CN107725273A - 新型风力发电机驱动系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型风力发电机驱动系统及其控制方法，所述驱动系统设置在连接风力涡轮机主轴与发电机主轴的转轴外侧，包括一隔磁箱体及设置在隔磁箱体内的第一永磁体、第二永磁体和第一电磁体、第二电磁体，第一电磁体和第二电磁体，第一永磁体设置在转轴的外侧，与转轴外壁固连且可同步转动；第二永磁体与第一永磁体磁场方向相反；第一电磁体和第二电磁体通电后，第一电磁体的磁性与第一永磁体的磁场方向相反，而第二电磁体的磁性与第一永磁体的磁场方向相同；通过检测发电机转速及外界风速，对第二永磁体、第一电磁体和第二电磁体分别作出相应的控制，实现发电机在额定转速下工作，不管是微风还是在台风、暴风等条件下，均可实现发电机的正常工作，有效提高风能的利用率、降低度电成本，具有广泛的推广意义和市场价值。

Description

新型风力发电机驱动系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机领域,具体涉及一种新型风力发电机驱动系统及其控制方法。
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，风力发电机主要由风轮(涡轮机)、发电机、调速机构和电气部件等组成，风轮(涡轮机)主轴与发电机主轴相连，风力发电的原理就是靠风力带动风轮(涡轮机)旋转，把风的动能转变成机械能，再通过提升风轮(涡轮机)旋转速度，驱动发电机发电，把机械能转化为电能。由于风机的输出功率随风速变化的范围很大,这一特性，使风力发电机在切入风速和切出风速的发电功率相差数千倍、频率变化达近百倍。
传统的风力发电机都设置切入风速的设计，这也导致了风力发电机在低风速下很难接近或达到发电机的额定转速，比如在5.0m/s左右或以下的风速利用率低，在微风下甚至很难启动，造成低风速的风能浪费，风力的不稳定性同时也会导致风力发电机组发生间歇性和不稳定性的电量输出，也很难控制风力发电机在额定转速下运转；而在破坏性风速条件下，如台风、暴风等，为了保护风力发电机组，目前的风力发电机都是执行停机状态，风能的利用效率低。
授权公告号为【CN101709690B】的发明专利公开一种垂直轴恒速风力发电机，其发电机中设置由：矽钢片铁芯、绕组、导磁体铁芯、霍尔元件、构成的恒速驱动装置，以克服风力发电机在低风速下难以启动，高风速中发电效率低、输出不稳定、噪音大等问题。其主要是对发电机的内部构造进行设计，且结构复杂，也很难实现在破坏性风速的条件下的正常运转。总之，目前的风力发电机系统设计很难从根本上解决风能利用效率低、度电成本高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对传统风力发电系统风能利用率低、度电成本高的缺陷，提出一种新型风力发电机驱动系统及其控制方法，以提高风能的利用率，降低度电成本。
本发明是采用以下的技术方案实现的：
新型风力发电机驱动系统，设置在连接风力涡轮机主轴与发电机主轴的转轴外侧，包括一隔磁箱体及设置在隔磁箱体内的第一永磁体、第二永磁体和第一电磁体、第二电磁体，第一电磁体和第二电磁体与一电源模块相连，且电源模块与一主控制模块电连接；
第一永磁体设置在转轴的外侧，与转轴外壁固连且可同步转动；第二永磁体通过第一位移执行器设置在隔磁箱体上，且其磁性与第一永磁体磁场方向相反；第一电磁体和第二电磁体分别通过第二位移执行器和第三位移执行器设置在隔磁箱体上，且其通电后，第一电磁体的磁性与第一永磁体的磁场方向相反，而第二电磁体的磁性与第一永磁体的磁场方向相同；
还包括检测发电机主轴转速的速度传感器及检测外界风速的风速仪，速度传感器、风速仪、第一位移执行器、第二位移执行器和第三位移执行器均与主控制模块电连接；第一、第二和第三位移执行器在主控制模块控制下可分别调整第二永磁体、第一电磁体和第二电磁体与第一永磁体之间的距离。
进一步的，所述第一电磁体和第二电磁体与主控制模块之间还分别连接有功率放大器，通过功率放大器调整第一电磁体和第二电磁体上通电电流大小，进而调整第一电磁体和第二电磁体的磁性大小，从而方便对发电机的旋转控制做出合理化的布局。
