專利名稱：一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法和裝置。
背景技術(shù)：
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，以其設(shè)計(jì)方法先進(jìn)，風(fēng)能利用率高，啟動風(fēng)速低，基本不產(chǎn)生噪音等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸重新被人們認(rèn)識和重視，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。目前對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研制技術(shù)還尚未成熟，通常主要集中在研制垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)上，但是對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)的研制目前還較少。接下來介紹現(xiàn)有技術(shù)中對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一種控制方法。該控制方法是為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率控制?，F(xiàn)有的控制垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大功率的方法一般是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)廠提供的轉(zhuǎn)速η與功率P或風(fēng)速V與功率P的對應(yīng)關(guān)系曲線圖，經(jīng)離散化后制作成表格形式，將離散化的數(shù)值η、V、P存入控制裝置的存儲器中供查表使用，根據(jù)控制裝置采集到的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或風(fēng)速的信號值，通過對制作的表格進(jìn)行查詢，由此得出采集到的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或風(fēng)速所對應(yīng)的功率值，將通過查詢表格得到的功率值作為設(shè)定的功率值下發(fā)給變流器，通過變流器來控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化改變，保持基本恒定的最佳葉尖速比，風(fēng)能利用系數(shù)最大，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)輸出最大功率。本發(fā)明的發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的控制方法的過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的控制方法至少存在以下技術(shù)缺陷:對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)廠提供的對應(yīng)關(guān)系曲線圖中的數(shù)據(jù)η、ν、Ρ離散化后得到具體的數(shù)值，這需要建立多維數(shù)組并存儲，故產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量很大，而且通過查詢表格獲得某一轉(zhuǎn)速或風(fēng)速下對應(yīng)的功率值也并不是最大的功率參考值，實(shí)用性不強(qiáng)；對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不同機(jī)型，轉(zhuǎn)速與功率或風(fēng)速與功率的對應(yīng)關(guān)系曲線也不同，仍需重新對多維數(shù)組賦值，故現(xiàn)有的控制方法不能實(shí)現(xiàn)所有機(jī)型的通用，兼容性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法和裝置，用于實(shí)現(xiàn)對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制，實(shí)用性和通用性很強(qiáng)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供以下技術(shù)方案:第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，包括:獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；判斷所述風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速，若所述風(fēng)速小于所述額定風(fēng)速，根據(jù)所述風(fēng)速、所述風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算第一葉尖速比；根據(jù)最佳葉尖速比對所述第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比；根據(jù)所述第二葉尖速比計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)；
根據(jù)所述風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積、所述風(fēng)速和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率；向變流器下發(fā)所述機(jī)械功率，通過所述變流器控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了 一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制裝置，包括:數(shù)據(jù)采集單元，用于獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；判斷單元，用于判斷所述風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速；第一計(jì)算單元，用于當(dāng)所述風(fēng)速小于所述額定風(fēng)速時(shí)，根據(jù)所述風(fēng)速、所述風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算第一葉尖速比；修正單元，用于根據(jù)最佳葉尖速比對所述第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比；第二計(jì)算單元，用于根據(jù)所述第二葉尖速比及其和風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)；第三計(jì)算單元，用于根據(jù)所述風