一种多叶轮风电系统的偏航方法及多叶轮风电系统

摘要

本发明公开了一种多叶轮风电系统的偏航方法及多叶轮风电系统。偏航方法包括：将多叶轮风电系统的偏航回转平面分为至少八个扇区，并且获取每个所述扇区的起始方位角；在偏航过程中，获取多叶轮风电系统的风向误差角，同时获取多叶轮风电系统的偏航方位角；根据起始方位角与偏航方位角计算起始角度差；根据风向误差角及偏航方位角控制多叶轮风电系统偏航的启动，根据起始角度差控制多叶轮风电系统偏航的停止。通过本发明提出的偏航方法可以根据风向发生频率，将塔架设计为非连续性结构，既保证了多叶轮风电系统载荷的有效传递，也降低了系统偏航支承以及塔架的成本，进而可以降低塔架占地面积及征地费用，同时也完成了对风偏航。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种多叶轮风电系统的偏航方法及多叶轮风电系统。

背景技术

成本是全球风电发展的瓶颈问题，机组大型化（单机容量增加）是解决成本问题的最有效途径。海上风电项目的不断开展使得机组大型化成为了必然的发展趋势。随着机组容量的增加，传统的单叶轮风电机组的设计遇到的挑战越来越严峻，机组载荷急剧增加，超长、超重叶片和超大扭矩给机组中的各个部件（如变桨执行机构、轴承、支撑结构等等）的设计、生产制造和安装等带来了很多难题。

多叶轮风力发电系统是将多个较小型风力发电单元安装在同一个支撑结构中实现风能到电能转换的新型风电装备。相比于常规单叶轮风电机组，多叶轮风力发电系统无需使用超长、超重的叶片，也避免了超大扭矩的出现，为海上风电机组大型化，降低机组成本提供了新途径。

丹麦Vestas公司提出了悬臂梁支撑结构的方案，具体结构是在常规的圆筒塔架上添加多层悬臂梁，每层悬臂梁可以安装两个较小型风力发电单元。每层悬臂梁带动两个风力发电单元进行偏航，并且各层风力发电单元的偏航是相对独立。上述方案的一大缺点是,一旦风力发电单元个数增加，需要配置多层偏航系统，由于每层偏航系统都必须拥有偏航支承和偏航驱动等部件，整个系统的经济性较差。

多个较小型风力发电单元安装在同一个支撑结构上决定了支撑结构的空间尺度较大。如果全部风力发电单元一起跟随支撑结构进行偏航，偏航支承的尺寸也会非常巨大。因此，如果偏航支承以下的塔架采用常规的钢制圆通塔设计，就会造成塔架本身的材料用量很大，成本很高；同时，塔架的占地面积也会非常巨大，机组建设时的征地费用将大幅提升，因此多叶轮系统的塔架应当采用周向非连续的结构，如格构式钢结构。

偏航支承以及塔架需要承担所有风力发电单元的重力载荷加上整个支撑结构的重力载荷。按照常规偏航方法及结构设计，偏航系统以及塔架的成本将会升高，多叶轮风电系统与常规单叶轮风电机组相比优势也会减弱，甚至经济性比常规单叶轮风电机组更差。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种多叶轮风电系统的方法。使得多叶轮系统的偏航方位可以被设置在塔架支撑能力最强的位置，即保证了偏航对风的及时性，同时也使得塔架可以采用周向离散的结构（如格构式结构），降低了偏航支承与塔架的成本。

本发明的另一目的在于提供一种多叶轮风电系统，能够将来自于支撑结构的载荷通过有限个连接点传递到塔架上，同时保证系统的偏航对风，有效的降低了塔架的成本，进而减少了系统占地面积和征地费用。

