CN104265575A - 磁力驱动变速控制型风力发电机组及其最大风能捕获方法 - Google Patents

磁力驱动变速控制型风力发电机组及其最大风能捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁力驱动变速控制型风力发电机组及其最大风能捕获方法。在齿轮箱内,风轮的转轴依次经三个行星齿轮系、平行轮轴齿轮机构后与发电机的输入轴连接。齿轮箱内设置带有内齿圈和主动转子的磁力驱动装置,内齿圈外围的线圈上设有电流传感器,磁力驱动装置与三级行星齿轮系连接。风轮的转轴上设有角速度传感器和扭矩传感器,角速度传感器和扭矩传感器及电流传感器均与控制器输入端相连,控制器输出经放大器后与第二整流器相连,第二整流器和第一整流器并联,第二整流器连接到磁力驱动装置的线圈。本发明提供的风力发电机组,占据的空间小,使用寿命长,能量、转换效率高,能提高发电质量,且便于实现,从而提高整体的工作效率。

Description

磁力驱动变速控制型风力发电机组及其最大风能捕获方法
技术领域
[0001] 本发明涉及风力发电技术领域的一种风力发电机组及其风能捕获方法,尤其涉及一种磁力驱动变速控制型风力发电机组及其最大风能捕获方法。
背景技术
[0002]目前,一般风力发电机组主要分为定速传动型和变速传动型,与定速传动型风力发电机组相比,变速传动型风力发电机组的优点在于:低风速时能够根据风速变化,在运行中保持最佳叶尖速比以捕获最大风能;高风速时利用风轮转速的变化,储存或释放部分能量,提高传动系统的柔性,使功率输出更加平稳。近年来,变速传动型风力发电机组的应用日益广泛,单机发电容量持续增大,该类机型已成为并网发电的主流机型。
[0003] 传统风力机组采用定比传动的齿轮箱结构,该种结构的变速传动型风力机组虽然效率较高,承载能力大,但齿轮箱传动比和低速轴的转速无法实现变速调节,且故障率很高,制造加工要求较高。
[0004] 同步直驱风力机组由风轮直接驱动发电机组,省去了增速齿轮箱、高速轴和机械刹车等中间部件,此种结构虽然提高了传动效率,但无法实现变速传动,且机组整体体积较为庞大,不易进行吊装和维修。
[0005] 以上两种机型均属于定速传动型风力发电机组,在风力发电领域中,额定风速下的变速控制通常通过整流器和逆变器来控制双馈异步发电机的电磁转矩,实现对风力机的转速控制,进而获得最佳叶尖速比,实现最大风能捕获。当低于额定风速时,机组变速运行风力机要求低风速时能够根据风速变化,实时地调节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,保持最佳叶尖速比来获得最大风能,从而提高了机组发电效率,优化了机组的运行条件。
[0006] 静液压传动控制方式可以实现无级变速,削弱风能波动,避免刚性冲击,在实现变速控制基础上可以提高能量利用率。但此种控制方式的效率较低,容易产生泄漏,泄漏物会对机组工作环境产生污染。
[0007] 机械液压混合传动控制方式是利用液压系统中蓄能器的能量暂存功能实现功率调峰和制动能的回收利用,由齿轮箱完成主能量传动,保证系统传动效率,并利用液压传动的柔性作用削弱风能波动,避免刚性冲击,该类传动形式虽然功率密度较大,效率较高,但结构复杂,维护困难且成本较高。
[0008] 液力变矩传动型风力机是利用工作液体的动量实现风能的传递,采用调节导轮叶片转角实现传动链的变速运行。该方式的传动系统传动效率较低,结构较复杂,成本较高。
