CN109672299B - 风力磁悬浮飞轮辅助发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力磁悬浮飞轮辅助发电系统，采用磁悬浮飞轮旋转体，实施偏航迎风和机械冲击平抑，以及超过发电机额定功率部分的消纳使用，全方位提升风能利用率，存在飞轮驱动偏航发电、飞轮储能风力发电以及停机三种模式。风向改变，飞轮悬浮绕组上电，飞轮旋转体将机舱悬浮至偏航高度，飞轮偏航绕组产生电磁转矩，驱动机舱偏航对风；偏航结束后，飞轮旋转体悬浮降落至储能高度，平抑发电机机械冲击；额定风速以上工况时，飞轮旋转体将超过发电机额定功率部分高效转化，当超过飞轮最大转化功率时，飞轮旋转体悬浮驱动机舱侧风，确保发电机恒功率输出。本发明实用化将极大提升风能利用率，降低偏航功耗和设备维护费用。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力磁悬浮飞轮辅助发电系统，将磁悬浮飞轮储能、飞轮释能与水平轴风力发电的偏航迎风、侧偏保护以及风能拓宽纳为一体，极大降低偏航功耗，充分利用多余额定风速以上风能，非常适合大中型风机发电系统。
背景技术
风力发电是一种严格无污染的新能源，一直以来颇受世界各国能源部门广泛关注。风机偏航系统是水平轴风力发电系统的关键组件，驱动风机桨叶迎风，提升捕获功率，但目前风机偏航系统多采用齿轮传动耦合，结构复杂、摩擦损耗大、故障率高，严重影响有效风机捕获功率。发明专利200910161406.7和201410143297.7披露了一种磁悬浮偏航装置，采用磁悬浮技术驱动机舱悬浮下偏航，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，机舱偏航迎风仅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，当风机桨叶捕获功率经常超过发电机额定功率，为保护发电机安全，经常侧风保护，使得风能不能充分利用，同时因偏航功耗问题，极大降低了风能利用，同时波动风速极易导致发电机轴机械冲击，严重影响发电机使用寿命。
发明内容
本发明的技术任务是克服现有技术的不足，提供一种风力磁悬浮飞轮辅助发电系统，极大降低偏航功耗、提升风能利用率以及磁悬浮飞轮偏航装置的利用率。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种风力磁悬浮飞轮辅助发电系统，其特征包括机舱、发电机、机舱旋转体、飞轮旋转体、飞轮偏航绕组、偏航锁存绕组、飞轮耦合轴、飞轮耦合绕组、悬浮锁存绕组、飞轮悬浮绕组、混合塔架、以及变流器单元，完成风力发电、飞轮驱动偏航以及飞轮储能；所述机舱前端设置风机桨叶，桨叶经水平传动轴、变速齿轮组、飞轮耦合轴，分别与发电机和飞轮旋转体耦合，驱动发电机发电和飞轮能量转化；所述机舱旋转体为圆盘状结构，上端和机舱底部刚性联接，下端设置T型圆环带导轨，与设置在混合塔架上T型槽一起，引导机舱旋转，限制机舱俯仰，并由球形滚珠和飞轮耦合轴耦合；所述飞轮旋转体内置飞轮偏航绕组，外型为盘式旋转结构，上下两端各配置一个圆柱型联结轴，上圆柱型联结轴内置圆柱型凹槽以及飞轮耦合绕组，为飞轮耦合轴提供上下运动空间，完成飞轮旋转体和飞轮耦合轴的机械联结，下圆柱形联结轴内嵌在混合塔架中心凹槽内，下