[发明专利]一种抗台风低成本塔筒控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种适用于下风向风机的抗台风低成本塔筒控制系统。

背景技术

可再生能源是能源供应体系的重要组成部分。目前，全球可再生能源开发利用规模不断扩大，应用成本快速下降，发展可再生能源已成为许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径，也是我国推进能源生产和消费革命、推动能源转型的重要措施。风能是一种重要的可再生能源，储量丰富，清洁无污染，越来越受到世界各国重视。“十三五”期间，我国对风电领域展开了全面布局，陆海齐进，集散并举，到2020年底，全国风电并网装机确保达到2.1亿千瓦以上。

风力发电机是风力发电的核心装备。按风轮与塔架相对位置的不同，风力发电机有上风向和下风向之分。沿风向观察，风轮在塔筒的前面迎风旋转，叫做上风向风力发电机；风轮安装在塔筒后面，风先经过塔筒，再到风轮，则称为下风向风力发电机。上风向风机不存在塔影效应，但必须有某种调向装置来保持风轮迎风。下风向风机存在塔影效应，影响风力发电机的出力，使性能有所下降，但能自动对准风向，从而免去了调向装置。另外，在风载荷的作用下，上风向风机的叶片有偏向塔筒的趋势，下风向风机的叶片有远离塔筒的趋势。在台风条件下，上风向风机的叶片有可能与塔筒干涉而导致风机严重损坏，下风向风机的叶片由于远离塔筒而不会出现上述风险。因而，下风向风机在抗台风设计中具有独特的优势。

塔筒是风力发电机的关键部件之一，造价昂贵，成本约占风力发电机总体成本的25％左右。塔筒支撑机舱和风轮，其结构可靠性是确保风力发电正常进行的关键因素之一。塔筒属于高耸型悬壁结构，除受自身重力作用外，还受到机舱和风轮的重力、塔身风载荷、通过风轮作用于塔筒顶端的气动力、偏转力、陀螺力和陀螺力矩等载荷的作用。在台风条件下，塔筒折断是风力发电机一种严重的破坏形式，由此带来的损失是塔筒自身成本的3倍左右。因而，如何降低塔筒成本、提高塔筒结构可靠性，是风电行业面临的关键技术问题之一。

目前，提高塔筒结构可靠性主要采用增大塔筒自身强度、增大连接件强度、降低塔筒高度等方法。增大塔筒自身强度和连接件强度势必增加成本，降低塔筒高度势必影响风力发电机组日常运营效率。上述改进措施的技术共性就是没有改变现有塔筒的悬臂结构，而悬壁结构恰好是造成塔筒成本和结构可靠性矛盾的关键因素。

发明内容

本发明的目的在于克服现有塔筒强化技术的缺点和不足，提出一种全新可行的、适用于下风向风机的抗台风低成本塔筒控制系统，以较低成本有效降低塔筒应力水平，改善塔筒应力分布，提高塔筒结构可靠性，降低其在极端载荷下的失效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于下风向风机的抗台风低成本塔筒控制系统主要由塔筒和具备控制功能的斜拉索组成。其特征在于在塔筒周围均布6根斜拉索，每根斜拉索与竖直方向成一定夹角，一端与塔筒顶部连接，另一端与地面连接，并通过控制系统实现斜拉索的张紧或松弛。

以斜拉索在水平面的投影线以及相邻两投影线夹角的中分线为边界，将与塔筒同心的圆柱空间在水平面的投影平均分成12个区域，每个区域的中心角为30°。以与风向一致、且过塔筒在水平面投影圆心的射线为参照，选取最近的边界，以此边界为对称，向左右各扫描60°，得到120°的扫描区域。在控制系统的作用下，位于该扫描区域的斜拉索张紧，其余的斜拉索松弛，从而形成张紧合力。

当上述射线恰好落到两斜拉索投影夹角的1/4处时，以最近的斜拉索投影为对称，按上述方法进行扫描、张紧与松弛，形成张紧合力。

通过控制系统调节扫描区域斜拉索的张紧力，在满足力学性能的前提下，使张紧合力最大限度平衡风载荷，可以获得最佳抗风效果。

当风向变化、风力发电机偏航时，在控制系统作用下，偏航区域的斜拉索进一步松弛，避让偏航过程的风轮。

与偏航行为同步，在控制系统的作用下完成斜拉索的扫描、张紧与松弛。

在偏航过程中，当斜拉索的避让行为与张紧行为发生矛盾时，优先考虑斜拉索对风轮的避让行为，完成避让后再执行张紧任务，建立张紧力。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)改变了现有风机塔筒的悬壁结构，以较低成本提高了塔筒的结构可靠性，减小台风条件下塔筒失效率，提高风机在极端载荷下的生存能力；

(2)借助自动控制功能，根据风向确定斜拉索张紧或松弛，根据风载大小调节斜拉索的张紧力，建立张紧合力，获得最佳抗风效果；