进一步的，所述第一永磁体由多块瓦状永磁铁组成。
进一步的，所述第一位移执行器、第二位移执行器和第三位移执行器采用伸缩杆及与其连接的电机实现，电机与主控制模块相连，当然也可以采用液压推杆或其他电动执行机构设计形式，实现与磁间隙调整即可。
进一步的，所述驱动系统还包括聚风系统，所述聚风系统包括顺次连接的集风器、集风通道及气旋加速器，集风通道的集风口为喇叭状，气旋加速器的出口与风力涡轮机的叶片正对设置。
进一步的，所述气旋加速器包括一螺旋筒体以及与螺旋筒体连通的柱状筒体，柱状筒体与集风通道连通；螺旋筒体的横截面为螺旋状，包括螺旋内壁和螺旋外壁，且气旋加速器的进风口与螺旋内壁相对设置，这样在进入气旋加速器的风在被螺旋筒体的螺旋内壁阻挡后会沿着气旋加速器的侧壁螺旋流向气旋加速器的出口，经过气旋，可显著提高风速，同时降低系统负荷，为系统减压。
进一步的，还包括检测聚风系统聚风风速的测速仪，所述测速仪与主控制模块电连接，测速仪可采用雷达测速仪或激光测速仪。
本发明另外还公开一种新型风力发电机驱动系统的控制方法，包括以下步骤：
A、系统启动，风力涡轮机旋转，带动发电机主轴旋转；速度传感器检测发电机主轴旋转速度，风速仪检测外界风速，并传递给主控制模块；
B、检测发电机主轴转速是否达到发电机额定转速的5％-30％，若是，则执行步骤C；若否，则执行步骤D；
C、由主控制模块控制，启动第一电磁体，通过第一位移执行器驱动调整第一电磁体与第一永磁体产生斥力，驱动发电机主轴加速旋转，带动发电机转轴在风力和磁力叠加的作用下旋转，发电机发电效率提高，输出功率增大；
由第一电磁体驱动加速一定时间后，检测发电机主轴转速是否达到发电机额定转速的70％，若没有，则继续驱动第一电磁体与转轴外侧的第一永磁体相斥，驱动发电机主轴加速旋转，否则执行步骤E；
D、若发电机转速未达到额定转速的5％-30％，或者系统启动时，结合风速仪判断当前风速较弱或无风，不足以启动发电机；
则由主控制模块控制启动第一电磁体，通过驱动第二位移执行器控制第一电磁体靠近第一永磁体，通过间隙调整达到斥力最佳的位置，驱动第一永磁体带动转轴旋转，直至发电机转轴接近或达到发电机额定转速，并保持在额定转速，实现风力发电机在低转速风力区接近或达到额定转速的正常工作，提高发电效率，降低度电成本；
E、由主控制模块控制，启动第二永磁体，关闭第一电磁体，通过第一位移执行器驱动第二永磁体与第一永磁体达到斥力最佳位置，维持转轴持续旋转，使发电机主轴接近或达到额定转速并维持；
步骤A中，若系统启动时，检测到外界风速较大，或为破坏性风速，发电机主轴转速很快超过发电机额定转速的30％，则此时，由主控制模块控制启动第二电磁体，与第一永磁体产生相吸的磁力，使径向力矩加大，降低转轴的转速，以维持在发电机额定转速。
进一步的，所述步骤C、D、E中，在调整第一电磁体、第二电磁体与第一永磁体之间斥力或吸力时，还可以通过功率放大器来调整第一电磁体和第二电磁体磁性大小，通过位置调节和磁力大小调节相结合达到最佳的控制效果。
进一步的，所述步骤A中，系统启动时，还包括通过聚风系统将风力聚集到1.5倍以上并输出至风力涡轮机的步骤，通过聚风系统降低驱动系统的负荷压力，充分利用风力资源。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明方案提出的风力发电机驱动系统，创造性的将永磁体与电磁体的磁力作用应用到风力发电机的动力传递系统中，且克服传统思维限制，将该驱动系统设置在转轴的外侧，结构简单，成本低，可实施性强；通过主控制模块的控制，结合位移执行器及功率放大器实现最佳磁力调整，不管是在微风或弱风条件下，还是在暴风或台风等破坏性风速条件下，均可实现风力发电机在额定功率下的正常工作，还可起到柔性刹车的效果；
并且可结合聚风系统，通过对聚风系统的改进设计，将风力聚集到1.5倍以上，提高系统运行的稳定性及可靠性，同时实现风力发电机输出电量稳定性，保护风力发电机组的同时充分利用了风能，不仅提高风力发电机组的发电量，降低度电成本，还可控制发电机工作在额定转速附近，产生良好的经济效益，具有广泛的市场推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例1所述风力发电机驱动系统结构示意图；
