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一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置

阅读：1010发布：2020-11-03

IPRDB可以提供一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明实施例公开了一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置，用于实现对垂直轴风力发电机组的功率控制，实用性和通用性很强。本发明实施例方法包括：获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和垂直轴风力发电机组的风轮转速；判断风速是否大于额定风速，若风速小于额定风速，根据风速、风轮转速和风轮旋转半径计算第一叶尖速比；根据最佳叶尖速比对第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比；根据第二叶尖速比计算风能利用系数；根据风能利用系数、风轮扫掠面积、风速和垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算垂直轴风力发电机组产生的机械功率；向变流器下发所述机械功率，通过所述变流器控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速。，下面是一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种垂直轴风力发电机组的控制方法，其特征在于，包括：获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和所述垂直轴风力发电机组的风轮转速；

判断所述风速是否大于额定风速，若所述风速小于所述额定风速，根据所述风速、所述风轮转速和风轮旋转半径计算第一叶尖速比；

根据最佳叶尖速比对所述第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比；

根据所述第二叶尖速比计算风能利用系数；

根据所述风能利用系数、风轮扫掠面积、所述风速和所述垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算垂直轴风力发电机组产生的机械功率；

向变流器下发所述机械功率，通过所述变流器控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向变流器下发所述机械功率，具体为：通过CANopen协议向所述变流器下发所述机械功率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述风速、所述风轮转速和风轮旋转半径计算第一叶尖速比，包括：通过如下方式计算第一叶尖速比：

其中，所述λ′为第一叶尖速比，所述R为风轮旋转半径，所述n为风轮转速，所述V为风速。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据最佳叶尖速比对所述第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比，包括：通过如下方式计算叶尖速比差值d，d＝λm-λ′，其中，所述λ′为第一叶尖速比，所述λm为最佳叶尖速比；

保持最佳叶尖速比取值不变，减少所述叶尖速比差值，得到所述第二叶尖速比。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二叶尖速比计算风能利用系数，包括：通过如下方式计算风能利用系数：

2 3 4 5

Cp ＝ 0.01194+0.12945λ-0.08587λ-0.09755λ+0.14679λ-0.05094λ+0.005326

λ，其中，所述Cp为风能利用系数，所述λ为第二叶尖速比。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述风能利用系数、风轮扫掠面积、所述风速和所述垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算垂直轴风力发电机组产生的机械功率，包括：通过如下方式计算所述机械功率：

其中，所述P为机械功率，所述ρ为空气密度，所述V为风速，所述Cp为风能利用系数，所述S为风轮扫掠面积。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断所述风速是否大于额定风速，之前还包括：判断同步发电机转速是否大于设定转速，若是，向变流器下发同步启动命令执行同步启动，同时给励磁装置下发励磁电流。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：若所述风速大于所述额定风速，判断所述风速是否大于切出风速，若是，投入负载，同时逐步增加励磁电流，直到同步发电机转速小于设定转速，启动液压刹车，直到转速等于0，完成刹车。

9.一种垂直轴风力发电机组的控制装置，其特征在于，包括：数据采集单元，用于获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和所述垂直轴风力发电机组的风轮转速；

判断单元，用于判断所述风速是否大于额定风速；

第一计算单元，用于当所述风速小于所述额定风速时，根据所述风速、所述风轮转速和风轮旋转半径计算第一叶尖速比；

修正单元，用于根据最佳叶尖速比对所述第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比；

第二计算单元，用于根据所述第二叶尖速比计算风能利用系数；

第三计算单元，用于根据所述风能利用系数、风轮扫掠面积和所述垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算垂直轴风力发电机组产生的机械功率；

发送单元，用于向变流器下发所述机械功率，通过所述变流器控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述发送单元，具体用于通过CANopen协议向所述变流器下发所述机械功率。

11.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述第一计算单元，具体用于通过如下方式计算第一叶尖速比：其中，所述λ′为第一叶尖速比，所述R为风轮旋转半径，所述n为风轮转速，所述V为风速。

12.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述修正单元，具体用于通过如下方式计算叶尖速比差值d，d＝λm-λ′，其中，所述λ′为第一叶尖速比，所述λm为最佳叶尖速比；保持最佳叶尖速比取值不变，减少所述叶尖速比差值，得到所述第二叶尖速比。

13.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述第二计算单元，具体用于通过如下方式计算风能利用系数：

