低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组及其控制方法与流程

本发明涉及一种风力发电机组，尤其是一种低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组及其控制方法，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、启动阻力矩大(启动风速2.5～5m/s)、控制复杂困难、安装不便、成本高等固有缺陷，影响其健康发展，尤其难以满足弱风型风电场的低风速启动要求。

垂直轴风力发电机因无需偏航装置，具有启动风速低、安装简便等优势，已在中小功率等级风力发电机中得以应用。而磁悬浮垂直轴风力发电机因为无机械摩擦，大大降低了启动阻力矩，因而可进一步降低起动风速，是未来风电发展的重点方向。

但现有磁悬浮垂直轴风力发电机几乎均采用磁悬浮轴承(包括主被动磁悬浮轴承和混合式磁悬浮轴承等)实现悬浮，结构复杂，控制难度大，采风面积小，限制了风能的利用，使得发电功率小、成本高，因而急需研发适应弱风型风电场发展需要的大功率低风速垂直轴风力发电机组。

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、风能利用率高、功率大的低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组。

为了达到以上目的，本发明低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组，包括：永磁直驱型风力发电机、磁悬浮盘式电机、风轮、桨矩调节电机、气隙传感器、上端轴承、下端轴承、外壳、塔架和变流器控制系统。

所述永磁直驱型风力发电机包括定子和转子；所述定子套装在所述塔架的外圆周上，并与所述塔架固定，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组为三相绕组；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芯和永磁体，所述永磁体与所述转子铁芯的表面固定，所述转子铁芯与所述外壳的内侧面固定。

所述磁悬浮盘式电机位于所述永磁直驱型风力发电机的下方，包括盘式定子、盘式转子和螺纹圆盘；所述盘式定子由盘式悬浮铁芯和悬浮绕组组成，所述悬浮绕组为直流励磁绕组，所述盘式悬浮铁芯与所述螺纹圆盘固定，所述螺纹圆盘与所述塔架固定，所述气隙传感器贴装在所述盘式悬浮铁芯表面；所述盘式转子包括盘式转子铁芯和盘式转子绕组，所述盘式转子绕组为三相绕组，所述盘式转子铁芯与所述外壳的底部固定。

所述风轮包括横向支架和叶片，所述横向支架的一端与所述叶片固定，另一端穿过所述外壳与所述桨矩调节电机的转轴固定，所述桨矩调节电机与所述外壳的内侧面固定。

所述上端轴承位于所述外壳的顶部中央内侧，套装在所述塔架的外圆周上，且与所述塔架的顶端固定；所述下端轴承位于所述外壳的底部中央内侧，套装在所述塔架的外圆周上，与所述塔架固定。

所述变流器控制系统包括机侧变流器、网侧变流器、悬浮变流器、盘式电机转子侧变流器、桨矩变流器和蓄电池；所述机侧变流器的一端与所述永磁直驱型风力发电机的定子绕组相连，另一端分别与所述网侧变流器和所述悬浮变流器相连；所述网侧变流器的另一端通过变压器与电网相连；所述悬浮变流器的另一端与所述磁悬浮盘式电机的悬浮绕组相连；所述盘式电机转子侧变流器的一端与所述磁悬浮盘式电机的盘式转子绕组相连，另一端分别与所述桨矩变流器和所述蓄电池相连；所述桨矩变流器的另一端与所述桨矩调节电机相连，控制桨矩角。

所述永磁直驱型风力发电机的转子、所述磁悬浮盘式电机的盘式转子、所述风轮、所述桨矩调节电机、所述外壳统称为本发明所述低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组的旋转体。

上述低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组，其控制方法包括如下步骤：

步骤1，启动：当风速vw达到切入风速vin时，启动所述网侧变流器，使其工作于整流模式，给所述悬浮变流器提供直流电源，然后调节所述悬浮变流器的输出电流，使通入所述磁悬浮盘式电机的悬浮绕组中的励磁电流逐渐增大，所述盘式定子产生的电磁吸力fe也将随之增大，直至使所述旋转体开始上升；然后将悬浮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长度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将此悬浮绕组励磁电流给定值输至所述悬浮变流器，所述悬浮变流器输出励磁电流if至所述悬浮绕组，使所述旋转体平稳上升至并保持在悬浮平衡点，此时，所述旋转体与所述塔架之间没有摩擦力，从而实现低风速启动。

步骤2，最大功率点跟踪控制：当风速vw处于切入风速vin和额定风速vn之间时，即：vin<vw≤vn，由所述悬浮变流器实施悬浮控制，确保所述旋转体在转动过程中保持在悬浮平衡点，所述永磁直驱型风力发电机以及所述磁悬浮盘式电机在风力作用下均开始发电；由所述机侧变流器对所述永磁直驱型风力发电机实施最大功率点跟踪控制，由所述网侧变流器实现并网；同时由所述盘式电机转子侧变流器对所述蓄电池实施充放电控制。

