一种聚能型水平轴风力机控制系统及方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种聚能型水平轴风力机控制系统及方法。

背景技术：

目前，并网运行的大型风力发电机组多为水平轴风力发电机组，水平轴风力机一般靠叶片的升力在旋转剖面的切向分力做功，俗称升力型风力机。

虽然升力型风力机具有高尖速比、高风能利用率的优点，但也具有启动性能较弱的不足，一般的升力型风力机的启动风速都在5m/s以上，个别的升力型风力机的启动风速甚至高达7m/s，如此便导致风力机的发电量和发电范围降低。

为此，技术人员为了克服升力型风力机的启动性能较弱的不足，在传统的水平轴风力机外增设了聚能罩，可将风速调高至原来的1.5倍至2倍，进而形成了聚能型水平轴风力机，但是问题也随之而来，由于风速范围变宽，来流风速无法与叶轮转速和扭矩精确匹配，即无法在任意风速下都将风能利用率保持在最大状态；再有，当自然界的风速过大时，聚能罩内的风速很容易超过风力机发电时的最大设计风速，此时为了保证风力机的安全性，只能对风力机进行刹车，而发电也只能被迫停止，从而降低了风力机的发电量。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种聚能型水平轴风力机控制系统及方法，能够将来流风速与叶轮转速和扭矩进行精确匹配，使风力机可以在任意环境风速下都将风能利用率保持在最大状态；当自然界的环境风速过大时，可自动调整风力机负载，以将叶轮转速和扭矩调整到安全范围内，保证发电过程不停止，提高了风力机的发电量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种聚能型水平轴风力机控制系统，包括扭矩仪、摩擦式离合器、发电机、控制器及风速传感器；所述扭矩仪一端通过第一联轴器与轮毂转轴相固连，扭矩仪另一端通过第二联轴器与摩擦式离合器的主动端转接轴相固连，摩擦式离合器的从动端转接轴通过第三联轴器与发电机的电机轴相固连；所述扭矩仪的信号输出端与控制器相连，所述摩擦式离合器的信号输入端与控制器相连，所述发电机的信号输入端与控制器相连，所述风速传感器的信号输出端与控制器相连。

一种聚能型水平轴风力机控制方法，采用了所述的聚能型水平轴风力机控制系统，包括如下步骤：

步骤一：通过风速传感器测量环境风速，环境风速数据实时传输至控制器；

步骤二：判断环境风速是否大于风力机最小启动风速；若满足条件，则执行步骤三；若不满足条件，则执行步骤四；

步骤三：确保摩擦式离合器的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘处于摩擦接合状态，同时通过扭矩仪实时测量叶轮的转速和扭矩，并执行步骤六；

步骤四：通过控制器向摩擦式离合器发出分离信号，使摩擦式离合器的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘彼此分离，进而使叶轮处于空载状态，同时通过扭矩仪实时测量叶轮的转速，直到叶轮的转速满足风机启动要求，并执行步骤五；

步骤五：通过控制器向摩擦式离合器发出接合信号，使摩擦式离合器的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘恢复摩擦接合，并执行步骤三；

步骤六：通过控制器自动计算出风力机的实时风能利用系数，同时通过控制器对发电机的负载进行实时调整，直到风力机的实时风能利用系数达到设定的最大值，最终保证风力机在任意环境风速下都将风能利用率保持在最大状态；

步骤七：当环境风速过大时，通过控制器调高发电机的负载，以将叶轮的转速和扭矩调整到安全范围内，保证发电过程不停止。

本发明的有益效果：

本发明的聚能型水平轴风力机控制系统及方法，能够将来流风速与叶轮转速和扭矩进行精确匹配，使风力机可以在任意环境风速下都将风能利用率保持在最大状态；当自然界的环境风速过大时，可自动调整风力机负载，以将叶轮转速和扭矩调整到安全范围内，保证发电过程不停止，提高了风力机的发电量。

附图说明

图1为采用了本发明的聚能型水平轴风力机控制系统的风力机结构示意图；

图中，1—扭矩仪，2—摩擦式离合器，3—发电机，4—控制器，5—风速传感器，6—第一联轴器，7—轮毂转轴，8—第二联轴器，9—第三联轴器，10—叶轮，11—整流罩，12—聚能罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种聚能型水平轴风力机控制系统，包括扭矩仪1、摩擦式离合器2、发电机3、控制器4及风速传感器5；所述扭矩仪1一端通过第一联轴器6与轮毂转轴7相固连，扭矩仪1另一端通过第二联轴器8与摩擦式离合器2的主动端转接轴相固连，摩擦式离合器2的从动端转接轴通过第三联轴器9与发电机3的电机轴相固连；所述扭矩仪1的信号输出端与控制器4相连，所述摩擦式离合器2的信号输入端与控制器4相连，所述发电机3的信号输入端与控制器4相连，所述风速传感器5的信号输出端与控制器4相连。

