制方法。所述風力渦輪機省去了易損且昂貴的變槳系統，通過偏航系統調整對風方向，來控制風力渦輪機的功率。在額定功率以下時，控制系統根據風速測速儀測得的風速信號和風向信號，通過偏航控制系統對準風向，并通知變流器調整轉矩，控制葉輪轉速使葉尖速度和風速信號保持在最優尖速比，從而保持葉片工作在最優功率系數；在額定功率以上時，根據風速測速儀測得的風速信號和風向信號，通過偏航控制系統使葉輪不同程度偏離入流風向，維持功率輸出恒定。

根據本發明的一方面，提供了一種風力渦輪機，所述風力渦輪機包括葉片、機艙、設置在機艙中的發電機、設置在機艙上的風速測速儀、設置在機艙下部的偏航系統、主控制器、變流器、轉矩控制器模塊以及偏航控制模塊，其中，

風速測速儀測得風速信號和風向信號，并將風速信號和風向信號輸入到主控制器，主控制器將當前電機功率與額定功率進行比較，并執行如下控制操作：

如果電機功率在額定功率以下，則計算當前時刻與上一時刻的風向信號偏差，通過偏航控制模塊控制偏航系統基于該風向信號偏差使葉片對準風向；根據風速和風力渦輪機的最優尖速比，設定風力渦輪機的轉速，并通過轉矩控制模塊控制變流器將發電機調節到所設定的轉速，從而將電機功率控制在對應風速下的最優功率；

如果電機功率在額定功率以上，則根據風速、偏航角度以及額定功率的對應關系獲得該風速以及額定功率對應的偏航角度，根據該偏航角度以及風向信號通過偏航控制模塊控制偏航系統，使葉片逐步偏離風向；轉矩控制模塊根據轉矩與功率的關系獲得額定功率對應的轉矩，通知變流器調整發電機的轉矩，將電機功率控制額定功率。

根據本發明的另一方面，提供了一種控制風力渦輪機的方法，所述風力渦輪機包括葉片、機艙、設置在機艙中的發電機、設置在機艙上的風速測速儀、設置在機艙下部的偏航系統、主控制器、變流器、轉矩控制器模塊以及偏航控制模塊，所述方法包括如下步驟：

風速測速儀測得風速信號和風向信號，并將風速信號和風向信號輸入到主控制器，主控制器將當前電機功率與額定功率進行比較；

如果電機功率在額定功率以下，則偏航控制模塊計算當前時刻與上一時刻的風向信號偏差，控制偏航系統基于該風向信號偏差使葉片對準風向；轉矩控制模塊根據風速和風力渦輪機的最優尖速比，設定發電機的轉速，并控制變流器將發電機調節到所設定的轉速，從而將電機功率控制在對應風速下的最優功率；

如果電機功率在額定功率以上，則偏航控制模塊根據風速、偏航角度以及額定功率的對應關系獲得該風速以及額定功率對應的偏航角度，根據該偏航角度以及風向信號控制偏航系統，使葉片逐步偏離風向；轉矩控制模塊根據轉矩與功率的關系獲得額定功率對應的轉矩，控制變流器調整發電機的轉矩，將電機功率控制額定功率。

其中，所述風速測速儀為激光雷達測速儀。

其中，所述激光雷達測速儀設置在機艙頂部的中軸線處。