磁悬浮混合风力发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种磁悬浮混合风力发电系统，将水平轴风力发电和垂直轴风力发电纳为一体，全方位捕获风能。采用磁悬浮驱动技术，完成机舱悬浮下偏航对风和垂直轴旋转体悬浮下风能捕获。风向改变促使垂直轴旋转体在H桥变流器作用下悬浮机舱，调节垂直轴桨叶迎风面积和垂直轴定子绕组电流，实现机舱主被动偏航对风；偏航结束后，机舱和机舱旋转体在悬浮电流控制下，柔性无冲击降落至复合塔架，垂直轴旋转体在小悬浮气隙下风能捕获，采用阻尼绕组电流调控、垂直轴桨叶迎风调控以及垂直轴定子绕组电流控制，协同实现垂直轴风能最大捕获。本发明专利技术的真正实用化将极大提升风能利用率，拓宽了风能利用空间，降低偏航功耗和设备维护费用。

【技术实现步骤摘要】
磁悬浮混合风力发电系统
本专利技术涉及一种磁悬浮混合风力发电系统，是一种含水平轴风力发电和垂直轴风力发电协同一体的混合发电系统，尤其是垂直轴风力发电兼具水平轴风力发电的机舱悬浮偏航功能，极大降低了机舱偏航功耗，非常适合大中型风机发电系统。
技术介绍
风力发电是一种严格无污染能源形式，利用价值高，已成为世界各国能源战略的重心。风机偏航系统是水平轴风电机组的关键组件，驱动风机桨叶始终迎风捕获最大风能。目前，风机偏航系统采用多电机多齿轮耦合技术，传动比甚至高达10000以上，结构复杂、故障率高，尤其是较大的摩擦损耗使得风机偏航功耗较大，严重影响有效风机捕获功率。专利技术专利200910161406.7和201410143297.7披露了一种磁悬浮偏航装置，采用磁悬浮驱动技术在风向改变时悬浮机舱，风机偏航在机舱悬浮下进行，极大降低了机舱重力所致的摩擦转矩，提升了风能利用率。但大中型风电机组桨叶工作在80米高的塔架上，风速风向相对稳定，机舱偏航迎风占风电机组总运行时间不到30％，磁悬浮偏航装置大约70％的时间运行在闲置状态；另外，风机桨叶仅能捕获塔架上端风能，增大风机桨叶虽能够提升捕获空间，但过大的风机桨叶极易导致上下风速的差异，引发机舱倾覆力矩的增大，严重影响风力发电机组稳定，为此风机塔架下端较大范围内风能无法有效捕获。
技术实现思路
本专利技术的技术任务克服现有技术的不足，提供一种将垂直轴风力发电和水平轴风力发电纳为一体的磁悬浮混合风力发电系统，提升风能捕获空间和偏航装置利用率。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种磁悬浮混合风力发电系统，包括机舱、发电机、机舱旋转体、垂直轴旋转体、垂直轴定子绕组、悬浮绕组、阻尼绕组、复合塔架、以及电气控制单元，协同完成水平轴风力发电、水平轴机舱主被动偏航以及垂直轴风力发电；机舱前端设置风机桨叶，捕获高纬度水平方向风能并驱动发电机发电，机舱上端设置风速风向测试仪；机舱旋转体为圆盘形结构，上端为圆柱形机舱支撑，和机舱底部刚性联接，下端为圆柱形悬浮约束轴，通过球形滚珠内嵌在机舱托撑内，限制机舱旋转体悬浮俯仰；旋转T型槽设置在机舱旋转体的圆盘上端，为垂直轴旋转体的旋转轨道，限制机舱旋转体俯仰；设置了8个电磁绕组进行偏航锁存，分别安装在旋转T型槽上侧的内外圆环中，上电制动将机舱旋转体和垂直轴旋转体构成一体，驱动机舱悬浮偏航；设置阻尼绕组调控垂直轴旋转体的悬浮磁场和电磁转矩；垂直轴旋转体包括T型旋转轨、垂直轴桨叶、伺服电机、以及垂直轴定子绕组，协同完成垂直轴风力发电以及水平轴机舱的主被动偏航；T型旋转轨内嵌在机舱旋转体T型槽内，严防垂直轴旋转体倾覆和俯仰；垂直轴桨叶为低高度风能的捕获单元，共有4个，为机舱悬浮被动偏航和垂直轴旋转体悬浮下旋转发电提供驱动转矩；为垂直轴风机桨叶设置4个伺服电机，并安装在垂直轴桨叶上端，经变速齿轮与垂直轴桨叶旋转轴耦合，动态调整垂直轴桨叶迎风面积；垂直轴定子绕组为机舱主动偏航驱动和低高度风能捕获的发电绕组，在悬浮磁场辅助作用下，垂直轴定子绕组通电，产生电磁转矩驱动机舱主动偏航，偏航结束垂直轴旋转体悬浮降落至小悬浮气隙，在垂直轴桨叶驱动下，垂直轴定子绕组旋转完成捕获风能到电能的转化。