[0009] 液力变矩和机械齿轮混合传动型风力机是利用行星轮系增速通过控制液力变矩器的运转速度,从而实现无级变速。该方式的传动系统结构较复杂,不易维修。
发明内容
[0010] 为了解决上述现有技术中存在的缺点和不足,本发明提供了一种磁力驱动变速控制型风力发电机组及其最大风能捕获方法,结构相对简单、传动效率高。
[0011] 为了实现上述技术目的,本发明采用以下技术方案:
[0012] 一、一种磁力驱动变速控制型风力发电机组:
[0013] 包括风轮,风轮的转轴作为动力输入轴与齿轮箱连接,齿轮箱的输出轴与发电机连接,发电机通过导线与第一整流器连接后并入电网,在齿轮箱内,风轮的转轴依次经三个行星齿轮系、平行轮轴齿轮机构后与发电机的输入轴连接,齿轮箱内设有带有内齿圈和主动转子的磁力变速驱动装置,内齿圈周向外围设有线圈,线圈上设有电流传感器;风轮的转轴上设有角速度传感器和扭矩传感器,角速度传感器和扭矩传感器及电流传感器均与控制器输入端相连,控制器输出端经放大器后与第二整流器相连,第一整流器三相输出端和第二整流器三相输入端并联,第二整流器单相输出端连接到磁力驱动装置的线圈。
[0014] 所述的齿轮箱内的三个行星齿轮系和平行轮轴齿轮机构具体包括:一级行星齿轮系包括相互配合的一级太阳轮、一级行星轮和一级行星架,二级行星齿轮系包括相互配合的二级行星轮、二级行星架,二级行星齿轮系包括相互配合的内齿圈、三级太阳轮和三级行星轮,平行轮轴齿轮机构包括相互配合的主动轮和从动轮;风轮的转轴与一级行星架同轴固定连接,一级行星架的两侧架臂上各套有一级行星轮,两侧的一级行星轮之间啮合有一级太阳轮,一级行星架架臂延伸端的内圈经两个二级行星轮与二级行星架一端外圈啮合,二级行星架另一端内圈经两个三级行星轮与三级太阳轮啮合,两个三级行星轮的中心轴固定连接到磁力驱动装置的内齿圈上,三级太阳轮与主动轮同轴固定连接,主动轮与从动轮啮合,从动轮与齿轮箱的输出轴同轴连接。
[0015] 所述的磁力驱动装置内,一级太阳轮通过一级输出轴与磁力驱动装置的主动转子同轴固接,主动转子装在内齿圈内,主动转子与内齿圈之间设有磁流变液。
[0016] 所述的第一整流器输出端和电网之间设有电感。
[0017] 所述的第二整流器采用PWM控制器。
[0018] 二、一种磁力驱动变速控制型风力发电机组的最大风能捕获方法,包括以下步骤:
[0019] I)由角速度传感器测得所述风轮的转轴角速度《a,由扭矩传感器测得所述风轮的转轴扭矩Ta ;
[0020] 2)风轮的转轴角速度ω a,风轮的转轴扭矩Ta经风速估计器计算得到最佳叶尖速比时的风速υ和风轮的最佳角速度;
[0021] 3)计算风轮的最佳角速度ω_和风轮的转轴角速度(Oa之差,并输入到角速度控制器内计算得到参考电流;该参考电流与由电流传感器检测获得的磁力控制电流I相减,其差值输入到电流控制器中计算获得参考电压UMf,然后输出到PWM中进行调制,调制后获得调制电流I。;
[0022] 4)调制电流Itl经所述功率放大器放大和所述第二整流器整流后输入到线圈中,对磁力控制电流I进行反馈控制;
[0023] 5)由磁力控制电流I通过磁力驱动装置对主动转子及内齿圈的转速进行控制,进而实现对所述风轮的转轴角速度的控制,完成最大风能捕获。
[0024] 所述磁力控制电流I根据以下公式对主动转子及内齿圈的转速进行控制: KKK K K
「 I 戲— 12 4 ηρ 3 4 !β 20
L 」 这 ίί.
