垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统的制作方法

本发明涉及一种风力发电机组，尤其是一种垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统，属于风电领域。

背景技术：

随着能源危机和环境污染日趋严重，作为严格无污染的风力发电受到世界关注，明确将风力发电从补充能源提升至替代能源战略地位，但低风速区域（平均风速低于5-6m/s）占全国总面积的70%以上，加大大功率低风速风力发电机型研究，是推动低风速风电发展的有效途径。垂直轴风力发电机无需水平轴风力发电系统必需的偏航装置，具有启动风速低、安装简便等优势，特别是磁悬浮轴承引入至垂直轴风力发电后，风力机起动阻力矩大幅降低，非常适合弱风型风电场。但目前普遍功率相对较小，内蒙古索力德风电公司和广州雅图新能源有限公司开发了mw级垂直轴风力机，采用磁悬浮轴承以及多层桨叶采风机构，起动风速减小至3-3.5m/s，但存在风能捕获控制滞后、机械冲击大以及输出功率波动等问题，同时多层采风系统高度差导致风机存在较大倾覆力矩，极易导致风机旋转体轴径向悬浮位移变化，摩擦损耗大、发电成本高。采用主动电磁悬浮实现垂直轴风力发电系统桨叶采风机构的完全悬浮，可有效降低风机旋转体轴径向摩擦损耗，但磁悬浮装置本身也存在电磁悬浮功耗，特别是产生电磁力所需的悬浮绕组和永磁体直接导致风机桨叶采风系统自重增大，产生较大悬浮功耗；同时风速的随机性和波动性问题，极易导致功率波动，影响电力系统安全和可靠性。

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，将压缩空气储能引入至垂直轴风力发电系统，平抑风能波动对输出功率影响，采用风机旋转体的四点完全气动悬浮，极大消除轴径向摩擦损耗，提供一种度电成本低、控制简单、风能利用率高、大功率垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统。

为了达到以上目的，本发明垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统包括风机桨叶、风机旋转体、永磁同步发电机、压缩空气储能、悬浮阻尼装置、塔架、机械耦合装置、以及变流器；所述风机桨叶包括轴向桨叶和径向桨叶，所述轴向桨叶位于风机旋转体顶端，所述径向桨叶均匀分布在风机旋转体外侧；所述风机旋转体内侧设置16组n/s排列的永磁体，组成永磁同步发电机的转子；所述永磁同步发电机为径向发电机，包括固定在塔架上的定子三相绕组，以及内嵌在风机旋转体上的转子，定子绕组在转子旋转时感应三相电流，经变流器整流、逆变馈电并网；所述塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承，内侧为托盘支撑，内部设置机械耦合装置，将风机旋转体捕获转矩传递至压缩空气储能，塔架内设置压缩空气储能、悬浮阻尼装置以及变流器；所述机械耦合装置用于风机旋转体的升速，驱动压缩机，包括与风机旋转体刚性联结的齿圈、固定在托盘支撑的行星架以及太阳轮三部分；所述压缩空气储能包括三个压缩机、三个电磁离合器、七个双向气动阀，以及高压储气罐，所述压缩机轴向放置在塔架内部，彼此间通过电磁离合器级联，上端压缩机经电磁离合器与太阳轮耦合，7个双向气动阀将压缩机的吸/排气口合理联结，改变多级压缩模式，所述高压储气罐存储压缩所致高压气体，提供高压气体给悬浮阻尼装置，进行风机旋转体气浮和阻尼控制；所述悬浮阻尼装置包括两个轴向放置的气动支撑和四个三通气动阀，控制风机旋转体气浮和摩擦阻尼，上下气动支撑对应设置四对膨胀孔，两膨胀孔共用一个三通气动阀，所述膨胀孔气压由三通气动阀控制，增大上膨胀孔气压，加大摩擦阻尼，下膨胀孔气压增加，弱化甚至消除摩擦阻尼；所述变流器包括机侧变流器、网侧变流器、充电变流器以及控制回路变流器，所述机侧变流器为调节永磁同步发电机电磁转矩的三相可控整流器，使风机旋转体时刻运行在最优转速，网侧变流器为三相逆变桥，将风机捕获功率馈送上网；所述充电变流器和控制回路变流器都为buck变流器，所述充电变流器将机侧变流器整流输出电压降压给蓄电池充电，所述控制回路变流器为所述气动阀门、电磁离合器供电的斩波变流器。

