用於控制垂直軸風力發電系統的設備和方法

2023-07-02 11:32:31

專利名稱：用於控制垂直軸風力發電系統的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於控制垂直軸風力發電系統的設備和方法，更具體 地說，本發明涉及一種用於控制垂直軸風力發電系統的設備和方法，所述 系統控制包含在具有垂直軸渦輪的垂直軸風力發電系統中的導向葉片的 旋轉，並適當地調節進入到垂直軸風力發電系統中的風的方向，以便經過 轉子葉片，從而保持旋轉速度並產生最大功率。
背景技術：
通常，根據其中有渦輪旋轉的軸，風力發電系統基於渦輪機圍繞其旋
轉的軸被分成兩種類型，即，水平軸風力渦輪機和垂直軸風力渦輪機。垂 直軸風力渦輪機是Darrieus風力渦輪機和Savonius風力渦輪機。Darrieus風 力渦輪機利用升力，而Savonius風力渦輪機使用拉力。Darrieus風力渦輪機 可以達到最高為0.35的理論效率。
垂直軸風力渦輪機可以利用與風向無關的風，並可以設定比水平軸風 力渦輪機更低的切入速度(可以開始產生功率的最小風速)，從而以低速 產生風能。因此，受風向較少影響並具有較低切入速度的垂直軸風力渦流 機適用於由於天氣的較大變化而造成風速變化的情況。
圖lA是傳統的Savonius拖拉型垂直軸風力渦輪機的平面簡圖，其顯示
了根據葉輪的位置的垂直軸風力渦輪機的轉矩。
參照圖1A，在傳統的Savonius拖拉型垂直軸風力渦輪機中，其中風穿 過的葉片的位置Li、 L2和L3改變，使得相關的風速W和進入的相對的風的 方向改變，從而改變轉矩的大小。水平軸風力渦輪機在所有葉片中產生正轉矩，而與葉片的旋轉方向無關，而在Savonius拖拉型垂直軸渦輪發電機 中，存在出現負轉矩的位置，因此產生總體較低的功率係數值。例如，在 圖1A中，在位置L3處出現負轉矩。
雖然具有封閉通道的葉片將進入到葉片上的速度能轉換為壓力，且因
此轉矩大小與速度的平方成比例，但Savonius拖拉型垂直軸風力渦輪機也 不能控制進入到葉片上的風速。
為此，WO2004/018872和韓國專利申請第2005-0034732號公開了一種
裝置，該裝置通過安裝垂直渦輪增加進入的風的速度，所述垂直渦輪具有 圍繞其圓周徑向設置的分布固定導向葉片，和在葉輪的上遊部分(風進入 的入口)中的各種類型的入口導向葉片。
然而，由於傳統的Savonius拖拉型垂直軸風力渦輪機根據翼末端的旋 轉速度比具有較大效率波動，所以，需要通過安裝入口導向葉片增加進入 的風速，並根據測量的進入到葉輪上的風速適當地控制葉輪的轉數。
圖1B是根據傳統技術的，在具有垂直入口導向葉片的噴射輪型渦輪 的葉輪周圍的流線分布的簡圖。圖1C是根據傳統技術的，安裝垂直平面型 入口導向葉片時的空氣流的風量分布的簡圖。
參照圖1B，在傳統的Savonius拖拉型垂直軸風力渦輪機中，由於垂直
平面型入口導向葉片安裝在葉輪的上遊部分中，所以產生流線，並且由於 葉輪的旋轉，所以流線聚集在圖1B中的葉輪的右側上。
參照圖1C，儘管入口導向葉片具有較大的入口/出口面積比(大約 3.83)，然而由於一些空氣朝向低阻力的區域流出，所以不是所有的風都 流入到入口中，使得流速不會由於入口導向葉片的較大的入口/出口面積 比而增加。

發明內容
本發明提供一種用於控制垂直軸風力發電系統的設備和方法，該系統 根據風向和風速控制導向葉片的旋轉，並適當地控制經過葉輪的風向，從 而保持產生最大功率的旋轉速度。
本發明還提供一種用於控制垂直軸風力發電系統的設備和方法，該系 統根據風向和風速檢測發電機的輸出功率，保持額定功率，並當檢測到在設定值的預定範圍外的較高或較低的風速、結構錯誤、制動單元故障、以 及導向葉片故障時，停止發電機，從而保護垂直軸風力發電系統。
根據本發明的一個方面，提供了一種用於控制垂直軸風力發電系統的 設備，所述系統包括測量風向和風速的風速儀/風速計、具有多個葉片的 垂直葉輪、引導進入的風並使風流過葉輪的一個或多個導向葉片、以及通 過風所引起的葉輪的旋轉而發電的發電機，並基於從風速儀/風速計接收 的數據控制進入到葉輪的風量，所述設備包括 一個或多個結構傳感器， 所述一個或多個結構傳感器感應支撐所述垂直軸風力發電系統中的每個 單元的結構的位移；導向葉片驅動/制動單元，所述導向葉片驅動/制動單 元旋轉驅動或制動一個或多個導向葉片，並控制進入到葉輪的風量；控制 器，所述控制器從風速儀/風速計接收風向和風速的數據，將用於控制一 個或多個導向葉片的信號發送到導向葉片驅動/制動單元，使得發電機產 生預先確定的最大功率，並且如果從所述風速儀/風速計、 一個或多個結 構傳感器、或發電機接收的每條數據處於預先規定的值的範圍外，則在一 個或多個導向葉片、發電機、或葉輪中產生制動信號，或產生用於機械地
連接或斷開連接發電機和葉輪的控制信號；以及一個或多個制動單元，所
述一個或多個制動單元根據從控制器接收的用於停止發電機的控制信號、 用於停止葉輪的控制信號、或用於停止一個或多個導向葉片的控制信號停 止發電機、葉輪和導向葉片。
