[发明专利]风力涡轮机及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，更具体地讲，涉及一种不具有变桨系统的风力涡轮机及其控制方法。

背景技术

风能是一种开放、安全的可再生能源，目前风能的利用越来越受到重视。风力发电机组是依靠捕获风能，将动能转化为电能的发电设备。风力涡轮机是风力发电机组的重要组成部分。

变桨系统和偏航系统是实现风力涡轮机能量转换的两个重要控制系统。变桨系统通过对叶片变桨角的调整来保持在额定风速以上输出功率不变；偏航系统通过机舱顶部的风向标来调整机头的对风角度，从而跟踪自然界的风向变化，达到最大捕捉风能的目的。

在传统风力涡轮机中，在轮毂中安装变桨电机、变桨减速器和变桨控制柜等部件，通过变桨系统来达到控制功率的目的。然而，由于变桨系统的复杂性，大部分的电子部件和机械部件在轮毂内随叶轮旋转，很容易造成损坏；同时需要通过滑环从机舱传递电信号和控制信号。根据统计，变桨系统故障在风力涡轮机故障统计中占第一位。

此外，传统的风力涡轮机是使用被动控制方式进行涡轮机控制，即，通过机舱顶上的风向标和风速计测量风速和风向等输入信号，然后把输入信号传递到主控系统中，通过变桨和偏航系统动作达到稳定运行。在额定风速以上采用变桨系统来控制功率输出，增加了控制系统的复杂性，由于需要从静止部件传递电信号和控制信号到转动部件，需要通过滑环系统，增加了故障几率；同时由于是被动控制状态，使得风力涡轮机的设计余度增大，设计安全系数增大，从而造成机组重量偏重、价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力涡轮机及其功率控制方法。所述风力涡轮机省去了易损且昂贵的变桨系统，通过偏航系统调整对风方向，来控制风力涡轮机的功率。在额定功率以下时，控制系统根据风速测速仪测得的风速信号和风向信号，通过偏航控制系统对准风向，并通知变流器调整转矩，控制叶轮转速使叶尖速度和风速信号保持在最优尖速比，从而保持叶片工作在最优功率系数；在额定功率以上时，根据风速测速仪测得的风速信号和风向信号，通过偏航控制系统使叶轮不同程度偏离入流风向，维持功率输出恒定。

根据本发明的一方面，提供了一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括叶片、机舱、设置在机舱中的发电机、设置在机舱上的风速测速仪、设置在机舱下部的偏航系统、主控制器、变流器、转矩控制器模块以及偏航控制模块，其中，

风速测速仪测得风速信号和风向信号，并将风速信号和风向信号输入到主控制器，主控制器将当前电机功率与额定功率进行比较，并执行如下控制操作：

如果电机功率在额定功率以下，则计算当前时刻与上一时刻的风向信号偏差，通过偏航控制模块控制偏航系统基于该风向信号偏差使叶片对准风向；根据风速和风力涡轮机的最优尖速比，设定风力涡轮机的转速，并通过转矩控制模块控制变流器将发电机调节到所设定的转速，从而将电机功率控制在对应风速下的最优功率；

如果电机功率在额定功率以上，则根据风速、偏航角度以及额定功率的对应关系获得该风速以及额定功率对应的偏航角度，根据该偏航角度以及风向信号通过偏航控制模块控制偏航系统，使叶片逐步偏离风向；转矩控制模块根据转矩与功率的关系获得额定功率对应的转矩，通知变流器调整发电机的转矩，将电机功率控制额定功率。

根据本发明的另一方面，提供了一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括叶片、机舱、设置在机舱中的发电机、设置在机舱上的风速测速仪、设置在机舱下部的偏航系统、主控制器、变流器、转矩控制器模块以及偏航控制模块，所述方法包括如下步骤：

风速测速仪测得风速信号和风向信号，并将风速信号和风向信号输入到主控制器，主控制器将当前电机功率与额定功率进行比较；

如果电机功率在额定功率以下，则偏航控制模块计算当前时刻与上一时刻的风向信号偏差，控制偏航系统基于该风向信号偏差使叶片对准风向；转矩控制模块根据风速和风力涡轮机的最优尖速比，设定发电机的转速，并控制变流器将发电机调节到所设定的转速，从而将电机功率控制在对应风速下的最优功率；

如果电机功率在额定功率以上，则偏航控制模块根据风速、偏航角度以及额定功率的对应关系获得该风速以及额定功率对应的偏航角度，根据该偏航角度以及风向信号控制偏航系统，使叶片逐步偏离风向；转矩控制模块根据转矩与功率的关系获得额定功率对应的转矩，控制变流器调整发电机的转矩，将电机功率控制额定功率。

其中，所述风速测速仪为激光雷达测速仪。

其中，所述激光雷达测速仪设置在机舱顶部的中轴线处。