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率；發(fā)送單元，用于向變流器下發(fā)所述機(jī)械功率，通過所述變流器控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例具有以下優(yōu)點(diǎn):在本發(fā)明提供的實(shí)施例中，首先獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，在風(fēng)速小于額定風(fēng)速的情況下，計(jì)算出第一葉尖速比，根據(jù)預(yù)置的最佳葉尖速比對第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比，然后通過第二葉尖速比計(jì)算出風(fēng)能利用系數(shù)，最后根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積、風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算出垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率值，向變流器下發(fā)該機(jī)械功率，由于計(jì)算出第一葉尖速比后需要根據(jù)最佳葉尖速比進(jìn)行修正，計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)使用的是修正的結(jié)果即第二葉尖速比，故根據(jù)該修正結(jié)果計(jì)算出的機(jī)械功率能夠保證垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的是最大功率，變流器根據(jù)下發(fā)的機(jī)械功率，來控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)功率模式下，最大限度地從風(fēng)中吸收能量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)用性很強(qiáng)；且不需要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)廠提供的功率曲線圖進(jìn)行離散化后存儲，故適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的多種機(jī)型，實(shí)現(xiàn)了對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制，通用性很強(qiáng)，兼容性很好。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來講，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法的流程方框示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的葉尖速比的控制原理框圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的安全轉(zhuǎn)速控制的原理框圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系曲線圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的最佳風(fēng)速和機(jī)械功率的對應(yīng)關(guān)系曲線圖；圖6a和圖6b為本發(fā)明實(shí)施例提供的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制流程示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例提供了一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法和裝置，用于實(shí)現(xiàn)對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制，實(shí)用性和通用性很強(qiáng)。為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，如圖1所示，具體可以包括如下步驟:101、獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。在本發(fā)明實(shí)施例中，對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速進(jìn)行采集，對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集。風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集可以是實(shí)時(shí)風(fēng)速實(shí)時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，也可以是計(jì)算一定時(shí)間段內(nèi)的平均風(fēng)速和平均風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，例如時(shí)間段可以選擇為30s內(nèi)或IOmin內(nèi)。風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集為控制垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

102、判斷風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速，若風(fēng)速小于額定風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算第一葉尖速比。在本發(fā)明實(shí)施例中，采集到風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之后，對風(fēng)速的數(shù)值大小進(jìn)行判斷，當(dāng)滿足風(fēng)速的數(shù)值小于額定風(fēng)速的數(shù)值這一條件時(shí)，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算出第一葉尖速比。在計(jì)算第一葉尖速比時(shí)具體可以采用多種實(shí)現(xiàn)方式，例如，可以通過如下方式計(jì)算第一葉尖速比:=其中，λ '為第一葉尖速比，R為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑，η為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，V為
OU V風(fēng)速。
2.ΤΓΠ又如，可以首先根據(jù)風(fēng)速計(jì)算出風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度ω# = ^，其中η為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，