为达上述目的，第一方面提供一种多叶轮风电系统的偏航方法。

其包括，将所述多叶轮风电系统的偏航回转平面分为多个扇区，所述扇区数量至少是八个；

获取每个所述扇区的起始方位角；

在偏航过程中，获取所述多叶轮风电系统的风向误差角；

获取所述多叶轮风电系统的偏航方位角；

根据所述起始方位角与所述偏航方位角计算起始角度差；

根据所述风向误差角及偏航方位角启动所述多叶轮风电系统的偏航；

根据所述起始角度差停止所述多叶轮风电系统的偏航。

在进一步技术方案中，根据获得的所述风向误差角，计算所述风向误差角在一段时间内的的平均误差角，所述一段时间不小于三十秒。

根据所述起始方位角，计算多个所述扇区的扇区角度，通过多个所述扇区角度计算多个偏航启动阈值；所述偏航启动阈值的数量等于所述扇区的数量，所述偏航启动阈值不小于对应所述扇区角度的一半。

在进一步技术方案中，根据所述平均误差角与所述偏航方位角找出对应的一个所述偏航启动阈值，然后根据所述平均误差角与对应的一个所述偏航启动阈值控制所述多叶轮风电系统偏航的启动。

所述偏航方位角由所述多叶轮系统的偏航位置测量值计算获得，所述偏航方位角的取值范围是0～360度。

在进一步技术方案中，根据多个所述起始方位角与所述偏航方位角获得的多个所述起始角度差, 通过所述起始角度差与所述风向误差角计算目标扇区；通过所述目标扇区的所述起始角度差控制所述多叶轮风电系统偏航的停止。

第二方面，提供一种多叶轮风电系统，其包括：

风向测量装置，用于获取所述多叶轮风电系统的风向误差角；

偏航方位测量装置，用于获取所述多叶轮风电系统的偏航方位角；

偏航回转支承，由偏航回转支座和环形偏航轨道组成，所述环形偏航轨道的安装水平面分为多个扇区,所述偏航回转支座与所述环形偏航轨道能够相对回转，用于实现偏航；

控制器，用于记录多个所述扇区的起始方位角，还用于根据所述偏航方位角与所述起始方位角计算起始角度差，还用于根据所述风向误差角及所述偏航方位角控制偏航启动,以及根据所述起始角度差控制偏航停止。

在进一步技术方案中，一种多叶轮风电系统还包括：

风力发电单元，所述风力发电单元的朝向与所述风力发电系统的偏航方位角相同，所述风向测量装置设置在所述风力发电单元上；

偏航驱动系统，用于驱动所述偏航回转支座相对于所述环形偏航轨道回转，还用于接收所述控制器控制偏航的指令，所述偏航驱动系统设置在所述偏航回转支座上；

支撑结构，用于固定多个所述风力发电单元，其底部与所述偏航回转支座连接；

塔架，用于支撑所述环形偏航轨道，所述塔架包含至少四根主支柱与多根辅助支柱。

在进一步技术方案中，所述主支柱的顶部与所述环形偏航轨道连接，所述连接设置在两个相邻所述扇区相连位置的下方。

所述控制器，至少包括，平均值计算模块，用于计算所述风向误差角的平均值；延时模块，用于控制偏航启动；偏航方位角计算模块，用于根据所述偏航方位测量装置的测量值计算所述偏航方位角。

本发明的有益效果是：将偏航回转平面分为多个扇区，偏航停止的位置设计为固定的扇区起始方位。通过这种偏航方法可以根据风向发生频率，将塔架设计为非连续性结构，既保证了多叶轮风电系统载荷的传递，也降低了系统偏航支承以及塔架的成本，进而可以降低塔架占地面积及征地费用，同时也完成了的偏航对风。

附图说明

图1为本发明实施例的一种多叶轮风电系统基本构成示意图；

图2为本发明实施例的一种多叶轮风电系统塔架方案对比图；

图3为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的偏航回转支座停留位置示意图；

图4为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的偏航方法概要流程图；

图5为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的偏航回转平面扇区划分示意图；

图6为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的偏航回转示意图；

图7为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的偏航方法实施详细流程图；

图8为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的风玫瑰与偏航回转平面扇区划分对比图；

图9为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的塔架设置与扇区划分关系图；

图10为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的控制器模块操作流程图。

附图标号说明：1、风力发电单元，2、支撑结构，3、偏航回转支承，3.1、偏航回转支座，3.11、偏航回转支座当前位置，3.11、偏航回转支座目标位置，3.2、环形偏航轨道，4、塔架，4.1、主支柱， 4.2、辅助支柱，5、基础， 6、扇区， 6.1、扇区起始角度，6.11、当前扇区起始角度，6.12、目标扇区起始角度，6.2、扇区结束角度，7、方位角参考方向，7.1、风向，7.2、风向误差角，7.3、偏航方位角，8、多叶轮风电系统迎风面，8.1、当前迎风面，8.2、偏航后的迎风面。