這裡， 一個或多個導向葉片優選包括入口導向葉片和橫側部導向葉片。
根據本發明的另一方面，提供了一種控制垂直軸風力發電系統的方 法，所述方法通過接收由風速儀/風速計測量的風向和風速的當前數據、 計算當前數據、並在控制器中控制一個或多個導向葉片的位置運動將風引 至垂直軸葉輪，通過進入的風所引起的葉輪旋轉的旋轉動力驅動發電機，
並產生電力，所述方法包括步驟停頓過程，根據控制器從風速儀/風速 計接收的風速數據，在當前風速低於用於準備用於發電機驅動的最小風 速、或高於用於停止發電機的最大風速時，制動一個或多個導向葉片、葉 輪或發電機，其中控制器執行制動，以及機械地斷開發電機和葉輪；等待
過程，當由控制器接收的當前風速保持在用於開始發電的最小風速和用於準備停止發電機的最大風速之間時，制動一個或多個導向葉片、葉輪或發 電機，並根據主風向移動一個或多個導向葉片，使得具有最大效率的風可 以流過葉輪；部分負荷操作過程，在等待過程之後，機械連接發電機和葉 輪，並且在當前風速低於用於產生額定功率的風速時，根據主方向移動一
個或多個導向葉片，以便產生在當前風速下的最大功率；滿負荷操作過程， 當由發電機產生的功率高於額定功率時，移動一個或多個導向葉片並限制 流過葉輪的風，以便保持額定功率；以及停止過程，在每個過程期間，當 控制器檢測到每個單元的故障、或當前風速沒有保持在用於準備驅動發電 機的最小風速和用於停止發電機的最大風速之間時，進入每個單元都停止 的停止模式。


將從以下的典型實施例的詳細說明中，參照附圖使本發明的這些和/ 或其它方面和優點變得更顯而易見並更易於理解，其中
圖1 A是傳統的Savonim拖拉型垂直軸風力渦輪機的平面簡圖，其顯示
了根據葉輪的位置的垂直軸風力發電機的轉矩；
圖1B是根據傳統技術的，在具有垂直入口導向葉片的噴射輪型渦輪 的葉輪周圍的流線分布的簡圖1C是根據傳統技術的，安裝垂直平面型入口導向葉片時的空氣流 的風分布的簡圖2是用於控制根據本發明的實施例的垂直軸風力發電系統的設備的 方框圖3是根據在根據本發明的實施例的垂直軸風力發電系統中的風速變 化的操作過程的簡圖4是顯示控制根據本發明實施例的垂直軸風力發電系統的過程的流
程圖5是顯示如圖4所示的停頓過程的具體流程圖； 圖6是顯示如圖4所示的等待過程的具體流程圖； 圖7是顯示如圖4所示的運行過程的具體流程圖；圖8是顯示如圖7所示的部分負荷操作過程的具體流程圖9是顯示如圖7所示的滿負荷操作過程的具體流程圖10是顯示控制處於低風速停止模式下的根據本發明的實施例的垂
直軸風力發電系統的方法的流程圖ll是顯示控制處於制動單元停止模式下的根據本發明的實施例的
垂直軸風力發電系統的方法的流程圖12是顯示控制處於高風速停止模式下的根據本發明的實施例的垂
直軸風力發電系統的方法的流程圖13是顯示控制處於發電機停止模式下的根據本發明的實施例的垂 直軸風力發電系統的方法的流程圖；以及
圖14是顯示控制處於導向葉片停止模式下的根據本發明的實施例的
垂直軸風力發電系統的方法的流程圖。
具體實施例方式
現在將對本發明的典型實施例進行詳細地說明，本發明的典型實施例 在附圖中被示出。
同時，本發明參照的垂直軸風力發電系統的詳細結構在韓國專利文件 第810990號(公布於2008年3月11日)中被公開，是由本專利申請的申請
人所獲得的專利。以下將參照上述韓國專利公開中披露的垂直軸風力發電 系統的結構說明用於控制根據本發明的垂直軸風力發電系統的設備和方 法。
圖2是用於控制根據本發明的實施例的垂直軸風力發電系統的設備的 方框圖。參照圖2，用於控制本實施例的垂直軸風力發電系統的設備包括
測量風向和風速的風速儀/風速計101、具有多個葉片lll的垂直軸葉輪110、 引導進入的風並使所述風流至葉輪110中的第一和第二導向葉片131、傳動 齒輪單元151，傳動齒輪單元151通過與齒輪151a相連接的葉輪的旋轉而傳 動旋轉、從傳動齒輪單元151接收旋轉動力並產生電力的發電機152、檢測
由於不利的外部條件所造成的壓力而導致的支撐垂直軸風力發電系統中 的每個單元的結構的位移的第一到第三結構傳感器121到123、根據控制信
號和經過葉輪110的風量的控制量，旋轉驅動或制動第一和第二導向葉片131和132的第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142、以及控制器 100，控制器100接收來自風速儀/風速計101的風向和風速數據，並將控制 信號發送到第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142，使得發電機152 產生預先確定的最大功率。