2 3 4 5

Cp=0.01194+0.12945λ-0.08587λ-0.09755λ+0.14679λ-0.05094λ+0.005326

λ，其中，所述Cp为风能利用系数，所述λ为第二叶尖速比。

14.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述第三计算单元，具体用于通过如下方式计算所述机械功率：其中，所述P为机械功率，所述ρ为空气密度，所述V为风速，所述Cp为风能利用系数，所述S为风轮扫掠面积。

15.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述判断单元，还用于判断所述同步发电机转速是否大于设定转速；

所述发送单元，还用于当所述同步发电机转速大于设定转速时，向变流器下发同步启动命令，同时给励磁装置下发励磁电流。

16.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：停机保护单元，其中，所述判断单元，还用于当所述风速大于所述额定风速时，判断所述风速是否大于切出风速；

所述停机保护单元，用于当所述风速大于切出风速时，投入负载，同时逐步增加励磁电流，直到同步发电机转速小于设定转速，启动液压刹车，直到转速等于0，完成刹车。

说明书全文

一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电控制技术领域，尤其涉及一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置。

背景技术

[0002] 垂直轴风力发电机组与水平轴风力发电机组相比，以其设计方法先进，风能利用率高，启动风速低，基本不产生噪音等优点，已逐渐重新被人们认识和重视，具有广泛的市场应用前景。目前对垂直轴风力发电机组研制技术还尚未成熟，通常主要集中在研制垂直轴风力发电机组的结构上，但是对垂直轴风力发电机组的控制技术的研制目前还较少。

[0003] 接下来介绍现有技术中对垂直轴风力发电机组的一种控制方法。该控制方法是为了实现风力发电机组的最大功率控制。现有的控制垂直轴风力发电机组输出最大功率的方法一般是根据风力发电机组整机厂提供的转速n与功率p或风速v与功率p的对应关系曲线图，经离散化后制作成表格形式，将离散化的数值n、v、p存入控制装置的存储器中供查表使用，根据控制装置采集到的风机转速或风速的信号值，通过对制作的表格进行查询，由此得出采集到的风机转速或风速所对应的功率值，将通过查询表格得到的功率值作为设定的功率值下发给变流器，通过变流器来控制发电机的电磁转矩，调整发电机的转速，使机组转速跟随风速的变化改变，保持基本恒定的最佳叶尖速比，风能利用系数最大，从而实现风机组运行时输出最大功率。

[0004] 本发明的发明人在实现本发明的控制方法的过程中发现，现有的控制方法至少存在以下技术缺陷：对风力发电机组整机厂提供的对应关系曲线图中的数据n、v、p离散化后得到具体的数值，这需要建立多维数组并存储，故产生的数据量很大，而且通过查询表格获得某一转速或风速下对应的功率值也并不是最大的功率参考值，实用性不强；对于风力发电机组的不同机型，转速与功率或风速与功率的对应关系曲线也不同，仍需重新对多维数组赋值，故现有的控制方法不能实现所有机型的通用，兼容性较差。

发明内容

[0005] 本发明实施例提供了一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置，用于实现对垂直轴风力发电机组的功率控制，实用性和通用性很强。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

[0007] 第一方面，本发明实施例提供一种垂直轴风力发电机组的控制方法，包括：

[0008] 获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和所述垂直轴风力发电机组的风轮转速；

[0009] 判断所述风速是否大于额定风速，若所述风速小于所述额定风速，根据所述风速、所述风轮转速和风轮旋转半径计算第一叶尖速比；

[0010] 根据最佳叶尖速比对所述第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比；

[0011] 根据所述第二叶尖速比计算风能利用系数；

[0012] 根据所述风能利用系数、风轮扫掠面积、所述风速和所述垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算垂直轴风力发电机组产生的机械功率；

[0013] 向变流器下发所述机械功率，通过所述变流器控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速。

[0014] 第二方面，本发明实施例还提供了一种垂直轴风力发电机组的控制装置，包括：

[0015] 数据采集单元，用于获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和所述垂直轴风力发电机组的风轮转速；

[0016] 判断单元，用于判断所述风速是否大于额定风速；

[0017] 第一计算单元，用于当所述风速小于所述额定风速时，根据所述风速、所述风轮转速和风轮旋转半径计算第一叶尖速比；

[0018] 修正单元，用于根据最佳叶尖速比对所述第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比；

