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CN104074683A - 一种悬浮式垂直轴风力发电机组 - Google Patents

一种悬浮式垂直轴风力发电机组 Download PDF

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吴涵
张功林
高丙团
魏巍
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State Grid Corp of China SGCC
Southeast University
Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
Southeast University
Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种悬浮式垂直轴风力发电机组，包括：风机叶片、风力发电机组、悬浮平台以及缆索，所述的悬浮平台由缆索固定在海底；所述发电机组装置安装于悬浮平台内部；所述的风机叶片装设在风力发电机组的发电机转轴上；所述风力发电机转轴垂直于海平面；其特征在于：所述悬浮平台内还装设混合式减振控制装置及测控系统；所述混合式减振控制装置由被动式减震装置和主动式减震装置组成；所述测控系统测试所述悬浮平台悬浮平台与水平面的夹角或者其振动频率，在测量值低于控制幅值时，被动式减震装置进行单独对所述发电机组减震；在测量值高于控制幅值时，主动式减震装置工作被动式减震控制装置保持协作，共同对所述发电机组减震。

Description

一种悬浮式垂直轴风力发电机组
技术领域
本发明属于发电机技术领域，具体涉及一种悬浮式垂直轴风力发电机组。 
背景技术
风能是一种可再生能源，其利用有多种形式，其中风力发电是风能利用的最重要形式。在传统能源不断枯竭的今天，风力发电在全世界范围内都得到了广泛的重视。我国“十二五”规划纲要明确指出，将大力发展风力发电，尤其是海上风力发电。可以看出，海上风力发电的建设，将为可再生能源的发展开辟新的增长点。
海上风力发电机组，主要以悬浮式为主，主要在于其安装比较简单，方便移动和制造。并且与塔架式机组相比，成本比较低。垂直轴风力发电机组作为海上风力发电机的一种，具有回转半径小、抗风等优点，将成为今后海上风力发电机的发展的一个方向。
但由于在海上，气候条件比较恶劣，经常有较大的风以及由大风引起的浪涌，这使得海上悬浮式风力发电机组非常不稳定，容易使之倾斜甚至反转，造成毁机等重大事故。因此实现对海上风力机组的减震控制是件非常有意义的事。
参见图1、图2，目前结构减振控制方式一般分为三种：被动式调谐质量阻尼器(TMD，Tuned Mass Dampers)、主动式调谐质量阻尼器(AMD，Active Mass Dampers)或者两者结合质量阻尼器(HMD，Hybrid Mass Dampers)。其中被动式不需要外部能源的输入，对一些较小的振动有着比较好的抑制效果，但对于比较大的振动抑制效果不明显。主动式系统的减振效果最好，但是需要外部能源的输入，成本较高。
因此亟需提出一种悬浮式垂直轴风力发电机组，要能够起到良好的减震作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬浮式垂直轴风力发电机组，能够起到良好的减震作用。
本发明采用以下方式实现：一种悬浮式垂直轴风力发电机组包括：风机叶片、风力发电机组、悬浮平台以及缆索，其中所述的悬浮平台由缆索固定在海底；所述发电机组装置安装于所述悬浮平台内部；所述的风机叶片装设在风力发电机组的发电机转轴上；所述风力发电机转轴垂直于海平面；其特征在于：所述悬浮平台内还装设混合式减振控制装置及测控系统；所述混合式减振控制装置由被动式减震装置和主动式减震装置组成；所述测控系统测试所述悬浮平台振动倾角或者频率大小，所述悬浮平台振动倾角为悬浮平台与水平面的夹角，在测量值低于控制幅值时，仅由被动式减震装置进行单独对所述发电机组减震；在测量值高于控制幅值时主动式减震装置工作被动式减震装置保持协作，共同对所述发电机组减震。
在本发明的一实施例中，所述被动式减震装置为由质量块、弹簧和阻尼元件组成的调谐质量阻尼器；所述主动式减震式装置由质量块和作动装置组成。所述被动式减震装置的弹簧和阻尼元件的一端与悬浮平台底部连接，另一端与被动式减震装置的质量块连接；所述主动式减震装置的一端连接在被动式减震装置质量块突起的立面上，再经由作动器装置与主动式减震装置的质量块相连接。所述被动控制减震装置的质量块运动自由度为沿弹簧和阻尼器方向的一维直线运动；所述主动控制减震装置质量块运动自由度与被动控制减震装置质量块相同。
在本发明一实施例中，所述质量块采用盛装液体的封闭容器。
在本发明另一实施例中，所述混合式减振控制装置具有两组，两组的运动方向相互垂直。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1．本发明采用混合式控制装置，一方面弥补了采用单一被动式减震控制不能有效抑制较大振动的不足，又解决了采用单一主动减震控制系统的能源消耗过多问题；
2．本发明中采用两组相互垂直的混合减震控制装置，由于任意水平方向的振动都可以依据直角坐标分解到所安装的相互垂直的方向上去，因此通过该方案可实现全方位的减振效果；
3. 本发明的减振控制装置技术成熟结构简单，成本较低，可节省人力物力。
附图说明
图1为被动减震装置示意图。
图2为主动减震装置示意图。
图3为本发明的一实施例结构示意图。
图4为混合式减震装置示意图。
图5为混合式减振装置工作原理框图。
图6为本发明另一实施例减振装置的安装位置示意图。
【主要组件符号说明】
1：风机叶片
2：风机垂直转轴
3：风力发电机组
4：悬浮平台
5：海浪(海平面)
6：缆索
7：海底
8：混合式减振装置
9：测控系统；
501：被动控制质量块
502：弹簧
503：阻尼器
504：主动控制质量块
505：作动器装置。
具体实施方式
图3为本发明的结构示意图。本发明的一实施例中悬浮式垂直轴风力发电机组，主要包括：风机叶片1、风力发电机组3、悬浮平台4、斜拉缆索6、混合式减振控制装置8及测控系统9；其中所述的悬浮平台4通过缆索6固定在海底；所述发电机组3装置安装于所述悬浮平台4内部；所述的风机叶片装设在发电机转轴2上；所述风力发电机转轴2垂直于海平面；所述混合式减振控制装置8采用由被动式减震装置和主动式减震装置组成；所述测控系统9测试所述悬浮平台4的振动倾角或者频率大小，在振动倾角或者频率小于一定值时，采用被动式减震控制装置，当振动倾角或者频率大于一定值后，通过外界能源供应，启动主动式减震控制控制，被动式减震控制装置保持协作。
在本发明的一实施例中混合式减振控制装置的原理可由图4进一步说明：如图4所示，TMD减震控制装置中弹簧和阻尼器的一端与固定平面连接，另一端与质量块固定；AMD减震控制装置中一端与固定平面连接，再经过作动器连接到质量块上；HMD减震控制系统由TMD减震控制装置和AMD减震控制装置组合而成，将AMD减震控制装置安装在TMD减震控制装置的质量块之上，其一端连接在减震控制装置质量块向上突出的垂直部分，另一端再经由作动器装置与减震控制装置的质量块相固定。
图5为混合式减震控制系统工作框图，振动倾角传感器或者振动频率传感器检测悬浮平台的振动倾角或者振动频率，当测量值大于某一控制幅值时AMD开始工作进行主动减震控制，期间被动控制系统一起进行合作控制；当测量值小于某一控制幅值时，AMD减震装置不工作，仅由TMD进行单独控制。即TMD控制不受任何因素影响一直处于工作状态；对于AMD控制而言，只有当悬浮平台振动较大时才工作。
在本发明另一实施例中，所述安装在悬浮平的两组减振控制装置运动方向相互垂直，且与风机轴垂直，用来抑制风机振动。由于任意水平方向的振动都可以依据直角坐标分解到所安装的相互垂直的方向上去，因此通过该方案可实现全方位的减振效果。具体安装位置可以参见图6。其中混合式减震控制装置中被动式减震装置，采用由质量块801、弹簧802和阻尼元件803组成的调谐质量阻尼器，考虑到成本因素质量块优先采用盛装液体的封闭容器，弹簧802和阻尼器803选取的原则是减振控制装置的振动频率尽量接近该方向上的振动频率；主动式减震装置安装于被动式减震装置的质量块801之上，其一端连接与被动控制部分质量块相连接，另一端经由作动器装置805与主动控制部分的质量块804相固定。
综上所述，本发明的悬浮式垂直轴风力发电机组结合混合式的减振控制系统给出一种可抗振的深海悬浮式垂直轴风力发电机组，综合主动式减震装置和被动式减震装置于一体，根据振动的强度大小进行相互切换，既具备了被动式减震装置的节能又具备了主动式减震装置的振动抑制效果，从而有效保证风电机组的安全高效生产。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。 