所述垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统的控制方法，采用如下步骤：

步骤1，风机四点气浮：当风速vw达到起动风速vin后，首先调节四个三通气动阀的阀门开度，并基于压力传感器实测p(i)，其中i=1,2,3,4，以及四点压力参考pref=0，求取四点压力偏差e(i)=pref-p(i)，在比例积分微分pid控制器作用下，产生阀门开度主设定μf0(i)，进而根据四点压力偏差e(i)，计算四点压力的同步误差e(i)=2e(i)-e(i+1)-e(i-1)，在比例微分pd控制器作用下，获取四点气浮同步跟踪补偿开度μf1(i)，最终计算出四个三通气动阀开度为μf(i)=μf0(i)+μf1(i)，将四个阀门开度μf(i)送至对应的气浮阀门，严格控制风机旋转体四点处压力为零，风机旋转体无摩擦旋转捕获能量，机侧变流器和网侧变流器开始工作。

步骤2，风机气浮捕获：当风速vw满足vin<vw≤vn，其中vn为额定风速，风机旋转体四点气浮稳定，进入风机气浮捕获，首先根据风速和风机功率曲线，获取优化转速参考ωoref，进而根据编码器实测转速ω和旋转角度θ，按照转子磁链定向方法，将永磁同步电机输出电流，解耦成转矩电流iq和励磁电流id，计算转速偏差eω=ωoref-ω，在pid控制器作用下产生转矩电流参考iq^*，调控永磁同步发电机电磁转矩tm，风机旋转体按照运动方程ⅰ运行，使其稳定工作在优化转速ωopt，获取最大风能，并通过机侧变流器、网侧变流器馈电上网。

步骤3，风机气浮储能：当风速vw满足vn<vw<vout，其中：vout为切出风速，此时风机旋转体继续四点气浮，压缩机切入压缩空气储能，将多余功率储存至高压气罐，首先根据实测的高压储气罐气体压力ps，给出i级压缩对应最大转矩ticmax，(i=1,2,3)，进而根据垂直轴风机功率曲线pw和额定转速ωn，给出风机捕获转矩为tw，若ps<pc1max，则由ns=(tw,-tn)/tc1max，其中tn为发电机额定转矩，并按照向下取整原则，计算压缩机ⅰ级压缩切入数量ns，若pc1max≤ps<pc2max，则投入ⅱ级串联压缩机构，设置ns=1；若pc2max≤ps<pc3max，则投入ⅲ级压缩机构，设置ns=1，其中pcimax为i级压缩对应的最大排气压力；进而计算△t=tw-nsticmax,如果△t＜tn，则按照ns和i进行电磁离合器吸合，切入压缩机，压缩空气储能；如果△t＞tn，则增大一级压缩，即i=i+1；接着以额定转速ωn为参考，结合实测转速ω，机侧变流器采用转子磁链定向策略以及pi控制算法，计算转矩电流参考iqref，调控永磁同步发电机电磁转矩，将超过压缩空气储能功率部分，经网侧变流馈电并网，此时风机旋转体按照运动方程ⅱ额定转速运行。