[0019] 第二计算单元，用于根据所述第二叶尖速比及其和风能利用系数关系计算风能利用系数；

[0020] 第三计算单元，用于根据所述风能利用系数、风轮扫掠面积和所述垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算垂直轴风力发电机组产生的机械功率；

[0021] 发送单元，用于向变流器下发所述机械功率，通过所述变流器控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速。

[0022] 从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

[0023] 在本发明提供的实施例中，首先获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和垂直轴风力发电机组的风轮转速，在风速小于额定风速的情况下，计算出第一叶尖速比，根据预置的最佳叶尖速比对第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比，然后通过第二叶尖速比计算出风能利用系数，最后根据风能利用系数、风轮扫掠面积、风速和垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算出垂直轴风力发电机组产生的机械功率值，向变流器下发该机械功率，由于计算出第一叶尖速比后需要根据最佳叶尖速比进行修正，计算风能利用系数时使用的是修正的结果即第二叶尖速比，故根据该修正结果计算出的机械功率能够保证垂直轴风力发电机组输出的是最大功率，变流器根据下发的机械功率，来控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速，能够实现垂直轴风力发电机组运行在最优功率模式下，最大限度地从风中吸收能量转换为电能，实用性很强；且不需要对风力发电机组整机厂提供的功率曲线图进行离散化后存储，故适用于风力发电机组的多种机型，实现了对垂直轴风力发电机组的功率控制，通用性很强，兼容性很好。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0025] 图1为本发明实施例提供的垂直轴风力发电机组的控制方法的流程方框示意图；

[0026] 图2为本发明实施例提供的叶尖速比的控制原理框图；

[0027] 图3为本发明实施例提供的安全转速控制的原理框图；

[0028] 图4为本发明实施例提供的叶尖速比与风能利用系数的对应关系曲线图；

[0029] 图5为本发明实施例提供的最佳风速和机械功率的对应关系曲线图；

[0030] 图6a和图6b为本发明实施例提供的垂直轴风力发电机组的控制流程示意图；

[0031] 图7为本发明实施例提供的垂直轴风力发电机组的控制装置的组成结构示意图。

具体实施方式

[0032] 本发明实施例提供了一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置，用于实现对垂直轴风力发电机组的功率控制，实用性和通用性很强。

[0033] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 本发明实施例提供的一种垂直轴风力发电机组的控制方法，如图1所示，具体可以包括如下步骤：

[0035] 101、获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和垂直轴风力发电机组的风轮转速。

[0036] 在本发明实施例中，对垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速进行采集，对垂直轴风力发电机组的风轮转速进行采集。风速和风轮转速的数据采集可以是实时风速实时风轮转速，也可以是计算一定时间段内的平均风速和平均风轮转速，例如时间段可以选择为30s内或10min内。风速和风轮转速的数据采集为控制垂直轴风力发电机组的运行提供实时数据。

[0037] 102、判断风速是否大于额定风速，若风速小于额定风速，根据风速、风轮转速和风轮旋转半径计算第一叶尖速比。

[0038] 在本发明实施例中，采集到风速和风轮转速之后，对风速的数值大小进行判断，当满足风速的数值小于额定风速的数值这一条件时，根据风速、风轮转速和风轮旋转半径计算出第一叶尖速比。

[0039] 在计算第一叶尖速比时具体可以采用多种实现方式，例如，可以通过如下方式计算第一叶尖速比：

[0040] 其中，λ′为第一叶尖速比，R为风轮旋转半径，n为风轮转速，V为风速。

[0041] 又如，可以首先根据风速计算出风轮旋转角速度ω，其中n为风轮转速，然后通过如下方式计算出第一叶尖速比：

[0042] 另外需要说明的是，额定风速是垂直轴风力发电机组根据风力满载功率的取值大小而设置的风速值，本发明实施例中将采集到的风速与额定风速进行数值比较，根据风速与额定风速的数值关系分别采取不同的功率控制模式（分别为最佳叶尖速比控制模式和安全转速控制模式，将在后续步骤中给出详细说明）。