端设置有被动悬浮装置；所述飞轮偏航绕组内嵌在飞轮旋转体内，为星型联结的三相交流绕组，与飞轮悬浮绕组产生的励磁磁场合作，产生电磁力矩驱动机舱偏航迎风、侧偏保护以及储能；所述偏航锁存绕组为4个电磁绕组，正交设置在机舱旋转体的内侧圆环中，上电制动时将机舱旋转体和飞轮旋转体耦合一体，驱动机舱偏航；所述飞轮耦合绕组为4个电磁绕组，正交设置在飞轮旋转体上圆柱型联结轴内，上电将飞轮旋转体和飞轮耦合轴机械联结，实现飞轮储能和发电机机械冲击平抑；所述飞轮悬浮绕组设置在混合塔架上端，共有8个按照N/S顺序排列的直流励磁绕组组成，产生飞轮旋转体气隙磁场，支撑飞轮旋转体悬浮和旋转，驱动机舱偏航。
所述变流器单元包括机侧变流器、网侧变流器、BUCK-BOOST变流器、飞轮悬浮变流器、飞轮锁存变流器、飞轮储能变流器、偏航锁存变流器以及DSP28035主控单元；所述机侧变流器为水平轴发电机的整流单元，采用SVPWM调制方法，并以风能捕获优化转速为控制目标，优化输出发电机转矩电流，调节变流器占空比，捕获最大风能；所述网侧变流器为双向PWM变流器，控制变流器占空比，保持直流母线电压恒定；所述飞轮悬浮变流器为H桥拓扑结构，与飞轮悬浮绕组直流联接，根据工作方式不同的悬浮高度参考，调节占空比和方向，改变飞轮旋转体悬浮高度；所述飞轮储能变流器和飞轮偏航绕组直接联结，存在整流和逆变两种模式，逆变模式为飞轮偏航绕组提供三相交流电能，产生电磁转矩驱动飞轮旋转体和机舱偏航，整流模式将飞轮高速旋转储存的能量转化成的三相交流电能，整流后，经BUCK-BOOST变流器升压，汇流至网侧变流器直流母线侧；所述飞轮锁存变流器为H桥拓扑结构，与飞轮耦合绕组相连，提供直流电流和电磁吸力，控制飞轮旋转体与风机传动轴耦合，实施飞轮驱动偏航和飞轮储能发电的工作模式改变；所述偏航锁存变流器为H桥拓扑结构，与偏航锁存绕组相连，提供直流电流和电磁吸力，控制飞轮旋转体和机舱旋转体的机械耦合。
本发明所带来的有益效果是：1）采用磁悬浮飞轮驱动技术，将机舱旋转体悬浮下偏航迎风，极大降低了偏航功耗，提升了偏航对风精度，并在偏航正面迎风时进行波动功率平抑，消纳波动风速对发电机机械冲击，提高了磁悬浮偏航装置使用率；2）基于飞轮储能变流器以及磁悬浮飞轮旋转体的协同机制，可实现风机额定风速以上，超过发电机额定功率以上的风能利用，并以储能形式消纳发电机输出轴多余功率，提升了风能利用空间，减小了风速波动对发电机轴机械冲击，确保发电机安全。
附图说明
图1 风力磁悬浮飞轮辅助发电系统结构图。
图2 风力磁悬浮飞轮辅助发电系统电气结构图。
图3 风力磁悬浮飞轮辅助发电系统运行机制图。
图中：1.水平桨叶，2. 水平传动轴，3.发电机，4.机舱，5. 风速风向测试仪，6.旋转T型轨，7. 风机限位轴承，8.偏航锁存绕组，9. 飞轮悬浮绕组， 10.飞轮旋转体，11.飞轮偏航绕组，12.飞轮耦合轴，13.飞轮耦合绕组 14.被动悬浮装置，15.机舱托撑，16.变流器单元，17.电源线通路， 18.旋转轴承，19.机舱旋转体，20.混合塔架，21.飞轮悬浮变流器，22.飞轮锁存变流器，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. 偏航锁存变流器，29.塔架底撑，30.旋转T型槽，31.变速齿轮组，32.飞轮储能变流器。
