[發明專利]一種風力發電機電能儲備及停機顫振防護系統

有效

• 申請號: 202010510426.7
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111706465B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 周經緯;張偉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: F03D9/11
• 分類號: F03D9/11;F03D7/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種風力發電機電能儲備及停機顫振防護系統，由鋰電池、線纜、整流器和變頻器組成。風力發電機電能儲備及停機顫振防護系統對于提高機組壽命，監測機組安全性都具有重要意義。現有的風力發電機停機顫振防護裝置多采用柴油機為主控系統供電，使得偏航系統持續對風。但柴油機造價昂貴，且易漏油，主控系統的控制變量多為偏航對風角度，槳距角不作為參與控制的變量。本設計避免了柴油機制造和維護成本高昂的問題，采用鋰電池回收葉輪自由轉動產生的動能，且添加變槳角度作為控制系統的控制變量，使得風力發電機更加智能有效的對有害振動做出迅速調整和響應。

技術領域

本發明公開了一種用于風力發電機在停機掉電工況下，預防葉片發生失速顫振的控制系統，屬于風力發電機智能控制技術領域，尤其涉及一種能夠對低速旋轉葉輪的儲能裝置，以及對葉輪方位角的監測及控制系統。

背景技術

隨著可再生能源利用技術在世界范圍內的發展，水平軸式風力機得到了廣泛的應用，由于電網的不確定性，風力機在特殊情況下將面臨電網掉電的狀態，在該運行狀態下，風力機的控制系統由于沒有電力供應，不能對機組提供偏航和變槳的控制，這將導致風力機葉片或塔架在特定風況下，產生失速顫振現象，進而影響機組部件的壽命，或導致局部破壞。因此，一定的電能儲備裝置及控制系統對于避免機組發生失速顫振具有重要意義。

風力發電機電能儲備及停機顫振防護系統包含兩部分：第一，風力發電機電能儲備裝置，第二，停機顫振防護系統。對于風力發電機電能儲備裝置，由于風力機在停機狀態下，葉輪因其自由旋轉而產生的動能沒有被收集，故采用鋰電池收集葉輪系統旋轉產生的動能，并以電能的方式加以儲存。然后，當風力機經歷電網掉電時，其電能儲備裝置給主控系統供電，以滿足偏航、變槳系統對風力機的控制。當機組在特定風況下，發生異常振動時，機組可以通過偏航對風和變槳改變葉輪方位角的方式，避免劇烈振動的持續發生，從而保證機組安全。風力發電機電能儲備及停機顫振防護系統對于提高機組壽命，監測機組安全性都具有重要意義。

現有的風力發電機停機顫振防護裝置多采用柴油機為主控系統供電，使得偏航系統持續對風。但柴油機造價昂貴，且易漏油，主控系統的控制變量多為偏航對風角度，槳距角不作為參與控制的變量。本設計避免了柴油機制造和維護成本高昂的問題，采用鋰電池回收葉輪自由轉動產生的動能，且添加變槳角度作為控制系統的控制變量，使得風力發電機更加智能有效的對有害振動做出迅速調整和響應。

發明內容

為了解決風力機在停機掉電情況下，機組發生的失速顫振問題，本發明提供了一種用于風力發電機儲能裝置以及停機顫振防護系統。其中，發電機儲能裝置可以在風力機葉輪空轉的情況下，收集動能，并為主控系統供電；停機顫振防護系統可以在發生停機顫振時，對風力機施加以偏航和變槳控制來消除有害振動。

為實現上述目的，首先闡述風力發電機的儲能裝置：該裝置由鋰電池、線纜、整流器和變頻器組成。如圖1，當葉輪在停機狀態發生低轉速轉動時，由于轉子切割磁感線，在定子繞組中產生交變電壓，從而產生電流，整流器的一端葉輪電機定子繞組相連，收集葉輪旋轉產生的交流電并將其轉化為直流電，另一端與鋰電池相連，鋰電池在充電后通過線纜將直流電輸送至變頻器，變頻器將直流電轉化為50Hz的交流電為主控系統供電，至此完成了葉輪系統儲能和電能轉化的過程。

停機顫振防護系統的主要功能為監測風力機在電網掉電情況下，葉片的振動情況，當監測到葉片在特定頻段發生大幅度振動時，停機顫振系統將開啟變槳保護。具體地，當風速高于15米/秒時，且湍流度高于10％時，通過監測風力機中機艙加速度的大小，作為是否開啟變槳控制的依據，當軸向機艙加速度大于一定閾值時，將90°附近的停機角度，快速開槳到75°，然后再緩慢收回至90度的停機角度。通過這一系列的變槳動作，葉輪獲得了較小的轉速，且較小的開槳角度不至于使得葉輪旋轉過快，與此同時，葉輪的方位角也發生了改變，并偏離了失速顫振易發的葉輪方位角狀態，從而避免了失速顫振的發生。