专利名称：垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机组的机电一体化控制领域，具体涉及一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调智能抑制方法与装置。
背景技术：
垂直轴风力机除了在世界上少数地区建立了试验性风场外，目前仍没有大规模的推广，但其优越的空气动力学性能越来越引起各国研究人员的重视。从结构上来说，垂直轴风力机的垂直旋转主轴结构属于高耸结构中的桅杆结构。由于高耸结构的主要特点是高度较高和水平方向的刚度较柔，因此水平荷载会引起较大的结构反应。此外，为了进一步提高垂直轴风力发电机的风能利用率，常在垂直轴风力机周身外侧安装能够随风向自导航转动的集风罩，即迎风侧加装集风板，顺风侧加装导航尾翼，如林燕山在专利CN2086318U提出的“垂直轴式风力机”、吴国庆等人在专利CN101649809提出的“垂直轴风力发电机用可自导航的聚风装置”、岸浪紘机等人在专利JP特开2007-16661A提出的“直流型风车”等，进一步地提高了垂直轴风力机的柔性。因此，在机械结构的高柔性和风荷载的随机性共同作用下，垂直轴风力机主轴对风的作用特别敏感，常形成的风效应有结构的顺风向振动响应、结构的横风向涡激振动、自激振动、参数振动等形态。而整机结构和安装环境的复杂性，又导致对这些风效应固有频率的精确测算异常困难。另一方面，从机械学的角度上说，垂直旋转主轴属于转子系统，其转速与风力发电机电气负载功率和风力机风能吸收的气动力学特性相关联。工程应用上，为了获取风力机最大的风能吸收效率，风力发电机常采用转速闭环控制，依据当前风速实时调节发电机的转速，以使风力机垂直旋转主轴所带动的叶轮转速与理论上的最大风能捕获转速相匹配。为此，利用“风力发电机转速闭环控制器可以有效地调节垂直旋转主轴的转速”这一基本方法，一些学者针对水平轴风力发电机组塔架的自振问题，提出了采用简单地“降低风力机转速”的手段来抑制现象的控制策略，如冬雷等人在专利CN201661421U提出的“风力发电塔架共振主动抑制装置”、阿洛伊斯 沃本(德)在专利CN1270080C提出的“风力发电设备和控制其的方法”等。但现有的“利用降低风力机转速的手段来抑制塔架的自由振动”的方法过于保守，该方法降低了风力机的风能捕获效率，甚至使得风力机始终无法达到某些风速工况下的最大风能捕获转速。而理论分析与风洞实验表明，当某一风速激发垂直旋转主轴发生自振时，提高和降低风力发电机的转速均可抑制垂直旋转主轴的自振现象。另外，与水平轴风力发电机组塔架的自振抑制原理不同，垂直轴风力机旋转主轴振颤的原因更加多样，不仅有固有频率自振，还有其他的风效应和机械主轴偏心等原因。因此，有必要研究设计一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的抑制方法，利用风力发电机转速的主动快速调节方式，包括迅速地升高或降低风力机转速，以提高此类风力发电系统工作的稳定性和效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实时测算出主轴的当前振颤烈度，抑制主轴振颤，使得风力机在保持机械稳定的同时，尽可能地获得最高的风能捕获效率的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法及装置。本发明的技术解决方案是一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法，其特征是包括以下步骤(I)实时获取旋转主轴的垂直倾角，所述垂直倾角包括主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值a X和ay;(2)计算旋转主轴的振颤烈度Kv,腿麵烈度定义为式=^2 + + +"a,': + ^Sj+aj ；(3)根据当前风速，计算风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速COtjp ；(4)根据旋转主轴振颤烈度，分析确定风力发电机的期望转速:a)获取风力发电机的当前转速《。；b)判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的临界调控阈值Kt，若是,进入步骤d);若否，进入步骤c);c)将最优转速Wtjp确定为风力发电机的期望转速cog ；d)比较当前转速与最优转速Wtjp的大小，若I 0。- 。」〉e，则将最优转速Wtjp确定为风力发电机的期望转速Og ;若I 03。- 。」(e，则将风力发电机的期望转速设定为低于最优转速Otjp ;式中，e为正实数，是代表当前转速与最优转速差异的一个数值量；(5)由转速内环控制器驱使风力发电机的转速快速达到期望转速;(6)判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的最大安全调控阈值Ks以内，若是，进入步骤(7);若否，返回步骤(I);(7)启动转速内环控制器的风力发电机反向电动制动功能，以及旋转主轴的电磁抱刹机构，使风力发电机的转速快速下降；(8)发送故障停机信号，并等待复位重启指令。所述步骤10)中通过旋转主轴顶端的静止部件上安装两轴倾角传感器获取垂直倾斜偏角值ct X和ay。、