[0026] 其中,coa为风轮的转轴角速度,Ta为风轮的转轴扭矩,K1, K2, K3, K4, K5分别为第一、第二、第三、第四、第五转速控制系数,I为磁力控制电流,β为磁流变液的实验系数,β取为正常数,ω2(ι为齿轮箱输出轴的角速度。
[0027] 所述的风速估计器中,通过测量得到的风轮的转轴角速度,风轮的转轴扭矩Ta估计得到空气动力转矩!;(10 ;再利用空气动力转矩Ta (k)计算风速V,然后通过牛顿逼近方法求得所述风轮的最佳角速度ω_。
[0028] 本发明具有以下有益效果:
[0029] 1、齿轮箱采用磁流变液自身流变状态的改变、实现动力和运动的传递,功率容量大,通过电流控制线圈,可以实现齿轮箱的无级调速;磁力驱动装置通过磁流变液连接主动转子和从动转子,故运行过程中不存在刚性冲击现象,使传动更加平稳,且避免产生噪音;主动转子和从动转子不直接接触,能够有效减小两者磨损,延长整体装置的使用寿命。
[0030] 2、齿轮箱内部采用位于输入端的三级行星轮系和位于输出端的平行轴轮系结构,风轮与行星轮系直接连接,有效利用了行星轮系的差速特性。二级行星轮系和内齿圈采用浮动设计,转动惯量小,可消除制造误差对载荷分配的影响,有利于整个齿轮箱的均匀承受载荷;内齿圈与箱体分离,能有效的减小齿轮传动过程中产生的振动;转轴利用轴承进行安装,便于轴承润滑,且维修方便。
[0031] 3、本发明的风力发电机组融合了柔性轴和功率分流两种技术的优点,更容易实现齿轮箱的功率密度最大化的目标。柔性轴能够补偿偏差,传递较大扭矩,对传动系统齿轮和轴承起到缓冲作用,提高可靠性,且整体结构紧凑,节约空间;通过功率分流能够很好的减小各个啮合齿轮副所需传递的载荷,便于减小各级传动齿轮的尺寸。
[0032] 4、本发明提供的风力发电机组克服了齿轮箱传动故障率高和直驱电机体积太大的不利因素,同时本发明的风力发电机组的工作效率较液压传动型和机械、液压混合型两种发电机组高。
[0033] 5、放大器的输出电流反馈给磁力驱动变速控制型风力发电机系统,形成偏差,保证输出电流的稳定,构成一个负反馈控制系统。
[0034] 6、本发明提供的最大风能捕获方法,能有效实现风轮处于最大风能捕获时的状态,提高发电效率,进而提高整体的工作效率。
[0035] 7、本发明提供的最大风能捕获方法的控制流程的结构简单,便于实现。
附图说明
[0036] 图1为本发明的整体结构示意图。
[0037] 图2为本发明方法的原理图。
[0038] 图3为本发明风速估计器计算原理图。
[0039] 图4为本发明实施例中风轮叶尖速比值与风轮捕获的能量之间的关系图。
[0040] 图5本发明实施例中发电机组输出功率与风轮转速之间的关系曲线图。
[0041 ] 图中,1-风轮,2-转轴,3-角速度传感器,4-扭矩传感器,5- 一级行星架,6_ —级太阳轮,7- —级行星轮,8- —级输出轴,9- 二级行星轮,10-轴承,11-内齿圈,12-主动转子,13-线圈,14-电流传感器,15-磁流变液,16-三级太阳轮,17-主动轮,18-三级行星轮,19-从动轮,20-输出轴,21- 二级行星架,22-发电机,23-导线,24-第一整流器,25-控制器,26-放大器,27-电感,28-电网,29-第二整流器;coa-角速度传感器测得的风轮I的转轴角速度,Ta-扭矩传感器测得的风轮I的转轴扭矩,ω_-风轮的最佳角速度,UMf_参考电压,Δ ω-转轴转速变化量,Ta(k)_空气动力转矩,V-风速,Cp-风能利用系数,P-—级行星轮系的输入总功率,P1-—级太阳轮的功率,P2-—级行星轮功率,Ft-—级太阳轮与相应行星轮的作用力,ω6-—级太阳轮的角速度,ω7-—级行星轮的角速度,r6-—级太阳轮的半径,r7- 一级行星轮半径,K1, K2,K3, K4, K5-第一、第二、第三、第四、第五转速控制系数,10-调制电流,1-磁力控制电流,磁流变液的实验系数,为正常数,ω2(Γ齿轮箱输出轴的角速度,Pmax-能够捕获的最大风能功率,Ktjpt-最大功率常数,Cp max-最大风能利用系数,P -空气密度常数,S-风轮扫掠面积,R-风轮的半径,λ -叶尖速比,λ opt-最佳叶尖速比,V1-低值风速,u 2-起始风速,V3-跃升风速,Λ P-功率变化量,Λ ω -转轴转速变化量,ε -最小变化范围。