磁悬浮偏航风电机组风能捕获制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于大中型磁悬浮偏航风电机组风能捕获方法，将机舱悬浮调控、偏航对风、侧偏保护以及发电机功率控制纳为一体，包括发电机的功率跟踪控制以及风机旋转体偏航控制两部分，实现额定风速下的风能最大捕获、额定风速上的侧偏保护和功率控制以及切出风速时的机组安全保护。因风速风向不同分别工作在悬浮风能捕获、无悬浮风能捕获以及机组安全保护三种工作模式，协同调控发电机的功率控制以及风机旋转体偏航，实现风能功率的安全捕获。本发明专利技术有效提高风机偏航和发电机功率控制精度、风能捕获效率以及风电机组风能捕获安全性。

【技术实现步骤摘要】
磁悬浮偏航风电机组风能捕获
本专利技术涉及一种应用于大中型风电机组实现风能最大捕获、侧偏保护以及机组安全保护的风能捕获方法，尤其是将可精确对风的磁悬浮偏航系统和发电机功率调控纳为一体的风能捕获方法，有效提高风能捕获效率以及风能捕获安全性。
技术介绍
随着化石燃料日益枯竭、环境污染日趋严重，风力发电因其严格无污染受到各国科研人员的高度关注。但风能波动性以及间歇性问题严重影响电网稳定性以及负荷供电质量，甚至危害电网安全，而风能捕获可显著提高风能利用，是解决上述问题的有效途径，对风力发电产业化发展具有重要意义。传统风电系统的风能捕获包括最大功率跟踪和发电机功率控制，最大功率跟踪采用机侧变流器对发电机转速进行控制，同时采用偏航实现风机正面迎风，但上述两方法一般独立完成，发电机跟踪转速对应于风向传感器测得风速，而非偏航所致有效风速，降低了发电机捕获功率。同时风速波动以及风速风向仪测量误差往往导致发电机跟踪转速并非最优值，虽然相关文献采用扰动寻优用以补偿发电机输出功率偏差，但导致了发电机输出功率波动，无形增加电网调度难度。同时，风速风向的随机波动也极易导致风机桨叶的侧偏，极大降低了风能捕获，偏航装置是解决上述问题的关键装置，但传统偏航装置普遍采用多电机齿轮耦合技术，存在结构复杂、故障率高等问题，尤其较大的摩擦损耗常使风机偏航功耗加大。另外，风机偏航速度一般设置较慢以确保风机整体安全，而发电机转速参考是基于风速仪所测自然风速，而非实际偏航迎风所获取的有效风速，无法真正实现最大功率跟踪。而额定风速以上工况，传统风电机组通常采用变桨距控制和偏航控制相结合的方法，但此时偏航负载转矩一般较大，较大的偏航启动电流极易导致偏航电机和齿轮传动损坏，严重影响偏航风机机组的稳定和安全。
技术实现思路
本专利技术的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供一种应用于大中型磁悬浮偏航风电机组的风能捕获方法，以实现风能最大捕获、侧偏保护以及机组安全保护。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：磁悬浮偏航风电机组的风能捕获是将机舱悬浮调控、偏航对风、侧偏保护以及发电机功率控制纳为一体的新型风能捕获方法，通过控制机舱旋转体悬浮力、偏航电磁转矩以及发电机电磁转矩，实现额定风速下的风能最大捕获、额定风速上的侧偏保护和功率控制以及切出风速时的机组安全保护，有效提高风机偏航和发电机功率控制精度、风能捕获效率以及风电机组风能捕获安全性。