一种垂直轴悬浮永磁风力发电机及其控制方法与流程

本发明涉及一种风力发电机，尤其是一种垂直轴悬浮永磁风力发电机及其控制方法，属于风电领域。

背景技术：

目前大功率风力发电机以水平轴风力发电机为主流产品。但水平轴风力发电机存在需要偏航对风、风能利用率低、控制复杂困难、安装不变、成本高等固有缺陷，影响其健康发展。

垂直轴风力发电机可以克服上述缺陷，它无需对风，具有风能利用率较高、控制简单、安装简便等优势，已经在中小功率等级垂直轴风力发电机中得以应用。

但现有垂直轴风力发电机功率等级不高，其原因是它们大多采用转轴在中心位置的结构，叶片固定在转轴上，这种结构采风面积小，限制了风能的利用，使得发电机笨重、功率小、成本高。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于：针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种结构巧妙、控制简单、效率高、功率大的垂直轴悬浮永磁风力发电机。

为了达到以上目的，本发明一种垂直轴悬浮永磁风力发电机，包括：转子、定子、外壳、塔筒、基座、阻尼刹车系统、悬浮系统、采风驱动系统、控制系统。

所述转子为外转子，套在所述定子外侧，所述转子包括转子铁心、永磁体；所述定子套装在所述塔筒的外圆周上，并与所述塔筒固定，所述定子包括定子铁心和定子三相绕组；所述塔筒固定在所述基座上。

所述阻尼刹车系统包括第一电磁铁、钢环；所述第一电磁铁由铁心和绕组组成，所述绕组为直流励磁绕组，所述铁心套装在塔筒外圆周上，并与所述塔筒固定；所述钢环与所述外壳的顶板固定，且所述钢环与所述塔筒同轴。

所述悬浮系统包括第二电磁铁、第二永磁体、铁板、气隙传感器；所述第二电磁铁由悬浮铁心和悬浮绕组组成，所述悬浮绕组为直流励磁绕组，所述悬浮铁心的一面与所述定子的下侧面固定，另一面与所述第二永磁体固定，形成电磁永磁混合悬浮系统；所述铁板位于第二永磁体正下方，且与所述外壳的底板固定；所述气隙传感器与所述定子的上侧面固定，且位于所述钢环的正下方。

所述采风驱动系统包括第一采风系统和第二采风系统；所述第一采风系统包括纵向支架、第一叶片、第一套管，所述纵向支架的一端与所述转子的上侧面垂直固定，另一端与外壳的顶板固定，所述第一套管与所述纵向支架的端头固定，所述第一叶片与所述第一套管固定；所述第二采风系统包括横向支架、第二叶片、第二套管，所述横向支架的一端与所述转子的外侧面垂直固定，另一端与外壳的侧板固定，所述第二套管与所述横向支架的端头固定，所述第二叶片与所述第二套管固定。

所述控制系统包括风速传感器、第一变流器和第二变流器，所述第一变流器与所述第一电磁铁的绕组相连，所述第二变流器与所述第二电磁铁的悬浮绕组相连；所述第一变流器、第二变流器均为dc/dc斩波器。

上述垂直轴悬浮永磁风力发电机，其控制方法包括如下步骤：

1)当风速传感器测得风速达到切入风速时，调节所述第一变流器的输出电流，使得所述阻尼刹车系统的第一电磁铁与钢环之间的摩擦力最低；

2)根据所述气隙传感器测得的停机状态下的气隙值δ0以及悬浮物重力，所述悬浮物为所述转子、采风驱动系统、外壳和铁板的总称，经悬浮绕组初始励磁电流计算模块得到所述悬浮绕组的初始励磁电流给定值if0^*，将此初始励磁电流给定值if0^*经所述第二变流器得到所述悬浮绕组初始励磁电流if0，当所述悬浮绕组通入初始励磁电流if0后，所述第二电磁铁产生的电磁力fe和所述第二永磁体产生的电磁吸力fpm将使所述悬浮物开始上升；然后将平衡点处的气隙长度设定值δref与所述气隙传感器实时测得的悬浮气隙δ之差经过控制算法调节器得到所述悬浮绕组的励磁电流给定值if^*，将此悬浮绕组励磁电流给定值if^*输至所述第二变流器，所述第二变流器输出励磁电流if至所述悬浮绕组，使所述悬浮物平稳上升至并保持在平衡点；

3)调节所述第一变流器的输出电流，控制所述阻尼刹车系统的第一电磁铁与钢环之间的摩擦力，保持适当阻尼，确保所述转子平稳旋转，使发动机发电；

4)停机时，调节所述第二变流器的输出电流，直至为零，使所述悬浮物平缓下降至停机位置，此时所述外壳的顶板降落在塔筒上，同时调节所述第一变流器的输出电流，使得所述阻尼刹车系统的第一电磁铁与钢环之间的摩擦力最大，实现刹车。