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0043] 参见图1,本发明包括风轮1,风轮I的转轴2作为动力输入轴与齿轮箱连接,齿轮箱的输出轴20与发电机22连接,发电机通过导线23与第一整流器24连接后并入电网28 ;齿轮箱内,风轮I的转轴2依次经三个行星齿轮系、平行轮轴齿轮机构后与发电机22的输入轴连接,齿轮箱内设有带有内齿圈11和主动转子12的磁力驱动装置,内齿圈11周向外围设有线圈13,线圈上设有电流传感器14 ;磁力驱动装置与三个行星齿轮系连接,风轮I的转轴2上设有角速度传感器3和扭矩传感器4,角速度传感器3和扭矩传感器4及电流传感器14均与控制器25输入端相连,控制器输出端经放大器26后与第二整流器29相连,第一整流器24三相输出端和第二整流器29三相输入端并联,第二整流器29单相输出端连接到磁力驱动装置的线圈13。
[0044] 参见图1,本发明实施例中,齿轮箱内部采用位于输入端的三级行星齿轮机构加位于输出端的一级平行轴齿轮机构的传动模式,其齿轮箱内的三个行星齿轮系和平行轮轴齿轮机构具体包括:一级行星齿轮系包括相互配合的一级太阳轮6、一级行星轮7和一级行星架5,二级行星齿轮系包括相互配合的二级行星轮9、二级行星架21,二级行星齿轮系包括相互配合的内齿圈11、三级太阳轮16和三级行星轮18,平行轮轴齿轮机构包括相互配合的主动轮17和从动轮19。
[0045] 参见图1,风轮I的转轴2与一级行星架5同轴固定连接,一级行星架5的两侧架臂上各套有一级行星轮7,两侧的一级行星轮7之间啮合有一级太阳轮6,两个一级行星轮7外侧与齿轮箱内的固定齿轮啮合,一级行星架5架臂延伸端的内圈经两个二级行星轮9与二级行星架21 —端外圈啮合,二级行星架21另一端内圈经两个三级行星轮18与三级太阳轮16啮合,两个三级行星轮18的中心固定并连接到磁力驱动装置的内齿圈11上,三级太阳轮16与主动轮17同轴固定连接,主动轮17与从动轮19啮合,从动轮19与齿轮箱的输出轴20同轴连接。
[0046] 磁力驱动装置内,一级太阳轮6通过一级输出轴8与磁力驱动装置的主动转子12同轴固接,主动转子12装在内齿圈11内,主动转子12与内齿圈11之间设有磁流变液15,内齿圈11 一端封闭,另一端通过轴承10套在一级输出轴8上密封连接。
[0047] 三级太阳轮16带动主动轮17同步转动,主动轮通过从动轮、输出轴将动力传递至发电机,发电机运转产生电流。磁力驱动装置的内齿圈11作为从动转子,三级行星轮18与从动转子连接在一起。
[0048] 本发明的二级行星轮系和所述内齿圈11采用浮动设计,且内齿圈与所述齿轮箱的箱体分离。
[0049] 第一整流器24输出端和电网8之间设有电感27,电感27用于消除电流谐波,起到平滑滤波作用。
[0050] 第二整流器26采用PWM控制器。
[0051] 参见图1,风轮I转动后通过转轴2将动力输入齿轮箱,一级太阳轮6通过一级输出轴8带动主动转子12转动,主动转子通过磁流变液15带动从动转子转动,从动转子带动三级太阳轮转动,三级太阳轮16带动主动轮17同步转动,主动轮通过与从动轮19的啮合带动输出轴20转动,将动力传递至发电机22。发电机运行发电并将电流通过导线23传递流经第一整流器24、电感27后并入电网28。
[0052] 参见图2,本发明方法包括以下步骤:
[0053] I)由角速度传感器3测得风轮I的转轴角速度《a,由扭矩传感器4测得风轮I的转轴扭矩Ta ;