图2为本发明实施例1所述风力发电机驱动系统原理框图；
图3为本发明实施例1所述气旋加速器结构示意图；
图4为本发明实施例1所述气旋加速器横截面结构示意图；
图5为本发明实施例2所述风力发电机控制方法流程示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1，参考图1，新型风力发电机驱动系统，设置在连接风力涡轮机主轴与发电机主轴的转轴1外侧，包括一隔磁箱体6及设置在隔磁箱体6内的第一永磁体2、第二永磁体4和第一电磁体3、第二电磁体5，第一电磁体3和第二电磁体5与一电源模块相连，且电源模块与一主控制模块电连接，隔磁箱体6为圆柱形或长方体形，采用隔磁材料以避免外界磁场的干扰，且其与转轴接触的地方留有空隙，以保证转轴的正常转动，对于垂直轴风力发电机而言，可将隔磁箱体与塔筒固定；
第一永磁体2设置在转轴1的外侧，与转轴1外壁固连且可同步转动；第二永磁体4通过第一位移执行器41设置在隔磁箱体6上，且其磁性与第一永磁体2磁场方向相反，比如，图1中设置的第一永磁体的极性为S极朝外，N极朝内，则第二永磁体4的S极与第一永磁体2的S极相对；第一电磁体3和第二电磁体5分别通过第二位移执行器31和第三位移执行器51设置在隔磁箱体6上，且其通电后，第一电磁体3的磁性与第一永磁体2的磁场方向相反，而第二电磁体5的磁性与第一永磁体2的磁场方向相同，即第一电磁体3的S极与第一永磁体2的S极相对，而第二电磁体5的N极与第一永磁体2的S极相对设置，当然，还第一永磁体2的磁场方向还可以反过来设置，相应的，其他磁极的方向做对应的调转。
继续参考图1，本实施例将第一电磁体3和第二电磁铁5设置为两组，且沿转轴中心对称设置，两组第一电磁体3所在直线与两组第二电磁体5所在直线垂直，对称设置是比较容易想到且方便设计，具体的可根据实际情况而定，也就是说第二永磁体4、第一电磁体3和第二电磁体5的相对位置及其磁路设计并不是固定的，需要根据实际情况而定，具体可采用实验相似法进行试验设计，同样的，对于第二永磁体4、第一电磁体3和第二电磁体5的位置及形状也不做限制，只要未脱离本方案的设计思想，均在本方案的保护范围内。
如图2所示的原理框图，还包括检测发电机主轴转速的速度传感器及检测外界风速的风速仪，速度传感器、风速仪、第一位移执行器41、第二位移执行器31和第三位移执行器51均与主控制模块电连接；第一、第二和第三位移执行器在主控制模块控制下可分别调整第二永磁体4、第一电磁体3和第二电磁体5与第一永磁体2之间的距离。
为了方便调整第二永磁体4、第一电磁体3和第二电磁体5与第一永磁体2之间的磁力大小，在第一电磁体3和第二电磁体5与主控制模块之间还分别连接有功率放大器，通过功率放大器调整第一电磁体3和第二电磁体5上通电电流大小，进而调整第一电磁体3和第二电磁体5的磁性大小，从而方便根据实际情况调整磁斥力或磁吸力，对发电机的旋转控制做出合理化的布局。当然，也可以将第一电磁体3和第二电磁体5设置为一个，通过电流换向器等部件实现电流的换向，进而达到改变电磁体磁场方向的目的，实现对第一永磁体2的斥力驱动或吸力制止功能。
本实施例中，第一永磁体2由多块瓦状永磁铁组成，对于其形状及设置形式不做要求，为了更好的维持第一永磁体1与第二永磁体2之间的磁力，驱动转轴在额定转速下旋转，第二永磁体4也可以设置为多个，设置位置可以为对角或其他方式，根据实际情况而定，而且对于第一位移执行器、第二位移执行器和第三位移执行器采用伸缩杆及与其连接的电机实现，电机与主控制模块相连，当然也可以采用液压推杆或其他电动执行机构设计形式，实现与磁间隙调整即可，在此不做详述。
另外，本实施例提出的驱动系统还包括聚风系统，以及检测聚风系统聚风风速的测速仪，所述测速仪与主控制模块电连接，测速仪可采用雷达测速仪或激光测速仪；所述聚风系统包括顺次连接的集风器、集风通道及气旋加速器，集风通道的集风口为喇叭状或长方形，气旋加速器的出口与风力涡轮机的叶片正对设置。如图3所示，所述气旋加速器包括一螺旋筒体71以及与螺旋筒体71连通的柱状筒体72，柱状筒体72与集风通道连通；螺旋筒体71的横截面为螺旋状，参考图4，包括螺旋内壁711和螺旋外壁712，柱状筒体72的横截面为漏斗状，且气旋加速器的进风口73与螺旋内壁711相对设置，这样在进入气旋加速器的风在被螺旋筒体的螺旋内壁阻挡后会沿着气旋加速器的侧壁螺旋流向气旋加速器的出口74，经过循环，可显著提高风速，同时降低系统负荷，为系统减压，聚风系统根据实际需求可设置多组，也可以对集风器的形状和数量进行改进设计。