[0043] 需要说明的是，在本发明实施例中，步骤102执行之前，还可以包括如下步骤：

[0044] 判断同步发电机转速是否大于设定转速，若是，向变流器下发同步启动命令执行同步启动，同时给励磁装置下发励磁电流。

[0045] 103、根据最佳叶尖速比对第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比。

[0046] 在本发明实施例中，计算出第一叶尖速比之后，需要根据最佳叶尖速比对第一叶尖速比进行修正，为了便于本发明实施例中的描述，将对第一叶尖速比修正后的结果命名为第二叶尖速比，其中，第一叶尖速比是根据采集到的风速和风轮转速计算的叶尖速比，也可以说是当前状况下根据风速和风轮转速直接计算出的实际叶尖速比。

[0047] 需要说明的是，在本发明的实施例中，最佳叶尖速比是垂直轴风力发电机组根据自身性能参数进行仿真计算后设置的叶尖速比所取值的大小，当风力发电机组运行在最佳叶尖速比模式下，机组输出最大功率，对风能的利用效率最高。

[0048] 在本发明实施例中，根据最佳叶尖速比对第一叶尖速比进行修正，实现第一叶尖速比的取值不断跟踪最佳叶尖速比，使垂直轴风力发电机组的叶尖速比始终保持在最佳叶尖速比的取值处附近，当风速变化时，实现了对于小于额定风速的任何风速，垂直轴风力发电机组对风能的利用率最大。

[0049] 本发明实施例步骤103具体可以包括：通过如下方式计算叶尖速比差值d，d=λm-λ′，其中，λ′为第一叶尖速比，λm为最佳叶尖速比；

[0050] 保持最佳叶尖速比取值不变，减少所述叶尖速比差值，得到第二叶尖速比。

[0051] 通过第一叶尖速比λ′和给定的最佳叶尖速比λm做差，所得差值定义为叶尖速比差值，作为PID控制的输入值，通过PID控制算法，实现对第一叶尖速比的修正，则修正的结果即第二叶尖速比能够不断跟踪最佳叶尖速比，使垂直轴风力发电机组的叶尖速比始终保持在最佳叶尖速比的取值处附近，当风速变化时，实现了对小于额定风速的任何风速，垂直轴风力发电机组对风能的利用率最大。

[0052] 为了详细说明对第一叶尖速比的修正，请参阅如图2所示，为叶尖速比的控制原理框图，在图2中，从垂直轴风力发电机组的所处环境周围采集到风速测量值，从垂直轴风力发电机组中采集到风轮转速测量值，然后计算出第一叶尖速比，根据最佳叶尖速比对第一叶尖速比进行修正，得到了第二叶尖速比，根据第二叶尖速比及其与风能利用系数关系计算出了机械功率，然后下发给变流器，这个详细过程请参阅后述步骤的具体描述。由于第一叶尖速比是根据最佳叶尖速比进行修正，此种情况下可以认为是最佳叶尖速比控制模式。

[0053] 本发明实施例中，在风速大于额定风速时，如果在高于额定风速时继续使用最佳叶尖速比控制，则垂直轴风力发电机组将要承受超过满载功率的机械功率输入，故垂直轴风力发电机组需避开运行在最佳叶尖速比模式，进入安全转速控制模式，使输出功率和载荷不致过大，此时只需要进行转速控制，如图3所示，为安全转速控制的原理框图，根据垂直轴风力发电机组的安全转速给定值实施转速闭环PID控制，确保垂直轴风力发电机组在安全转速模式内运行。

[0054] 需要说明的是，本发明实施例还可以包括如下步骤：若风速大于额定风速，判断风速是否大于切出风速，若是，投入负载，同时逐步增加励磁电流，直到同步发电机转速小于设定转速，启动液压刹车，直到转速等于0，完成刹车。

[0055] 需要说明的是，在本发明实施例中，第一叶尖速比和第二叶尖速比是为了能够区分是两个叶尖速比而采取的命名方式，其中“第一”和“第二”只是用于区分修正前和修正后的叶尖速比，“第一”和“第二”并不具有时序或者逻辑上的任何关系，此处仅作说明。

[0056] 104、根据第二叶尖速比计算风能利用系数。

[0057] 在本发明实施例中，风能利用系数指的是垂直轴风力发电机组捕获的风能与作用于发电机组的原风能之比，根据第二叶尖速比就可以计算出风能利用系数。

[0058] 对于步骤104，作为其中一种可实现的方式是，根据第二叶尖速比计算风能利用系数，具体可以包括：通过如下方式计算风能利用系数：

[0059] Cp=0.01194+0.12945λ-0.08587λ2|-0.09755λ3|+0.14679λ4|-0.05094λ5|+0.6
00532λ|，其中，Cp为风能利用系数，λ为第二叶尖速比。

