基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法

本发明属于风力机变桨，尤其涉及一种基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法。

背景技术：

1、风能作为一种重要的可再生清洁能源，储量十分丰富。从风能转化为电能的机械装置主要有两类，分别为水平轴风力机和垂直轴风力机。较之水平轴风力机，垂直轴风力机具有结构简单、安装和运维方便、制造成本低、无需对风及受力恒定等多种优点，但垂直轴风力机存在自启动性能差、风能利用率低等缺点，变桨控制是增强垂直轴风力机气动性能及风能利用率的一种有效措施。

2、现有发明专利中多是有关水平轴风力机的变桨控制方法，但由于两种风力机运行方式的不同，并不能将这些变桨方法直接应用于垂直轴风力机。

3、变桨技术可分为两类：被动式和主动式。

4、被动式为预先变桨，在运行之前调节好变桨角度，运行过程中叶片桨距角不再变化，被动变桨难以在风速与风向变化较大的环境中应用，且提升效果有限，甚至会使风能利用率恶化。

5、主动式是利用推杆、凸轮或电机实现叶片桨距角的连续变化，具体实现方式有：(1)采用偏心装置设置周期变化的桨距角进行调节；(2)将数值仿真和优化算法结合，实时监测风速，寻优出最佳桨距角反馈给电机进行控制。利用偏向装置进行桨距角调节的缺点也是自主调节能力差；通过优化算法进行实时调节，如果寻优过程复杂，会导致数值仿真计算量大，易出现变桨控制滞后的问题，且数值仿真计算参数设置多依据某一雷诺数下的工况，普适性差。

6、公开号为cn102889177a的发明专利公开了一种h型垂直轴风力发电系统变桨距角结构及控制方法，通过实时采集风向、风速及叶片位置信号，并将风速与设定的切出风速进行比较，结合风向给出桨距角变化，以提高垂直轴风力机的自启动能力与风能利用率，但其控制逻辑比较复杂，响应时间长，存在变桨滞后的问题。公开号cn202010484511.0的发明专利公开了一种对称翼型垂直轴风力机变桨控制方法，通过风速仪、风向仪与角度传感器采集数据，给定桨距角控制规律，采用变桨机构输出最优桨距角，以提高风能利用率，但其给出的最优桨距角计算公式变量较多，还需计算气动力系数，会导致桨距角变化不连续，影响垂直轴风力机叶片的稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法，可根据尖速比实时变桨，同时适用于低尖速比与高尖速比。为实现上述目的，采用的技术方案为：