步骤3，额定功率输出控制：当风速vw处于额定风速vn和切出风速vout之间时，即：vn<vw<vout，根据风速大小，控制所述悬浮变流器、所述机侧变流器以及所述桨矩变流器，使所述永磁直驱型风力发电机输出功率保持为额定功率，具体方法为：

31)如果风速vw大于额定风速vn，但小于设定风速vs，即：vn<vw<vs，则采用旋转阻尼控制方法，即：控制所述悬浮变流器，使所述盘式定子产生的电磁吸力fe小于所述旋转体的重力mg，进而使所述外壳垂直降落至与所述塔架接触，所述外壳与所述塔架之间将产生摩擦力，则所述旋转体在旋转过程中将产生摩擦阻力矩tf，即增大旋转阻尼；同时控制所述机侧变流器，按运动方程对所述永磁直驱型风力发电机的转速实施控制，进而确保所述永磁直驱型风力发电机输出额定功率；

32)如果风速vw继续增大，但小于切出风速vout，即：vs≤vw≤vout，则使所述悬浮变流器停止输出电流，从而使所述外壳完全降落在所述塔架上，即所述旋转体的重力全部作用在所述塔架上，使旋转阻尼增至最大；同时采用变桨距控制方法，即：由所述蓄电池给所述桨矩变流器提供直流电源，启动所述桨矩变流器，由所述桨矩变流器控制所述桨矩调节电机，驱动所述叶片转动，以改变所述叶片的桨距角，进而使所述风轮产生的风轮转矩变小，同时控制所述机侧变流器，按运动方程对所述永磁直驱型风力发电机的转速实施控制，进而确保所述永磁直驱型风力发电机输出额定功率。

步骤4，当风速大于切出风速时，即vw>vout，控制所述桨矩变流器，使所述桨矩调节电机驱动所述叶片转动，使所述叶片处于完全顺桨状态，使之进入停机状态。

所述步骤3中的摩擦阻力矩为：

tf＝f×r＝kf×r

式中，f为所述外壳与所述塔架之间的摩擦力，r为塔架半径，k为摩擦系数，f为所述旋转体作用在所述塔架上的垂直方向上的合力，且有f＝mg-fe，其中mg为所述旋转体的重力，fe为所述盘式定子产生的电磁吸力。

所述步骤3中的运动方程为：

式中，tm为风力作用于所述风轮而产生的风轮转矩，te1为所述永磁直驱型风力发电机的电磁转矩，te2为所述磁悬浮盘式电机的电磁转矩，tf为所述旋转体的摩擦阻力矩，j为所述旋转体的转动惯量，ωm为所述旋转体的机械角速度。

本发明的有益效果是：

1)磁悬浮盘式电机替代传统的磁悬浮轴承，可灵活控制悬浮，使发电机的旋转体在运行时处于悬浮状态，可实现低风速启动甚至微风启动，同时还可发电，风能利用率更高，尤其适合于弱风型风电场以及分散式风电。

2)磁悬浮盘式电机可根据风速大小，灵活调节风力机旋转阻尼，确保系统安全稳定运行。

3)因具有外转子结构，可采用多套风轮，从而实现大功率输出。

4)结构巧妙、控制简便、易于安装维护。

附图说明

图1为本发明低风速双电机型磁悬浮垂直轴风力发电机的结构示意图。

图2为本发明低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组的结构示意图。

图3为本发明磁悬浮盘式电机的悬浮系统结构示意和力学分析示意图。

图4为本发明磁悬浮盘式电机的悬浮控制框图示例。

图中标号：1-永磁直驱风力发电机，11-永磁直驱风力发电机的定子，12-永磁直驱风力发电机的转子，2-磁悬浮盘式电机，21-磁悬浮盘式电机的定子，22-磁悬浮盘式电机的转子，3-风轮，31-横向支架，32-叶片，5-桨矩调节电机，6-气隙传感器，7-下端轴承，8-上端轴承，9-外壳，10-塔架，15-机侧变流器，16-网侧变流器，17-悬浮变流器，18-盘式电机转子侧变流器，19-桨矩变流器，20-蓄电池，211-盘式悬浮铁芯，212-悬浮绕组，221-盘式转子铁芯，222-盘式转子绕组，35-控制算法调节器。

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所示，本发明低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组包括：永磁直驱型风力发电机1、磁悬浮盘式电机2、风轮3、桨矩调节电机5、气隙传感器6、上端轴承7、下端轴承8、外壳9、塔架10和变流器控制系统。

