[实用新型]垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制装置

说明书

技术领域

本实用新型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

本实用新型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装置。 

本实用新型的技术解决方案是： 

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αx和αy； 

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ω_c； 

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ω_g，以及转速传感器检测得到的当前转速ω_c，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ω_g；