包括发电机功率控制以及风机旋转体偏航控制两部分，所述发电机功率控制是基于机侧变流器和风机偏航，共同实现发电机优化转速跟踪的风能最大捕获以及发电机额定转速跟踪的恒功率控制；所述风机旋转体偏航包括机舱旋转体悬浮控制和偏航控制，其中机舱旋转体悬浮控制由H桥悬浮变流器、定子绕组以及悬浮永磁体共同完成，机舱旋转体偏航控制由双向PWM变流器、偏航盘式绕组以及定子绕组共同实现。因风速风向不同，磁悬浮风电机组分别工作悬浮风能捕获、无悬浮风能捕获以及机组安全保护三种工作模式，协同调控发电机功率控制以及风机旋转体偏航，确保风能功率的安全捕获。所述悬浮风能捕获主要应对额定风速以下的运行工况，发电机机侧变流器实现风能最大功率跟踪，机舱旋转体在悬浮状态下偏航迎风，包括数据采集、悬浮准备、悬浮控制、主动迎风偏航、有效风速获取、发电机优化转速跟踪、偏航停机以及机舱降落；所述无悬浮风能捕获主要应对额定风速以上工况，机舱旋转体在无悬浮状态下实施机舱旋转体偏航，包括偏航摩擦转矩控制、偏航回馈转矩控制、有效风速获取以及发电机恒功率控制，实现发电机额定功率捕获和侧偏保护；所述机组安全保护主要应对切出风速工况，悬浮变流器提供反向电流，驱动定子绕组和永磁体产生悬浮吸力，确保风电机组停机安全。所述有效风速是确定悬浮风能捕获和无悬浮风能捕获两种工作方式的基础，是由风速v和实时变化的偏航旋转角度θ基于vcosθ计算获取的。所述风速v采用基于风速风向仪测量的自然风速和风向、压力传感器测量的机舱旋转体压力、电流传感器测得的发电机输出电流以及编码器测得发电机转速多数据融合技术获取。所述偏航角度θ是采用偏航转速法和转矩观测法协调获取，偏航转速法基于起始偏航角度θ0和偏航转速ω，并根据θ1＝θ0-ωt计算获得；转矩观测法采用偏航负载转矩TL观测器实时观测负载转矩，并根据θ2＝arcsin[2(TL/r-mg)/(cρv2A)]获取，式中r为机舱旋转体回转半径、m为机舱旋转体质量、c为风能利用系数、ρ为空气密度、A为风机旋转扫略面积；上述两方法分别获取θ1和θ2，根据θ＝ρ1θ1+ρ2θ2获得实际的偏航角度θ，其中ρ1、ρ2分别为偏航转速法和转矩观测法的权值，且满足ρ1+ρ2＝1。所述悬浮准备是机舱旋转体悬浮控制以及偏航迎风的前提，包括悬浮气隙δ和悬浮电流iμ的确定。机舱偏航电磁转矩受悬浮气隙约束，机舱偏航过程最小悬浮气隙δmin可表示为式中Farv为机舱旋转体自重以及风力作用于机舱上端面的压力，可表示为式中Fi为i压力传感器所测的机舱旋转体i位置的压力，Lm为定子绕组和偏航盘式绕组之间的互感；悬浮电流iμ是在确定机舱压力Farv和最小悬浮气隙δmin的基础上求取，可表示为式中k为悬浮力系数。所述悬浮控制采用基于悬浮气隙参考的PID闭环控制实现；所述主动迎风偏航是基于转子磁链定向解耦策略，将偏航盘式绕组电流解耦成转矩电流和励磁电流，采用基于偏航转速参考的PI外环控制以及基于电流内环双闭环控制策略实现的，其中转速外环给出了转矩电流内环的参考输入，而励磁电流环的参考则设为0，确保轴径向磁场解耦；所述偏航转速参考ωyref为恒定小转速，以确保偏航运行时机组安全与稳定性；所述发电机最大功率跟踪是实现风能捕获的关键，首先根据有效风速vcosθ获取发电机的优化转速参考ωgref，然后采用基于PI转速闭环控制实现ωgref的跟踪，实现风机最大功率捕获。