[發(fā)明專利]低風速雙電機型磁懸浮垂直軸風電機組及其控制方法

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• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109306934A
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發(fā)明（設計）人: 蔡彬;孫晨;褚曉廣;閆紹敏;丁鈺;柯健龍
• 申請（專利權）人: 曲阜師范大學
• 主分類號: F03D9/11
• 分類號: F03D9/11;F03D3/00;F03D3/06;F03D15/20;F03D7/06;H02N15/00;F03D80/70
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1.低風速雙電機型磁懸浮垂直軸風電機組，其特征在于，包括：永磁直驅型風力發(fā)電機、磁懸浮盤式電機、風輪、槳矩調節(jié)電機、氣隙傳感器、采風驅動系統(tǒng)、上端軸承、下端軸承、外殼、塔架和變流器控制系統(tǒng)；

所述永磁直驅型風力發(fā)電機包括定子和轉子；所述定子套裝在所述塔架的外圓周上，并與所述塔架固定，所述定子包括定子鐵芯和定子繞組，所述定子繞組為三相繞組；所述轉子為外轉子，套在所述定子外側，所述轉子包括轉子鐵芯和永磁體，所述永磁體與所述轉子鐵芯的表面固定，所述轉子鐵芯與所述外殼的內側面固定；

所述磁懸浮盤式電機位于所述永磁直驅型風力發(fā)電機的下方，包括盤式定子、盤式轉子和螺紋圓盤；所述盤式定子由盤式懸浮鐵芯和懸浮繞組組成，所述懸浮繞組為直流勵磁繞組，所述盤式懸浮鐵芯與所述螺紋圓盤固定，所述螺紋圓盤與所述塔架固定，所述氣隙傳感器貼裝在所述盤式懸浮鐵芯表面；所述盤式轉子包括盤式轉子鐵芯和盤式轉子繞組，所述盤式轉子繞組為三相繞組，所述盤式轉子鐵芯與所述外殼的底部固定；

所述風輪包括橫向支架、葉片，所述橫向支架的一端與所述葉片固定，另一端穿過所述外殼與所述槳矩調節(jié)電機的轉軸固定，所述槳矩調節(jié)電機與所述外殼的內側面固定；

所述上端軸承位于所述外殼的頂部中央內側，套裝在所述塔架的外圓周上，且與所述塔架的頂端固定；所述下端軸承位于所述外殼的底部中央內側，套裝在所述塔架的外圓周上，與所述塔架固定；

所述變流器控制系統(tǒng)包括機側變流器、網(wǎng)側變流器、懸浮變流器、盤式電機轉子側變流器、槳矩變流器和蓄電池；所述機側變流器的一端與所述永磁直驅型風力發(fā)電機的定子繞組相連，另一端分別與所述網(wǎng)側變流器和所述懸浮變流器相連；所述網(wǎng)側變流器的另一端通過變壓器與電網(wǎng)相連；所述懸浮變流器的另一端與所述磁懸浮盤式電機的懸浮繞組相連；所述盤式電機轉子側變流器的一端與所述磁懸浮盤式電機的盤式轉子繞組相連，另一端分別與所述槳矩變流器和所述蓄電池相連；所述槳矩變流器的另一端與所述槳矩調節(jié)電機相連；

所述永磁直驅型風力發(fā)電機的轉子、所述磁懸浮盤式電機的盤式轉子、所述風輪、所述槳矩調節(jié)電機以及所述外殼統(tǒng)稱為旋轉體。

2.一種如權利要求1所述的低風速雙電機型磁懸浮垂直軸風電機組的控制方法，其特征在于，采用如下步驟：

步驟1，啟動：當風速V_w達到切入風速V_in時，啟動所述網(wǎng)側變流器，使其工作于整流模式，給所述懸浮變流器提供直流電源，然后調節(jié)所述懸浮變流器的輸出電流，使通入所述磁懸浮盤式電機的懸浮繞組中的勵磁電流逐漸增大，所述盤式定子產(chǎn)生的電磁吸力f_e也將隨之增大，直至使所述旋轉體開始上升；然后將懸浮平衡點處的氣隙長度設定值δ_ref與所述氣隙傳感器實時測得的懸浮氣隙長度δ之差經(jīng)過控制算法調節(jié)器得到所述懸浮繞組的勵磁電流給定值將此懸浮繞組勵磁電流給定值輸至所述懸浮變流器，所述懸浮變流器輸出勵磁電流i_f至所述懸浮繞組，使所述旋轉體平穩(wěn)上升至并保持在懸浮平衡點；

步驟2，最大功率點跟蹤控制：當風速V_w處于切入風速V_in和額定風速V_N之間時，即：V_in<V_w≤V_N，由所述懸浮變流器實施懸浮控制，確保所述旋轉體在轉動過程中保持在懸浮平衡點，所述永磁直驅型風力發(fā)電機以及所述磁懸浮盤式電機在風力作用下均開始發(fā)電；由所述機側變流器對所述永磁直驅型風力發(fā)電機實施最大功率點跟蹤控制，由所述網(wǎng)側變流器實現(xiàn)并網(wǎng)；同時由所述盤式電機轉子側變流器對所述蓄電池實施充放電控制；

步驟3，額定功率輸出控制：當風速V_w處于額定風速V_N和切出風速V_out之間時，即：V_N<V_w<V_out，根據(jù)風速V_w大小，控制所述懸浮變流器、所述機側變流器以及所述槳矩變流器，使所述永磁直驅型風力發(fā)電機輸出功率保持為額定功率，具體方法為：

31)如果風速V_w大于額定風速V_N，但小于設定風速V_S，即：V_N<V_w<V_S，則采用旋轉阻尼控制方法，即：控制所述懸浮變流器，使所述盤式定子產(chǎn)生的電磁吸力f_e小于所述旋轉體的重力mg，進而使所述外殼垂直降落至與所述塔架接觸，所述外殼與所述塔架之間將產(chǎn)生摩擦力，則所述旋轉體在旋轉過程中將產(chǎn)生摩擦阻力矩T_f，即增大旋轉阻尼；同時控制所述機側變流器，按運動方程對所述永磁直驅型風力發(fā)電機的轉速實施控制，從而確保所述永磁直驅型風力發(fā)電機輸出額定功率；

32)如果風速V_w繼續(xù)增大，但小于切出風速V_out，即：V_S≤V_w≤V_out，則使所述懸浮變流器停止輸出電流，從而使所述外殼完全降落在所述塔架上，即所述旋轉體的重力全部作用在所述塔架上，使旋轉阻尼增至最大；同時采用變槳距控制方法，即：由所述蓄電池給所述槳矩變流器提供直流電源，啟動所述槳矩變流器，由所述槳矩變流器控制所述槳矩調節(jié)電機，驅動所述葉片轉動，以改變所述葉片的槳距角，進而使所述風輪產(chǎn)生的風輪轉矩變小，同時控制所述機側變流器，按運動方程對所述永磁直驅型風力發(fā)電機的轉速實施控制，從而確保所述永磁直驅型風力發(fā)電機輸出額定功率；

步驟4，當風速大于切出風速時，即V_w>V_out，控制所述槳矩變流器，使所述槳矩調節(jié)電機驅動所述葉片轉動，使所述葉片處于完全順槳狀態(tài)，使之進入停機狀態(tài)。