[0054] 2)风轮I的转轴角速度ω a,风轮I的转轴扭矩Ta经风速估计器计算得到最佳叶尖速比λ opt时风轮I达到的速度和风轮的最佳角速度;风速估计器中通过内置计算方法计算出保持最佳叶尖速比λ_时所述风轮I应达到的速度,通过MPPT计算器计算出达到最佳叶尖速比时所述风轮的最佳角速度;
[0055] 3)计算最佳角速度和风轮I的角速度ω a之差,并输入到角速度控制器内计算得到参考电流;该参考电流与由电流传感器14检测获得的磁力控制电流I相减,其差值输入到电流控制器中计算获得参考电压UMf,然后输出到PWM中进行调制,调制后获得调制电流10 ;
[0056] 4)调制电流Itl经所述功率放大器26放大和所述第二整流器29整流后输入到线圈13中,对磁力控制电流I进行反馈控制;
[0057] 5)由磁力控制电流I通过磁力驱动装置对主动转子12及内齿圈11的转速进行控制,进而实现对所述风轮I的转轴角速度的控制,完成最大风能捕获。
[0058] 当所述线圈13通电时,磁力驱动装置工作,磁力控制电流I根据以下公式对主动转子12及内齿圈11的转速进行控制:
人 I 人 Λ 人 I 八.飞 J β ^^2.0
[0059] ft),., — " ί I
a W α Wr
K5 K5 K5
[0060] 其中,coa为风轮(I)的转轴角速度,Ta为风轮⑴的转轴扭矩,K1, K2,K3,1(4,1(5为第一、第二、第三、第四、第五转速控制系数,I为磁力控制电流,β为磁流变液的实验系数,β取为正常数,ω2。为齿轮箱输出轴的角速度。
[0061] 当线圈13不通电时,磁力驱动装置不工作,主动转子12和内齿圈11之间相互不影响。
[0062] 整个过程中,放大器26输出的线圈电流I经测量输入到控制器25。控制器25经过运算获得控制量,以有效控制第二整流器29。
[0063] 上述风速估计器中,如图3所示,通过测量得到的风轮I的转轴角速度,风轮I的转轴扭矩Ta估计得到空气动力转矩Ta(k);再利用空气动力转矩Ta (k)计算风速V,然后通过牛顿逼近方法求得所述风轮的最佳角速度ω_。牛顿逼近方法可采用“王伟.基于滑模控制的风力发电系统研究[D].华北电力大学(北京),2012.”
[0064] 如图3-5所示,本发明的原理如下:
[0065] 当叶尖速比λ (风轮叶尖的线速度与风速的比值)等于最佳叶尖速比时,风轮的风能利用系数Cp可取到最大值Cpmax,如图4所示。因为λ = coaR/u,则在额定风速以下,当风速u改变时,只要改变风轮I的转轴角速度λ维持在最佳叶尖速比λ_处,便能保证风轮捕获风能的功率最大。为达到该目的,可以通过改变磁力驱动装置线圈13的电流I大小来实现。
[0066] P = Ρ!+2Ρ2
[0067] P1 = Ft ω 6r6
[0068] P2 = Ft ω 7r7
[0069] 其中,P为一级行星轮系的输入总功率,P1为一级太阳轮的功率,P2为一级行星轮功率,Ft为一级太阳轮与相应行星轮的作用力,ω6为一级太阳轮的角速度,ω7为一级行星轮的角速度,r6为一级太阳轮的半径,r7为一级行星轮半径。
[0070] 再按照一级,二级行星轮系以及齿轮箱内各级功率流的分配传递关系和磁力变速控制方法,可得:
F" fy Vr Vf 人, m
[0071] f 夕―^ (001)
[0072] 其中,Coa为风轮I的转轴角速度,Ta为风轮I的转轴扭矩,K1, K2, K3, K4, K5为第一、第二、第三、第四、第五转速控制系数,I为磁力控制电流,β为磁流变液的实验系数,β取为正常数,ω2(ι为齿轮箱输出轴的角速度。
[0073] 由公式001可知,改变磁力线圈电流I的方向与大小,可以调节转轴2的反力矩,进而调节风轮I的转轴角速度oa。
[0074] 风轮捕获风能的最大功率Pmax可表示为:
[0075] Pmax = - Ps1--jT^fCp'麵=Koptmlpt
Jf.0pt
I R Λ
[0076]式中,Kopt =^pS1-^yCp^max ,为常数。