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然后通過如下方式計(jì)算出第一葉尖速比a'=爺。另外需要說明的是，額定風(fēng)速是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)風(fēng)力滿載功率的取值大小而設(shè)置的風(fēng)速值，本發(fā)明實(shí)施例中將采集到的風(fēng)速與額定風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值比較，根據(jù)風(fēng)速與額定風(fēng)速的數(shù)值關(guān)系分別采取不同的功率控制模式(分別為最佳葉尖速比控制模式和安全轉(zhuǎn)速控制模式，將在后續(xù)步驟中給出詳細(xì)說明)。需要說明的是，在本發(fā)明實(shí)施例中，步驟102執(zhí)行之前，還可以包括如下步驟:
判斷同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否大于設(shè)定轉(zhuǎn)速，若是，向變流器下發(fā)同步啟動命令執(zhí)行同步啟動，同時(shí)給勵磁裝置下發(fā)勵磁電流。103、根據(jù)最佳葉尖速比對第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比。在本發(fā)明實(shí)施例中，計(jì)算出第一葉尖速比之后，需要根據(jù)最佳葉尖速比對第一葉尖速比進(jìn)行修正，為了便于本發(fā)明實(shí)施例中的描述，將對第一葉尖速比修正后的結(jié)果命名為第二葉尖速比，其中，第一葉尖速比是根據(jù)采集到的風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速計(jì)算的葉尖速比，也可以說是當(dāng)前狀況下根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速直接計(jì)算出的實(shí)際葉尖速比。需要說明的是，在本發(fā)明的實(shí)施例中，最佳葉尖速比是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)自身性能參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算后設(shè)置的葉尖速比所取值的大小，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最佳葉尖速比模式下，機(jī)組輸出最大功率，對風(fēng)能的利用效率最高。在本發(fā)明實(shí)施例中，根據(jù)最佳葉尖速比對第一葉尖速比進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)第一葉尖速比的取值不斷跟蹤最佳葉尖速比，使垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖速比始終保持在最佳葉尖速比的取值處附近，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對于小于額定風(fēng)速的任何風(fēng)速，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對風(fēng)能的利用率最大。本發(fā)明實(shí)施例步驟103具體可以包括:通過如下方式計(jì)算葉尖速比差值d，d= λ m- λ ，其中，λ'為第一葉尖速比，Am為最佳葉尖速比；保持最佳葉尖速比取值不變，減少所述葉尖速比差值，得到第二葉尖速比。通過第一葉尖速比λ，和給定的最佳葉尖速比λπ做差，所得差值定義為葉尖速比差值，作為PID控制的輸入值，通過PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對第一葉尖速比的修正，則修正的結(jié)果即第二葉尖速比能夠不斷跟蹤最佳葉尖速比，使垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖速比始終保持在最佳葉尖速比的取值處附近，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對小于額定風(fēng)速的任何風(fēng)速，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對風(fēng)能的利用率最大。

為了詳細(xì)說明對第一葉尖速比的修正，請參閱如圖2所示，為葉尖速比的控制原理框圖，在圖2中，從垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所處環(huán)境周圍采集到風(fēng)速測量值，從垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采集到風(fēng)輪轉(zhuǎn)速測量值，然后計(jì)算出第一葉尖速比，根據(jù)最佳葉尖速比對第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到了第二葉尖速比，根據(jù)第二葉尖速比及其與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系計(jì)算出了機(jī)械功率，然后下發(fā)給變流器，這個(gè)詳細(xì)過程請參閱后述步驟的具體描述。由于第一葉尖速比是根據(jù)最佳葉尖速比進(jìn)行修正，此種情況下可以認(rèn)為是最佳葉尖速比控制模式。本發(fā)明實(shí)施例中，在風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí),如果在高于額定風(fēng)速時(shí)繼續(xù)使用最佳葉尖速比控制，則垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將要承受超過滿載功率的機(jī)械功率輸入，故垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需避開運(yùn)行在最佳葉尖速比模式，進(jìn)入安全轉(zhuǎn)速控制模式，使輸出功率和載荷不致過大，此時(shí)只需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，如圖3所示，為安全轉(zhuǎn)速控制的原理框圖，根據(jù)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全轉(zhuǎn)速給定值實(shí)施轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制，確保垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在安全轉(zhuǎn)速模式內(nèi)運(yùn)行。