用於控制本實施例的垂直軸風力發電系統的設備包括停止葉輪110的 旋轉的主制動單元161、以及使傳動齒輪單元151和發電機152停止的輔助 制動單元162。主制動單元161設置在葉輪110和傳動齒輪單元151之間，且 如果控制器100輸出停止發電機152和葉輪110的控制信號，則根據控制信 號停止發電機152和葉輪110。輔助制動單元162設置在傳動齒輪單元151 和發電機152之間，並根據控制器100的制動控制信號停止傳動齒輪單元 151和發電機152。
伺服器200遠程接收由控制器100接收的每個單元的狀態數據和控制 器100使用的控制指令數據，儲存並監控狀態數據和控制指令數據。服務 器200可以通過控制器l OO執行遠程控制。
控制器100計算從風速儀/風速計101接收的風速數據，且如果計算的 風速數據在可以產生電力的預先確定的風速的範圍內，則控制發電機152 的速度，以便產生預先確定的最大電力。如果從風速儀/風速計101、第一 到第三結構傳感器121到123、或發電機152接收的每條數據都在預先確定 的值的範圍外，則控制器100產生並發送用於第一和第二導向葉片131和 132、發電機152或葉輪110的制動控制信號，並將制動控制信號傳遞到主 制動單元161和輔助制動單元162。輔助制動單元162根據控制器100的控制 信號連接或中斷從發電機152到傳動齒輪單元151或從傳動齒輪單元151到 發電機152的輸電線路。
第一到第三結構傳感器121到123包括分別設置在葉輪110的垂直中心 軸的上和下端中並測量垂直中心軸的傾斜度的第一和第二中心軸傳感器 121和122、以及測量葉片111的下垂度的葉片位移傳感器123。第一到第三 結構傳感器121到123將垂直中心軸的傾斜數據和葉片111的位移數據傳遞 到控制器IOO。
第一導向葉片131通過單獨的軸承固定到連接至葉輪110的軸的框架， 並在控制器100的控制下，根據風向以預定的角度旋轉移動。第一導向葉片131為圓形入口導向葉片，並增加或減少進入到葉片lll的風的速度，以
改變渦輪的轉矩。
第二導向葉片132為橫側部導向葉片，並有助於第一導向葉片131的作 用。第二導向葉片132根據風向旋轉移動，並控制進入到葉片lll的風量， 以便增加或減少進入的風的速度。
下面將參照圖2到圖14具體說明用於控制根據本實施例的垂直軸風力 發電系統的設備的操作。
參照圖2，控制器100根據從風速儀/風速計101和第一到第三結構傳感 器121到123接收的信息進行計算，並驅動或斷開發電機152、第一和第二 導向葉片驅動/制動單元141和142、主制動單元161以及輔助制動單元162.
如果從風速儀/風速計101接收的當前的風速較低，則由於不能通過葉 輪110的旋轉動力驅動發電機152而產生電力，所以，控制器100停止第一 和第二導向葉片驅動/制動單元141和142，驅動主制動單元161和輔助制動 單元162，並停止發電機152、傳動齒輪單元151以及葉輪110。
如果從風速儀/風速計101接收的當前風速較高，則由於與葉輪110的 齒輪151a、傳動齒輪單元151以及發電機152相連的葉輪110的旋轉所產生 的旋轉動力將使發電機152出現過載。在此情況下，控制器110驅動主制動 單元161和輔助制動單元162，停止發電機152、傳動齒輪單元151以及葉輪 110，控制第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142以便降低葉輪110 的旋轉能，並停止第一導向葉片131和第二導向葉片132，使得發電機152 與垂直風力發電機機械且電學地分離。
當從風速儀/風速計101接收的當前風速保持能夠產生風力的預定程 度時，控制器100基於從風速儀/風速計101接收的關於風向的信息計算主 風向，並驅動第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142，以便產生葉 輪110的最大效率，使得第一導向葉片131和第二導向葉片132可以根據主 風向移動到最佳位置，並因此發電機152可以產生最大功率。
同時，由於第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142的延遲作用 以使風速快速改變而使發電機152的功率超過額定功率時，控制器100直接 控制主制動單元161，並制動齒輪151a和傳動齒輪單元151，從而減少發電 機152的功率。更具體地，如果當前的風速超過額定風速，則必須通過旋轉第一和第
二導向葉片131和132減少經過葉輪110的風量，以便保持發電機152的額定 旋轉速度。然而，由於第一和第二導向葉片131和132具有低旋轉速度，所 以，不能適當地中止經過葉輪110的風，並因此很難控制發電機152的狀態。 此時，主制動單元161用於承受能量損失，以便減少傳遞到發電機152的能
第一到第三結構傳感器121到123安裝在結構中，並將結構的位移信息 傳遞到控制器IOO。第一和第二結構傳感器121和122是固定到葉輪110的垂 直中心軸的上和下端的第一和第二中心軸傳感器，並將葉輪110的傾斜數 據傳送到控制器IOO。第三結構傳感器123是設置在葉片111的末端的葉片 位移傳感器，測量葉片lll的下垂度，並將葉片lll的位移數據傳送到控制 器亂