变量说明：
δ ref1机舱偏航悬浮气隙参考；
δ ref2飞轮储能悬浮气隙参考；
δ min允许最小悬浮气隙偏差；
δ飞轮旋转体悬浮气隙；
v风速；
θ 偏航角度；
v cutin风机切入风速；
v n 风机额定风速；
v cutout风机切出风速；
θ min允许的最小偏航偏差；
P G 发电机输出功率；
P Gmax发电机最大输出功率；
P GN发电机额定功率；
P w正面迎风时风能功率；
P fmax最大飞轮转化功率；
P f 飞轮转化功率。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
本发明所公布的风力磁悬浮飞轮辅助发电系统，包括机舱4、发电机3、机舱旋转体19、飞轮旋转体10、飞轮偏航绕组11、风机限位轴承7、飞轮悬浮绕组9、混合塔架20（机舱托撑15和塔架底撑29）、以及变流器单元16，协同完成水平轴风力发电、水平轴机舱偏航以及飞轮辅助储能；变流器单元16为风力磁悬浮飞轮辅助发电系统电气控制部分，包括机侧变流器27、网侧变流器26、升压变压器25、BUCK-BOOST变流器23、飞轮储能变流器32、飞轮悬浮变流器21、飞轮锁存变流器22、悬浮阻尼变流器28，DSP28035主控单元实时根据检测信号，协同控制各变流器占空比，完成风能捕获、机舱偏航、飞轮储能、机械冲击平抑、升降压控制以及馈电上网。
本发明公布的风力磁悬浮飞轮辅助发电系统运行机制如图3所示，DSP28035主控单元实时根据风速风向测试仪5和电流表、电压表获取的v、、U和I，对风力磁悬浮飞轮辅助发电系统工作模式进行判断，可工作在飞轮驱动偏航发电模式和飞轮储能发电模式以及停机模式等三种。
当风速v满足[v cutin, v n ]时，系统运行在飞轮驱动偏航发电模式，此时P G<P GN，在此模式下，风机桨叶需时刻正面迎风，以提升风能捕获功率。当时，风机桨叶偏离迎风面，系统进入飞轮驱动迎风状态；当/>时，偏航迎风状态结束，风机机舱正面迎风，此时进入飞轮冲击平抑状态。
当风速v满足[v n, v cutout ]时，系统运行在飞轮储能风力发电模式，此时风机捕获功率P w超过发电机额定功率P GN，为提升风能捕获功率，确保发电机安全，系统需进行飞轮驱动侧风状态和飞轮储能状态。当P w<P GN+ P fmax时，系统工作在飞轮储能状态，飞轮消纳多余功率并转化为电能，馈流上网；当P w>P Gmax+ P fmax时，系统工作在飞轮驱动侧风状态。
当风速v超过v cutout时，系统运行在停机模式，确保风机整体系统安全。
一、飞轮驱动偏航发电模式
飞轮悬浮绕组上电，产生电磁吸力将飞轮旋转体悬浮，进而驱动机舱上升至偏航悬浮高度，此时飞轮偏航绕组上电产生偏航电磁转矩，驱动机舱偏航迎风，偏航结束后，减小电磁吸力将飞轮旋转体悬浮降落至飞轮储能悬浮高度，机舱降落至混合塔架上，此时飞轮偏航绕组在悬浮励磁电流作用下，将波动风能转化电能，减小发电机轴机械冲击。
当时，风机桨叶偏离迎风面，系统进入飞轮驱动迎风状态。飞轮悬浮变流器21向飞轮悬浮绕组9通电，飞轮耦合绕组13掉电，悬浮电流根据飞轮旋转体10上安装的气隙传感器动态调整，在飞轮旋转体10和混合塔架20之间产生电磁吸力，驱动飞轮旋转体10悬浮，机舱旋转体19在飞轮旋转体驱动下，悬浮高度逐步提升，直至达到悬浮气隙δ ref1，此时飞轮驱动机舱悬浮过程结束。此时，偏航锁存绕组8上电，使机舱旋转体19和飞轮旋转体10成为一体，此时BUCK-BOOST变流器23将发电机机侧变流器27后直流母线电压降压，并经飞轮储能变流器32逆变，为飞轮偏航绕组11提供交流电，在飞轮悬浮绕组7励磁作用下，产生电磁转矩，驱动飞轮旋转体10和机舱4，主动偏航对风。