步骤4，阻尼功率控制：风速vw满足vn<vw<vot，压缩机ⅲ级压缩、△t＞tn或者ps＞pc3max时，控制四点气浮的4个三通气动阀门，增大风机旋转体和塔架之间的摩擦转矩tf，直至永磁同步发电机额定功率输出，根据永磁同步发电机定子电流和电压的实测值获取p=3iaua，其中：ia，ua分别为a相电流和电压，计算ep=p-pn，在pid控制器作用下产生总气体压力psum，按照均分原则给出四点处的压力参考pref，接着根据四点处压力传感器实测的压力检测值p(i)，计算实时四点压力偏差e(i)=pref-p(i)，在pi控制器作用下，产生四点处三通气动阀的调控电压μf(i)，动态改变气浮力大小和方向，增大摩擦转矩tf；机侧变流器按照转子磁链定向和直接转矩控制策略，设定转矩电流参考iqref=2(tn-tf)/3npψr其中：np和ψr分别为永磁同步发电机的极对数和磁链，确保永磁同步发电机额定功率输出，风机旋转体按照运动方程ⅲ运行，由网侧变流器馈电并网。

步骤5，停机保护：若风速vw大于vout或者三通气动阀门的开度达到最大开度，此时若永磁同步发电机输出功率仍大于pn，顺桨停机。

所述的垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3中的压缩机i级压缩对应的最大转矩为：

其中：k0压缩转化系数，κ为压缩指数，vcs为涡旋机吸气容积，patm为大气压强，β0为压缩机理想压缩比。

所述的垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述风机旋转体的运动方程ⅰ、ⅱ、ⅲ分别为：

、和，

式中，ω为风机旋转体角速度；tw为风机捕获转矩，tm为所述永磁同步发电机电磁转矩，tc为所述压缩机转矩，j为所述风机旋转体转动惯量，tf为摩擦阻力矩，mg为风机旋转体重量，μ为摩擦系数，l为风机旋转体半径。

本发明的有益效果是：

1）将压缩空气储能引入垂直轴风力发电系统，平抑风能波动对输出功率影响，极大提升风机输出功率稳定，创新性地提出了风机旋转体的气动悬浮，极大降低风机旋转体悬浮功耗和摩擦功耗，实现风机超低速起动和风能高效捕获；

2）压缩空气储能多气动阀门和电磁离合器的协同调控机制，可实现压缩空气储能消纳功率的柔性调整，结合永磁同步发电机机侧变流器的调控，可实现风机额定转速的粗细协同调控策略，极大提升风能捕获功率；

3）采用风机旋转体四点气动悬浮机制，灵活控制风机旋转体的稳定悬浮，实现风速波动所致倾覆力矩的有效平抑，确保风机旋转体多自由度悬浮稳定，实现低风速启动甚至微风启动，大大提高风能利用率，尤其适合于弱风型风电场。

附图说明

图1为本发明垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统结构示意图。

图2为本发明垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统机械耦合装置俯视图。

图3为本发明压缩空气储能结构图。

图4为本发明垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统控制机制图。

图5为本发明垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统气浮压缩储能机制图。

图中：1.1-轴向桨叶，1.2-径向桨叶，2-机械耦合装置，2.1-齿圈，2.2-行星架，2.3-太阳轮，3-风机旋转体，4.1-永磁同步发电机定子，4.2-永磁同步发电机转子，5-滚珠轴承，5.1-压力传感器，6-压缩机，7-高压储气罐，8-塔架，9-悬浮阻尼装置，10-托盘支撑，11-机侧变流器，12-充电变流器，13-网侧变流器，14-蓄电池；15-控制回路变流器，16~19-三通气动阀，20-上膨胀孔，21-下膨胀孔，22~24-电磁离合器，25~31-双向气动阀，32-泄气阀，33-压力传感器，34-气动上支撑，35-气动下支撑。