控制器100利用從第一到第三結構傳感器121到123接收的信息進行計 算操作，以便預測出結構的損壞，且如果預測到結構損壞，則停止垂直軸 風力發電系統的所有功能。
另外，當發動機152中有過流流動或發電機152錯誤操作時，由於傳動 齒輪單元151、葉輪110和葉片111可能被損壞，所以，控制器100驅動主制 動單元161和輔助制動單元162，並停止發電機152、傳動齒輪單元151、葉 輪110和葉片111。
如果葉輪110旋轉，則設置在葉輪110的旋轉中心軸的下端中的齒輪 151a旋轉，並且齒輪151a的旋轉動力傳遞到傳動齒輪單元151。
連接到齒輪151a的傳動齒輪單元151是根據轉數調換齒輪的齒輪箱， 該齒輪箱基於連接齒輪比將旋轉力傳遞到發電機152，由此產生風力。
從傳動齒輪單元151傳遞的旋轉力通過發電機152輸出作為產生風力， 並然後通過電力轉換系統產生電力。發電機152根據控制器100的控制指令 控制發電狀態，並將是否執行發電傳遞到控制器IOO。安裝在發電機152 中的傳感器(未示出)檢測氣流狀態和操作狀態，且當發電機152中有過 流流動或發電機152錯誤操作時，將此信息傳遞到控制器100。
第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142從控制器100接收與風 向相關的第一和第二導向葉片131和132的位置運動控制信號，並移動第一和第二導向葉片131和132，以便控制葉片lll的最佳轉速。此後，第一和 第二導向葉片驅動/制動單元141和142將結果數據傳遞到控制器100。
同時，感應操作狀態的傳感器(未顯示)安裝在第一和第二導向葉片 驅動/制動單元141和142中，且如果在第一和第二導向葉片驅動/制動單元 141和142中存在過流、或第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142錯 誤操作，則第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142可能被損壞，並 因此傳感器將此信息傳遞到控制器IOO。
風速儀/風速計101、第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142、發 電機152、主制動單元161、輔助制動單元162以及第一到第三結構傳感器 121到123將關於每個操作狀態的信息傳遞到控制器100。控制器100將接收 的信息傳遞到伺服器200。伺服器200儲存和顯示接收的信息，且如果需要， 通過控制器100在遠距離區域內監測和控制整個垂直軸風力發電系統。
圖3是根據在根據本發明的實施例的垂直軸風力發電系統中的風速的 操作過程的簡圖。圖4是顯示控制根據本發明的實施例的垂直軸風力發電 系統的過程的流程圖。
參照圖3， Un^表示用於準備發電機的驅動的最小風速值，且被設定
在控制器中。Ueut.in表示用於開始發電的最小風速的規定值。U鵬d表示在發 電系統中產生額定功率的風速的規定值。Ueut-。ut表示用於停止發電的最大 風速的規定值。
參照圖4，垂直軸風力發電系統的控制器100相對其每個單元執行自測 (步驟102)。在自測過程中(步驟102)，打開主制動單元161和輔助制動 單元162，並檢測每個單元的操作狀態。
在進行自測過程(步驟102)之前，控制器100測試主制動單元161和 輔助制動單元162的操作狀態，將返回到原位的指令發送到第一和第二導 向葉片131和132，檢測是否已經執行返回到原位的指令，並檢測發電機152 的操作狀態。
如果作為自測結果檢測到故障，則主制動單元161和輔助制動單元162 保持打開並發出警報。如果作為測試結果沒有檢測到故障，則執行停頓過 程(步驟104)。
當從風速儀/風速計101到控制器101接收的當前風速U低於最小風速U函或高於最大風速U加-。ut時，執行停頓過程(步驟104)。在當前風速U高於用於準備驅動發電的最小風速Umin並低於用於開始發電的最小風速Ueut.in時，執行等待過程(步驟106)。當由控制器100接收的當前風速U高於用於開始發電的最小風速Ucut-in並低於用於停止發電的最大風速Ueut,t時，執行運行過程(步驟108)。在運行過程中(步驟108)，執行部分負荷操作以增加功率，直到當前風速達到用於輸出額定功率的額定風速Urated為止，且當發電機152的輸出功率達到額定輸出功率後，執行額定功率保持過程，使得進入到葉輪iio中的風的速度可以保持額定風速(即，發電機152的輸出功率可以連續保持額定輸出功率)。在當前風速U超過用於停止發電的最高風速U加-。ut時，當前風速U確定 為高風速，且垂直軸風力發電系統進入停止模式。下面將參照圖5到圖14詳細說明如圖4所示的每個操作。 圖5是顯示如圖4所示停頓過程(步驟104)的具體流程圖。參照圖5，在當前風速U低於最小風速U^或高於用於停止發電的最大風速Ueut-。