当偏航角度时，飞轮驱动迎风状态结束，进入了飞轮冲击平抑状态，此时悬浮绕组9电流缓慢增大，飞轮旋转体10悬浮高度降低，机舱旋转体19首先降落至混合塔架20，机舱4重力完全由混合塔架20支撑，此时飞轮旋转体10继续悬浮下降，直至悬浮气隙为δ ref2，飞轮耦合绕组13上电，飞轮旋转体10和飞轮耦合轴12刚性耦合，风机桨叶1波动功率经由变速齿轮组31，由飞轮旋转体机械平抑，同时飞轮偏航绕组11在悬浮磁场作用下，产生电能馈入直流母线。
二、飞轮储能风力发电模式
当风速v超过额定风速vn以后，风机捕获功率P w超过发电机额定功率P GN时，为确保发电机安全，多余的P w-P GN功率，由飞轮旋转体转化成电能，系统进入飞轮储能状态，当飞轮转化功率P f>P fmax 时，系统进入飞轮驱动侧风状态，确保发电机恒功率输出。
当P w<P GN+ P fmax时，系统工作在飞轮储能状态，飞轮悬浮变流器21向飞轮悬浮绕组9通电，悬浮电流根据飞轮旋转体10上安装的气隙传感器动态调整悬浮气隙磁场强度，将飞轮旋转体10平滑悬浮至δ ref2处，此时飞轮耦合绕组13上电，将风机传动轴与飞轮锁为一体，飞轮旋转体10在风机传动轴驱动下，切割飞轮悬浮磁场，飞轮偏航绕组11产生三相电流，经由飞轮储能变流器32,整流输出，并以发电机输出功率恒定P GN为目标，调控飞轮储能变流器32,的占空比，改变飞轮旋转体电磁转矩，实现飞轮旋转体高效储能，并经23BUCK-BOOST变流器升压和发电机直流母线耦合。
当P w>P Gmax+ P fmax时，系统进入至飞轮驱动侧风状态，飞轮悬浮变流器21向飞轮悬浮绕组9通电，飞轮耦合绕组13掉电，悬浮电流根据飞轮旋转体10上安装的气隙传感器动态调整，在飞轮旋转体10和混合塔架20之间产生电磁吸力，驱动飞轮旋转体10悬浮，机舱旋转体19在飞轮旋转体驱动下，悬浮高度逐步提升，直至达到悬浮气隙δ ref1。此时，偏航锁存绕组8上电，使机舱旋转体19和飞轮旋转体10成为一体，此时BUCK-BOOST变流器23将发电机机侧变流器27后直流母线电压降压，并经飞轮储能变流器32逆变，为飞轮偏航绕组11提供交流电，在飞轮悬浮绕组7励磁作用下，产生电磁转矩，驱动飞轮旋转体10和机舱4，偏航侧风，确保发电机输出功率恒定为P GN。
三、风力发电停机模式
当风速不在[vcutin, vcutout]范围内，为确保风电系统安全，将风电系统切出电网，整体发电系统停机。飞轮悬浮变流器21调控飞轮悬浮绕组9电流，促使飞轮旋转体10以及机舱4悬浮降落，飞轮耦合绕组13掉电，解除了风机桨叶1和发电机3和飞轮旋转体10之间的机械耦合，随着飞轮旋转体10的下降，机舱逐步降落至混合塔架上。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (1)