opt
[0077] Pmnx — K0f)i (002)
[0078] 其中,Pmax为能够捕获的最大风能功率,Kopt为最大功率常数,Cp max为最大风能利用系数,ω_为处于最大风能捕获状态下风轮的最佳角速度,P为空气密度常数,S为风轮扫掠面积,R为风轮的半径,λ opt为最佳叶尖速比,V为风速。
[0079] 风轮的最大捕获功率与风轮的转速关系如公式002所示,根据风轮功率和发电机功率间的关系,发电机功率与风轮转速之间也有类似关系,如图5所示。
[0080] 风轮功率最大时,发电机功率也最大,当风速变化时,控制风轮转速变化,使发电机功率朝着在该风速下的最大值变化。当发电机功率值达到最大值时,风轮转速不再变化,风力机稳定工作于该点,此时的风轮捕获功率也相应的达到最大值。
[0081] 本发明的实施例:
[0082] 如图5所示,假如起始风速为u 2,发电机稳定工作于A点,此时发电机输出功率最大,风轮在此风速下的捕获风能的效率也达到了最高。当风速突然跃升到跃升风速V3时,工作点从A点变化到B点,功率变化量Λ P,为正,Λ P为变化后的功率值减去变化前的功率值,此时在风速V3下的最大功率点D在B点的右侧。因而,为了跟踪最大功率点,应该控制转速增大,即转轴转速变化量Δ ω应为正。由公式001可知,减小电流I可以增大风轮I的转轴角速度,转速增大后,再判断功率变化量ΛΡ,如果ΛΡ为正且超出设定的最小变化范围ε,则继续减小电流I或者改变电流方向,即可以增大转速,直到功率变化量ΛΡ非常小,落在设定的最小变化范围ε内。此时转速值稳定于此不再变化,功率值达到最大,风力发电机组稳定运行于D点。
[0083] 当风速从~下降到低值风速Vl时,发电机工作点从A点变为C点,功率下降。为了跟踪在风速V1时的最大功率点Ε,风轮转速应减小,即转轴转速变化量△ ω应为负。由公式001可知,增大电流I可以减小转速Oa,转速值减小后,再判断功率变化量ΛΡ,如果ΛΡ为正且超出设定的最小变化范围ε,则继续增大电流I,即减小转速,直到功率变化量ΔΡ非常小,落在设定的最小变化范围ε内。此时转速值稳定于此不再变化,功率值达到最大,风力发电机组稳定运行于E点。
[0084] 如图1所示,线圈电流I大小的控制是通过控制器25和放大器26来实现的,由角速度传感器测得的风轮I的转轴角速度《3和扭矩传感器测得风轮I的转轴扭矩Ta计算出风轮处于最佳叶尖速比时风轮的最佳角速度ω_。
[0085] 总之,以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡是依据本发明所作的均等变化与修饰,皆应属于本发明申请专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁力驱动变速控制型风力发电机组,包括风轮(1),风轮(I)的转轴(2)作为动力输入轴与齿轮箱连接,齿轮箱的输出轴(20)与发电机(22)连接,发电机通过导线(23)与第一整流器(24)连接后并入电网(28),其特征在于: 在齿轮箱内,风轮(I)的转轴(2)依次经三个行星齿轮系、平行轮轴齿轮机构后与发电机(22)的输入轴连接,齿轮箱内设有带有内齿圈(11)和主动转子(12)的磁力变速驱动装置,内齿圈(11)周向外围设有线圈(13),线圈上设有电流传感器(14);风轮(I)的转轴(2)上设有角速度传感器(3)和扭矩传感器(4),角速度传感器(3)和扭矩传感器(4)及电流传感器(14)均与控制器(25)输入端相连,控制器输出端经放大器(26)后与第二整流器(29)相连,第一整流器(24)三相输出端和第二整流器(29)三相输入端并联,第二整流器(29)单相输出端连接到磁力驱动装置的线圈(13)。