需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例還可以包括如下步驟:若風(fēng)速大于額定風(fēng)速，判斷風(fēng)速是否大于切出風(fēng)速，若是，投入負(fù)載，同時(shí)逐步增加勵磁電流，直到同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定轉(zhuǎn)速，啟動液壓剎車，直到轉(zhuǎn)速等于0，完成剎車。需要說明的是，在本發(fā)明實(shí)施例中，第一葉尖速比和第二葉尖速比是為了能夠區(qū)分是兩個(gè)葉尖速比而采取的命名方式，其中“第一”和“第二”只是用于區(qū)分修正前和修正后的葉尖速比，“第一”和“第二”并不具有時(shí)序或者邏輯上的任何關(guān)系，此處僅作說明。104、根據(jù)第二葉尖速比計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)。在本發(fā)明實(shí)施例中，風(fēng)能利用系數(shù)指的是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組捕獲的風(fēng)能與作用于發(fā)電機(jī)組的原風(fēng)能之比，根據(jù)第二葉尖速比就可以計(jì)算出風(fēng)能利用系數(shù)。對于步驟104，作為其中一種可實(shí)現(xiàn)的方式是，根據(jù)第二葉尖速比計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)，具體可以包括:通過如下方式計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù):Cp=0.01194+0.12945 λ -0.08587 λ 21 -0.09755 λ 31 +0.14679 λ 41 -0.05094 λ 51 +0.00532 λ 6|，其中，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，λ為第二葉尖速比。為了實(shí)現(xiàn)最大效率的捕獲風(fēng)能，需要垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行于最佳葉尖速比及其附近，由前述Cp和λ的關(guān)系可以獲知，要確保垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)最佳效率輸出，需保證風(fēng)能利用系數(shù)的取值盡可能大，通過對Cp和λ之間的關(guān)系式進(jìn)行仿真，對應(yīng)于每一個(gè)λ都可以計(jì)算出一個(gè)Cp，如圖4所示，為葉尖速比λ與風(fēng)能利用系數(shù)Cp的對應(yīng)關(guān)系曲線圖，由圖4可知，葉尖速比λ取值范圍選定在2彡λ彡3.2時(shí)，Cp的取值較大。105、根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積、風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率。在本發(fā)明實(shí)施例中，獲取到風(fēng)能利用系數(shù)之后，根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積、風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算機(jī)械功率，采用葉片轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率公式就可以計(jì)算出機(jī)械功率了。對于步驟105，作為其中可實(shí)現(xiàn)的方式是，具體可以通過如下方式計(jì)算機(jī)械功率:
Ρ =其中，所述P為機(jī)械功率，所述P為空氣密度，所述V為風(fēng)速，
jL
所述Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，所述s為風(fēng)輪掃掠面積。在本發(fā)明實(shí)施例中，可以根據(jù)每次采集到的風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速計(jì)算機(jī)械功率，在風(fēng)速固定時(shí)，不同的轉(zhuǎn)速即對應(yīng)不同的葉尖速比，也即對應(yīng)不同的Cp，也即對應(yīng)不同的輸出功率，設(shè)定不同風(fēng)速，可以得到機(jī)組在不同風(fēng)速下輸出功率與風(fēng)速關(guān)系。然后篩選出最大的機(jī)械功率取值情況，生成最佳風(fēng)速和機(jī)械功率的對應(yīng)關(guān)系曲線，以便于在獲取到風(fēng)速的情況下，直接通過對應(yīng)關(guān)系曲線獲取到機(jī)械功率，接下來對最佳風(fēng)速和機(jī)械功率的對應(yīng)關(guān)系曲線的制作過程進(jìn)行詳細(xì)說明。步驟101至105中計(jì)算了機(jī)械功率，當(dāng)風(fēng)速的取值不同時(shí)，通過以上相同計(jì)算步驟可得出一族對應(yīng)于不同風(fēng)速和機(jī)械功率的對應(yīng)關(guān)系曲線，進(jìn)一步地，把每一條曲線上的最大功率點(diǎn)連成曲線，即可得到最佳風(fēng)速和機(jī)械功率的對應(yīng)關(guān)系曲線圖，以海拔3500米以下的空氣密度P =0.86kg/m3為例進(jìn)行說明，如圖5所示。實(shí)現(xiàn)了在風(fēng)速小于額定風(fēng)速情況下，由采集的風(fēng)速信號，根據(jù)最佳風(fēng)速和機(jī)械功率的對應(yīng)關(guān)系曲線圖給變流器下發(fā)機(jī)械功率，來控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)組運(yùn)行在最佳葉尖速比模式下，保證垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率系數(shù)較大，從而保證機(jī)組最大功率輸出。106、向變流器下發(fā)機(jī)械功率，通過所述變流器控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在本發(fā)明實(shí)施例中，生成機(jī)械功率之后，向變流器下發(fā)機(jī)械功率，則變流器就可以根據(jù)機(jī)械功率來控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。具體的，可以通過CANopen協(xié)議向變流器下發(fā)機(jī)械功率。