值得注意的是上述附图是用于说明本发明的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本发明的原理，并且为了避免不必要的细节使本发明的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域的技术人员在理解本发明时不会带来不便，而实际的实施例可以包括更多的模块/部件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例的相关附图，对本发明实施例进行完整的描述。本专利描述的仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，多叶轮系统一般是由风力发电单元1、支撑结构2、偏航回转支承3以及塔架4组成的。根据国内外的前期研究和工程化设计与核算，经济性和可行性最高的方案是：

多个风力发电单元1固定在支撑结构2上，支撑结构2采用空间桁架结构，支撑结构2的底部与偏航回转支承3的偏航支座连接3.1，偏航回转支座3.1设置在一个环形偏航轨道3.2上，环形偏航轨道3.2与塔架4的顶部连接，塔架4有主支柱4.1和辅助支柱4.2连接构成。塔架4底部通过基础5固定。风力发电单元1捕获风能的同时获得载荷，载荷通过支撑结构2、偏航回转支承3、塔架4和基础5，最终传递到大地。

要保证风力发电单元1的叶片不发生互相干涉，支撑结构2的跨度会非常大，这就决定了环形偏航轨道3.1的尺寸也非常大。如图2左示图所示，如果多叶轮风电系统的塔架参照常规的钢制圆筒塔设计，由于环形偏航轨道3.2的尺寸巨大，塔架的直径也变得非常大，这会导致钢材用量，运输，安装以及征地等一系列成本问题。因此，多叶轮风电系统只能采用如图2右示图所示的桁架式钢结构。

根据上面描述的结构特征，多叶轮风电系统在偏航时会遇到一个问题：偏航回转支座3.1与环形偏航轨道3.2相对回转实现多叶轮风电系统的偏航。按照常规的偏航方法偏航对风后，会遇到如图3所示的情况，偏航回转支座3.1所处的位置下方没有塔架4（主支柱4.1或辅助支柱4.2）承载。常规的做法是将偏航回转支座3.1下方的环形偏航轨道3.2做的非常强壮，载荷通过轨道传递到远处的主支柱4.1或辅助支柱4.2。但是，这种做法会极大增加环形偏航轨道3.2自身的重量，同时也会增加塔架4的负担。整个偏航回转支承3和塔架4的成本将大幅上升。

本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于多叶轮风电系统的偏航方法，目的是在可能出现极端载荷的工况，将偏航回转支座3.1停在支撑能力最强的指定位置，即主支柱4.1的上方，载荷可以快速地传递到主支柱4.1。使得整个偏航回转支承3和塔架4的成本得到有效地控制。

如图4和图5所示，一种多叶轮风电系统的偏航方法，其主要包括以下几个步骤：

S1、将多叶轮风电系统的偏航回转平面分为多个扇区6，扇区6数量至少是八个。至少设置八个扇区6的原因时扇区6数量过少能降低塔架主支柱4.1的数量，但是多叶轮风电系统在运行时就必须考虑很大的偏航误差；另一个种情况是扇区6数量过多，过多的扇区6会导致塔架4成本增加。

根据扇区6的位置，获取每个扇区6的起始方位角6.1, 每个扇区6的结束方位角6.2，同时也是相邻扇区的起始方位角。因此只需获得每个扇区6的起始方位角6.1就能够计算每个扇区6的角度；

S2、通过测量装置获得多叶轮风电系统的偏航方位角7.3。一般地，偏航方位角7.3与多叶轮风电系统的朝向（同时也是风力发电单元1的朝向）相同。多叶轮风电系统的朝向，可以认为其近似垂直于多叶轮风电系统的迎风面8（多叶轮风电系统的迎风面8由多个风力发电单元1的叶轮组成）。