2.根据权利要求1所述的一种磁力驱动变速控制型风力发电机组,其特征在于:所述的齿轮箱内的三个行星齿轮系和平行轮轴齿轮机构具体包括:一级行星齿轮系包括相互配合的一级太阳轮¢)、一级行星轮(7)和一级行星架(5),二级行星齿轮系包括相互配合的二级行星轮(9)、二级行星架(21),二级行星齿轮系包括相互配合的内齿圈(11)、三级太阳轮(16)和三级行星轮(18),平行轮轴齿轮机构包括相互配合的主动轮(17)和从动轮(19); 风轮(I)的转轴(2)与一级行星架(5)同轴固定连接,一级行星架(5)的两侧架臂上各套有一级行星轮(7),两侧的一级行星轮(7)之间啮合有一级太阳轮¢),一级行星架(5)架臂延伸端的内圈经两个二级行星轮(9)与二级行星架(21) —端外圈啮合,二级行星架(21)另一端内圈经两个三级行星轮(18)与三级太阳轮(16)啮合,两个三级行星轮(18)的中心轴固定连接到磁力驱动装置的内齿圈(11)上,三级太阳轮(16)与主动轮(17)同轴固定连接,主动轮(17)与从动轮(19)啮合,从动轮(19)与齿轮箱的输出轴(20)同轴连接。
3.根据权利要求1所述的一种磁力驱动变速控制型风力发电机组,其特征在于:所述的磁力驱动装置内,一级太阳轮(6)通过一级输出轴(8)与磁力驱动装置的主动转子(12)同轴固接,主动转子(12)装在内齿圈(11)内,主动转子(12)与内齿圈(11)之间设有磁流变液(15)。
4.根据权利要求1所述的一种磁力驱动变速控制型风力发电机组,其特征在于:所述的第一整流器(24)输出端和电网(8)之间设有电感(27)。
5.根据权利要求1〜4任一所述的一种磁力驱动变速控制型风力发电机组,其特征在于:所述的第二整流器(26)采用PWM控制器。
6.应用于权利要求1〜5所述发电机组的一种磁力驱动变速控制型风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于包括以下步骤: 1)由角速度传感器(3)测得所述风轮(I)的转轴角速度,由扭矩传感器(4)测得所述风轮(I)的转轴扭矩Ta; 2)风轮(I)的转轴角速度,风轮(I)的转轴扭矩Ta经风速估计器计算得到最佳叶尖速比时的风速υ和风轮的最佳角速度; 3)计算风轮的最佳角速度ω_和风轮(I)的转轴角速度Oa之差,并输入到角速度控制器内计算得到参考电流;该参考电流与由电流传感器(14)检测获得的磁力控制电流I相减,其差值输入到电流控制器中计算获得参考电压UMf,然后输出到PWM中进行调制,调制后获得调制电流Itl; 4)调制电流Itl经所述功率放大器(26)放大和所述第二整流器(29)整流后输入到线圈(13)中,对磁力控制电流I进行反馈控制; 5)由磁力控制电流I通过磁力驱动装置对主动转子(12)及内齿圈(11)的转速进行控制,进而实现对所述风轮(I)的转轴角速度的控制,完成最大风能捕获。
7.根据权利要求6所述的一种磁力驱动变速控制型风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于:所述磁力控制电流I根据以下公式对主动转子(12)及内齿圈(11)的转速进行控制: m................KiK2K4r K3K4ffi ω2{) α τζ aK K i V λ\ 5 J V ς 其中,coa为风轮(I)的转轴角速度,Ta为风轮⑴的转轴扭矩,K1, K2,K3,K4,K5分别为第一、第二、第三、第四、第五转速控制系数,I为磁力控制电流,β为磁流变液的实验系数,β取为正常数,ω2(ι为齿轮箱输出轴的角速度。
8.根据权利要求6所述的一种磁力驱动变速控制型风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于:所述的风速估计器中,通过测量得到的风轮(I)的转轴角速度,风轮(I)的转轴扭矩Ta估计得到空气动力转矩Ta (k);再利用空气动力转矩Ta(k)计算风速V,然后通过牛顿逼近方法求得所述风轮的最佳角速度ω_。
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