永磁直驱型风力发电机1包括定子11和转子12；定子11套装在塔架10的外圆周上，并与塔架10固定，定子11包括定子铁芯和定子绕组，定子绕组为三相绕组；转子12为外转子，套在定子11外侧，转子12包括转子铁芯和永磁体，永磁体与转子铁芯的表面固定，转子铁芯与外壳9的内侧面固定。

如图1、图3所示，磁悬浮盘式电机2位于永磁直驱型风力发电机1的下方，它包括盘式定子21、盘式转子22及螺纹圆盘23；盘式定子21由盘式悬浮铁芯211和悬浮绕组212组成，悬浮绕组212为直流励磁绕组，盘式铁芯211与螺纹圆盘23固定，螺纹圆盘23与塔架10固定，气隙传感器6贴装在盘式铁芯211的表面；盘式转子22包括盘式转子铁芯221和盘式转子绕组222，盘式转子绕组222为三相绕组，盘式转子铁芯221与外壳9的底部固定。

如图1所示，风轮3包括n组(n≧3)横向支架31和叶片32，每组中有一个横向支架31和一个叶片32，每个横向支架31配备一个叶片32和一个桨矩调节电机5，每个横向支架31的一端与其叶片32固定，另一端穿过外壳9与其桨矩调节电机5的转轴固定，该桨矩调节电机5与外壳9的内侧面固定。

上端轴承8位于外壳9的顶部中央内侧，套装在塔架10的外圆周上，且与塔架10的顶端固定；下端轴承7位于外壳9的底部中央内侧，套装在塔架10的外圆周上，与塔架10固定。

如图2所示，变流器控制系统包括机侧变流器15、网侧变流器16、悬浮变流器17、盘式电机转子侧变流器18、桨矩变流器19和蓄电池20，其中机侧变流器15为ac/dc变流器，用于永磁直驱型风力发电机1的最大功率跟踪控制；网侧变流器16为dc/ac双向变流器，用于实现并网；悬浮变流器17为dc/dc变流器，用于悬浮控制及调节旋转阻尼；盘式电机转子侧变流器18为ac/dc变流器，用于磁悬浮盘式电机2输出功率控制，并将磁悬浮盘式电机2输出的交流电能进行整流，对蓄电池20实施充放电控制；对于桨矩变流器19，如果桨矩调节电机5是直流伺服电机，则桨矩变流器19为dc/dc变流器，如果桨矩调节电机5是交流电机，则桨矩变流器19为dc/ac变流器。

如图2所示，机侧变流器15的交流侧与永磁直驱型风力发电机1的定子绕组11相连，其直流侧分别与网侧变流器16的直流侧和悬浮变流器17的一端相连；网侧变流器16交流侧通过变压器与电网相连；悬浮变流器17的另一端与磁悬浮盘式电机2的悬浮绕组212相连；盘式电机转子侧变流器18的交流侧与磁悬浮盘式电机2的转子绕组222相连，其直流侧分别与桨矩变流器19的一端和蓄电池20相连；桨矩变流器19的另一端与桨矩调节电机5相连，控制叶片32的桨矩角。

如图1所示，永磁直驱型风力发电机1的转子12、磁悬浮盘式电机2的盘式转子22、风轮3、桨矩调节电机5、外壳9等所有旋转部分统称为旋转体。

上述低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组，其控制方法包括如下步骤：

步骤1，启动：当风速vw达到切入风速vin时，启动网侧变流器16，使其工作于整流模式，给悬浮变流器17提供直流电源，然后调节悬浮变流器17的输出电流，使通入磁悬浮盘式电机2的悬浮绕组212中的励磁电流逐渐增大，盘式定子21产生的电磁吸力fe也将随之增大，如图3所示，盘式转子22将受到向上的电磁吸力fe，可由下式计算：

式中，μ0为真空磁导率，n为悬浮绕组212的匝数，se为盘式悬浮铁芯211的磁极表面有效面积，if为悬浮变流器17输出至悬浮绕组212的励磁电流，δ为悬浮气隙长度。

由图3可知，盘式定子21产生的电磁吸力fe，其方向与旋转体的重力mg方向相反，当电磁吸力fe大于旋转体的重力mg时，即：fe>mg，则盘式转子22连同旋转体的所有其它部分一起将开始向上运动，其运动方程为：

fe-mg＝ma(2)

式中，a为旋转体在垂直方向上的加速度。

然后，如图4所示，将悬浮平衡点处的气隙长度设定值δref(比如：δref＝8mm)与气隙传感器6实时测得的悬浮气隙长度δ之差经过控制算法调节器35(如pid调节器)得到悬浮绕组212的励磁电流给定值将此励磁电流给定值输至悬浮变流器17，悬浮变流器17输出励磁电流if至悬浮绕组212，使旋转体平稳上升至并保持在悬浮平衡点；此时，旋转体与塔架10之间没有摩擦力，可实现风力发电机弱风甚至微风启动。

