CN104033335A - 一种风力发电机的永磁调速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机的永磁调速控制方法，其特征在于，将永磁调速驱动装置应用到风力发电机的动力传递系统中，分别在发电机的启动、正常运行、停机以及非正常运行时，根据风轮的转速对发电机进行控制，使发电机保持在安全的最佳发电效率状态。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1）创造性地将永磁调速驱动装置应用到风力发电机的动力传递系统中，填补了永磁调速驱动装置在风力发电机中应用的空白；2）永磁调速驱动装置能实现发电机的柔性启动，提高了发电机获得功率的效率；3）能最大限度地减轻磨损和振动，延长发电机和齿轮变速箱的寿命；4）能保证风力发电机在更宽的风速范围内保持高效、安全运行。

Description

一种风力发电机的永磁调速控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机的永磁调速控制方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，全球的风能约为2.74×10⁹ MW，其中可利用的风能为2×10⁷ MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风力发电的原理就是靠风力带动风力发电机的风轮把风的动能转变成机械能，再由增速机将旋转的速度提升，驱动发电机发电，把机械能转化为电能，目前大约每秒三米的风速（微风的程度），便可进行发电。

风力发电机主要由风轮、发电机、调速机构、制动器和电气部件组成，根据旋转轴的不同，主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类，目前市场上水平轴风力发电机占主流位置。水平轴风力发电机上多设置一组风轮，也有前后设置两组风轮的结构形式。由于风轮的转速较低，而且风力的大小和方向经常变化，所以，在风轮与发电机之间，要设置一个增速的齿轮变速箱和一个调速机构，才能使发电机的转速保持稳定，在风速过大时，制动器限制风轮转速和发电机的输出功率，保证风力发电机安全运行，提高风力发电机的寿命。

根据风轮形式的不同，调速机构分为定桨矩式和变桨矩式，定桨矩式调速机构结构简单，国内多采用此调速结构，优点是应力连续而无突变，缺点是但当风轮中某一个叶片没能和其他叶片同时降速时，会产生剧烈震动，使风力发电机的可靠性下降，寿命缩短，甚至被损坏。变桨矩式调速机构是在定桨矩的基础上加装桨矩调整环节，使风轮叶片的角度能随风速的变化而变化，能够有效减少风速随高度分布不均匀造成的启动轴向力的周期性变化，缺点是需要精确地控制每个叶片的桨矩角，设计和制造的难度很大。

随着控制技术的发展以及人们对更高风能利用率的追求，近年来，变转速控制技术成为热点，变转速控制是指风轮能根据风速的变化改变转速，能在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，提高风力发电机的运行效率和发电量。变转速运行与恒转速运行相比，减少了阵风冲击，提高了发电效率，改善了功率品质，但也增加了成本和系统控制的复杂性，目前还处于探索阶段。

永磁调速驱动装置是一种通过调节永磁转子与导体转子之间气隙来实现电机传动系统中转矩传递的机械装置，能在电机转速不变的情况下，控制风机或水泵的转速而达到节能的目的，适用于高温、低温、潮湿、肮脏、易燃易爆、电压不稳定甚至雷电等各种恶劣环境，能大幅减少系统振动，具有节能效果好，维护费用低的优点，一般用于电机传动系统中，能实现电机的完全软启动和无级调速运转，与变频器相比还具有无谐波污染的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机的永磁调速控制方法，采用永磁调速驱动装置作为调速机构，实现发电机的柔性启动，并能在风速过大时使发电机仍保持额定转速，保证风力发电机在更大风速范围内的安全、高效运行。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是这样的：

一种风力发电机的永磁调速控制方法，将永磁调速驱动装置应用到风力发电机的动力传递系统中，分别在发电机的启动、正常运行、停机以及非正常运行时，根据风轮的转速对发电机进行控制，使发电机保持在安全的最佳发电效率状态，其具体控制步骤如下：

1）启动，当风轮所在高度的风速超过3m/s的启动风速后，制动器解除制动，永磁调速驱动装置的执行机构动作拉大气隙，直至断开发电机与变速齿轮箱之间的磁力耦合，风轮由静止开始在不带发电机负载的情况下转动起来；

2）正常运行，当风轮转速稳定后，永磁调速驱动装置的执行机构动作缩窄气隙，在发电机与变速齿轮箱之间的建立磁力耦合，将发电机负载平滑地加载在风轮的主轴上，在额定风速以下时，风力发电机在该转速下执行最佳叶尖速比控制，按最佳效率曲线运行；在高于额定风速至安全切断风速之间，执行永磁调速控制，通过控制永磁调速驱动装置的磁力耦合程度，增大叶轮与发电机之间的速度差，使发电机运行在额定转速下；当蓄电池接近充满时，保持稳压浮充控制；