所述风力发电机为开关磁阻风力发电机。步骤(5)中转速内环控制器的快速转速调节方式为直接切断部分相绕组励磁的发电机升速方法或放开电流斩波限的发电机降速方法。一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法的专用装置，其特征是至少包括两轴倾角传感器，安装于旋转主轴顶端的静止部件上，用于获取旋转主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值aX和ay;转速传感器，安装于风力发电机的机身上，用于获取风力发电机的当前转速；
风速传感器，安装于垂直轴风电机组的工作现场，用于获取现场风速；风力发电机，与垂直轴风力机旋转主轴同轴安装，用于机电能量转换和调节垂直轴风力机的转速；电磁抱刹机构，与垂直轴风力机旋转主轴同轴安装，用于阻止垂直轴风力机的旋转；转速内环控制器，用于控制风力发电机的转速，根据外环控制器给出的期望转速 g，以及转速传感器检测得到的当前转速《。，运用包括发电功率控制、反向电动制动技术在内的转速闭环控制算法，使得风力发电机的转速快速到达期望转速;机电协调外环控制器，用于实时接收两轴倾角传感器、风速传感器、转速传感器信号，并由此，计算旋转主轴的振动烈度、最大功率跟踪目标下的最优转速Otjp，判断旋转主轴的振颤烈度相对于临界调控阈值和最大安全调控阈值的强弱程度，确定风力发电机的期望 转速《 g、反向电动制动指令、电磁抱刹指令、以及停机、复位信号。所述风力发电机为开关磁阻风力发电机。与现有技术相比本发明的优点在于(I)采用两轴倾角传感器作为检测元件，实时测算主轴的振颤烈度，因而(a)无需事先获知垂直轴风力机旋转主轴精准的固有自振频率值，仅通过当前振颤烈度值大小的判断，即可判别出主轴是否处于自振状态，即主轴自振状态的检测精准、可靠、自适应好；(b)此振颤烈度值，不仅可反映主轴是否有发生自振，还可反映主轴是否发生了其他风效应、机械回转偏心、主轴垂直度偏差过大等主轴不稳定状态，即主轴振颤源的判别多样、准确。(2)根据垂直旋转主轴的振颤烈度、风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速，以及风力发电机当前转速，来确定风力发电机的期望转速，以抑制主轴振颤。此期望转速值制定科学、合理，可使得风力机在保持机械稳定的同时，尽可能地获得最高的风能捕获效率。(3)米用机电协调转速控制方法,包括发电机反向电动制动和电磁抱刹,对风力机转速进行调节。具有调节速度快，工作效率高、实时性好等优点。尤其是采用开关磁阻风力发电机的反向电动制动方法，其正/负转矩的产生仅与导通角所属相电感的升/降区间有关，转矩大小的调节仅与相电流的斩波限有关，因此，反向电动制动转矩平滑易控。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图I为本发明垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法实施例的流程图。图2为图I中分析确定风力发电机的期望转速的实例流程图。图3为本发明垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制装置的结构示意图。图4为本发明垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制装置的控制方块图。
具体实施例方式参考图1，该图是本发明垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法实施例的流程图。该实施例包括以下步骤
S100、开始。S110、实时获取旋转主轴的垂直倾角。所述垂直倾角包括主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值a ,和a y。该倾斜偏角值可通过旋转主轴顶端的静止部件上安装两轴倾角传感器获取。S120、计算旋转主轴的振颤烈度Kv。所述振颤烈度定义为，
权利要求