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、图2、图3所示，本发明垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统包括：风机桨叶1、风机旋转体3、永磁同步发电机4、压缩空气储能（6,7,22~24,25~31）、悬浮阻尼装置9、塔架8、机械耦合装置2、以及变流器部分11~15；风机桨叶为四组两层结构，包括1个轴向桨叶1.1和3个径向桨叶1.2，轴向桨叶1.1设置在风机旋转体3顶端，径向桨叶1.2均匀分布在风机旋转体外侧；风机旋转体3为流线型机壳结构，顶端为塔架8支撑的圆形水平旋转面，外侧设置三组风机桨叶，内侧设置永磁同步发电机转子4.2；永磁同步发电机4为径向式发电机，包括转子4.2和定子4.1两部分，定子为三相绕组固定在塔架上；塔架为风机旋转体的旋转支撑，塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承5，上端内侧设置托盘支撑10，内设机械耦合装置2，将风机旋转体3捕获的风机转矩传递至压缩空气储能部分，塔架内部设置压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置9以及变流器部分；机械耦合装置2为行星齿轮升速机构，包括与风机旋转体刚性联结的齿圈2.1、固定在托盘支撑上的行星架2.2以及太阳轮2.3等三部分，将风机旋转体变速驱动压缩机6。

所述压缩空气储能包括三个压缩机6、三个电磁离合器22~24、七个双向气动阀25~31、高压储气罐7以及气路，三个压缩机轴向依次放置在塔架8内部，彼此间通过电磁离合器22~24级联，双向气动阀门25~31共有7个，将三个压缩机6的吸/排气口合理联结，改变压缩机的多级压缩模式；所述高压储气罐7存储高压气体，上端设置压力传感器33和泄气阀32；所述悬浮阻尼调控装置9包括两个盘式气动支撑34~35和四个三通气动阀16~19，盘式气动支撑34~35固定在塔架8上，盘式上下气动支撑之间为风机旋转体3的圆盘型底座，两盘式气动支撑对应设置四对凹型膨胀孔，上下膨胀孔20~21共用一个三通气动阀16~19；所述膨胀孔气压由三通气动阀控制，增加上膨胀孔20排出气体压力，增大风机旋转体摩擦转矩，增加下膨胀孔21排出气体压力，弱化/消除风机旋转体3摩擦。

所述变流器包括机侧变流器11、网侧变流器13、蓄电池14、充电变流器12以及控制回路变流器15，所述机侧变流器11为可控三相整流器，调节永磁同步发电机电磁转矩，网侧变流器13为三相逆变桥，将永磁同步发电输出功率馈送上网；蓄电池14为控制回路供电电源；所述充电变流器12和控制回路变流器15都为buck变流器，充电变流器为蓄电池充电，控制回路变流器为气动阀、电磁离合器供电。因风速、气罐气压等随机变化，垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统存在气浮起动、气浮风能捕获、气浮压缩储能、阻尼功率控制以及停机保护等五种工作模式，控制机制如图4和图5。

垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统的控制方法，采用如下步骤：

步骤1，风机四点气浮：当风速vw达到起动风速vin后，首先调节四个三通气动阀的阀门开度，并基于压力传感器实测p(i)，其中i=1,2,3,4，以及四点压力参考pref=0，求取四点压力偏差e(i)=pref-p(i)，在比例积分微分pid控制器作用下，产生阀门开度主设定μf0(i)，进而根据四点压力偏差e(i)，计算四点压力的同步误差e(i)=2e(i)-e(i+1)-e(i-1)，在比例微分pd控制器作用下，获取四点气浮同步跟踪补偿开度μf1(i)，最终计算出四个三通气动阀开度为μf(i)=μf0(i)+μf1(i)，将四个阀门开度μf(i)送至对应的气浮阀门，严格控制风机旋转体四点处压力为零，风机旋转体无摩擦旋转捕获能量，机侧变流器和网侧变流器开始工作。