3）停机，当风速低于3m/s或高于安全切断风速时，永磁调速驱动装置的执行机构断开发电机与变速齿轮箱之间的磁力耦合，制动器制动，风轮停转。

所述步骤2）中所述最佳叶尖速比控制适用于3m/s～11m/s的风速范围；永磁调速控制适用于＞11m/s～25m/s风速范围。

所述步骤3）中的安全切断风速的具体控制策略为：当风速高于25m/s且持续10min时，执行停机操作；当风速高于33m/s且持续2s时，执行停机操作；当风速高于50m/s且持续1s时，执行停机操作，同时风轮侧风90°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）创造性地将永磁调速驱动装置应用到风力发电机的动力传递系统中，填补了永磁调速驱动装置在风力发电机中应用的空白；

2）永磁调速驱动装置能在风力发电机的启动切入时，将齿轮变速箱与发电机的连接分离开来，使风轮在较低的负载下快速启动，从而使发电机获得比原调速机构更快的上升速率，提高了能源效率，实现了发电机的柔性启动，并杜绝了发电机自身转子惯性对风轮升速的影响，提高了发电机获得功率的效率；

3）永磁调速驱动装置是由磁性耦合实现扭矩的传递的，不会因输入侧与负载侧之间的轴线不同轴或轴心偏移造成振动，能适应一定量的径向、轴向和一定角度的偏移，并能最大限度地减轻磨损和振动，延长发电机和齿轮变速箱的寿命；

4）能在风速超过发电机的额定转速时，通过调整永磁调速驱动装置，使发电机转子转速降到额定范围内，避免发电机的发热，并能保证风力发电机在更宽的风速范围内保持高效、安全运行；

5）永磁调速驱动装置尤其适用于大风时风力发电机的动力传动系统的弯曲变形，具有很好的吸收阻尼和震动的特性，狂风来时起到减震器的作用，缓冲阵风的冲击，可有效地避免轴心失准导致的齿轮变速箱和发电机组件的增压，同时还有利于减轻停机时制动器的磨损。

附图说明

图1是本发明应用于单转子水平轴风力发电机实施例结构示意图；

图2是本发明永磁调速驱动装置气隙尺寸变化与转矩输出曲线；

图3是本发明与变桨矩控制及同步直驱控制的发电功率曲线对比图；

图4是本发明应用于双转子水平轴风力发电机实施例结构示意图。

图中：1-塔座 2-机架 3-风轮 4-主轴 5-联轴节 6-变速齿轮箱 7-制动器 8-永磁调速驱动装置 9-发电机 10-轴承座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1，是本发明应用于单转子水平轴风力发电机实施例结构示意图，单转子水平轴发电机的动力传递系统中，风轮3依次经主轴4、联轴节5与变速齿轮箱6的输入侧相连，变速齿轮箱6的输出侧依次经制动器7、永磁调速驱动装置8与发电机9的转子相连，主轴4上设有轴承座10与机架2相连，机架2设于塔座1的顶端。

本发明永磁调速控制方法应用于上述单转子水平轴风力发电机时，通过永磁调速驱动装置8分别在发电机9的启动、正常运行、停机以及非正常运行时，根据风轮3的转速对发电机9的转子转速进行控制，使发电机保持在安全的最佳发电效率状态，其具体控制步骤如下：

1）启动，当风轮3所在高度的风速超过3m/s的启动风速后，制动器7解除制动，永磁调速驱动装置8的执行机构拉大气隙，直至断开发电机9与变速齿轮箱6之间的磁力耦合，风轮3由静止开始转动，因不带发电机负载从而可实现快速增速；

2）正常运行，当风轮转速稳定后，永磁调速驱动装置8的执行机构动作缩窄气隙，在发电机9与变速齿轮箱6之间的建立磁力耦合，将发电机负载平滑地加载在风轮的主轴4上，在3m/s～11m/s的风速范围内时，风力发电机在该转速下执行最佳叶尖速比控制，按最佳效率曲线运行；在＞11m/s～25m/s的风速范围内，执行永磁调速控制，通过控制永磁调速驱动装置8的磁力耦合程度,使发电机在额定功率下发电；当蓄电池接近充满时，保持稳压浮充控制；

见图2，是本发明永磁调速驱动装置气隙尺寸变化与转矩输出曲线，可见随着气隙的距离变宽，永磁调速驱动装置的转矩输出呈现平滑的下降，从而实现对发电机转子实现无级调速，增大叶轮与发电机转子之间的速度差，使发电机稳定运行在额定转速下，当气隙增大到足够宽（一般为25～30mm），即可实现磁力耦合的断开，使发电机与风轮的连接脱开，这既有利于风轮的增速或制动操作，提高反应速度，又能降低能耗损失和制动器的磨损。