所述复合塔架包括机舱托撑和塔架底撑，支撑机舱旋转体、垂直轴旋转体以及机舱；机舱托撑为圆形凹槽，凹槽内直径为机舱旋转体外径，凹槽底部设置圆环状摩擦片，中心设置圆柱形凹槽，放置悬浮约束轴，限制机舱旋转体偏航俯仰和轴向旋转；悬浮绕组设置在机舱托撑下部、圆形环带内，共有16个绕组，按照N/S顺序排列，调控悬浮绕组电流改变垂直轴旋转体的悬浮高度，实施水平轴机舱偏航和垂直轴发电；塔架底撑与机舱托撑刚性联结，内部设置电气控制单元，经电源线通道与发电机、垂直轴定子绕组、悬浮绕组以阻尼绕组相联结，调控水平和垂直轴风能捕获以及汇流馈网。所述电气控制单元包括机侧变流器、网侧变流器、升压变压器、BUCK-BOOST变流器、垂直轴双向变流器、H桥变流器、两BUCK变流器以及DSP28035主控单元，协同实施水平轴风能捕获、机舱悬浮偏航以及垂直轴风能捕获的功率调控、升降压控制和馈流上网；水平轴机侧变流器为可控PWM整流器，位于发电机后侧，将发电机产生的交流电整流，经由占空比对发电机电磁转矩进行控制，实施高纬度风能最大捕获；网侧双向变流器为三相能量双向动可控变流器，占空比调控维持直流母线电压恒定；BUCK-BOOST变流器为能量双向流动的升降压变压器，BOOST升压将垂直轴风力发电捕获能量升压并汇流至机侧变流器直流母线，BUCK降压将机侧变流器母线降压为垂直轴双向变流器和H桥变流器提供能量，产生偏航电磁转矩驱动水平轴机舱偏航；垂直轴双向变流器为整流和逆变两种模式变流器，逆变模式为垂直轴定子绕组提供三相交流电能，产生电磁转矩驱动机舱偏航，整流模式将垂直轴定子绕组捕获和转化的交流整流，并经BUCK-BOOST升压汇流至机侧变流器直流母线；H桥变流器为悬浮绕组电流控制变流器，与悬浮绕组直流联接，占空比和方向协同改变，实施垂直轴旋转体悬浮高度调控；BUCK变流器1和阻尼绕组相连，实施阻尼绕组电流和悬浮磁场密度的调控，BUCK变流器1与伺服电机相连，控制垂直轴桨叶迎风面积，实施水平轴机舱悬浮下被动偏航和垂直轴风力发电的最大风能捕获；DSP28035主控单元采集电流、电压、风速风向、发电机转速、垂直轴旋转体转速，对电气控制单元内的变流器实施控制。本专利技术所带来的有益效果是：1)将垂直轴风力发电和水平轴风力发电纳为一体，全塔架高度捕获风能，提升了风能捕获空间，机舱悬浮下偏航迎风极大降低了偏航功耗，垂直轴风力发电集低塔架高度的风能捕获和水平轴悬浮偏航两功能于一体，提升了磁悬浮机舱偏航系统利用率；2)垂直轴变桨伺服电机的引入，实现了垂直轴桨叶的全方位柔性可调，基于垂直轴双向变流器调控下的垂直轴定子绕组电流的柔性控制，协同实现水平轴机舱悬浮下的主被动偏航，极大降低了水平轴偏航功耗，提升了风能利用率和偏航对风精度；3)悬浮约束轴和偏航锁存绕组的引入，限制了机舱悬浮过程中的水平位移，提升了机舱悬浮稳定性；阻尼绕组的引入实现了垂直轴风力发电悬浮磁场强度的柔性调节，并在垂直轴风机桨叶迎风面柔性可调的辅助作用下，提升垂直轴风力发电系统的风能捕获功率以及运行可靠性。附图说明图1磁悬浮混合风力发电系统偏航模式运行结构图。图2磁悬浮混合风力发电系统电气控制结构图。图3磁悬浮混合风力发电系统xy1截面图。图4磁悬浮混合风力发电系统机舱旋转体xy2截面图。图5磁悬浮混合风力发电系统运行机制流程图。图中，1.水平桨叶，2.发电机传动轴，3.发电机，4.机舱，5.风速风向测试仪，6.旋转T型轨，7.悬浮绕组，8.偏航锁存，9.阻尼绕组，10.垂直轴旋转体，11.垂直桨叶，12.变桨伺服电机，13.悬浮约束轴14.摩擦片，15.机舱托撑，16.电气控制单元，17.电源线通路，18.垂直轴定子绕组，19.旋转轴承，20.机舱旋转体，21.H桥变流器，22.垂直轴双向变流器，23.BUCK-BOOST变流器，24.