步骤2，风机气浮捕获：当风速vw满足vin<vw≤vn，其中vn为额定风速，风机旋转体四点气浮稳定，进入风机气浮捕获，首先根据风速和风机功率曲线，获取优化转速参考ωoref，进而根据编码器实测转速ω和旋转角度θ，按照转子磁链定向方法，将永磁同步电机输出电流，解耦成转矩电流iq和励磁电流id，计算转速偏差eω=ωoref-ω，在pid控制器作用下产生转矩电流参考iq^*，调控永磁同步发电机电磁转矩tm，风机旋转体按照运动方程ⅰ运行，使其稳定工作在优化转速ωopt，获取最大风能，并通过机侧变流器、网侧变流器馈电上网。

步骤3，风机气浮储能：当风速vw满足vn<vw<vout，其中：vout为切出风速，此时风机旋转体继续四点气浮，压缩机切入压缩空气储能，将多余功率储存至高压气罐，首先根据实测的高压储气罐气体压力ps，给出i级压缩对应最大转矩ticmax，(i=1,2,3)，进而根据垂直轴风机功率曲线pw和额定转速ωn，给出风机捕获转矩为tw，若ps<pc1max，则由ns=(tw,-tn)/tc1max，其中tn为发电机额定转矩，并按照向下取整原则，计算压缩机ⅰ级压缩切入数量ns，若pc1max≤ps<pc2max，则投入ⅱ级串联压缩机构，设置ns=1；若pc2max≤ps<pc3max，则投入ⅲ级压缩机构，设置ns=1，其中pcimax为i级压缩对应的最大排气压力；进而计算△t=tw-nsticmax,如果△t＜tn，则按照ns和i进行电磁离合器吸合，切入压缩机，压缩空气储能；如果△t＞tn，则增大一级压缩，即i=i+1；接着以额定转速ωn为参考，结合实测转速ω，机侧变流器采用转子磁链定向策略以及pi控制算法，计算转矩电流参考iqref，调控永磁同步发电机电磁转矩，将超过压缩空气储能功率部分，经网侧变流馈电并网，此时风机旋转体按照运动方程ⅱ额定转速运行。

步骤4，阻尼功率控制：风速vw满足vn<vw<vot，压缩机ⅲ级压缩、△t＞tn或者ps＞pc3max时，控制四点气浮的4个三通气动阀门，增大风机旋转体和塔架之间的摩擦转矩tf，直至永磁同步发电机额定功率输出，根据永磁同步发电机定子电流和电压的实测值获取p=3iaua，其中：ia，ua分别为a相电流和电压，计算ep=p-pn，在pid控制器作用下产生总气体压力psum，按照均分原则给出四点处的压力参考pref，接着根据四点处压力传感器实测的压力检测值p(i)，计算实时四点压力偏差e(i)=pref-p(i)，在pi控制器作用下，产生四点处三通气动阀的调控电压μf(i)，动态改变气浮力大小和方向，增大摩擦转矩tf；机侧变流器按照转子磁链定向和直接转矩控制策略，设定转矩电流参考iqref=2(tn-tf)/3npψr其中：np和ψr分别为永磁同步发电机的极对数和磁链，确保永磁同步发电机额定功率输出，风机旋转体按照运动方程ⅲ运行，由网侧变流器馈电并网。

步骤5，停机保护：若风速vw大于vout或者三通气动阀门的开度达到最大开度，此时若永磁同步发电机输出功率仍大于pn，顺桨停机。

所述的垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3中的压缩机i级压缩对应的最大转矩为：

其中：k0压缩转化系数，κ为压缩指数，vcs为涡旋机吸气容积，patm为大气压强，β0为压缩机理想压缩比。

所述的垂直轴四点气动悬浮式风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述风机旋转体的运动方程ⅰ、ⅱ、ⅲ分别为：

、和，

式中，ω为风机旋转体角速度；tw为风机捕获转矩，tm为所述永磁同步发电机电磁转矩，tc为所述压缩机转矩，j为所述风机旋转体转动惯量，tf为摩擦阻力矩，mg为风机旋转体重量，μ为摩擦系数，l为风机旋转体半径。