所述偏航起动是由悬浮变流器调节偏航摩擦转矩而实现的无回馈偏航迎风，通过控制悬浮变流器电流大小，改变定子绕组与永磁体之间的悬浮力，调控球柱式引导环带与引导柱槽之间的摩擦力，完成偏航摩擦转矩调控。偏航控制机制为其中Tw为风机偏航转矩，表示为Tw＝0.5cρv2Asinθ·r；Ttf为回转力矩，表示为Ttf＝Farv·r；Tr为偏航摩擦力矩，表示为Tr＝(Farv-FM)·μ·r；Fm为控制的悬浮力，表示为Fm＝NaLm0HcdN2i2/(d/μp+δ)2，其中Na是悬浮绕组极数，Lm0为悬浮绕组和永磁体之间互感，Hc是永磁体矫顽力，d是永磁体厚度，N2i2为悬浮绕组安匝数，μp为永磁体磁导率。FM的大小可经由悬浮支撑体定子绕组电流实现，不需起动偏航变流器而实现机舱无悬浮状态平稳偏航起动，有效消除了风力偏航转矩过大所致的偏航转速超调问题，大幅降低了较大的偏航起动回馈电流对机舱旋转体稳定性影响问题。所述偏航回馈转速控制是在偏航起动基础上进一步增大悬浮力，并在偏航变流器协同控制下，实现偏航回馈转速控制。偏航回馈转速控制机理为Te为电磁回馈转矩，表示为Te＝1.5npLmifiq。偏航回馈转速控制首先逐步增大悬浮变流器向定子绕组提供的悬浮电流，增加悬浮斥力逐步减小偏航摩擦转矩，同时偏航回馈电磁转矩和功率逐渐增加，直至悬浮斥力等于机舱重力以及风力作用在机舱上端面本文档来自技高网...

【技术保护点】
磁悬浮偏航风电机组风能捕获是将机舱悬浮调控、偏航对风、侧偏保护以及发电机功率控制纳为一体的新型风能捕获方法，通过控制机舱旋转体悬浮力、偏航电磁转矩以及发电机电磁转矩，实现额定风速下的风能最大捕获、额定风速上的侧偏保护和功率控制以及切出风速时的机组安全保护，有效提高风机偏航和发电机功率控制精度、风能捕获效率以及风电机组风能捕获安全性，包括发电机的功率跟踪控制以及风机旋转体偏航控制两部分，所述发电机的功率控制是基于机侧变流器并协同风机偏航对风，实现基于优化风机转速的风能最大捕获以及基于额定转速的发电机恒功率控制；所述风机旋转体偏航包括机舱旋转体悬浮力控制和偏航，其中机舱旋转体悬浮力控制由H桥悬浮变流器、定子绕组以及悬浮永磁体共同完成，机舱旋转体偏航由双向PWM变流器、偏航盘式绕组以及定子绕组共同实现；所述磁悬浮风电机组的风能捕获因风速风向不同分别工作在悬浮风能捕获、无悬浮风能捕获以及机组安全保护三种工作模式，协同调控发电机的功率控制以及风机旋转体偏航，实现风能功率的安全捕获。

【技术特征摘要】
1.磁悬浮偏航风电机组风能捕获是将机舱悬浮调控、偏航对风、侧偏保护以及发电机功率控制纳为一体的新型风能捕获方法，通过控制机舱旋转体悬浮力、偏航电磁转矩以及发电机电磁转矩，实现额定风速下的风能最大捕获、额定风速上的侧偏保护和功率控制以及切出风速时的机组安全保护，有效提高风机偏航和发电机功率控制精度、风能捕获效率以及风电机组风能捕获安全性，包括发电机的功率跟踪控制以及风机旋转体偏航控制两部分，所述发电机的功率控制是基于机侧变流器并协同风机偏航对风，实现基于优化风机转速的风能最大捕获以及基于额定转速的发电机恒功率控制；所述风机旋转体偏航包括机舱旋转体悬浮力控制和偏航，其中机舱旋转体悬浮力控制由H桥悬浮变流器、定子绕组以及悬浮永磁体共同完成，机舱旋转体偏航由双向PWM变流器、偏航盘式绕组以及定子绕组共同实现；所述磁悬浮风电机组的风能捕获因风速风向不同分别工作在悬浮风能捕获、无悬浮风能捕获以及机组安全保护三种工作模式，协同调控发电机的功率控制以及风机旋转体偏航，实现风能功率的安全捕获。