[0060] 为了实现最大效率的捕获风能，需要垂直轴风力发电机组运行于最佳叶尖速比及其附近，由前述Cp和λ的关系可以获知，要确保垂直轴风力发电机组运行时最佳效率输出，需保证风能利用系数的取值尽可能大，通过对Cp和λ之间的关系式进行仿真，对应于每一个λ都可以计算出一个Cp，如图4所示，为叶尖速比λ与风能利用系数Cp的对应关系曲线图，由图4可知，叶尖速比λ取值范围选定在2≤λ≤3.2时，Cp的取值较大。

[0061] 105、根据风能利用系数、风轮扫掠面积、风速和垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算垂直轴风力发电机组产生的机械功率。

[0062] 在本发明实施例中，获取到风能利用系数之后，根据风能利用系数、风轮扫掠面积、风速和垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算机械功率，采用叶片转化的机械功率公式就可以计算出机械功率了。

[0063] 对于步骤105，作为其中可实现的方式是，具体可以通过如下方式计算机械功率：

[0064] 其中，所述P为机械功率，所述ρ为空气密度，所述V为风速，所述Cp为风能利用系数，所述S为风轮扫掠面积。

[0065] 在本发明实施例中，可以根据每次采集到的风速和风轮转速计算机械功率，在风速固定时，不同的转速即对应不同的叶尖速比，也即对应不同的Cp，也即对应不同的输出功率，设定不同风速，可以得到机组在不同风速下输出功率与风速关系。然后筛选出最大的机械功率取值情况，生成最佳风速和机械功率的对应关系曲线，以便于在获取到风速的情况下，直接通过对应关系曲线获取到机械功率，接下来对最佳风速和机械功率的对应关系曲线的制作过程进行详细说明。

[0066] 步骤101至105中计算了机械功率，当风速的取值不同时，通过以上相同计算步骤可得出一族对应于不同风速和机械功率的对应关系曲线，进一步地，把每一条曲线上的最大功率点连成曲线，即可得到最佳风速和机械功率的对应关系曲线图，以海拔3500米以3
下的空气密度ρ＝0.86kg/m 为例进行说明，如图5所示。实现了在风速小于额定风速情况下，由采集的风速信号，根据最佳风速和机械功率的对应关系曲线图给变流器下发机械功率，来控制发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速，使风机组运行在最佳叶尖速比模式下，保证垂直轴风力发电机组的功率系数较大，从而保证机组最大功率输出。

[0067] 106、向变流器下发机械功率，通过所述变流器控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速。

[0068] 在本发明实施例中，生成机械功率之后，向变流器下发机械功率，则变流器就可以根据机械功率来控制发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速。具体的，可以通过CANopen协议向变流器下发机械功率。

[0069] 在本发明提供的实施例中，首先获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和垂直轴风力发电机组的风轮转速，在风速小于额定风速的情况下，计算出第一叶尖速比，根据预置的最佳叶尖速比对第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比，然后通过第二叶尖速比计算出风能利用系数，最后根据风能利用系数、风轮扫掠面积、风速和垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算出垂直轴风力发电机组产生的机械功率，向变流器下发该机械功率，由于计算出第一叶尖速比后需要根据最佳叶尖速比进行修正，计算风能利用系数时使用的是修正的结果即第二叶尖速比，故根据该修正结果计算出的机械功率能够保证垂直轴风力发电机组输出的是最大功率，变流器根据下发的机械功率来控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速，能够实现垂直轴风力发电机组运行在最优功率模式下，最大限度地从风中吸收能量转换为电能，实用性很强；且不需要对风力发电机组整机厂提供的功率曲线图进行离散化后存储，故适用于风力发电机组的多种机型，实现了对垂直轴风力发电机组的功率控制，通用性很强，兼容性很好。

[0070] 接下来对垂直轴风力发电机组所实现的全部控制流程进行详细说明，为了便于理解如下描述的各个步骤之前的时序逻辑关系，请参阅如图6a和图6b所示的控制流程示意图。

[0071] 第1步：系统上电后，点击触摸屏“启动”按钮，系统进入自动控制运行状态。

[0072] 第2步：系统采集得到平均风速v，比较平均风速v和切入风速v1大小。如果v≥v1，直接转第3步；否则系统进入待风状态，同时本地触摸屏显示“进入待风”状态，直到v≥v1，转第3步。