本发明的有益效果是：

1)因具有两套采风驱动系统，同时悬浮系统使得整个系统在运行时处于悬浮状态，可实现低风速启动，使得风能利用率更高，可实现大功率输出。

2)采用阻尼刹车系统，通过调节励磁电流以改变电磁吸力，即可改变摩擦阻力，从而灵活调节阻尼，可确保系统安全稳定运行，实现系统快速而平稳制动。

3)结构巧妙、控制简单，安装、维护简便。

附图说明

图1为本发明垂直轴风力发电机的结构示意图。

图2为本发明垂直轴风力发电机的阻尼刹车系统结构示意图。

图3为本发明垂直轴风力发电机的悬浮系统结构示意和力学分析示意图。

图4为本发明垂直轴风力发电机的悬浮控制系统结构框图。

图中标号：1-转子，2-定子，31-第二电磁铁，32-第二永磁体，33-铁板，34-气隙传感器，35-第二变流器，36-悬浮绕组初始励磁电流给定值计算模块，37-控制算法调节器，4-外壳，41-外壳顶板，42-外壳底板，43-外壳侧板，51-纵向支架，52-第一套管，53-第一叶片，54-横向支架，55-第二套管，56-第二叶片，6-阻尼刹车系统，61-第一电磁铁，62-钢环，7-塔筒，8-基座，311-悬浮铁心，312-悬浮绕组，611-第一电磁铁铁心，612-第一电磁铁绕组。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明垂直轴悬浮永磁风力发电机包括：转子1、定子2、外壳4、塔筒7、基座8、阻尼刹车系统6、悬浮系统、采风驱动系统、控制系统。

转子1为外转子，套在定子2外侧，转子1和定子2之间有均匀气隙；转子1包括转子铁心、永磁体，永磁体均匀分布在转子铁心表面；定子2套装在塔筒7外圆周上，并与塔筒7固定，定子2包括定子铁心和定子三相绕组；塔筒7固定在基座8上。定子2和转子1构成立式径向磁场永磁同步发电机。

如图1、图2所示，阻尼刹车系统包括：第一电磁铁61、钢环62；第一电磁铁61包括铁心611和绕组612，第一电磁铁61套装在塔筒7外圆周上，并与塔筒7固定，视发电机功率大小，可以采用三组、六组或八组第一电磁铁61，均匀分布在塔筒7外圆周上，功率越大，转动惯量越大，因而需要的组数越大；钢环62与塔筒7同轴，钢环62与外壳顶板41固定。该系统兼有导向作用，确保转子1平稳旋转。

如图1、图3所示，悬浮系统包括第二电磁铁31、第二永磁体32、铁板33、气隙传感器34；第二电磁铁31由悬浮铁心311和悬浮绕组312组成，悬浮绕组312为直流励磁绕组，悬浮铁心311的一面与定子2的下侧面固定，另一面与第二永磁体32固定，形成电磁永磁混合悬浮系统；铁板33位于第二永磁体32的正下方，且与外壳的底板42固定；气隙传感器34与定子2的上侧面固定，且位于钢环62的正下方，且确保气隙传感器34的测量端面与钢环62之间的气隙和第二永磁体32与铁板33之间的气隙相等，从而保证气隙传感器34测得的气隙就是悬浮气隙。

如图1所示，采风驱动系统包括第一采风系统和第二采风系统；第一采风系统包括三组及三组以上组件，沿圆周均匀分布，每组组件包括1个纵向支架51、1只第一套管52、2～3个第一叶片53，其中纵向支架51的一端与转子1的上侧面垂直固定，另一端与外壳的顶板41固定，第一套管52与纵向支架53的端头固定，第一叶片53与第一套管52固定；第二采风系统包括三组及三组以上组件，沿圆周均匀分布，每组组件包括1个横向支架54、1只第二套管55、2～3个第二叶片56，其中横向支架54的一端与转子1的外侧面垂直固定，另一端与外壳的侧板43固定，第二套管55与横向支架54的端头固定，第二叶片56与第二套管55固定。作为特例，如果发电机功率较小，采风驱动系统可以只采用一个采风系统。

