本发明涉及一种风力发电机，尤其是一种低风速垂直轴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，新近发展起来的磁悬浮垂直轴风力发电机结构复杂，控制难度大，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，提供一种结构简单、控制简便、效率高的大功率低风速垂直轴风力发电机。
为了达到以上目的，本发明一种低风速垂直轴风力发电机，包括：定子、转子、电磁系统、外壳、上端轴承、下端轴承、转轴、承重支架、采风驱动系统、电磁控制系统。
所述定子包括定子铁心和定子三相绕组，固定安装在所述外壳上；所述转子为内转子，包括转子铁心、永磁体，位于所述定子的径向内侧，并与所述转轴固定；所述定子和所述转子之间有固定工作气隙。
所述电磁系统包括永磁铁、电磁铁，两者上下轴向相对放置，两者之间有固定工作气隙；所述永磁铁为盘式永磁铁，与所述转轴固定；所述电磁铁由绕组和盘式铁心组成，所述绕组为直流励磁绕组，所述盘式铁心与所述承重支架固定；所述承重支架与外壳的底部固定；所述转轴位于所述承重支架的上方，转轴的底端与所述承重支架保持接触。
所述上端轴承与外壳的顶部固定；所述下端轴承位于所述转轴的下端，与所述承重支架固定；所述上端轴承、下端轴承均套在所述转轴的外侧，并与所述转轴保持径向间隙；
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三组及三组以上组件，沿所述转轴的圆周均匀分布，每组组件包括1个第一叶片、1个第一横向支架，所述第一横向支架的一端与所述转轴固定，另一端与所述第一叶片固定；所述第二采风系统位于所述转轴的顶端，包括三组及三组以上组件，沿所述转轴的圆周均匀分布，每组组件包括1个第二叶片、1个第二横向支架，所述第二横向支架的一端与所述转轴固定，另一端与第二叶片固定。
所述电磁控制系统包括风速传感器、称重传感器、变流器；所述称重传感器与外壳底部固定，且位于所述转轴的正下方；所述变流器为dc/dc变换器，与所述电磁铁绕组相连。
所述定子、电磁系统中的电磁铁、外壳、上端轴承、下端轴承、承重支架、电磁控制系统构成了发电机的静止部分；所述转子、电磁系统中的永磁铁、转轴、采风驱动系统构成了发电机的旋转部分，所述旋转部分简称为旋转物。
上述一种低风速垂直轴风力发电机，其控制方法包括如下步骤：
步骤1，启动准备：当风速传感器测得风速在切入风速至额定风速范围内，根据所述称重传感器测得的停机状态下的旋转物重力mg，经电磁铁绕组初始励磁电流计算模块得到所述电磁铁绕组的初始励磁电流给定值i0*，将此初始励磁电流给定值i0*经所述变流器得到所述电磁铁绕组初始励磁电流i0，当所述电磁铁绕组通入初始励磁电流i0后，使所述电磁铁产生与所述永磁铁相同的磁极极性，则所述旋转物将受到一个向上的电磁斥力fe，此时所述称重传感器测得的值就是作用在所述旋转物上的轴向合力f；
步骤2，启动：将轴向合力设定值fref与所述称重传感器实时测得的轴向合力f之差，经控制算法调节器，得到所述电磁铁绕组的励磁电流给定值i*，将此给定值i*经所述变流器得到所述电磁铁绕组的励磁电流i，使所述旋转物在轴向上的合力f等于其设定值fref，所述转子在风力作用下旋转，使发动机发电；在此阶段，令fref＝0；
步骤3，保持输出额定功率：当风速传感器测得风速在额定风速至切出风速范围内，根据风速大小，改变轴向合力设定值fref，以调节所述变流器的输出电流，保持适当旋转阻尼力矩，配合发电机的机侧变流器，降低转子转速，使发电机输出功率保持在其额定功率；
