CN102889177B - H型垂直轴风力发电***变桨距角结构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种H型垂直轴风力发电***变桨距角结构及控制方法,属于风力发电技术领域,其结构是风机叶片为可转动的,风机叶片上装有位置传感器,中心立柱上端装有风向风速传感器。控制方法是:⑴设定初值;⑵定时采集信号;⑶是否超出切出风速,是,***停止,否,执行⑷;⑷位置角是否小于,是,桨距角变为,执行⑽,否,执行⑸;⑸是否小于,是,不变,执行⑽,否,执行(6);(6)是否小于,是,变为,执行⑽,否,执行⑺;⑺是否小于,是,变为,执行⑽,否,执行⑻;⑻是否小于,是,不变,执行⑽,否,执行⑼;⑼是否小于,是,变为,执行⑽,否,减,返回⑵;⑽计算其它叶片的,确定其,执行⑾;⑾是否超过切入风速,是,返回⑵,否,停止程序。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域,具体涉及一种H型垂直轴风力发电***变桨距角结构及控制方法。
背景技术
目前,可再生能源的开发和利用日益得到各国政府的关注,通过风电机组将风能转换成电能的技术在国内外都很重视。据2004年欧盟联合研究中心预测,到本世纪末,风力发电在整个世界能源供应中的比率将超过10%。H型垂直轴风力发电***具有噪声小、振动小、输出效率高、与高层建筑物融合良好等优点,将其与城市高层建筑相结合将成为低碳城市的重要组成部分,但其缺点是自启动能力较差,因此,研究提供一种适于在各种风速状况下***都具有良好自启动能力和高输出效率的控制方法是十分必要的。
图1所示为现有技术H型垂直轴风力发电***结构示意图,是在中心立柱1的下部安装有发电机2、底座3、及安装在底座3中的制动装置4、数据采集和控制模块5及耗能电阻6、中心立柱1的中部安装有交叉形的上固定连接杆7'、7''、7'''和下固定连接杆8'、8''、8'''、在上下连接杆7'、7''、7'''和8'、8''、8'''的端点上分别与六块风机叶片9'、9''、9'''、9''''、9'''''、9''''''固定连接。这样结构形成的桨距角是固定的,其缺点是***自启动能力差、输出功率低。
发明内容
本发明目的是提供一种可变桨距角的新结构及控制方法,可有效地克服现有技术存在的缺点。
本发明是这样实现的,其结构如图2所示,是在包括有中心立柱1、安装在中心立柱1下部的发电机2、底座3、及安装在底座3中的制动装置4、数据采集和控制模块5、及耗能电阻6,在中心立柱1的中部安装有交叉形的上固定连接杆7'、7''、7'''和下固定连接杆8'、8''、8''',在上固定连接杆7'、7''、7'''的各端点上分别安装有轴承12'、12''、12'''、12''''、12'''''、12'''''',各轴承分别与相对应的垂直安装的转轴11'、11''、11'''、11''''、11'''''、11''''''相配合,每根转轴上分别安装有相对应的风机叶片9'、9''、9'''、9''''、9'''''、9'''''',在每根转轴的下部分别与安装在下连接杆8'、8''、8'''上的步进电机13'、13''、13'''、13''''、13'''''、13''''''的转轴相联接,在每个风机叶片上分别安装有位置传感器14'、14''、14'''、14''''、14'''''、14'''''';在中心立柱1的顶端安装有风向风速传感器15的H型垂直轴风力发电***变桨距角结构基础上。
一种H型垂直轴风力发电***变桨距角结构的控制方法,如图3所示,其特征在于所述变桨距角控制方法的操作步骤是:
步骤一、设定上风向的迎风面积最大的叶片的位置角θ为0°,桨距角α为0°,切入风速2~3米/秒,切出风速20~25米/秒,初始定时时间为0.1~0.5秒,关闭制动装置4;
步骤二、通过数据采集和控制模块5定时采集风向、风速信号和风机叶片位置信号;
步骤三、判断风速是否超出设定的切出风速,是,停止程序,打开制动装置,接入耗能电阻6,否,执行步骤四;
步骤四、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于30°,是,控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角α从0°变为3°,执行步骤十,否,执行步骤五;
步骤五、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于150°,是,桨距角α保持为3°不变,执行步骤十,否,执行步骤六;
步骤六、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于180°,是,控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角α从3°变为0°,执行步骤十,否,执行步骤七;
步骤七、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于210°,是,控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角α从0°变为-6°,执行步骤十,否,执行步骤八;
步骤八、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于330°,是,桨距角α保持为-6°不变,执行步骤十,否,执行步骤九;
步骤九、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于360°,是,控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角α从-6°变为0°,执行步骤十,否,位置角θ减360°,返回步骤二;