1.一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法，其特征是包括以下步骤 (1)实时获取旋转主轴的垂直倾角，所述垂直倾角包括主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值a X和ay; (2)计算旋转主轴的振颤烈度Kv，所述振颤烈度定义为，Kr =如+ *," + ^+ * (3)根据当前风速，计算风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速Otjp； (4)根据旋转主轴振颤烈度，分析确定风力发电机的期望转速: a)获取风力发电机的当前转速W。； b)判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的临界调控阈值Kt， 若是，进入步骤d); 若否，进入步骤c); C)将最优转速Wtjp确定为风力发电机的期望转速Wg; d)比较当前转速与最优转速Wtjp的大小， 若I 。- 。」> e，则将最优转速确定为风力发电机的期望转速《g ; 若II ( Z，则将风力发电机的期望转速设定为低于最优转速Otjp ； 式中，e为正实数，是代表当前转速《。与最优转速Otjp差异的一个数值量； (5)由转速内环控制器驱使风力发电机的转速快速达到期望转速《g; (6)判断旋转主轴的振颤烈度是否超过预先设定的最大安全调控阈值Ks以内， 若是，进入步骤(7); 若否，返回步骤(I); (7)启动转速内环控制器的风力发电机反向电动制动功能，以及旋转主轴的电磁抱刹机构，使风力发电机的转速快速下降； (8)发送故障停机信号，并等待复位重启指令。
2.根据权利要求I所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法,其特征是所述步骤10)中通过旋转主轴顶端的静止部件上安装两轴倾角传感器获取垂直倾斜偏角值a X和ay。
3.根据权利要求I所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法,其特征是所述风力发电机为开关磁阻风力发电机。
4.根据权利要求3所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法，其特征是步骤(5)中转速内环控制器的快速转速调节方式为直接切断部分相绕组励磁的发电机升速方法或放开电流斩波限的发电机降速方法。
5.一种权利要求I所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法的专用装置，其特征是至少包括 两轴倾角传感器，安装于旋转主轴顶端的静止部件上，用于获取旋转主轴水平截面内正交的两个方向上的倾斜偏角值a X和ay; 转速传感器，安装于风力发电机的机身上，用于获取风力发电机的当前转速; 风速传感器，安装于垂直轴风电机组的工作现场，用于获取现场风速； 风力发电机，与垂直轴风力机旋转主轴同轴安装，用于机电能量转换和调节垂直轴风力机的转速；电磁抱刹机构，与垂直轴风力机旋转主轴同轴安装，用于阻止垂直轴风力机的旋转； 转速内环控制器，用于控制风力发电机的转速，根据外环控制器给出的期望转速《g，以及转速传感器检测得到的当前转速《。，运用包括发电功率控制、反向电动制动技术在内的转速闭环控制算法，使得风力发电机的转速快速到达期望转速; 机电协调外环控制器，用于实时接收两轴倾角传感器、风速传感器、转速传感器信号，并由此，计算旋转主轴的振动烈度、最大功率跟踪目标下的最优转速Otjp，判断旋转主轴的振颤烈度相对于临界调控阈值和最大安全调控阈值的强弱程度，确定风力发电机的期望转速《 g、反向电动制动指令、电磁抱刹指令、以及停机、复位信号。
6.根据权利要求5所述的垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法的专用装置，其特征是所述风力发电机为开关磁阻风力发电机。
全文摘要
本发明公开了一种垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制方法及装置，包括实时获取旋转主轴的垂直倾角；计算旋转主轴在其水平截面内正交的两个方向上的振颤烈度、风力发电机最大功率跟踪目标下的最优转速；根据旋转主轴振颤烈度，分析确定风力发电机的期望转速；由转速内环控制器驱使风力发电机的转速快速达到期望转速；当主轴的振颤烈度超过预先设定的最大安全调控阈值时，启动转速内环控制器的反向电动制动功能，以及旋转主轴的电磁抱刹机构，使风力发电机的转速快速下降。本发明可实时测算出主轴的当前振颤烈度，抑制主轴振颤，使得风力机在保持机械稳定的同时，尽可能地获得最高的风能捕获效率。
文档编号F03D7/06GK102644549SQ20121004919
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者吴国庆, 吴爱华, 周井玲, 张旭东, 曹阳, 肖龙雪, 茅靖峰 申请人:南通大学