步骤4，停机制动：当风速传感器测得风速大于切出风速时，以及停机时，给所述电磁铁绕组通入与之前方向相反的电流，则所述电磁铁将产生与所述永磁铁相反的磁极极性，使所述旋转物受到一个向下的电磁吸力，大大增加旋转阻尼力矩，使所述旋转物转速下降，直至为零，实现制动刹车。
本发明的有益效果是：
1)因具有两套或多套采风驱动系统，同时电磁系统使得整个旋转部分在运行时轴向上的合力可以为零，可实现低风速启动，使得风能利用率更高，实现大功率输出。
2)通过调节电磁铁的励磁电流大小、控制其方向，以改变电磁力大小和方向，从而灵活调节旋转阻尼，可确保系统安全稳定运行，实现系统快速而平稳制动。
3)控制简单，安装、维护简便。
附图说明
图1为本发明低风速垂直轴风力发电机的结构示意图。
图2为本发明低风速垂直轴风力发电机的电磁系统结构示意和力学分析示意图。
图3为本发明低风速垂直轴风力发电机的电磁控制系统结构框图。
图中标号：1-定子，2-转子，3-永磁铁，4-电磁铁，5-称重传感器，6-外壳，7-上端轴承，8-下端轴承，9-承重支架，10-转轴，11-第一采风系统，12-第二采风系统，41-电磁铁绕组，42-电磁铁铁心，51-变流器，52-电磁铁绕组初始励磁电流给定值计算模块，53-控制算法调节器，111-第一叶片，112-第一横向支架，121-第二叶片，122-第二横向支架。
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，本发明一种低风速垂直轴风力发电机包括：定子1、转子2、电磁系统、外壳6、上端轴承7、下端轴承8、转轴10、承重支架9、采风驱动系统、电磁控制系统。
如图1所示，定子1包括定子铁心和定子三相绕组，固定安装在外壳6上，定子三相绕组连接发电机的机侧变流器；转子2为内转子，包括转子铁心、永磁体，位于定子1的径向内侧，并与转轴10固定；定子1和转子2之间有固定工作气隙。定子1和转子2构成立式径向磁场永磁同步发电机。
如图1、图2所示，所述电磁系统包括永磁铁3、电磁铁4，两者上下轴向相对放置，且有固定工作气隙；永磁铁3为盘式永磁铁，与转轴10固定；电磁铁4由绕组41和盘式铁心42组成，绕组41为直流励磁绕组，盘式铁心42与承重支架9固定；承重支架9与外壳6的底部固定；转轴10位于承重支架9的上方，转轴10的底端与承重支架9保持接触。
如图1所示，上端轴承7与外壳6的顶部固定；下端轴承8位于转轴10的下端，与承重支架9固定；上端轴承7、下端轴承8均套在转轴10的外侧，并与转轴10保持径向间隙。
如图1所示，所述采风驱动系统包括第一采风系统11和第二采风系统12；第一采风系统11包括三组及三组以上组件，沿转轴10的圆周均匀分布，每组组件包括1个第一叶片111、1个第一横向支架112，其中第一横向支架112的一端与转轴10固定，另一端与第一叶片111固定；第二采风系统12位于转轴10的顶端，包括三组及三组以上组件，沿转轴10的圆周均匀分布，每组组件包括1个第二叶片121、1个第二横向支架122，其中第二横向支架122的一端与转轴10固定，另一端与第二叶片121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；如果发电机功率很大，采风驱动系统可以采用若干个第一采风系统。
如图3所示，所述电磁控制系统包括风速传感器、称重传感器5、变流器51、电磁铁绕组初始励磁电流给定值计算模块52、控制算法调节器53(如pid调节器)；称重传感器5与外壳6的底部固定，且位于转轴10的正下方，用于测量旋转物在轴向上的合力；变流器51为dc/dc变换器，其输出端与电磁铁绕组41相连。电磁铁绕组初始励磁电流给定值计算模块52的输入端连接称重传感器5的输出，计算模块52的输出端连接变流器51；旋转物的轴向合力设定值fref与称重传感器5的输出之差输入至控制算法调节器53，控制算法调节器53的输出端连接变流器51。