在多叶轮风电系统偏航的过程中，通过测量装置获得多叶轮风电系统的风向误差角7.2。风向误差角7.2一般指风向7.1与多叶轮风电系统的偏航方位角7.3之间的夹角。

在计算获得偏航方位角7.3的过程中，一般的原始测量值是多叶轮系统的偏航位置，偏航位置的取值通常包含方向（如-459度或+633度），偏航方位角7.3的取值范围是0～360度。偏航位置原始测量值与偏航方位角7.3需要进行等效折算。

S3、在进行下一步数据处理时，必须确定所有的角度测量或计算都是依据同一个方位参考。如图5所示，本实施例遵循正北方向为0度，作为方位角参考方向7。

根据所有扇区6的起始方位角6.1与偏航方位角7.3计算多个起始角度差，通过多个起始角度差与风向误差角7.2可以得出多叶轮风电系统启动偏航后需要回转的角度以及回转的方向。

S4、在一些实施例中，风向误差角7.2可以直接得出多叶轮风电系统要偏航的角度，即间接判断需要从当前扇区回转到哪一个相邻扇区（即目标扇区）。

偏航方位角7.3确定多叶轮风电系统当前的扇区，根据风向误差角7.2确定需要回转到的目标扇区，根据多叶轮风电系统当前扇区以目标扇区确定启动阈值，根据启动阈值控制多叶轮风电系统偏航的启动。

当偏航开始后，根据S3中计算的多个起始角度差、需要回转的角度以及回转的方向，判断迎风面8与目标扇区起始方位角是否同方位。如果是，停止多叶轮风电系统的偏航。

上述技术方案的特点和新颖之处是：抛弃了常规回转支承采用的“无级”回转的方法，用“离散式”的回转方式，使得偏航回转支座能够停留在指定的若干系统支撑能力最强的位置。

上述技术方案的益处是：使得来自支撑结构的载荷能够直接且快速的，通过最短路径从偏航回转支座3.1传递到塔架4，降低了环形偏航轨道3.2的和塔架4的承载需求。同时，也巧妙地利用了陆地风电场风向在偏航回转方向分布不均的特定，对分布概率很低的风向可以划分更大的扇区，相应地减少主支柱4.1的排布密度，降低偏航支承和塔架的成本。

风向误差角7.2绝大多数情况下只是在一定范围内变化，为了避免过多的偏航动作，所测量的风向误差角必须要经过平均值的处理，平均值处理时的时间常数一般大于三十秒。在一些实施例中，时间常数甚至可以取一百秒以上。

根据起始方位角6.1，计算所有扇区6的扇区角度，通过所有扇区角度计算每个扇区对应的偏航启动阈值。在一些实施例中，每个扇区的角度各不相同，因此，每个扇区都拥有独立的偏航启动阈值。并且偏航启动阈值不小于对应扇区角度的一半，这样设置的原因有两个：1）避免偏航前的风向误差角7.2太大，造成风力发电单元1的载荷过大；2）由于本发明采用的是离散式偏航，需要避免偏航后风向误差角7.2没有明显的减小，造成无效的偏航（如偏航前风向误差角是+15度，偏航后风向误差角是-15度）。

通过偏航方位角7.3可以确定偏航回转支座3.1所处的扇区，以及与目前迎风面8重合的扇区起始角度；根据风向误差角7.2和扇区分布情况可以知道多叶轮风电系统偏航的目标扇区；然后通过目前迎风面8重合的扇区起始角度，以及目标扇区可以找出对应的一个偏航启动阈值。根据平均误差角与对应的一个偏航启动阈值控制多叶轮风电系统偏航的启动。通过目标扇区的起始角度差控制多叶轮风电系统偏航的停止（也就是目标扇区的起始角度什么时候与迎风面8重合）。

下面通过一个简单的实例来进一步说明本发明提出的偏航方法：

如图6所示，根据多叶轮风电系统所处位置的风向分布情况，将偏航回转平面划分成八个扇区（扇区I～扇区VIII）。假设偏航回转平面上方为正北参考方向7，正北参考方向7作为方位角度量的参考方向。