1.一种风力磁悬浮飞轮辅助发电系统，其特征包括机舱、发电机、机舱旋转体、飞轮旋转体、飞轮偏航绕组、偏航锁存绕组、飞轮耦合轴、飞轮耦合绕组、悬浮锁存绕组、飞轮悬浮绕组、混合塔架、以及变流器单元，完成风力发电、飞轮驱动偏航以及飞轮储能；所述机舱前端设置风机桨叶，桨叶经水平传动轴、变速齿轮组、飞轮耦合轴，分别与发电机和飞轮旋转体耦合，驱动发电机发电和飞轮能量转化；所述机舱旋转体为圆盘状结构，上端和机舱底部刚性联接，下端设置T型圆环带导轨，与设置在混合塔架上T型槽一起，引导机舱旋转，限制机舱俯仰，并由球形滚珠和飞轮耦合轴耦合；所述飞轮旋转体内置飞轮偏航绕组，外型为盘式旋转结构，上下两端各配置一个圆柱型联结轴，上圆柱型联结轴内置圆柱型凹槽以及飞轮耦合绕组，为飞轮耦合轴提供上下运动空间，完成飞轮旋转体和飞轮耦合轴的机械联结，下圆柱形联结轴内嵌在混合塔架中心凹槽内，下端设置有被动悬浮装置；所述飞轮偏航绕组内嵌在飞轮旋转体内，为星型联结的三相交流绕组，与飞轮悬浮绕组产生的励磁磁场合作，产生电磁力矩驱动机舱偏航迎风、侧偏保护以及储能；所述偏航锁存绕组为4个电磁绕组，正交设置在机舱旋转体的内侧圆环中，上电制动时将机舱旋转体和飞轮旋转体耦合一体，驱动机舱偏航；所述飞轮耦合绕组为4个电磁绕组，正交设置在飞轮旋转体上圆柱型联结轴内，上电将飞轮旋转体和飞轮耦合轴机械联结，实现飞轮储能和发电机机械冲击平抑；所述飞轮悬浮绕组设置在混合塔架上端，共有8个按照N/S顺序排列的直流励磁绕组组成，产生飞轮旋转体气隙磁场，支撑飞轮旋转体悬浮和旋转，驱动机舱偏航；
所述变流器单元包括机侧变流器、网侧变流器、BUCK-BOOST变流器、飞轮悬浮变流器、飞轮锁存变流器、飞轮储能变流器、偏航锁存变流器以及DSP28035主控单元；所述机侧变流器为水平轴发电机的整流单元，采用SVPWM调制方法，并以风能捕获优化转速为控制目标，优化输出发电机转矩电流，调节变流器占空比，捕获最大风能；所述网侧变流器为双向PWM变流器，控制变流器占空比，保持直流母线电压恒定；所述飞轮悬浮变流器为H桥拓扑结构，与飞轮悬浮绕组直流联接，根据工作方式不同的悬浮高度参考，调节占空比和方向，改变飞轮旋转体悬浮高度；所述飞轮储能变流器和飞轮偏航绕组直接联结，存在整流和逆变两种模式，逆变模式为飞轮偏航绕组提供三相交流电能，产生电磁转矩驱动飞轮旋转体和机舱偏航，整流模式将飞轮高速旋转储存的能量转化成的三相交流电能，整流后，经BUCK-BOOST变流器升压，汇流至网侧变流器直流母线侧；所述飞轮锁存变流器为H桥拓扑结构，与飞轮耦合绕组相连，提供直流电流和电磁吸力，控制飞轮旋转体与风机传动轴耦合，实施飞轮驱动偏航和飞轮储能发电的工作模式改变；所述偏航锁存变流器为H桥拓扑结构，与偏航锁存绕组相连，提供直流电流和电磁吸力，控制飞轮旋转体和机舱旋转体的机械耦合；
所述风力磁悬浮飞轮辅助发电系统包括飞轮驱动偏航发电模式、飞轮储能发电模式以及停机模式三种工作模式；
飞轮驱动偏航发电模式：
飞轮悬浮绕组上电，产生电磁吸力将飞轮旋转体悬浮，进而驱动机舱上升至偏航悬浮高度，此时飞轮偏航绕组上电产生偏航电磁转矩，驱动机舱偏航迎风，偏航结束后，减小电磁吸力将飞轮旋转体悬浮降落至飞轮储能悬浮高度，机舱降落至混合塔架上，此时飞轮偏航绕组在悬浮励磁电流作用下，将波动风能转化电能，减小发电机轴机械冲击，包括飞轮驱动迎风状态和飞轮冲击平抑状态；