2.根据权利要求1所述的磁悬浮偏航风电机组风能捕获，其特征是所述悬浮风能捕获主要应对额定风速以下的运行工况，发电机机侧变流器实现风能最大功率跟踪，机舱旋转体在悬浮状态下偏航迎风，包括数据采集、悬浮准备、悬浮气隙控制、主动迎风偏航、有效风速获取、发电机优化转速跟踪、偏航停机以及机舱旋转体降落，实现风机主动迎风下的最大功率捕获；所述无悬浮风能捕获主要应对额定风速以上工况，机舱旋转体在无悬浮状态下进行偏航摩擦转矩和回馈转矩的控制，包括偏航起动、偏航回馈、有效风速获取以及发电机恒功率控制，实现发电机额定功率捕获和侧偏保护并确保偏航和发电机的安全稳定性；所述机组安全保护主要应对切出风速工况，悬浮变流器提供反向电流，驱动定子绕组和永磁体产生悬浮吸力，固定机舱旋转体与悬浮支撑体和复合塔架为一体，确保风电机组停机安全。3.根据权利要求1所述的磁悬浮偏航风电机组风能捕获，其特征是所述有效风速是确定悬浮风能捕获和无悬浮风能捕获两种工作方式的基础以及机侧变流器优化跟踪转速的设定关键，是由风速v和实时变化的偏航旋转角度θ基于vcosθ计算获取的；所述风速v采用基于风速风向仪测量的自然风速和风向、压力传感器测量的机舱旋转体压力、电流传感器测得的发电机输出电流以及编码器测得的发电机转速多数据融合技术而获取；所述偏航角度θ是采用偏航转速法和转矩观测法协调获取，偏航转速法是基于起始偏航角度θ0和偏航转速ω并根据θ1＝θ0-ωt实时计算获得；转矩观测法采用偏航负载转矩TL观测器实时观测负载转矩，并根据θ2＝arcsin[2(TL/r-mg)/(cρv2A)]获取，式中r为机舱旋转体回转半径、m为机舱旋转体质量、c为风能利用系数、ρ为空气密度、A为风机旋转扫略面积；上述两方法分别获取θ1和θ2，根据θ＝ρ1θ1+ρ2θ2获得实际的偏航角度θ，其中ρ1、ρ2分别为偏航转速法和转矩观测法的权值，且满足ρ1+ρ2＝1。4.根据权利要求1所述的磁悬浮偏航风电机组风能捕获，其特征是所述悬浮准备是机舱旋转体悬浮控制以及偏航迎风前的必要前提，有效减小悬浮起动冲击引起的机组震颤、降低悬浮功耗，包括悬浮气隙δ和悬浮电流iμ的确定；所述偏航电磁转矩受悬浮气隙约束，机舱偏航过程最小悬浮气隙δmin可表示为式中Farv为机舱旋转体自重以及风力作用于机舱上端面的压力，可表示为式中Fi为i压力传感器所测的机舱旋转体i位置的压力，Lm为定子绕组和偏航盘式绕组之间的互感；悬浮电流iμ是在确定机舱压力Farv和最小悬浮气隙δmin的基础上求取，可表示为式中k为悬浮力系数。5.根据权利要求1所述的磁悬浮偏航风电机组风能捕获，其特征是所述悬浮气隙控制采用基于悬浮...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚晓广，蔡彬，王乃哲，孔英，郭登鹏，李向东，衣学涛，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37