某一时刻多叶轮风电系统的当前迎风面8.1的方位角与扇区VII的起始角度6.11重合，角度都是270度。并且目前其中一个偏航回转支座3.11位于扇区VI与扇区VII之间。此时，风向7.1当前处于扇区I，且风向7.1与多叶轮风电系统的偏航方位角7.3之间的夹角——风向误差角7.2，大约是35度（一般地，正北参考方向7顺时针角度为正）。根据扇区分布，可以得知沿着顺时针方向的下一个扇区是扇区VIII，扇区VIII的起始角度是315度，与扇区VII的起始角度270度相差45度。如果不偏航，则风向误差角7.2是35度，如果偏航到扇区扇区VIII，则风向误差角7.2将会减少至35-45=-10度。因此，可以确定目标扇区是扇区VIII，扇区VIII的起始方位角6.12为目标起始方位角，是315度，偏航回转支座3.12将会是偏航后所处的位置。

当前扇区VII的起始角度6.11与目标扇区VIII的起始角度6.12相差315-270=45度，因此，当前的风向误差角7.2需要大于23度才能启动偏航。如果当前的风向误差角7.2小于23度,则偏航后，风向误差角7.2将会变成22.5-45=-22.5度，风向误差角7.2从22.5度变成-22.5度，从偏航误差角度判断，它们是没有本质区别的，会造成无效的偏航。

启动偏航后，可以连续计算迎风面8.1与目标扇区VIII的起始角度6.12的角度差。当角度差足够小，近乎为0后，可以认为迎风面8.2到达指定位置，停止偏航。在一些实施例中，当前迎风面8.1或目标迎风面8.2的方位角并不能直接测量获得，可以通过偏航方位角7.3与迎风面的垂直关系通过计算获得。因此，控制偏航停止的条件是偏航方位角7.3与目标扇区VIII的起始角度6.12的角度的差值，即起始角度差。图7给出了实现上述偏航方法的细节流程图。

如图8所示，左示图是根据实际某风场测风塔两年的测量数据绘制的风玫瑰图，可以看出该风场的主风向明显，主要分布在东北方向、东北偏东以及东北偏北。本发明提出的偏航方法，可以根据风玫瑰图，对偏航回转平面进行扇区划分。如右示图所示，扇区III～V，以及扇区VIII～X，这六个扇区的角度明显小于其他扇区。针对主风向分布在扇区I和扇区II的情况，可以让多叶轮系统的迎风面更频繁的在上述六个扇区回转，达到更好的对风效果。

要实现本发明中提出的偏航方法，多叶轮风电系统至少包括（参考图1和图5的标记）：

风向测量装置，用于获取风向误差角7.2，在一些实施例中，风向测量装置可以设置在风力发电单元1上。；

偏航方位测量装置，用于获取偏航方位角7.3，在一些实施例中，偏航方位测量装置可以设置偏航回转支座3.1上；

偏航回转支承，由偏航回转支座3.1和环形偏航轨道3.2组成，偏航回转支座3.1与环形偏航轨道3.2能够相对回转，用于实现偏航；

控制器，用于记录多个扇区6的起始方位角6.1，还用于根据偏航方位角7.3与起始方位角6.1计算起始角度差，以及根据风向误差角7.2及偏航方位角7.3控制偏航启动,也根据起始角度差控制偏航停止。

除此之外，还包括：

风力发电单元1，风力发电单元1的朝向与偏航方位角7.3相同。

偏航驱动系统，用于实现偏航回转支座3.1与环形偏航轨道之间的相对回转。

如图9所示，由于偏航回转停止时，偏航回转支座3.1下方一定要有主支柱4.1为其提供支撑。因此，主支柱4.1的顶部与环形偏航轨道3.2连接位置的上方附近，一定是两个相邻扇区相连的位置，也就是扇区起始方位角的方位。

如图10所示，控制器中偏航功能的实现，至少包含三个模块，1）平均值计算模块，用于计算风向误差角7.2的平均值；2）延时模块，用于偏航启动的延时控制；3）偏航方位角计算模块，用于根据偏航方位测量装置提供的测量值计算偏航方位角7.3。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上和下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。