[0073] 第3步：系统自动判断是否满足自动运行条件，若不满足，本地触摸屏显示相关报警提示，直到报警排除，转第4步。若自动条件满足，直接转第4步。

[0074] 第4步：系统进入自动运行状态并开始泄压，同时本地触摸屏显示“自动运行”状态，转第5步。

[0075] 第5步：泄压完成，接通发电机与变流器之间的主线，若主线接通失败，触摸屏提示报警，系统自动停机刹车，转第14步；否则直接转第6步。

[0076] 第6步：变流器网侧启动，若网侧启动失败，触摸屏提示报警，系统自动停机并刹车，否则直接转第7步。

[0077] 第7步：系统自动运行一定时间后，根据平均风轮转速n，与设定转速n1比较，如果n≥n1，直接转第8步。否则，励磁短接输出，变流器异步启动，若启动2min后且n≥n1，断开励磁短接并异步停机，转第8步。

[0078] 第8步：下发励磁电流值并执行变流器同步启动，直接转第9步。

[0079] 第9步：转速达到并网设定转速，系统进入并网状态，转第10步。如果在运行中变流器出现脱网现象，转第12步。

[0080] 第10步：进入并网状态后，系统判断当前v是否大于额定风速v2，若v≤v2，由采集的风速信号，根据最佳风速和机械功的对应关系曲线给变流器下发机械功率，确保垂直轴风力发电机组输出最大功率，实现了对于小于额定风速的任何风速，风力机对风能的利用率最大；否则转11步。

[0081] 第11步：系统判断当前v是否大于切出风速v3，如果v≥v3，系统报警并停机，转第14步；否则实现安全转速控制，使垂直轴风力发电机组运行在恒定功率模式下。

[0082] 第12步：系统对变流器脱网现象原因进行判断，若由于变流器故障非正常脱网，则进入待机状态并维持当前转速，直到变流器由故障状态转换到请求状态，转13步。如果变流器脱网由于风速过低，系统进入待机状态，直到风速达到切入风速，且变流器处在请求状态，转13步。

[0083] 第13步：系统从网侧同步启动开始，进入并网状态。

[0084] 第14步：在正常运行中出现报警或按停机按钮均执行停机程序，直接转第15步。

[0085] 第15步：执行停机指令后，系统首先投入负载，5s一次循环检测发电机转速趋势，转16步。

[0086] 第16步：如果检测到转速仍上升，逐步加励磁电流，直到同步发电机转速小于10r，转17步。

[0087] 第17步：启动液压刹车，直到转速等于0，转18步。

[0088] 第18步：刹车成功，系统由自动状态转为手动状态，运行结束。

[0089] 接下来在本发明实施例中将介绍和上述方法实施例中介绍的方法相对应的装置，具体各单元的执行方法可参见上述方法实施例，在此仅描述相关单元的内容，具体说明如下。

[0090] 请参阅如图7所示，一种垂直轴风力发电机组的控制装置700，包括：

[0091] 数据采集单元701，用于获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和所述垂直轴风力发电机组的风轮转速；

[0092] 判断单元702，用于判断所述风速是否大于额定风速；

[0093] 第一计算单元703，用于当所述风速小于所述额定风速时，根据所述风速、所述风轮转速和风轮旋转半径计算第一叶尖速比；

[0094] 修正单元704，用于根据最佳叶尖速比对所述第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比；

[0095] 第二计算单元705，用于根据所述第二叶尖速比计算风能利用系数；

[0096] 第三计算单元706，用于根据所述风能利用系数、风轮扫掠面积和所述垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算垂直轴风力发电机组产生的机械功率；

[0097] 发送单元707，用于向变流器下发所述机械功率，通过所述变流器控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速。

[0098] 需要说明的是，对于本发明实施例提供的发送单元707，作为其中另一种可实现的方式是，发送单元707，具体用于通过CANopen协议向所述变流器下发所述机械功率。

[0099] 需要说明的是，对于本发明实施例提供的第一计算单元703，作为其中一种可实现的方式是，第一计算单元，具体用于通过如下方式计算第一叶尖速比：

[0100] 其中，所述λ′为第一叶尖速比，所述R为风轮旋转半径，所述n为风轮转速，所述V为风速。

[0101] 需要说明的是，对于本发明实施例提供的修正单元704，作为其中一种可实现的方式是，修正单元，具体用于通过如下方式计算叶尖速比差值d，d=λm-λ′，其中，所述λ′为第一叶尖速比，所述λm为最佳叶尖速比；保持最佳叶尖速比取值不变，减少所述叶尖速比差值，得到所述第二叶尖速比。