ut時，執行停頓過程。此時，主制動單元161和輔助制動單元162打開以執行制動 操作，而發電機152與風力發電機及其負載分離。當由控制器100接收的當前風速U高於最小風速U^且低於用於開始發電的最小風速Ueut-in時，計算每秒的風速變化率(du/dt)的增加量，且如果每秒的風速變化被預測為能夠發電的規定風速，則執行等待過程(步驟106)。如果當前風速U高於用於停止發電機的最大風速Umax，且每秒的風速變化率(du/dt)的減少量被預測為能夠發電的規定風速，則執行等待 過程(步驟106)。圖6是顯示如圖4所示的等待過程的具體流程圖。參照圖6，在等待過 程中(步驟106)，主制動單元161和輔助制動單元162中斷制動狀態，第一 和第二導向葉片131和132以通過控制器100規定的預定時間間隔驅動第一 和第二導向葉片驅動/制動單元141和142，並根據主風向移動第一和第二 導向葉片驅動/制動單元141和142，使得最大量的風可以經過葉輪IIO。在等待過程期間，在當前風速U達到用於開始發電的最小風速Ucut^ 時開始發電。圖7是顯示如圖4所示的運行過程(步驟108)的具體流程圖。參照圖7， 在驅動發電機152的運行過程(步驟108)中，發電機152連接到傳動齒輪 單元151並被激發，以便執行發電，並根據風速執行部分負荷操作或滿負 荷操作。根據用於由發電機152產生的額定功率的額定風速Uated，如果當前風 速U低於額定風速U^d，則執行部分負荷操作，而如果當前風速U高於額 定風速Ur^d，則執行滿負荷操作。圖8是如圖7所示的部分負荷操作過程的具體流程圖。在部分負荷操作中，負荷功率根據風速變化。參照圖8，如果由當前風速U產生的當前功率 P小於額定功率P^ed，則第一和第二導向葉片131和132根據主風向移動，使得最大風量可以經過葉輪iio。更具體地，垂直軸風力發電系統的當前風速u連續變化。在部分負荷操作期間，保持旋轉速度HT^直到產生額定功率Prated為止，旋轉速度N^^與當前速度U成比例以便產生最大功率。如果根據當前風速u的增加產生額定功率P^d，則執行滿負荷操作。當由於例如過流、高風速、緊急狀態、結構故障、任何其它故障出現 故障時，垂直軸風力發電系統進入停止模式。圖9是顯示如圖7所示的滿負荷操作過程的具體流程圖。滿負荷操作跟隨於部分負荷操作，並保持全輸出功率，而與當前風速u無關。參照圖9，由於在滿負荷操作期間，當前風速U高於額定風速Urated， 為了減少由於過度風速造成的過度功率，確定第一和第二導向葉片131和 132的位置移動值，然後，移動第一和第二導向葉片131和132的位置，使 得減少經過葉輪110的風量。第一和第二導向葉片131和132用於減少過度風壓，從而保持發電機152的旋轉速度N"m作為額定旋轉速度N^d。同時，在當前風速U低於額定風速Urated並低於額定允許區域風速Urated ±。時，風速變化率(du/dt)小於規定允許值，確定當前風速U超過額定風 速Umted，並移動第一和第二導向葉片131和132的位置，以便減少進入到葉 輪110中的風量。在當前風速U低於額定允許區域的風速Urate"a，且風速變化率(du/dt)小於規定的允許值時，確定當前風速U不超過額定風速LUed，從而順序地 執行部分負荷操作。當由於例如過流、高風速、緊急狀態、結構故障、任何其它故障出現 故障時，垂直軸風力發電系統進入停止模式。圖10到圖14是顯示由於例如過流、高風速、緊急狀態、結構故障、任 何其它故障出現故障時，在垂直軸風力發電系統的等待或運行狀態期間， 在停止模式下的垂直軸風力發電系統的操作的流程圖。在諸如圖4所示的自測過程(步驟102)中，可以進入停止模式，同時 執行部分負荷操作或滿負荷操作(參見圖7)。停止模式可以被分為故障停止模式和緊急停止模式，在故障停止模式下，出現故障並停止垂直軸風力 發電系統的操作，在緊急停止模式下，停止垂直軸風力發電系統的操作， 以便保護處於緊急狀態下的垂直軸風力發電系統，垂直軸風力發電系統在 此狀態下會由於較高的風速而被損壞。本發明的垂直軸風力發電系統可以 根據每個狀態選擇地進入故障停止模式或緊急停止模式。參照圖IO，對於在故障停止模式下的垂直軸風力發電系統的操作，當通過控制器100接收的當前風速U低於用於開始發電的最小風速Ueu^時，垂直軸風力發電系統處於低風速停止模式。然後，如果從測量結構的位移量的第一到第三結構傳感器121到123接收的結構的位移量在預先規定的 範圍內，則垂直軸風力發電系統進入停止第一和第二導向葉片131和132 的導向葉片停止模式。當從主制動單元161和輔助制動單元162接收到故障 信號時，垂直軸風力發電系統進入制動單元停止模式。對於緊急制動模式，如果通過控制器100接收的當前風速U高於用於 停止發電的最大風速Ueut-。ut時，垂直軸風力發電系統進入高風速停止模式，以便保護垂直軸風力發電系統。當從發電機152接收到故障信號時，垂直軸風力發電系統進入發電機 停止模式。