如图1所示，定子1、电磁铁4、外壳6、上端轴承7、下端轴承8、承重支架9、电磁控制系统构成了发电机的静止部分，转子2、永磁铁3、转轴10、采风驱动系统构成了发电机的旋转部分(简称旋转物)。
上述一种低风速垂直轴风力发电机，其控制方法具体步骤如下：
1)启动准备：如图3所示，当风速传感器测得风速在切入风速至额定风速范围内，根据称重传感器5测得的停机状态下的旋转物重力mg，经电磁铁绕组初始励磁电流计算模块52得到电磁铁绕组41的初始励磁电流给定值i0*，将此初始励磁电流给定值i0*经变流器51得到电磁铁绕组41的初始励磁电流i0，当电磁铁绕组41通入初始励磁电流i0后，使电磁铁4产生与永磁铁3相同的磁极极性，举例来说，如果永磁铁3为n极，则使电磁铁4产生n极；如果永磁铁3为s极，则使电磁铁4产生s极；则旋转物将受到一个向上的电磁斥力fe，此时称重传感器5测得的值就是作用在旋转物上的轴向合力f，且有f＝mg-fe。
其中，电磁铁绕组初始励磁电流计算模块52的初始励磁电流给定值i0*计算方法为：
如图2所示，电磁铁4产生的电磁斥力fe为：
式中，μ0为真空磁导率，n为电磁铁绕组41的匝数，s为电磁铁铁心42的磁极表面有效面积，δ为电磁铁4和永磁铁3之间的工作气隙长度。
由图2可知，电磁斥力fe的方向与旋转物的重力mg方向相反。如果电磁吸斥力等于旋转物重力，则旋转物在轴向上的合力为零，从而在旋转过程中就没有摩擦力，也就没有旋转阻尼，即可实现低风速启动。
令：
fe＝mg(2)
将式(1)代入式(2)，可计算出i0*为：
2)启动：将轴向合力f的设定值fref与称重传感器5实时测得的轴向合力f之差，经控制算法调节器53(如pid调节器)，得到电磁铁绕组41的励磁电流给定值i*，将此给定值i*经变流器51得到电磁铁绕组41的励磁电流i，使旋转物的轴向合力f等于其设定值fref，转子2在风力作用下旋转，使发动机发电；在此阶段，令fref＝0，即调节电磁铁绕组41的励磁电流i的大小，使得电磁斥力fe＝mg，则称重传感器5实时测得的轴向合力f为零，这意味着转轴10作用在承重支架9上的力为零，因而转轴10与承重支架9之间的摩擦力为零，也就没有旋转阻尼，转子2在极低风速下即可旋转，实现低风速启动发电。
3)保持输出额定功率：当风速传感器测得风速在额定风速至切出风速范围内，根据风速大小，改变轴向合力设定值fref，以调节变流器51的输出电流，使得轴向合力f大于零，这意味着转轴10作用在承重支架9上的力大于零，从而增大了转轴10与承重支架9之间的摩擦力，以保持适当的旋转阻尼力矩，同时配合发电机的机侧变流器，降低转子2的转速，使发电机输出功率保持在其额定功率。
4)停机制动：当风速传感器测得风速大于切出风速时，或者停机时，给电磁铁绕组41通入与之前方向相反的电流，则电磁铁4将产生与永磁铁3相反的磁极极性(举例来说，如果永磁铁3为n极，则使电磁铁4产生s极；如果永磁铁3为s极，则使电磁铁4产生n极)，从而使旋转物受到一个向下的电磁吸力，此时轴向合力f等于旋转物的重力mg与电磁吸力之和，轴向合力f大大增加，这意味着转轴10作用在承重支架9上的力大大增加，导致转轴10与承重支架9之间的摩擦力大幅增加，旋转阻尼力矩也因此大幅增大，使旋转物转速下降，直至为零，实现制动刹车。
上述电磁控制系统通过轴向合力设定值fref与实时测得的轴向合力f之差，经控制算法调节器(如pid调节器或自适应调节器等)输出的电磁绕组励磁电流给定值，来控制电磁绕组励磁电流，实现了电磁力的闭环控制，从而确保本发明低风速垂直轴风力发电机实现低风速启动、平稳运行。