在本發(fā)明提供的實(shí)施例中，首先獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，在風(fēng)速小于額定風(fēng)速的情況下，計(jì)算出第一葉尖速比，根據(jù)預(yù)置的最佳葉尖速比對第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比，然后通過第二葉尖速比計(jì)算出風(fēng)能利用系數(shù)，最后根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積、風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算出垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率，向變流器下發(fā)該機(jī)械功率，由于計(jì)算出第一葉尖速比后需要根據(jù)最佳葉尖速比進(jìn)行修正，計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)使用的是修正的結(jié)果即第二葉尖速比，故根據(jù)該修正結(jié)果計(jì)算出的機(jī)械功率能夠保證垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的是最大功率，變流器根據(jù)下發(fā)的機(jī)械功率來控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)功率模式下，最大限度地從風(fēng)中吸收能量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)用性很強(qiáng)；且不需要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)廠提供的功率曲線圖進(jìn)行離散化后存儲，故適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的多種機(jī)型，實(shí)現(xiàn)了對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制，通用性很強(qiáng)，兼容性很好。接下來對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所實(shí)現(xiàn)的全部控制流程進(jìn)行詳細(xì)說明，為了便于理解如下描述的各個(gè)步驟之前的時(shí)序邏輯關(guān)系，請參閱如圖6a和圖6b所示的控制流程示意圖。第I步:系統(tǒng)上電后，點(diǎn)擊觸摸屏“啟動”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入自動控制運(yùn)行狀態(tài)。第2步:系統(tǒng)采集得到平均風(fēng)速V，比較平均風(fēng)速V和切入風(fēng)速Vl大小。如果V ^ vl，直接轉(zhuǎn)第3步；否則系統(tǒng)進(jìn)入待風(fēng)狀態(tài)，同時(shí)本地觸摸屏顯示“進(jìn)入待風(fēng)”狀態(tài)，直到V彡vl，轉(zhuǎn)第3步。第3步:系統(tǒng)自動判斷是否滿足自動運(yùn)行條件，若不滿足，本地觸摸屏顯示相關(guān)報(bào)警提示，直到報(bào)警排除，轉(zhuǎn)第4步。若自動條件滿足，直接轉(zhuǎn)第4步。第4步:系統(tǒng)進(jìn)入自 動運(yùn)行狀態(tài)并開始泄壓，同時(shí)本地觸摸屏顯示“自動運(yùn)行”狀態(tài)，轉(zhuǎn)第5步。第5步:泄壓完成，接通發(fā)電機(jī)與變流器之間的主線，若主線接通失敗，觸摸屏提示報(bào)警，系統(tǒng)自動停機(jī)剎車，轉(zhuǎn)第14步；否則直接轉(zhuǎn)第6步。第6步:變流器網(wǎng)側(cè)啟動，若網(wǎng)側(cè)啟動失敗，觸摸屏提示報(bào)警，系統(tǒng)自動停機(jī)并剎車，否則直接轉(zhuǎn)第7步。第7步:系統(tǒng)自動運(yùn)行一定時(shí)間后，根據(jù)平均風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n，與設(shè)定轉(zhuǎn)速nl比較，如果η > nl,直接轉(zhuǎn)第8步。否則,勵磁短接輸出，變流器異步啟動,若啟動2min后且n ^ nl,斷開勵磁短接并異步停機(jī)，轉(zhuǎn)第8步。第8步:下發(fā)勵磁電流值并執(zhí)行變流器同步啟動，直接轉(zhuǎn)第9步。第9步:轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)設(shè)定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)第10步。如果在運(yùn)行中變流器出現(xiàn)脫網(wǎng)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)第12步。第10步:進(jìn)入并網(wǎng)狀態(tài)后,系統(tǒng)判斷當(dāng)前V是否大于額定風(fēng)速v2,若V彡v2,由采集的風(fēng)速信號，根據(jù)最佳風(fēng)速和機(jī)械功的對應(yīng)關(guān)系曲線給變流器下發(fā)機(jī)械功率，確保垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大功率，實(shí)現(xiàn)了對于小于額定風(fēng)速的任何風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的利用率最大；否則轉(zhuǎn)11步。
第11步:系統(tǒng)判斷當(dāng)前V是否大于切出風(fēng)速v≥v3，如果d系統(tǒng)報(bào)警并停機(jī)，轉(zhuǎn)第14步；否則實(shí)現(xiàn)安全轉(zhuǎn)速控制，使垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在恒定功率模式下。第12步:系統(tǒng)對變流器脫網(wǎng)現(xiàn)象原因進(jìn)行判斷，若由于變流器故障非正常脫網(wǎng)，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)并維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速，直到變流器由故障狀態(tài)轉(zhuǎn)換到請求狀態(tài)，轉(zhuǎn)13步。如果變流器脫網(wǎng)由于風(fēng)速過低，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直到風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速，且變流器處在請求狀態(tài)，轉(zhuǎn)13步。第13步:系統(tǒng)從網(wǎng)側(cè)同步啟動開始，進(jìn)入并網(wǎng)狀態(tài)。第14步:在正常運(yùn)行中出現(xiàn)報(bào)警或按停機(jī)按鈕均執(zhí)行停機(jī)程序，直接轉(zhuǎn)第15步。第15步:執(zhí)行停機(jī)指令后，系統(tǒng)首先投入負(fù)載，5s—次循環(huán)檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢，轉(zhuǎn)16步。第16步:如果檢測到轉(zhuǎn)速仍上升，逐步加勵磁電流，直到同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于10r，轉(zhuǎn) 17 步。