如果從第一到第三結構傳感器121到123接收的結構的位移量超過預先規定的範圍，則垂直軸風力發電系統進入與發電機停止模式相同的 停止模式。當從第一和第二導向葉片131和132接收到表示故障的故障信號時，垂直軸風力發電系統進入導向葉片停止模式。下面將參照圖10到圖14具體說明每種停止模式的具體操作。圖10是顯示根據本發明的實施例，控制在低風速停止模式下的垂直軸 風力發電系統的方法的流程圖。參照圖io，在低風速停止模式下，在當前風速U低於用於開始發電的最小風速Ueut-in時，執行圖4中所示的停頓過程 (步驟104)。具體地，如果當前風速U低於用於開始發電的最小風速Ucut-in，則控制器100給出指令^,* = 0)以停止發電機152的旋轉，使得電制動被施加 到發電機152並且緩慢停止。主制動單元161和輔助制動單元162用於制動 垂直軸風力發電系統的每個單元，將發電機系統與風力渦輪機分開，然後 執行停頓過程(步驟104)。圖ll是顯示控制在制動單元停止模式下的根據本發明的實施例的垂 直軸風力發電系統的方法的流程圖。參照圖ll，當主制動單元161和輔助 制動單元162的制動墊(未示出)損壞、或液壓泵或液壓電動機(未示出) 超出預定的時間周期操作時，垂直軸風力發電系統進入制動單元模式。第一和第二導向葉片131和132移動預定的角度，以便使經過葉輪IIO 的風量最小化，並根據控制器100的停止指令(N—二0)電制動發電機152。 如果發電機152停止，則發電機152和葉輪110機械地斷開，並使第一和第 二導向葉片131和132停止。圖12是顯示控制在高風速停止模式下的根據本發明的實施例的垂直 軸風力發電系統的方法的流程圖。高風速停止模式是其中預測到突然有較 大的機械應力的緊急停止模式，使得垂直軸風力發電系統必須儘可能快地 停止。參照圖12，在高風速停止模式下，如果當前風速U高於用於停止發電 的最大風速Ueut.eut，則控制器100使第一和第二導向葉片131和132移動預定 的角度，因此使經過葉輪110的風量最小化，制動第一和第二導向葉片131 和132，並機械地斷開發電機152和葉輪110，以及執行停頓過程(步驟104)。圖13是顯示當出現諸如在發電機152中出現過流時或從第一到第三結 構傳感器121到123接收的結構的位移量超過預先規定範圍的故障時，在發 電機停止模式下控制根據本發明的實施例的垂直軸風力發電系統的方法 的流程圖。參照圖13，當在運行模式(部分載荷運行或滿載和運行)期間 出現與發電機152中流動的過流一樣的電故障時，或當從第一到第三結構傳感器121到123接收的結構的位移量超過預先規定的範圍時，其被確定為 危險狀態。控制器100驅動第一制動單元161和輔助制動單元162，以制動 發電機152和葉輪110，並制動第一和第二導向葉片131和132，然後機械地 斷開發電機152和葉輪110。圖14是顯示根據本發明的實施例，控制在導向風停止模式下的垂直軸 風力發電系統的方法的流程圖。參照圖14，當出現與例如在第一和第二導 向葉片驅動/制動單元141和142中流動的過流或不通電的故障時，由於發 電機152沒有受到故障的影響，所以，第一到第三結構傳感器121到123緊 急停止，而發電機152緩慢停止。具體地，當在第一和第二導向葉片驅動/制動單元141和142中出現故 障時，對第一和第二導向葉片131和132進行制動，並且通過接收停止指令 (N,+ 二0)對發電機152電制動。如果發電機152停止，則驅動主制動單 元161和輔助制動單元162，對葉輪110和發電機152進行制動，並且使發電 機152和葉輪110機械地斷開。如上所述，根據本發明實施例用於控制垂直軸風力發電系統的設備和 方法可以根據風向和風速旋轉控制導向葉片，並適當地調節經過葉輪的風 的方向，從而保持用於產生最大功率的旋轉速度，從而可以以低風速有效 地發電。另外，根據本發明用於控制垂直軸風力發電系統的設備和方法可以根 據風向和風速檢査發電機的輸出功率，保持額定功率，並當較低或較高的 風速處於設定值範圍外時停止發電機，檢測結構誤差、制動單元故障以及 導向葉片故障，從而保護垂直軸風力發電系統。雖然已經參照其典型實施例具體顯示和說明了本發明，但本領域的普 通技術人員應該理解，可以在不脫離由權利要求所限定的發明保護範圍和 主題精神的情況下，在此基礎上做出各種形式和細節上的變更。應該認為 典型實施例只是用於說明而不是用於限制。因此，本發明的保護範圍不由 本發明的具體說明限定，而是由附加的權利要求所限定，且在範圍內的所 有差異都將構成為被包含在本發明中。
權利要求