3）停机，当风速低于3m/s或高于安全切断风速时，永磁调速驱动装置的执行机构断开发电机与变速齿轮箱之间的磁力耦合，制动器制动，风轮停转；为了保证风力发电机的安全，安全切断风速的具体控制策略为：当风速高于25m/s且持续10min时，执行停机操作；当风速高于33m/s且持续2s时，执行停机操作；当风速高于50m/s且持续1s时，执行停机操作，同时风轮侧风90°。

见图3，是本发明与变桨矩控制及同步直驱控制的发电功率曲线对比图，图中曲线a是采用本发明永磁调速控制方法的发电功率曲线，曲线b是采用变桨矩控制方式的发电功率曲线，曲线c是采用同步直驱控制方法的发电功率曲线，可见，在6～11m/s的频繁风速范围内，本发明具有更高的功率升率，可以更快地进入最大功率值，能源效率最高，而在高于11m/s的转速范围内，发电功率基本稳定在额定功率上，波动较小，这有利于延长蓄电池的寿命。

见图4，本发明应用于双转子水平轴风力发电机实施例结构示意图，双转子水平轴发电机的动力传递系统中，风轮3依次经主轴4、联轴节5与变速齿轮箱6的输入侧相连，变速齿轮箱6的输出侧依次经制动器7、永磁调速驱动装置8与发电机9的转子相连，主轴4上设有轴承座10与机架2相连，机架2设于塔座1的顶端；小风轮3’依次经小风侧主轴4’、小风侧联轴节5’与小风侧变速齿轮箱6’的输入侧相连，小风侧变速齿轮箱6’的输出侧依次经小风侧制动器7’、 小风侧永磁调速驱动装置8’与发电机9的定子相连，小风侧主轴4’上设有小风侧轴承座10’与机架2相连，机架2设于塔座1的顶端。

双转子水平轴风力发电机具有两组风轮，一组风轮带动发电机的转子，另一组风轮带动发电机的定子，使传统的定子变成可以转动的转子，双转子做相反方向旋转，使同等风力条件下的旋转磁场切割磁力线的速度提高一倍，同时发电效率也相应提高到单转子发电机的1.5倍。

本发明永磁调速控制方法应用于双转子水平轴风力发电机时，同样通过永磁调速驱动装置8分别在发电机9的启动、正常运行、停机以及非正常运行时，根据风轮3和小风轮3’的转速对发电机9进行控制，使发电机保持在安全的最佳效率状态，其具体控制步骤与单转子水平轴风力发电机相似，区别之处是因为永磁调速驱动装置是磁力耦合，变速齿轮箱与发电机之间没有物理连接，当风速较小时，可先使小风轮3’单独开启，代替发动机驱动加速风轮3，或者在某些需要一个风轮转动的情况，单独使小风轮3’或风轮3停止转动，而另一个风轮按正常发电程序运行。

Claims (3)

1.一种风力发电机的永磁调速控制方法，其特征在于，将永磁调速驱动装置应用到风力发电机的动力传递系统中，分别在发电机的启动、正常运行、停机以及非正常运行时，根据风轮的转速对发电机进行控制，使发电机保持在安全的最佳发电效率状态，其具体控制步骤如下：

1）启动，当风轮所在高度的风速超过3m/s的启动风速后，制动器解除制动，永磁调速驱动装置的执行机构动作拉大气隙，直至断开发电机与变速齿轮箱之间的磁力耦合，风轮由静止开始在不带发电机负载的情况下转动起来；

2）正常运行，当风轮转速稳定后，永磁调速驱动装置的执行机构动作缩窄气隙，在发电机与变速齿轮箱之间的建立磁力耦合，将发电机负载平滑地加载在风轮的主轴上，在额定风速以下时，风力发电机在该转速下执行最佳叶尖速比控制，按最佳效率曲线运行；在高于额定风速至安全切断风速之间，执行永磁调速控制，通过控制永磁调速驱动装置的磁力耦合程度，增大叶轮与发电机之间的速度差，使发电机运行在额定转速下；当蓄电池接近充满时，保持稳压浮充控制；

3）停机，当风速低于3m/s或高于安全切断风速时，永磁调速驱动装置的执行机构断开发电机与变速齿轮箱之间的磁力耦合，制动器制动，风轮停转。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机的永磁调速控制方法，其特征在于，所述步骤2）中所述最佳叶尖速比控制适用于3m/s～11m/s的风速范围；永磁调速控制适用于＞11m/s～25m/s风速范围。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机的永磁调速控制方法，其特征在于，所述步骤3）中的安全切断风速的具体控制策略为：当风速高于25m/s且持续10min时，执行停机操作；当风速高于33m/s且持续2s时，执行停机操作；当风速高于50m/s且持续1s时，执行停机操作，同时风轮侧风90°。