飞轮驱动迎风状态，飞轮悬浮变流器向飞轮悬浮绕组通电，飞轮耦合绕组掉电，悬浮电流根据飞轮旋转体上安装的气隙传感器动态调整，在飞轮旋转体和混合塔架之间产生电磁吸力，驱动飞轮旋转体悬浮，机舱旋转体在飞轮旋转体驱动下，悬浮高度逐步提升，直至达到δ ref1，此时飞轮驱动机舱悬浮过程结束；偏航锁存绕组上电，使机舱旋转体和飞轮旋转体成为一体，此时BUCK-BOOST变流器将发电机机侧变流器后直流母线电压降压，并经飞轮储能变流器逆变，为飞轮偏航绕组提供交流电，在飞轮悬浮绕组励磁作用下，产生电磁转矩，驱动飞轮旋转体和机舱，主动偏航对风；
飞轮冲击平抑状态，悬浮绕组电流缓慢增大，飞轮旋转体悬浮高度降低，机舱旋转体首先降落至混合塔架，机舱重力完全由混合塔架支撑，此时飞轮旋转体继续悬浮下降，直至达到δ ref2，飞轮耦合绕组上电，飞轮旋转体和飞轮耦合轴刚性耦合，风机桨叶波动功率经由变速齿轮组，由飞轮旋转体机械平抑，同时飞轮偏航绕组在悬浮磁场作用下，产生电能馈入直流母线；
飞轮储能风力发电模式：
当风速v超过额定风速vn以后，正面迎风时风能功率P w超过发电机额定功率P GN时，为确保发电机安全，多余的P w-P GN功率，由飞轮旋转体转化成电能，系统进入飞轮储能状态，当飞轮转化功率P f> P fmax时，系统进入飞轮驱动侧风状态，确保发电机恒功率输出；
当P w< P GN+ P fmax 时，系统工作在飞轮储能状态，飞轮悬浮变流器向飞轮悬浮绕组通电，悬浮电流根据飞轮旋转体上安装的气隙传感器动态调整悬浮气隙磁场强度，将飞轮旋转体平滑悬浮至δ ref2处，此时飞轮耦合绕组上电，将风机传动轴与飞轮锁为一体，飞轮旋转体在风机传动轴驱动下，切割飞轮悬浮磁场，飞轮偏航绕组产生三相电流，经由飞轮储能变流器,整流输出，并以P GN为目标，调控飞轮储能变流器的占空比，改变飞轮旋转体电磁转矩，实现飞轮旋转体高效储能，并经BUCK-BOOST变流器升压和发电机直流母线耦合；
当P w> P Gmax+ P fmax时，系统进入至飞轮驱动侧风状态，飞轮悬浮变流器向飞轮悬浮绕组通电，飞轮耦合绕组掉电，悬浮电流根据飞轮旋转体上安装的气隙传感器动态调整，在飞轮旋转体和混合塔架之间产生电磁吸力，驱动飞轮旋转体悬浮，机舱旋转体在飞轮旋转体驱动下，悬浮高度逐步提升，直至达到δ ref1，此时，偏航锁存绕组上电，使机舱旋转体和飞轮旋转体成为一体，此时BUCK-BOOST变流器将发电机机侧变流器后直流母线电压降压，并经飞轮储能变流器逆变，为飞轮偏航绕组提供交流电，在飞轮悬浮绕组励磁作用下，产生电磁转矩，驱动飞轮旋转体和机舱，偏航侧风，确保发电机输出功率恒定为P GN；
风轮发电停机模式：
当风速不在[vcutin, vcutout]范围内，为确保风电系统安全，将风电系统切出电网，整体发电系统停机，飞轮悬浮变流器调控飞轮悬浮绕组电流，促使飞轮旋转体以及机舱悬浮降落，飞轮耦合绕组掉电，解除了风机桨叶和发电机和飞轮旋转体之间的机械耦合，随着飞轮旋转体的下降，机舱逐步降落至混合塔架上；
其中，δ ref1为机舱偏航悬浮气隙参考，δ ref2为飞轮储能悬浮气隙参考，P G为发电机输出功率，P Gmax为发电机最大输出功率，P fmax 为最大飞轮转化功率，vcutin为风机切入风速，vcutout为风机切出风速。
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