第17步:啟動液壓剎車，直到轉(zhuǎn)速等于0，轉(zhuǎn)18步。第18步:剎車成功,系統(tǒng)由自動狀態(tài)轉(zhuǎn)為手動狀態(tài),運(yùn)行結(jié)束。接下來在本發(fā)明實(shí)施例中將介紹和上述方法實(shí)施例中介紹的方法相對應(yīng)的裝置，具體各單元的執(zhí)行方法可參見上述方法實(shí)施例，在此僅描述相關(guān)單元的內(nèi)容，具體說明如下。請參閱如圖7所示，一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制裝置700，包括: 數(shù)據(jù)采集單元701，用于獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；判斷單元702，用于判斷所述風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速；第一計(jì)算單元703，用于當(dāng)所述風(fēng)速小于所述額定風(fēng)速時(shí)，根據(jù)所述風(fēng)速、所述風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算第一葉尖速比；修正單元704，用于根據(jù)最佳葉尖速比對所述第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比；第二計(jì)算單元705，用于根據(jù)所述第二葉尖速比計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)；第三計(jì)算單元706，用于根據(jù)所述風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率；發(fā)送單元707，用于向變流器下發(fā)所述機(jī)械功率，通過所述變流器控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。需要說明的是，對于本發(fā)明實(shí)施例提供的發(fā)送單元707，作為其中另一種可實(shí)現(xiàn)的方式是，發(fā)送單元707，具體用于通過CANopen協(xié)議向所述變流器下發(fā)所述機(jī)械功率。需要說明的是，對于本發(fā)明實(shí)施例提供的第一計(jì)算單元703，作為其中一種可實(shí)現(xiàn)的方式是，第一計(jì)算單元，具體用于通過如下方式計(jì)算第一葉尖速比:

權(quán)利要求
1.一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，其特征在于，包括: 獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速； 判斷所述風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速，若所述風(fēng)速小于所述額定風(fēng)速，根據(jù)所述風(fēng)速、所述風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算第一葉尖速比； 根據(jù)最佳葉尖速比對所述第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比； 根據(jù)所述第二葉尖速比計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)； 根據(jù)所述風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積、所述風(fēng)速和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率； 向變流器下發(fā)所述機(jī)械功率，通過所述變流器控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述向變流器下發(fā)所述機(jī)械功率，具體為: 通過CANopen協(xié)議向所述變流器下發(fā)所述機(jī)械功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述風(fēng)速、所述風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算第一葉尖速比，包括: 通過如下方式計(jì)算第一葉尖速比:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)最佳葉尖速比對所述第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比，包括: 通過如下方式計(jì)算葉尖速比差值d，d= λπ-λ'，其中，所述λ'為第一葉尖速比，所述入 >為最佳葉尖速比； 保持最佳葉尖速比取值不變，減少所述葉尖速比差值，得到所述第二葉尖速比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第二葉尖速比計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)，包括: 通過如下方式計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù):Cp = 0.01194+0.12945 λ -0.08587 λ 2-0.09755 λ 3+0.14679 λ 4-0.05094 λ 5+0.00532入6，其中，所述Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，所述λ為第二葉尖速比。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積、所述風(fēng)速和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率，包括: 通過如下方式計(jì)算所述機(jī)械功率:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述判斷所述風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速，之前還包括:判斷同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否大于設(shè)定轉(zhuǎn)速，若是，向變流器下發(fā)同步啟動命令執(zhí)行同步啟動，同時(shí)給勵磁裝置下發(fā)勵磁電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:若所述風(fēng)速大于所述額定風(fēng)速，判斷所述風(fēng)速是否大于切出風(fēng)速，若是，投入負(fù)載，同時(shí)逐步增加勵磁電流，直到同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定轉(zhuǎn)速，啟動液壓剎車，直到轉(zhuǎn)速等于O，完成剎車。