电网，25.升压变压器，26.网侧变流器，27.机侧变流器，28.BUCK变流器1，29.BUCK变流器2，30.塔架底撑，31.旋转T型槽，3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁悬浮混合风力发电系统，其特征包括机舱、发电机、机舱旋转体、垂直轴旋转体、垂直轴定子绕组、悬浮绕组、阻尼绕组、复合塔架、以及电气控制单元，协同完成水平轴风力发电、水平轴机舱主被动偏航以及垂直轴风力发电；所述机舱前端设置风机桨叶，捕获高纬度水平风能并驱动发电机发电，机舱上端设置风速风向测试仪；所述机舱旋转体为圆盘形结构，上端为圆柱形机舱支撑，和机舱底部刚性联接，下端为圆柱形悬浮约束轴，通过球形滚珠内嵌在机舱托撑内，限制机舱旋转体悬浮俯仰；所述旋转T型槽设置在机舱旋转体的圆盘上端，为垂直轴旋转体的旋转轨道，限制机舱旋转体俯仰；所述偏航锁存为8个电磁绕组，分别设置在旋转T型槽上侧的内外圆环中，上电制动将机舱旋转体和垂直轴旋转体构成一体，驱动机舱悬浮偏航；所述阻尼绕组位于机舱旋转体T型槽下端，调控垂直轴旋转体的悬浮磁场和电磁转矩；所述垂直轴旋转体包括T型旋转轨、垂直桨叶、变桨伺服伺服电机、以及垂直轴定子绕组，协同完成垂直轴风力发电以及水平轴机舱的主被动偏航；所述T型旋转轨内嵌在机舱旋转体T型槽内，严防垂直轴旋转体倾覆和俯仰；所述垂直桨叶为低高度风能的捕获单元，共有4个，为机舱悬浮被动偏航和垂直轴旋转体悬浮驱动发电提供转矩；所述变桨伺服伺服电机安装在垂直桨叶上端，经变速齿轮与垂直桨叶旋转轴机械耦合，改变垂直桨叶迎风面积，调控垂直轴风能捕获；所述垂直轴定子绕组为机舱主动偏航和低高度风能捕获绕组，在悬浮磁场辅助作用下驱动机舱主被动偏航和垂直轴风能捕获。...

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮混合风力发电系统，其特征包括机舱、发电机、机舱旋转体、垂直轴旋转体、垂直轴定子绕组、悬浮绕组、阻尼绕组、复合塔架、以及电气控制单元，协同完成水平轴风力发电、水平轴机舱主被动偏航以及垂直轴风力发电；所述机舱前端设置风机桨叶，捕获高纬度水平风能并驱动发电机发电，机舱上端设置风速风向测试仪；所述机舱旋转体为圆盘形结构，上端为圆柱形机舱支撑，和机舱底部刚性联接，下端为圆柱形悬浮约束轴，通过球形滚珠内嵌在机舱托撑内，限制机舱旋转体悬浮俯仰；所述旋转T型槽设置在机舱旋转体的圆盘上端，为垂直轴旋转体的旋转轨道，限制机舱旋转体俯仰；所述偏航锁存为8个电磁绕组，分别设置在旋转T型槽上侧的内外圆环中，上电制动将机舱旋转体和垂直轴旋转体构成一体，驱动机舱悬浮偏航；所述阻尼绕组位于机舱旋转体T型槽下端，调控垂直轴旋转体的悬浮磁场和电磁转矩；所述垂直轴旋转体包括T型旋转轨、垂直桨叶、变桨伺服伺服电机、以及垂直轴定子绕组，协同完成垂直轴风力发电以及水平轴机舱的主被动偏航；所述T型旋转轨内嵌在机舱旋转体T型槽内，严防垂直轴旋转体倾覆和俯仰；所述垂直桨叶为低高度风能的捕获单元，共有4个，为机舱悬浮被动偏航和垂直轴旋转体悬浮驱动发电提供转矩；所述变桨伺服伺服电机安装在垂直桨叶上端，经变速齿轮与垂直桨叶旋转轴机械耦合，改变垂直桨叶迎风面积，调控垂直轴风能捕获；所述垂直轴定子绕组为机舱主动偏航和低高度风能捕获绕组，在悬浮磁场辅助作用下驱动机舱主被动偏航和垂直轴风能捕获。2.根据权利要求1所述的磁悬浮混合风力发电系统，其特征是所述复合塔架包括机舱托撑和塔架底撑，支撑机舱旋转体、垂直轴旋转体以及机舱；所述机舱托撑为圆形凹槽，凹槽内直径为机舱旋转体外径，凹槽底部设置圆环状摩擦片，中心设置圆柱形凹槽，放置悬浮约束轴，限制机舱旋转体偏航俯仰和轴向旋转；所述悬浮绕组设置在机舱托撑下部...

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