步骤十、计算其它叶片的位置角θ,确定其桨距角α;
步骤十一、判断风速是否超过设定的切入风速,是,返回步骤二,否,停止程序。
本发明与现有技术相比,具有以下优点和积极效果:(1)与现有技术比较,由于H型垂直轴风力发电***的风机叶片固定轴相连了步进电机,控制方法中采用了根据位置角控制风机叶片桨距角的方法,有效地提高了***的自启动能力和切向力,提高了***的输出效率;(2)结构简单、控制方便、成本低廉、性价比高。
附图说明
图1为现有技术H型垂直轴风力发电***结构示意图;
图2为本发明H型垂直轴风力发电***结构示意图;
图3为本发明控制方法流程图;
图4为现有技术产生的合切向力;
图5为本发明产生的合切向力;
图中:1—中心立柱,2—发电机,3—底座,4—制动装置、5—数据采集和控制模块,6—耗能电阻,7'、7''、7'''—上固定连接杆,8'、8''、8'''—下固定连接杆,9'、9''、9'''、9''''、9'''''、9''''''—风机叶片,10—地基,11'、11''、11'''、11''''、11'''''、11''''''—转轴,12'、12''、12'''、12''''、12'''''、12''''''—轴承,13'、13''、13'''、13''''、13'''''、13''''''—步进电机,14—位置传感器,15—风向风速传感器。
θ/rad—位置角/弧度,Ftt/N—合切向力/牛
具体实施方式
如图2所示,现以选定的H型风力发电***为例,其中发电机2的额定功率为50W,额定电压为50V,额定电流为1A,固定风机叶片长度为1.5m,可变桨距角风机叶片长度为0.8m,宽度为0.5m,设定的切入风速为3m/s,切出风速为20m/s。
以实际风速为5m/s,定时采样时间为0.1秒为例,控制方法步骤为一、设定上风向的迎风面积最大的叶片的位置角为0°,桨距角为0°,切入风速3米/秒,切出风速20米/秒,关闭制动装置4,执行步骤二;步骤二:采集风向、风速和风机叶片位置信号,执行步骤三;步骤三:风速小于切出风速,执行步骤四;步骤四:位置角小于30度,控制步进电机13使桨距角从0°变为3°,执行步骤十;步骤十:按照发电机旋转的方向,风机叶片桨距角依次应变为3°、3°、0°、-6°、-6°,执行步骤十一;步骤十一:大于切入风速,返回步骤二。
其运行结果与现有技术比较如图4、5所示。
本发明在风速较低的情况下可以提高自启动能力和***输出功率,并降低了***输出振动。
Claims (1)
1.一种H型垂直轴风力发电***变桨距角结构的控制方法,是在包括有中心立柱(1)、安装在中心立柱(1)下部的发电机(2)、底座(3)、及安装在底座(3)中的制动装置(4)、数据采集和控制模块(5)、及耗能电阻(6),在中心立柱(1)的中部安装有交叉形的上固定连接杆(7'、7''、7''')和下固定连接杆(8'、8''、8'''),在上固定连接杆(7'、7''、7''')的各端点上分别安装有轴承(12'、12''、12'''、12''''、12'''''、12''''''),各轴承分别与相对应的垂直安装的转轴(11'、11''、11'''、11''''、11'''''、11'''''')相配合,每根转轴上分别安装有相对应的风机叶片(9'、9''、9'''、9''''、9'''''、9''''''),在每根转轴的下部分别与安装在下连接杆(8'、8''、8''')上的步进电机(13'、13''、13'''、13''''、13'''''、13'''''')的转轴相联接,在每个风机叶片上分别安装有位置传感器(14'、14''、14'''、14''''、14'''''、14'''''');在中心立柱(1)的顶端安装有风向风速传感器(15)的H型垂直轴风力发电***变桨距角结构基础上。其特征在于所述变桨距角控制方法的操作步骤是:
步骤一、设定上风向的迎风面积最大的叶片的位置角θ为0°,桨距角α为0°,切入风速2~3米/秒,切出风速20~25米/秒,初始定时时间为0.1~0.5秒,关闭制动装置(4);
步骤二、通过数据采集和控制模块(5)定时采集风向、风速信号和风机叶片位置信号;
步骤三、判断风速是否超出设定的切出风速,是,停止程序,打开制动装置,接入耗能电阻(6),否,执行步骤四;
步骤四、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于30°,是,控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机(13)使桨距角α从0°变为3°,执行步骤十,否,执行步骤五;
步骤五、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于150°,是,桨距角α保持为3°不变,执行步骤十,否,执行步骤六;
步骤六、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于180°,是,控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机(13)使桨距角α从3°变为0°,执行步骤十,否,执行步骤七;
步骤七、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于210°,是,控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机(13)使桨距角α从0°变为-6°,执行步骤十,否,执行步骤八;
步骤八、判断迎风面积最大的叶片的位置角θ是否小于330°,是,桨距角α保持为-6°不变,执行步骤十,否,执行步骤九;
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