9.一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制裝置，其特征在于，包括: 數(shù)據(jù)采集單元，用于獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速； 判斷單元，用于判斷所述風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速； 第一計(jì)算單元，用于當(dāng)所述風(fēng)速小于所述額定風(fēng)速時(shí)，根據(jù)所述風(fēng)速、所述風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算第一葉尖速比； 修正單元，用于根據(jù)最佳葉尖速比對所述第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比； 第二計(jì)算單元，用于根據(jù)所述第二葉尖速比計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)； 第三計(jì)算單元，用于根據(jù)所述風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積和所述垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率； 發(fā)送單元，用于向變流器下發(fā)所述機(jī)械功率，通過所述變流器控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制裝置，其特征在于，所述發(fā)送單元，具體用于通過CANopen協(xié)議向所述變流器下發(fā)所述機(jī)械功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所 述的控制裝置，其特征在于，所述第一計(jì)算單元，具體用于通過如下方式計(jì)算第一葉尖速比: 2 D f = ;.;，其中，所述λ'為第一葉尖速比，所述R為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑，所述η為風(fēng)輪60 V轉(zhuǎn)速，所述V為風(fēng)速。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制裝置，其特征在于，所述修正單元，具體用于通過如下方式計(jì)算葉尖速比差值d，d= λπ-λ'，其中，所述λ'為第一葉尖速比，所述λπ為最佳葉尖速比；保持最佳葉尖速比取值不變，減少所述葉尖速比差值，得到所述第二葉尖速比。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制裝置，其特征在于，所述第二計(jì)算單元，具體用于通過如下方式計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù):Cp=0.01194+0.12945 λ -0.08587 λ 2-0.09755 λ 3+0.14679 λ 4-0.05094 λ 5+0.00532λ 6，其中，所述Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，所述λ為第二葉尖速比。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制裝置，其特征在于，所述第三計(jì)算單元，具體用于通過如下方式計(jì)算所述機(jī)械功率:. .,.5.，其中，所述P為機(jī)械功率，所述P為空氣密度，所述V為風(fēng)速，所述 2Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，所述S為風(fēng)輪掃掠面積。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制裝置，其特征在于， 所述判斷單元，還用于判斷所述同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否大于設(shè)定轉(zhuǎn)速；所述發(fā)送單元，還用于當(dāng)所述同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，向變流器下發(fā)同步啟動命令，同時(shí)給勵磁裝置下發(fā)勵磁電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制裝置，其特征在于，所述控制裝置還包括:停機(jī)保護(hù)單元，其中， 所述判斷單元，還用于當(dāng)所述風(fēng)速大于所述額定風(fēng)速時(shí)，判斷所述風(fēng)速是否大于切出風(fēng)速； 所述停機(jī)保護(hù)單元，用于當(dāng)所述風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí)，投入負(fù)載，同時(shí)逐步增加勵磁電流，直到同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定轉(zhuǎn)速，啟動液壓剎車，直到轉(zhuǎn)速等于O，完成剎車。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開了一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法和裝置，用于實(shí)現(xiàn)對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制，實(shí)用性和通用性很強(qiáng)。本發(fā)明實(shí)施例方法包括獲取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；判斷風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速，若風(fēng)速小于額定風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算第一葉尖速比；根據(jù)最佳葉尖速比對第一葉尖速比進(jìn)行修正，得到第二葉尖速比；根據(jù)第二葉尖速比計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)；根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃掠面積、風(fēng)速和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境周圍的空氣密度計(jì)算垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的機(jī)械功率；向變流器下發(fā)所述機(jī)械功率，通過所述變流器控制同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
文檔編號F03D7/06GK103147918SQ20131006627
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者周慶余, 朱子焜, 張海軍 申請人:深圳市風(fēng)發(fā)科技發(fā)展有限公司