1.一種用於控制垂直軸風力發電系統的設備，所述系統包括測量風向和風速的風速儀/風速計、具有多個葉片的垂直葉輪、引導進入的風並使風流過葉輪的一個或多個導向葉片、以及通過風所引起的葉輪的旋轉而發電的發電機，並基於從風速儀/風速計接收的數據控制進入到葉輪的風量，所述設備包括一個或多個結構傳感器，所述一個或多個結構傳感器感應用於支撐所述垂直軸風力發電系統的多個單元中的每一個的結構的位移；導向葉片驅動/制動單元，所述導向葉片驅動/制動單元旋轉驅動或制動一個或多個導向葉片，並控制進入到葉輪的風量；控制器，所述控制器從風速儀/風速計接收風向和風速的數據，將用於控制所述一個或多個導向葉片的信號發送到導向葉片驅動/制動單元，使得發電機產生預先確定的最大功率，並且如果從所述風速儀/風速計、一個或多個結構傳感器、或發電機接收的每條數據處於預先規定的值的範圍外，則在所述一個或多個導向葉片、發電機、或葉輪中產生制動信號，或產生用於機械地連接或斷開發電機和葉輪連接的控制信號；以及一個或多個制動單元，所述一個或多個制動單元根據從控制器接收的用於停止發電機的控制信號、用於停止葉輪的控制信號、或用於停止所述一個或多個導向葉片的控制信號停止發電機、葉輪和導向葉片。
2. 根據權利要求l所述的設備，其中所述一個或多個結構傳感器包括 分別設置在葉輪的垂直中心軸的上端和下端的第一和第二中心軸傳感器、 以及葉片位移傳感器，所述葉片位移傳感器設置在葉輪葉片的頂端並測量 葉片的下垂度，其中第一和第二中心軸傳感器和葉片位移傳感器中的每個都將關於 垂直中心軸的傾斜的數據和關於葉片的位移的數據傳遞到控制器。
3. 根據權利要求l所述的設備，其中所述一個或多個導向葉片包括入 口導向葉片和橫側部導向葉片，而所述導向葉片驅動/制動單元根據控制 器的控制信號旋轉入口導向葉片和橫側部導向葉片，並移動入口導向葉片 和橫側部導向葉片的位置或對所述入口導向葉片和橫側部導向葉片進行制動。
4. 根據權利要求l所述的設備，其中根據控制器從風速儀/風速計接收 的風速的數據，噹噹前風速是低於或高於預先確定的風速範圍時、當控制 器從一個或多個結構傳感器接收的關於結構的位移的數據超過規定值時、 或當根據控制器從發電機接收的數據檢測到發電機中電流過大或發電機 的故障時，控制器輸出制動控制信號，其中所述制動控制信號被選擇地施加到所述一個或多個導向葉片、發 電機、或葉輪，用於制動所述一個或多個導向葉片、發電機、或葉輪，並 用於機械地斷開發電機和葉輪的連接。
5. 根據權利要求4所述的設備，其中當從所述風速儀/風速計接收的風 速較低或較高並處於預先確定的風速範圍之外時、或當檢測到發電機的故 障或結構的過大的位移時，控制器產生用於制動發電機和葉輪的控制信 號，以及當從風速儀/風速計接收的風速較高並處於預先確定的風速範圍之 外、 一個或多個制動單元出現故障、發電機出現故障、檢測到結構的過大 的位移、或導向葉片驅動/制動單元出現故障時，所述控制器產生用於制 動所述一個或多個導向葉片的控制信號。
6. 根據權利要求l所述的設備，其中所述控制器輸出關於控制葉輪旋 轉的主制動單元、控制發電機的驅動的輔助制動單元、以及制動所述一個 或多個導向葉片的導向葉片驅動/制動單元中的至少一個的制動控制信 號。
7. 根據權利要求l所述的設備，進一步包括伺服器，所述伺服器通過 控制器遠距離接收的每個單元的狀態數據，並控制由控制器輸出的指令數 據，儲存和監測所述狀態數據和控制指令數據，其中伺服器可以通過控制器執行遠距離控制。
8. —種控制垂直軸風力發電系統的方法，所述方法通過接收由風速 儀/風速計測量的風向和風速的當前數據、計算當前數據、並在控制器中 控制一個或多個導向葉片的位置運動將進入的風引至垂直軸葉輪，通過進 入的風所引起的葉輪旋轉的旋轉動力驅動發電機，並產生電力，所述方法包括步驟停頓過程，根據控制器從風速儀/風速計接收的風速數據，在當前風 速低於用於準備用於發電機驅動的最小風速、或高於用於停止發電機的最 大風速時，制動所述一個或多個導向葉片、葉輪或發電機，其中控制器執 行制動，以及機械地斷開發電機和葉輪的連接；等待過程，當由控制器接收的當前風速保持在用於開始發電的最小風 速和用於準備停止發電機的最大風速之間時，制動所述一個或多個導向葉 片、葉輪或發電機，並根據主風向移動所述一個或多個導向葉片，使得具有最大效率的風可以流過葉輪；部分負荷操作過程，在等待過程之後，機械連接發電機和葉輪，並且 在當前風速低於用於產生額定功率的風速時，根據主風向移動所述一個或 多個導向葉片，以便產生在當前風速下的最大功率；滿負荷操作過程，當由發電機產生的功率高於額定功率時，移動所述 一個或多個導向葉片並限制流過葉輪的風，以便保持額定功率；以及停止過程，在每個過程期間，當控制器檢測到多個單元中的至少一個 中的故障、或當前風速沒有保持在用於準備驅動發電機的最小風速和用於 停止發電機的最大風速之間時，進入停止模式，在所述停止模式中，每個 單元都停止。
9. 根據權利要求8所述的方法，進一步包括在停頓過程之前的自測 過程，其中自測過程包括測試發電機、葉輪、以及所述一個或多個導向葉片的制動操作狀態， 其中所述控制器執行測試；測試一個或多個制動單元的操作狀態；通過產生用於所述一個或多個導向葉片的返回到原位的控制信號測 試所述一個或多個導向葉片的驅動；測試發電機的操作和發電狀態；以及如果在任何一個測試過程期間出現故障，則進入停止模式並產生警報。
