[發明專利]主被動協同調控的磁懸浮風力偏航系統

有效

• 申請號: 201810056783.3
• 申請日: 2018-01-22
• 公開（公告）號: CN108019316B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 褚曉廣;蔡彬;孔英;王強;衣學濤;李向東
• 申請（專利權）人: 曲阜師范大學
• 主分類號: F03D7/02
• 分類號: F03D7/02;F03D7/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種應用于大中型風電機組的主被動協同調控的磁懸浮風力偏航系統，包括機艙、偏航支撐體、俯仰調整懸架和懸浮塔架，協同完成偏航支撐體俯仰剛度提升、高頻氣隙波動平抑、水平位移被動調整、主動懸浮控制以及機艙偏航控制；偏航支撐體機艙底座，設置6mm厚度的鋁板，產生渦流阻尼力，被動平抑軸向懸浮氣隙的高頻波動，采用俯仰調整懸架、永磁體以及懸浮塔基支撐提升了機艙俯仰剛度，減小主動懸浮自由度，偏航支撐體內側永磁體與懸浮塔架外側永磁體之間水平斥力，被動平衡水平位移；主動懸浮和偏航分別由BUCK變流、H橋變流器以及三相逆變器在主控單元DSP28035的控制下，實現機艙穩定懸浮下的主動偏航迎風和側風保護。

技術領域

本發明涉及一種大中型風電機組的風機偏航系統，通過主被動協同調控實現機艙懸浮下偏航迎風和側風保護，尤其是一種可降低主動懸浮控制自由度和懸浮功耗的風力磁懸浮偏航系統。

背景技術

隨著環境污染和能源危機加重，風力發電因其完全無污染已受到世界各國關注。風力偏航系統是大型水平軸風力發電系統的關鍵組件，可提高風能的最大捕獲和側風保護。傳統風力發電偏航系統一般采用多電機多齒輪耦合技術，存在結構復雜、故障率高以及抗干擾能力差等問題，尤其是較大的摩擦損耗使得風機偏航功耗較大，易受外界干擾，嚴重影響系統的穩定性，發明專利200910161406.7和201410143297.7分別披露了兩種磁懸浮風力偏航系統，實現了機艙穩定懸浮下的偏航迎風和側風保護，極大降低了偏航功耗，但磁懸浮系統本質為非線性、弱阻尼非穩定系統，尤其是風力偏航系統工況惡劣，一般運行在80米高的塔架，風速隨機波動，極易導致懸浮震蕩或失穩，主動懸浮控制是確保風機機艙穩定懸浮關鍵，但風機槳葉掃略面積遠大于機艙尾翼面積，風機機艙的懸浮過程存在俯仰運動，多自由度主動懸浮控制是提高風力磁懸浮偏航系統的關鍵，但毋庸置疑的是多自由度主動控制在帶來高精度懸浮性能的同時，也將增大傳感器、變流器以及控制器的數量，導致了懸浮機艙體積、重量增大以及懸浮功耗的增加。近年來出現了被動懸浮軸承，懸浮氣隙由永磁體被動完成，具有結構簡單、能耗小、結構緊湊以及無變流器輔助等優點，但懸浮氣隙極易受外界干擾的影響。

發明內容

本發明的技術任務是針對上述技術中存在的不足，提供了一種主被動協同調控的磁懸浮風力偏航系統，通過提升俯仰角剛度、引入鋁板渦流阻尼以及永磁體圓環三種措施，并結合主動懸浮繞組和偏航繞組，實現風速隨機波動下機艙穩定懸浮下的主動偏航對風和側風保護。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案為：采用主被動方式實現機艙的穩定懸浮以及主動偏航，包括機艙、偏航支撐體、俯仰調整懸架和懸浮塔架，共同完成偏航支撐體的俯仰剛度提升、高頻氣隙波動平抑、水平位移被動調整、懸浮氣隙主動控制以及機艙偏航控制；機艙前端放置槳葉，捕獲風能并驅動發電機發電，發電機后側設置減震尾軸，機艙后側設置4mm厚鋁板，發電機減震尾軸上安裝永磁體，與機艙后側鋁板產生渦流阻尼力，平抑發電機水平方向震動和位移，機艙后端設置風速風向傳感器；偏航支撐體倒向放置在懸浮塔架上，支撐、懸浮以及偏航機艙，4個氣隙傳感器正交安裝在偏航支撐體下端圓環體內，檢測4個正交位置的氣隙變化，給出偏航支撐體質心的有效懸浮氣隙，偏航繞組設置在偏航支撐體下端圓環體內，并經三相逆變器、BUCK變流器和風力發電機機側變流器的直流母線耦合；偏航支撐體中部立式設置永磁體環帶，與塔架外側的立式設置的永磁體環帶，組成機艙水平位移的被動調整機構；所述圓環形鋁板內嵌在偏航支撐體上端面機艙底座，與懸浮塔架上安裝的懸浮繞組對應，增加偏航支撐體軸向懸浮阻尼；所述俯仰調整懸架安裝在偏航支撐體機艙底座下端面，外形為T形圓柱體結構，下移偏航支撐體和機艙的整體重心，提升偏航支撐體的俯仰剛度，懸架下端設置軸向永磁體，與塔架內支撐設置的同極永磁體協同工作，被動平抑軸向懸浮氣隙波動；懸浮塔架為機艙和偏航支撐體的支撐平臺，上端設置圓環形凹槽，與偏航支撐體上的圓環凸溝對應，限制偏航支撐體在懸浮塔架上的水平運動，懸浮塔架上端設置16個N/S交錯排列的懸浮繞組，并成圓環狀排列，主動懸浮偏航支撐體，使機艙穩定懸浮在設定的懸浮氣隙10mm；懸浮塔架設置塔架內支撐，平臺上設置與俯仰調整懸架相反磁極的永磁體。