Claims (6)

1.一种悬浮式垂直轴风力发电机组，包括：风机叶片、风力发电机组、悬浮平台以及缆索，所述的悬浮平台由缆索固定在海底；所述发电机组装置安装于所述悬浮平台内部；所述的风机叶片装设在风力发电机组的发电机转轴上；所述风力发电机转轴垂直于海平面；其特征在于：所述悬浮平台内还装设混合式减振控制装置及测控系统；所述混合式减振控制装置由被动式减震装置和主动式减震装置组成；所述测控系统测试所述悬浮平台振动倾角或者频率大小，所述悬浮平台振动倾角为悬浮平台与水平面的夹角，在测量值低于控制幅值时，被动式减震装置进行单独对所述发电机组减震；在测量值高于控制幅值时主动式减震装置工作被动式减震控制装置保持协作，共同对所述发电机组减震。
2.根据权利要求1所述一种悬浮式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述被动式减震装置为由质量块、弹簧和阻尼元件组成的调谐质量阻尼器；所述主动式减震式装置为质量块和作动装置组成的调谐质量阻尼器。
3.根据权利要求2所述一种悬浮式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述被动式减震装置的弹簧和阻尼元件的一端与悬浮平台底部连接，另一端与被动式减震装置的质量块连接；所述主动式减震装置的一端与被动式减震装置质量块突起的立面连接，再经由作动器装置与主动式减震装置的质量块相连接。
4.根据权利要求2所述一种悬浮式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述被动控制减震装置的质量块运动自由度为沿弹簧和阻尼器方向的一维直线运动；所述主动控制减震装置质量块运动自由度与被动控制减震装置质量块相同。
5.根据权利要求2所述一种悬浮式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述质量块采用盛装液体的封闭容器。
6.根据权利要求1所述一种悬浮式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述混合式减振控制装置有两组，两组的运动方向相互垂直。
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