10. 根據權利要求8所述的方法，其中在停頓過程期間，，在當前風速 低於用於使發電機開始發電的最小風速，並預測增加到能夠發電的風速值，且通過計算每秒鐘的風速變化率而被確定時，執行等待過程，在當前風速高於用於準備停止發電機的最大風速，並預測為降低到能 夠發電的風速值，且通過計算每秒鐘的風速變化率而被確定時，執行等待 過程。
11. 根據權利要求8所述的方法，其中所述部分負荷操作過程包括根據主風向以預定的角度移動所述一個或多個導向葉片的位置；根據當前風速的增加，提高發電機的旋轉速度；重複執行所述一個或多個導向葉片的位置的移動和發電機的旋轉速 度的增加，且如果通過發電機輸出的功率成為額定功率，則執行滿負荷操 作過程；以及如果在部分負荷操作過程期間檢測到故障，則進入停止模式。
12. 根據權利要求8所述的方法，其中滿負荷操作過程包括-當由控制器接收的當前風速高於額定風速時，計算所述一個或多個導向葉片的位置運動值，以便減少由過大的風速產生的過大的功率，控制所 述一個或多個導向葉片的位置，減少流過葉輪的風量，並使發電機的旋轉 速度保持為額定旋轉速度；在當前風速低於額定風速、低於額定允許範圍的風速、並根據風速變 化率值被預測為增加到額定風速時，執行所述一個或多個導向葉片的位置 的控制、減少流過葉輪的風量、並使發電機的旋轉速度保持為額定旋轉速 度；在當前風速低於額定允許範圍的風速，或根據風速變化率值被預測為 不會增加到額定風速時，執行部分負荷操作過程；以及在執行控制所述一個或多個導向葉片的位置、減少流過葉輪的風量， 和使發電機的旋轉速度保持為額定旋轉速度時而出現故障的時候，進入停 止模式。
13. 根據權利要求8所述的方法，其中通過在控制器的控制下制動發 電機、所述一個或多個導向葉片、以及葉輪中的至少一個執行停止過程。
14. 根據權利要求8到12任何一項所述的方法，其中停止模式包括故障停止模式和緊急停止模式，並且所述故障停止模式和緊急停止模式中的 一個在停止模式下被選擇，其中所述故障停止模式包括低風速停止模式，在低風速停止模式下， 通過控制器接收的當前風速低於用於開始發電的最小風速；導向葉片停止 模式，在導向葉片停止模式下，通過控制器從一個或多個結構傳感器接收 的結構的位移值處於預先規定的範圍內；以及制動單元停止模式，在制動 單元停止模式下，從制動葉輪和發電機以及一個或多個導向葉片驅動/制 動單元的主制動單元和輔助制動單元接收制動故障信號，其中緊急停止模式包括高風速停止模式，在高風速停止模式下，通過 控制器接收的當前風速高於用於停止發電機的最大風速；發電機停止模 式，在發電機停止模式下，接收發電機的故障信號以及通過控制器從測量 結構的位移的一個或多個結構傳感器接收的結構的位移值處在預先規定 的範圍之外；以及導向葉片停止模式，在導向葉片停止模式下，從一個或 多個導向葉片接收故障信號。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中在低風速停止模式下， 在當前風速低於用於準備驅動發電機的最小風速時，產生用於停止發電機的信號並以電力方式停止發電機，其中所述控制器執行停止發電機； 制動發電機和葉輪；以及機械斷開發電機和葉輪的連接，並執行停頓過程。
16. 根據權利要求14所述的方法，其中在所述導向葉片停止模式下， 根據控制器的控制信號制動所述一個或多個導向葉片，並輸出用於停止發電機的信號，直到發電機被以電力方式停止為止；以及如果發電機被以電力方式停止，則制動發電機和葉輪，並機械地斷開 發電機和葉輪的連接。
17. 根據權利要求14所述的方法，其中在所述制動單元停止模式下， 移動所述一個或多個導向葉片，並阻斷風流過葉輪； 輸出用於停止發電機的信號並以電力方式停止發電機；以及 機械地斷開發電機和葉輪的連接，並制動所述一個或多個導向葉片。
18. 根據權利要求14所述的方法，其中在所述高風速停止模式下， 在當前風速高於用於停止發電的最大風速時，以預定的角度移動所述一個或多個導向葉片，阻斷風流過葉輪，並制動所述一個或多個導向葉片； 以及機械地斷開發電機和葉輪連接，並進行停頓過程。
19.根據權利要求14所述的方法，其中在所述發電機停止模式下，當接收到發電機的故障信號，或通過控制器從測量結構的位移的一個 或多個結構傳感器接收到結構的位移值處於預先規定的範圍之外時，制動 葉輪、發電機、以及所述一個或多個導向葉片，並機械地斷開發電機和葉 輪的連接。
全文摘要
提供一種用於控制垂直軸風力發電系統的設備和方法，所述系統根據風向和風速控制導向葉片的旋轉，適度地控制進入到葉輪的風向，從而保持產生最大功率的旋轉速度，根據風向和風速保持發電機的輸出功率為額定功率，並當檢測到低於設定值或高於設定值的風速、結構故障、制動單元故障、或導向葉片故障時停止發電機。
文檔編號F03D7/06GK101334005SQ200810110289
公開日2008年12月31日 申請日期2008年6月26日 優先權日2007年6月26日
發明者張正翼, 李升培 申請人:株式會社Kr