步骤2，最大功率点跟踪控制：当风速vw处于切入风速vin和额定风速vn之间时，即：vin<vw≤vn，由悬浮变流器17实施悬浮控制，确保旋转体在转动过程中保持在悬浮平衡点，永磁直驱型风力发电机1以及磁悬浮盘式电机2在风力作用下均开始发电；由机侧变流器16对永磁直驱型风力发电机1实施最大功率点跟踪(mppt)控制，由网侧变流器17实现并网；同时磁悬浮盘式电机2发出的交流电经盘式电机转子侧变流器18整流后对蓄电池20实施充放电控制。

步骤3，额定功率输出控制：当风速vw处于额定风速vn和切出风速vout之间时，即：vn<vw<vout，根据风速大小，控制悬浮变流器17、机侧变流器15以及桨矩变流器19，使永磁直驱风力发电机1输出功率恒定，均为额定功率，具体方法为：

31)如果风速vw大于额定风速vn，但小于设定风速vs，即：vn<vw<vs，则采用旋转阻尼控制方法，即：控制悬浮变流器17，使悬浮绕组212的励磁电流if产生的电磁力，即盘式定子21产生的电磁吸力fe小于旋转体的重力mg，进而使外壳9垂直降落至与塔架10接触，外壳9与塔架10之间将产生摩擦力f，则旋转体在旋转过程中将产生摩擦阻力矩tf，即增大旋转阻尼，使旋转体转速下降；同时控制机侧变流器15，按下述运动方程对永磁直驱风力发电机1的转速实施控制，进而确保所述永磁直驱风力发电机输出额定功率：

式中，tm为风力作用于风轮而产生的风轮转矩，te1为永磁直驱型风力发电机1的电磁转矩，te2为磁悬浮盘式电机2的电磁转矩，tf为旋转体的摩擦阻力矩，j为旋转体的转动惯量，ωm为旋转体的机械角速度。

其中，摩擦阻力矩tf可按下述计算：

tf＝f×r＝kf×r(4)

式中，f为外壳9与塔架10之间的摩擦力，r为塔架10的半径，k为摩擦系数，f为旋转体作用在塔架10上的压力，即旋转体作用在塔架10上的垂直方向上的合力，且有f＝mg-fe，其中mg为旋转体的重力，fe为盘式定子21产生的电磁吸力，由式(1)求得。

32)如果风速vw继续增大，但小于切出风速vout，即：vs≤vw≤vout，则使悬浮变流器17停止输出电流，即：悬浮绕组212的励磁电流if＝0，盘式定子21产生的电磁吸力fe＝0，从而外壳9将完全降落在塔架10上，即旋转体的重力mg全部作用在塔架10上，使旋转阻尼增至最大；同时采用变桨距控制方法，即：由蓄电池20给桨矩变流器19提供直流电源，启动桨矩变流器19，由桨矩变流器19控制桨矩调节电机5，驱动横向支架31转动，由于叶片32与横向支架31固定，所以横向支架31转动的同时带动叶片32转动，从而改变叶片32的桨距角，进而使风轮3产生的风轮转矩tm变小，同时控制机侧变流器15，按式(3)所示的运动方程对永磁直驱型风力发电机1的转速实施控制，此时式(3)中的te2＝0，进而确保永磁直驱型风力发电机1输出额定功率。

设定风速vs按如下方法确定：

1)使悬浮变流器17停止输出电流，即：if＝0，则由式(1)可知，悬浮绕组212不产生电磁力(悬浮力)，即fe＝0，从而外壳9完全降落在塔架10上，即旋转体的重力全部作用在塔架10上，也就是说，旋转体作用在塔架10上的垂直方向上的合力f＝mg，此时旋转体的摩擦阻力矩达到最大值tfmax，由式(4)可求得tfmax＝kmg×r；

2)根据式(3)，如果此时风力产生的风轮转矩tms与tfmax之差使得旋转体转速能保持在额定转速，则此时的风速即为设定风速vs。

步骤4，当风速大于切出风速时，即vw>vout，控制桨矩变流器19，使桨矩调节电机5驱动叶片31转动，使叶片31处于完全顺桨状态，此时启动机械制动器锁定风力机，实现刹车，使之进入停机模式。

由上可知，本发明采用盘式磁悬浮系统替代传统的磁悬浮轴承实现悬浮控制，可实现低风速启动甚至微风启动，同时又可根据风速大小，实现快速动态地调控旋转阻尼的大小，确保输出额定功率。另一方面，磁悬浮盘式电机在实现悬浮控制的同时，还可以作为发电机发电，使风能利用率更高。此外因具有外转子结构，可采用多套采风驱动系统，从而实现大功率输出。