创造性的将永磁体与电磁体的磁力作用及永磁体与永磁体的磁力作用相配合，应用到风力发电机的动力传递系统中，克服传统思维限制，将该驱动系统设置在转轴的外侧，结构简单，成本低，可实施性强；通过主控制模块的控制，结合位移执行器及功率放大器实现最佳磁力调整，并可结合聚风系统提高系统运行的稳定性及可靠性，同时实现风力发电机输出电量稳定性，保护风力发电机组的同时充分利用了风能，不仅提高风力发电机组的发电量，降低度电成本，还可控制发电机工作在额定转速附近，产生良好的经济效益，具有广泛的市场推广价值。
实施例2，基于实施例1提出的新型风力发电机驱动系统，本实施例提出一种其控制方法，其流程示意图如图5所示，包括以下步骤：
(1)、系统启动，风力涡轮机旋转，带动发电机主轴旋转；速度传感器检测发电机主轴旋转速度，风速仪检测外界风速，并传递给主控制模块；
(2)、检测发电机主轴转速是否达到发电机额定转速的5％-30％，若是，则执行步骤(3)；若否，则执行步骤(4)；
(3)、由主控制模块控制，启动第一电磁体，通过第一位移执行器驱动调整第一电磁体与第一永磁体产生斥力，驱动发电机主轴加速旋转，带动发电机转轴在风力和磁力叠加的作用下旋转，发电机发电效率提高，输出功率增大；
由第一电磁体驱动加速一定时间后，检测发电机主轴转速是否达到发电机额定转速的70％，若没有，则继续驱动第一电磁体与转轴外侧的第一永磁体相斥，驱动发电机主轴加速旋转，否则执行步骤(5)；
(4)、若发电机转速未达到额定转速的5％-30％，或者系统启动时，结合风速仪判断当前风速较弱或无风，不足以启动发电机；
则由主控制模块控制启动第一电磁体，通过驱动第二位移执行器控制第一电磁体靠近第一永磁体，通过间隙调整达到斥力最佳的位置，驱动第一永磁体带动转轴旋转，直至发电机转轴接近或达到发电机额定转速，并保持在额定转速，实现风力发电机在低转速风力区接近或达到额定转速的正常工作，然后通过变压器输出到用户负载，提高发电效率，降低度电成本；
(5)、由主控制模块控制，启动第二永磁体，关闭第一电磁体，通过第一位移执行器驱动第二永磁体与第一永磁体达到斥力最佳位置，维持转轴持续旋转，使发电机主轴接近或达到额定转速并维持，然后通过变压器输出到用户负载；
步骤(1)中，若系统启动时，检测到外界风速较大，或为破坏性风速，发电机主轴转速很快超过发电机额定转速的30％，则此时，由主控制模块控制启动第二电磁体，与第一永磁体产生相吸的磁力，使径向力矩加大，降低转轴的转速，以维持在发电机额定转速。同时，当需要停机时，还可起到柔性刹车的效果；发电的稳定性提高，且不管是低风速还是破坏性风速下均可实现不停机发电，风力发电机在降低到风速的安全条件下发电，保护风力发电机组的同时还利用了风能，提高风力发电机组的发电量，降低度电成本。
另外，在调整第一电磁体、第二电磁体与第一永磁体之间斥力或吸力时，还可以通过功率放大器来调整第一电磁体和第二电磁体磁性大小，通过位置调节和磁力大小调节相结合达到最佳的控制效果。
而且，所述步骤(1)中，系统启动时，还包括通过聚风系统将风力聚集到1.5倍以上并输出至风力涡轮机的步骤，聚风系统的设计与实施例1相同，通过聚风系统将风力具体1.5倍以上，测速仪检测此时的聚风风速降并传递给主控制模块，可以使发电机主轴达到额定转速的5％-30％时，启动第一电磁铁3，减轻驱动系统负荷压力，充分利用风力资源。
通过本方法的逻辑控制，不管是在低风速或是微风条件下，或者是暴风、台风等破坏性风速条件下，风力发电机均可在额定功率下的正常工作，系统稳定，电量输出稳定性高，有效提高风能利用率，保护风力发电机组的同时，还提高了发电效率就发电量，降低度电成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.新型风力发电机驱动系统，设置在连接风力涡轮机主轴与发电机主轴的转轴外侧，其特征在于，包括一隔磁箱体及设置在隔磁箱体内的第一永磁体、第二永磁体和第一电磁体、第二电磁体，第一电磁体和第二电磁体与一电源模块相连，且电源模块与一主控制模块电连接；