将转子1、采风驱动系统、外壳4和铁板33总称为悬浮物。悬浮控制系统的工作原理是：运行时，通过调节通入悬浮绕组312的电流，使总悬浮力大于悬浮物重力之和mg，悬浮物开始上升；当气隙传感器34检测到悬浮气隙达到设定气隙长度时，则确定悬浮物此时上升至平衡点，控制通入悬浮绕组312的电流，使悬浮物保持在平衡点，转子1旋转发电；停机时，使第一叶片53、第二叶片56顺风，转子1转速下降，调节悬浮绕组312的电流直至断开，悬浮物平缓下降至停机位置，外壳的顶板41与塔筒7接触，阻尼刹车系统的第一电磁铁61通电刹车。

控制系统包括风速传感器、第一变流器和第二变流器35，其中第一变流器与第一电磁铁61的绕组612相连，第二变流器35与第二电磁铁31的悬浮绕组312相连；第一变流器、第二变流器35均为dc/dc斩波器。

如图4所示，实现本发明垂直轴磁悬浮永磁发电机的悬浮控制系统由气隙传感器34、第二变流器35、悬浮绕组初始励磁电流给定值计算模块36和控制算法调节器37(如pid调节器)构成。

悬浮绕组初始励磁电流给定值计算模块36的输入端连接气隙传感器34的输出，悬浮绕组初始励磁电流给定值计算模块36的输出端连接第二变流器35，第二变流器35的输出端连接悬浮绕组312。

平衡点处的气隙长度设定值与气隙传感器34的输出之差输入至控制算法调节器32，控制算法调节器32的输出端连接第二变流器35，第二变流器35的输出端连接悬浮绕组312。

上述垂直轴悬浮永磁风力发电机，其控制方法具体步骤如下：

1)当风速传感器测得风速达到切入风速时，调节第一变流器输出电流，使得阻尼刹车系统的第一电磁铁61与钢环62之间的摩擦力最低；

2)根据气隙传感器34测得的停机状态下的气隙值δ0以及所述悬浮物(转子1、采风驱动系统、外壳4、铁板33的总称)的重力mg，经悬浮绕组初始励磁电流计算模块36得到悬浮绕组312的初始励磁电流给定值if0^*，将此if0^*经第二变流器35得到悬浮绕组初始励磁电流if0，当悬浮绕组312通入初始励磁电流if0后，第二电磁铁31产生的电磁力fe和第二永磁体32产生的电磁吸力fpm将使悬浮物开始上升；然后将平衡点处的气隙长度设定值δref与气隙传感器34实时测得的悬浮气隙δ之差经过控制算法调节器37(如pid调节器)得到悬浮绕组312的励磁电流给定值将此悬浮绕组励磁电流给定值输至第二变流器35，第二变流器35输出励磁电流if至悬浮绕组312，使悬浮物平稳上升至并保持在平衡点。

其中，悬浮绕组初始励磁电流计算模块36的初始励磁电流给定值if0^*计算方法为：

如图3所示，第二永磁体32产生的电磁吸力fpm为：

式中，μ0为真空磁导率，spm为第二永磁体32的磁极表面有效面积，hc为第二永磁体32的矫顽力，lm为第二永磁体32的厚度，δ0为停机状态下的气隙值。

第二电磁铁31产生的电磁吸力fe为：

式中，μ0为真空磁导率，n为第二电磁铁绕组312的匝数，se为第二电磁铁铁心311的磁极表面有效面积。

由图3可知，悬浮系统的电磁吸力f为第二永磁体32产生的电磁吸力fpm和第二电磁铁31产生的电磁吸力fe之和，其方向与悬浮物的重力mg方向相反。如果悬浮系统的电磁吸力大于悬浮物重力，则悬浮物将向上运动。

令悬浮系统的电磁吸力等于悬浮物重力mg，即

fpm+fe＝mg(3)

则将式(1)、式(2)代入式(3)，可计算出if0^*为：

则只要保证if0>if0^*，就会使悬浮物开始上升，其运动方程为：

fpm+fe-mg＝ma(5)

式中，m为悬浮物的质量，g为重力加速度，a为悬浮物的加速度。

3)调节第一变流器输出电流，控制阻尼刹车系统的第一电磁铁61与钢环62之间的摩擦力，保持适当阻尼，确保转子1平稳旋转，使发电机发电；

4)停机时，调节第二变流器35输出电流if，直至为零，使所述悬浮物平缓下降至停机位置，此时外壳顶板41降落在塔筒7上，同时调节第一变流器输出电流，使得阻尼刹车系统的第一电磁铁61与钢环62之间的摩擦力最大，实现刹车。

上述控制系统通过悬浮气隙长度设定值与实际检测到的悬浮气隙值之差经控制算法调节器(如pid调节器或自适应调节器等)输出的悬浮绕组励磁电流给定值来控制悬浮绕组励磁电流，实现了悬浮力的闭环控制，从而确保本发明发电机的平稳运行。