H型垂直轴风力发电系统变桨距角结构及控制方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210323899.1	申请日：	2012.09.05
公开号：	CN102889177A	公开日：	2013.01.23
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):F03D 7/06申请日:20120905\|\|\|公开
IPC分类号：	F03D7/06	主分类号：	F03D7/06
申请人：	太原科技大学
发明人：	刘立群; 刘春霞; 孔屹刚; 郑旭阳; 杨国韬; 王静思
地址：	030024 山西省太原市万柏林区窊流路66号
优先权：
专利代理机构：	太原市科瑞达专利代理有限公司 14101	代理人：	王思俊
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内容摘要

一种H型垂直轴风力发电系统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，系统停止，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。

权利要求书

权利要求书一种H型垂直轴风力发电系统变桨距角结构，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），其特征在于中心立柱（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）。
根据权利要求1所述的H型垂直轴风力发电系统变桨矩角结构的控制方法，其特征在于控制步骤是：
步骤一、设定上风向的迎风面积最大的叶片的位置角为，桨距角为，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；
步骤四、判断迎风面积最大的叶片的位置角是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，桨距角保持为不变，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，桨距角保持为不变，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，执行步骤十，否，位置角减，返回步骤二；
步骤十、计算其它叶片的位置角，确定其桨距角；
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。

说明书

说明书H型垂直轴风力发电系统变桨距角结构及控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种H型垂直轴风力发电系统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型垂直轴风力发电系统具有噪声小、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系统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型垂直轴风力发电系统结构示意图，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，其缺点是系统自启动能力差、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，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，其特征在于中心立柱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。
本发明的控制方法如图3所示，特征是操作步骤如下：
步骤一、设定上风向的迎风面积最大的叶片的位置角为，桨距角为，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；
步骤四、判断迎风面积最大的叶片的位置角是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，桨距角保持为不变，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，桨距角保持为不变，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，执行步骤十，否，位置角减，返回步骤二；
步骤十、计算其它叶片的位置角，确定其桨距角；
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型垂直轴风力发电系统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，有效地提高了系统的自启动能力和切向力，提高了系统的输出效率；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型垂直轴风力发电系统结构示意图；
图2为本发明H型垂直轴风力发电系统结构示意图；
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。
—位置角/弧度，—合切向力/牛
具体实施方式
如图2所示，现以选定的H型风力发电系统为例，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，桨距角为，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使桨距角从变为，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、、、、，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系统输出功率，并降低了系统输出振动。

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1、(10)申请公布号 CN 102889177 A(43)申请公布日 2013.01.23CN102889177A*CN102889177A*(21)申请号 201210323899.1(22)申请日 2012.09.05F03D 7/06(2006.01)(71)申请人太原科技大学地址 030024 山西省太原市万柏林区窊流路66号(72)发明人刘立群刘春霞孔屹刚郑旭阳杨国韬王静思(74)专利代理机构太原市科瑞达专利代理有限公司 14101代理人王思俊(54) 发明名称H型垂直轴风力发电系统变桨距角结构及控制方法(57) 摘要一种H型垂直轴风力发电系统变桨距角结构及控制方法，属于风力发。

2、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：设定初值；定时采集信号；是否超出切出风速，是，系统停止，否，执行；位置角是否小于，是，桨距角变为，执行，否，执行；是否小于，是，不变，执行，否，执行（6）；（6）是否小于，是，变为，执行，否，执行；是否小于，是，变为，执行，否，执行；是否小于，是，不变，执行，否，执行；是否小于，是，变为，执行，否，减，返回；计算其它叶片的，确定其，执行；是否超过切入风速，是，返回，否，停止程序。(51)Int.Cl.权利要求书1页说明书3页附图4页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专。

3、利申请权利要求书 1 页说明书 3 页附图 4 页1/1页21.一种H型垂直轴风力发电系统变桨距角结构，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），其特征在于中心立柱（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），。

4、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）。2.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力发电系统变桨矩角结构的控制方法，其特征在于控制步骤是：步骤一、设定上风向的迎风面积最大的叶片的位置角为，桨距角为，切入风速23米/秒，切出风速2025米/秒，初始定时时间为0.10.5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，。

5、是，停止程序，打开制动装置，接入耗能电阻6；步骤四、判断迎风面积最大的叶片的位置角是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，桨距角保持为不变，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，。

6、是，桨距角保持为不变，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，执行步骤十，否，位置角减，返回步骤二；步骤十、计算其它叶片的位置角，确定其桨距角；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。权利要求书CN 102889177 A1/3页3H 型垂直轴风力发电系统变桨距角结构及控制方法技术领域0001 本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种H型垂直轴风力发电系统变桨距角结构及控制方法。背景技术0002 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。

7、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型垂直轴风力发电系统具有噪声小、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系统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。0003 图1所示为现有技术H型垂直轴风力发电系统结构示意图，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。

8、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，其缺点是系统自启动能力差、输出功率低。发明内容0004 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。0005 本发明是这样实现的，其结构如图2所示，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，其特征在于中心立柱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。

9、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。0006 本发明的控制方法如图3所示，特征是操作步骤如下：步骤一、设定上风向的迎风面积最大的叶片的位置角为，桨距角为，切入风速23米/秒，切出风速2025米/秒，初始定时时间为0.10.5秒。

10、，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；说明书CN 102889177 A2/3页4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；步骤四、判断迎风面积最大的叶片的位置角是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，桨距角保持为不变，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，执行步骤十，否，执行步骤七；。

11、步骤七、判断迎风面积最大的叶片的位置角是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，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是否小于，是，桨距角保持为不变，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是否小于，是，控制迎风面积最大的叶片对应的步进电机13使桨距角从变为，执行步骤十，否，位置角减，返回步骤二；步骤十、计算其它叶片的位置角，确定其桨距角；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。0007 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型垂直轴风力发电系统的风。

12、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，有效地提高了系统的自启动能力和切向力，提高了系统的输出效率；2结构简单、控制方便、成本低廉、性价比高。附图说明0008 图1为现有技术H型垂直轴风力发电系统结构示意图；图2为本发明H型垂直轴风力发电系统结构示意图；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。

13、、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。0009 位置角/弧度，合切向力/牛具体实施方式说明书CN 102889177 A3/3页50010 如图2所示，现以选定的H型风力发电系统为例，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。0011 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，桨距角为，切入风速3米。

14、/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使桨距角从变为，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、，执行步骤十一；步骤十一：大于切入风速，返回步骤二。0012 其运行结果与现有技术比较如图4、5所示。0013 本发明在风速较低的情况下可以提高自启动能力和系统输出功率，并降低了系统输出振动。说明书CN 102889177 A1/4页6图 1说明书附图CN 102889177 A2/4页7图 2说明书附图CN 102889177 A3/4页8图 3说明书附图CN 102889177 A4/4页9图 4图 5说明书附图CN 102889177 A。

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