第一永磁体设置在转轴的外侧，与转轴外壁固连且可同步转动；第二永磁体通过第一位移执行器设置在隔磁箱体上，且其磁性与第一永磁体磁场方向相反；第一电磁体和第二电磁体分别通过第二位移执行器和第三位移执行器设置在隔磁箱体上，且其通电后，第一电磁体的磁性与第一永磁体的磁场方向相反，而第二电磁体的磁性与第一永磁体的磁场方向相同；
还包括检测发电机主轴转速的速度传感器及检测外界风速的风速仪，速度传感器、风速仪、第一位移执行器、第二位移执行器和第三位移执行器均与主控制模块电连接；第一、第二和第三位移执行器在主控制模块控制下可分别调整第二永磁体、第一电磁体和第二电磁体与第一永磁体之间的距离。
2.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述第一电磁体和第二电磁体与主控制模块之间还分别连接有功率放大器。
3.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述第一永磁体由多块瓦状永磁铁组成。
4.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述第一位移执行器、第二位移执行器和第三位移执行器采用伸缩杆及与其连接的电机实现，电机与主控制模块相连。
5.根据权利要求1-4任一项所述的驱动系统，其特征在于：所述驱动系统还包括聚风系统，所述聚风系统包括顺次连接的集风器、集风通道及气旋加速器，气旋加速器的出口与风力涡轮机的叶片正对设置。
6.根据权利要求5所述的驱动系统，其特征在于：所述气旋加速器包括一螺旋筒体以及与螺旋筒体连通的柱状筒体，柱状筒体与集风通道连通；螺旋筒体的横截面为螺旋状，包括螺旋内壁和螺旋外壁，气旋加速器的进风口与螺旋内壁相对设置。
7.根据权利要求6所述的驱动系统，其特征在于：还包括检测聚风系统聚风风速的测速仪，所述测速仪与主控制模块电连接。
8.新型风力发电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、系统启动，风力涡轮机旋转，带动发电机主轴旋转；速度传感器检测发电机主轴旋转速度，风速仪检测外界风速，并传递给主控制模块；
B、检测发电机主轴转速是否达到发电机额定转速的5％-30％，若是，则执行步骤C；若否，则执行步骤D；
C、由主控制模块控制，启动第一电磁体，通过第一位移执行器驱动调整第一电磁体与第一永磁体产生斥力，驱动发电机主轴加速旋转；
由第一电磁体驱动加速一定时间后，检测发电机主轴转速是否达到发电机额定转速的70％，若没有，则继续驱动第一电磁体与转轴外侧的第一永磁体相斥，驱动发电机主轴加速旋转，否则执行步骤E；
D、若发电机转速未达到额定转速的5％-30％，或者系统启动时，结合风速仪判断当前风速较弱或无风，不足以启动发电机；
则由主控制模块控制启动第一电磁体，通过驱动第二位移执行器控制第一电磁体靠近第一永磁体，通过间隙调整达到斥力最佳的位置，驱动第一永磁体带动转轴旋转，直至发电机转轴接近或达到发电机额定转速，并保持在额定转速；
E、由主控制模块控制，启动第二永磁体，关闭第一电磁体，通过第一位移执行器驱动第二永磁体与第一永磁体达到斥力最佳位置，维持转轴持续旋转，使发电机主轴接近或达到额定转速并维持；
步骤A中，若系统启动时，检测到外界风速较大，或为破坏性风速，发电机主轴转速很快超过发电机额定转速的30％，则此时，由主控制模块控制启动第二电磁体，与第一永磁体产生相吸的磁力，使径向力矩加大，降低转轴的转速，以维持在发电机额定转速。
9.根据权利要求8所述发电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤C、D、E中，在调整第一电磁体、第二电磁体与第一永磁体之间斥力或吸力时，还可以通过功率放大器来调整第一电磁体和第二电磁体磁性大小。
10.根据权利要求8所述发电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤A中，系统启动时，还包括通过聚风系统将风力聚集到1.5倍以上并输出至风力涡轮机的步骤。
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