2、一种基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法，包括以下步骤：

3、步骤1、基于的理论模型，建立θp求解模型；

4、

5、θ＝ωt

6、其中，v∞-来流风速；

7、θ-与对应的叶片的相位角，-变桨前的叶片攻角；

8、θp-桨距角；

9、ω-叶片的角速度，

10、r-叶片旋转半径；

11、λ-尖速比；θp-桨距角；

12、μ-变桨比例因子，0<|μ|<1，

13、步骤2、建立μ的选取模型，具体包括以下步骤：

14、步骤2a、基于的理论模型，建立变桨后叶片攻角α的调试模型：

15、

16、步骤2b、计算λ；

17、步骤2c、给μ赋值，并基于步骤2a，获取α的值；

18、步骤2d、仿真软件根据α的值，计算风力机叶片转矩t，并输出扭矩系数ct；

19、

20、a＝πr2

21、其中，a-叶片转动面积；

22、ρ-空气密度；

23、t-风力机叶片转矩；

24、步骤2e、根据ct和λ，计算功率系数cp；

25、

26、步骤2f、重复步骤2c至步骤2e，最后在功率系数cp的集合中，选取最大的功率系数cp，对应的μ，作为和λ对应的最优μ；

27、步骤2g、重复步骤2b至步骤2f，以获取μ的选取模型；

28、步骤3、基于三个叶片式的风力机，设计风力机监测系统；

29、所述风力机监测系统，包括：

30、转轴5，固定于底座；

31、轴承4，套设转轴5的外圆周上，在风的作用下旋转；

32、3个叶片1，沿圆周均匀分布，通过连杆2连接轴承4；

33、连杆2的一端固定于轴承4的外圆周壁，另一端固铰接于叶片1；

34、液压缸7，固定于两段伸缩杆3之间，其中一段伸缩杆3固定于轴承4的外圆周壁，另一段伸缩杆3铰接于连杆2；液压缸7的伸出端靠近叶片1的方向设置；

35、角度传感器6，用于获取叶片1的相位角θ，安装于连杆2上；

36、风速仪，设置于底座，用于监测来流风速v∞；

37、压力传感器8，固定于连杆2且与连杆2的数量对应设置；3个压力传感器8位于同一圆周；

38、控制单元，设置于底座，与液压缸7、压力传感器8、θp的求解模型信号连接；

39、步骤4、启动风力机监测系统，获取压力值、风速v∞和相位角θ，并传输至控制单元；

40、控制单元计算尖速比λ，并根据步骤2g中获取的μ的选取模型，选择变桨比例因子μ；

41、步骤5、控制单元将来流风速v∞、相位角θ和变桨比例因子μ输入至步骤1中桨距角θp的求解模型，计算桨距角θp；

42、步骤6、控制单元接收桨距角θp后，根据压力值的大小，判断哪些液压缸处于迎风区、背风区，以输出对应的控制信号至对应的液压缸。

43、优选地，步骤2g中获取的μ的选取模型，为离散数据组成的数据集合；该集合包括若干对最优对应关系。

44、优选地，步骤6中，控制单元输出第一控制信号至压力值最大的压力传感器对应的液压缸、输出第二控制信号至压力值最小的压力传感器对应的液压缸。

45、优选地，步骤6中还包括以下步骤：

46、当剩下的一个压力值对应的θp＞0°时，输出第一控制信号至该压力值对应的液压缸；当剩下的一个压力值对应的θp＜0°时，输出第二控制信号至该压力值对应的液压缸；当剩下的一个压力值对应的θp＝0°时，该压力值对应的液压缸不动作。

47、与现有技术相比，本发明的优点为：

48、1、根据尖速比实时变桨。

49、提出的变桨控制规律在尖速比确定后有明确的变桨曲线，变桨控制规律表达式简单，计算时间短，响应速度快，可有效解决变桨控制滞后的问题，实现实时变桨。

50、2、适用于各种尖速比。

51、在不同尖速比下采用不同的变桨比例系数μ即可得到不同尖速比下的λ最佳攻角，从而提升垂直轴风力机的气动效率。

技术特征：

1.一种基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法，其特征在于，步骤2g中获取的μ的选取模型，为离散数据组成的数据集合；该集合包括若干对最优对应关系。

3.根据权利要求1所述的基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法，其特征在于，步骤6中，控制单元输出第一控制信号至压力值最大的压力传感器对应的液压缸(7)、输出第二控制信号至压力值最小的压力传感器对应的液压缸(7)。

4.根据权利要求3所述的基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法，其特征在于，步骤6中还包括以下步骤：

技术总结本发明提出了一种基于尖速比与相位角变化的垂直轴风力机变桨控制方法，包括以下步骤：步骤1、基于的理论模型，建立θ<subgt;p</subgt;求解模型；步骤2、建立μ的选取模型；步骤3、基于三个叶片式的风力机，设计风力机监测系统；步骤4、启动风力机监测系统，获取压力值、风速V<subgt;∞</subgt;和相位角θ，并传输至控制单元；控制单元计算尖速比λ，并根据步骤2G中获取的μ的选取模型，选择变桨比例因子μ；步骤5、控制单元将来流风速V<subgt;∞</subgt;、相位角θ和变桨比例因子μ输入至步骤1中桨距角θ<subgt;p</subgt;的求解模型，计算桨距角θ<subgt;p</subgt;；步骤6、控制单元接收桨距角θ<subgt;p</subgt;后，根据压力值的大小，判断哪些液压缸处于迎风区、背风区，以输出对应的控制信号至对应的液压缸。本发明可根据尖速比实时变桨，同时适用于低尖速比与高尖速比。技术研发人员：张强,徐涛,翁宇杰,岳敏楠,缪维跑,刘青松,李春,贾文哲受保护的技术使用者：上海理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4