一种聚能型水平轴风力机控制方法，采用了所述的聚能型水平轴风力机控制系统，包括如下步骤：

步骤一：通过风速传感器5测量环境风速，环境风速数据实时传输至控制器4；

步骤二：判断环境风速是否大于风力机最小启动风速；若满足条件，则执行步骤三；若不满足条件，则执行步骤四；

步骤三：确保摩擦式离合器2的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘处于摩擦接合状态，同时通过扭矩仪1实时测量叶轮10的转速和扭矩，并执行步骤六；

步骤四：通过控制器4向摩擦式离合器2发出分离信号，使摩擦式离合器2的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘彼此分离，进而使叶轮10处于空载状态，同时通过扭矩仪1实时测量叶轮10的转速，直到叶轮10的转速满足风机启动要求，并执行步骤五；

步骤五：通过控制器4向摩擦式离合器2发出接合信号，使摩擦式离合器2的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘恢复摩擦接合，并执行步骤三；

步骤六：通过控制器4自动计算出风力机的实时风能利用系数，同时通过控制器4对发电机3的负载进行实时调整，直到风力机的实时风能利用系数达到设定的最大值，最终保证风力机在任意环境风速下都将风能利用率保持在最大状态；

步骤七：当环境风速过大时，通过控制器4调高发电机3的负载，以将叶轮10的转速和扭矩调整到安全范围内，保证发电过程不停止。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

技术特征：

1.一种聚能型水平轴风力机控制系统，其特征在于：包括扭矩仪、摩擦式离合器、发电机、控制器及风速传感器；所述扭矩仪一端通过第一联轴器与轮毂转轴相固连，扭矩仪另一端通过第二联轴器与摩擦式离合器的主动端转接轴相固连，摩擦式离合器的从动端转接轴通过第三联轴器与发电机的电机轴相固连；所述扭矩仪的信号输出端与控制器相连，所述摩擦式离合器的信号输入端与控制器相连，所述发电机的信号输入端与控制器相连，所述风速传感器的信号输出端与控制器相连。

2.一种聚能型水平轴风力机控制方法，采用了权利要求1所述的聚能型水平轴风力机控制系统，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：通过风速传感器测量环境风速，环境风速数据实时传输至控制器；

步骤二：判断环境风速是否大于风力机最小启动风速；若满足条件，则执行步骤三；若不满足条件，则执行步骤四；

步骤三：确保摩擦式离合器的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘处于摩擦接合状态，同时通过扭矩仪实时测量叶轮的转速和扭矩，并执行步骤六；

步骤四：通过控制器向摩擦式离合器发出分离信号，使摩擦式离合器的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘彼此分离，进而使叶轮处于空载状态，同时通过扭矩仪实时测量叶轮的转速，直到叶轮的转速满足风机启动要求，并执行步骤五；

步骤五：通过控制器向摩擦式离合器发出接合信号，使摩擦式离合器的主动端摩擦盘与从动端摩擦盘恢复摩擦接合，并执行步骤三；

步骤六：通过控制器自动计算出风力机的实时风能利用系数，同时通过控制器对发电机的负载进行实时调整，直到风力机的实时风能利用系数达到设定的最大值，最终保证风力机在任意环境风速下都将风能利用率保持在最大状态；

步骤七：当环境风速过大时，通过控制器调高发电机的负载，以将叶轮的转速和扭矩调整到安全范围内，保证发电过程不停止。

技术总结
一种聚能型水平轴风力机控制系统及方法，系统包括扭矩仪、摩擦式离合器、发电机、控制器及风速传感器；方法为：测量环境风速，环境风速大于风力机最小启动风速，确保离合器摩擦接合，若环境风速小于风力机最小启动风速，控制离合器分离，使叶轮处于空载状态，直到叶轮转速满足风机启动要求后，控制离合器恢复接合；通过控制器自动计算出风力机的实时风能利用系数，同时通过控制器对发电机的负载进行实时调整，直到风力机的实时风能利用系数达到设定的最大值，最终保证风力机在任意环境风速下都将风能利用率保持在最大状态；当环境风速过大时，通过控制器调高发电机的负载，以将叶轮的转速和扭矩调整到安全范围内，保证发电过程不停止。

技术研发人员：李国文;朱建勇;王成军;张庆营;齐亚丹
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2019.09.03
技术公布日：2019.11.29