[0102] 需要说明的是，对于本发明实施例提供的第二计算单元705，作为其中一种可实现的方式是，第二计算单元，具体用于通过如下方式计算风能利用系数：

[0103] Cp=0.01194+0.12945λ-0.08587λ2-0.09755λ3+0.14679λ4-0.05094λ5+0.00536
2λ，其中，所述Cp为风能利用系数，所述λ为第二叶尖速比。

[0104] 需要说明的是，对于本发明实施例提供的第三计算单元706，作为其中一种可实现的方式是，第三计算单元，具体用于通过如下方式计算所述机械功率：

[0105] 其中，所述P为机械功率，所述ρ为空气密度，所述V为风速，所述Cp为风能利用系数，所述S为风轮扫掠面积。

[0106] 需要说明的是，对于本发明实施例提供的判断单元702和发送单元707，作为其中一种可实现的方式是，其中，

[0107] 所述判断单元702，还用于判断同步发电机转速是否大于设定转速；

[0108] 所述发送单元707，还用于当所述同步发电机转速大于设定转速时，向变流器下发同步启动命令，同时给励磁装置下发励磁电流。

[0109] 需要说明的是，对于本发明实施例提供的垂直轴风力发电机组的控制装置700，作为其中一种可实现的方式是，所述装置700还包括：停机保护单元（未在图7中示出），其中，[0110] 所述判断单元，还用于当所述风速大于所述额定风速时，判断所述风速是否大于切出风速；

[0111] 所述停机保护单元，用于当所述风速大于切出风速时，投入负载，同时逐步增加励磁电流，直到同步发电机转速小于设定转速，启动液压刹车，直到转速等于0，完成刹车。

[0112] 需要说明的是，上述装置各模块/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明方法实施例相同，具体内容可参见本发明如前述方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

[0113] 在本发明提供的实施例中，首先数据采集单元获取垂直轴风力发电机组所处环境周围的风速和垂直轴风力发电机组的风轮转速，在风速小于额定风速的情况下，第一计算单元计算出第一叶尖速比，修正单元根据预置的最佳叶尖速比对第一叶尖速比进行修正，得到第二叶尖速比，然后第二计算单元通过第二叶尖速比计算出风能利用系数，最后第三计算单元根据风能利用系数、风轮扫掠面积、风速和垂直轴风力发电机组所处环境周围的空气密度计算出垂直轴风力发电机组产生的机械功率，发送单元向变流器下发该机械功率，由于计算出第一叶尖速比后需要根据最佳叶尖速比进行修正，计算风能利用系数时使用的是修正的结果即第二叶尖速比，故根据该修正结果计算出的机械功率能够保证垂直轴风力发电机组输出的是最大功率，变流器根据下发的机械功率，来控制同步发电机的电磁转矩，调整同步发电机转速，能够实现垂直轴风力发电机组运行在最优功率模式下，最大限度地从风中吸收能量转换为电能，实用性很强；且不需要对风力发电机组整机厂提供的功率曲线图进行离散化后存储，故适用于风力发电机组的多种机型，实现了对垂直轴风力发电机组的功率控制，通用性很强，兼容性很好。

[0114] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

[0115] 以上对本发明所提供的一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种垂直轴风力发电机-专利编号CN110985304A	2020-05-11	425
垂直轴风力发电机组-专利编号CN105804943A	2020-05-14	587
笼式垂直轴风力发电机-专利编号CN106567806A	2020-05-13	166
一种垂直轴风力发电机-专利编号CN110273812A	2020-05-11	95
垂直轴风力发电机-专利编号CN105715456B	2020-05-12	671
垂直轴风力发电机-专利编号CN108457804A	2020-05-12	769
一种垂直轴风力发电机-专利编号CN106150896A	2020-05-13	744
一种垂直轴风力发电机-专利编号CN107035614B	2020-05-12	551
一种垂直轴风力发电机-专利编号CN110735763A	2020-05-11	850
垂直轴风力发电机-专利编号CN103912442B	2020-05-13	764

一种垂直轴风力发电机组的控制方法和装置

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