[发明专利]低风速大功率磁悬浮垂直轴风电机组及其控制方法

权利要求书

1.低风速大功率磁悬浮垂直轴风电机组，其特征在于，包括：永磁直驱型风力发电机、磁悬浮盘式电机、风轮、气隙传感器、上端轴承、下端轴承、外壳、塔架、变流器系统、接触器和储能设备；

所述永磁直驱型风力发电机包括定子和转子；所述定子套装在所述塔架的外圆周上，并与所述塔架固定，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组为三相绕组；所述转子为外转子，套在所述定子外侧，所述转子包括转子铁芯和永磁体，所述永磁体与所述转子铁芯的表面固定，所述转子铁芯与所述外壳的内侧面固定；

所述磁悬浮盘式电机位于所述永磁直驱型风力发电机的下方，包括盘式定子、盘式转子和螺纹圆盘；所述盘式定子由盘式定子铁芯和盘式定子绕组组成，所述盘式定子绕组为三相绕组，所述盘式定子铁芯与所述螺纹圆盘固定，所述螺纹圆盘与所述塔架固定，所述气隙传感器贴装在所述盘式定子铁芯表面；所述盘式转子为永磁体转子，与所述外壳的底部固定；

所述风轮包括第一风轮和第二风轮；所述第一风轮包括横向支架和第一叶片，所述横向支架的一端与所述第一叶片固定，另一端与所述外壳的侧面固定；所述第二风轮包括纵向支架和第二叶片，所述纵向支架的一端与所述第二叶片固定，另一端与所述外壳的顶部固定；

所述上端轴承位于所述外壳的顶部中央内侧，套装在所述塔架的外圆周上，且与所述塔架的顶端固定；所述下端轴承位于所述外壳的底部中央内侧，套装在所述塔架的外圆周上，与所述塔架固定；

所述变流器系统包括机侧变流器、网侧变流器、悬浮变流器；所述机侧变流器的一端与所述永磁直驱型风力发电机的定子连接，另一端分别与所述网侧变流器和所述接触器连接；所述网侧变流器的另一端通过变压器与电网连接；所述悬浮变流器的一端与所述磁悬浮盘式电机的盘式定子连接，另一端分别与所述储能设备和所述接触器的另一端连接；

所述永磁直驱型风力发电机的转子、所述磁悬浮盘式电机的盘式转子、所述风轮以及所述外壳统称为旋转体。

2.一种如权利要求1所述的低风速大功率磁悬浮垂直轴风电机组的控制方法，其特征在于，采用如下步骤：

步骤1，启动准备：当风速V_w达到切入风速V_in时，启动所述悬浮变流器，由所述储能设备给所述悬浮变流器提供直流电源，此时，所述悬浮变流器处于逆变状态，所述悬浮变流器输出的三相电流i_a、i_b、i_c经abc/dq坐标变换，得到所述盘式定子的d轴电流分量i_d和q轴电流分量i_q，调节i_d，使所述盘式定子产生的电磁吸力f_e增大，直至使所述旋转体开始上升；

步骤2，最大功率点跟踪控制：当风速V_w处于切入风速V_in和额定风速V_N之间时，即：V_in<V_w≤V_N，一方面，由所述悬浮变流器实施悬浮控制，确保所述旋转体在转动过程中保持在悬浮平衡点，其方法是：将悬浮平衡点处的气隙长度设定值δ_ref与所述气隙传感器实时测得的悬浮气隙长度δ之差经过PI调节器得到所述盘式定子的d轴电流分量给定值i_d^*，将此i_d^*与其实际测量值i_d之差经过PI调节器得到所述盘式定子的d轴电压分量给定值u_d^*；同时令所述盘式定子的q轴电流分量给定值i_q^*＝0，将此i_q^*与其实际测量值i_q之差经过PI调节器得到所述盘式定子的q轴电压分量给定值u_q^*；u_d^*和u_q^*经dq/αβ坐标变换得到u_α^*和u_β^*，送入SVPWM模块调制后产生驱动信号，控制所述悬浮变流器产生所需的励磁电压u_a、u_b、u_c和电流i_a、i_b、i_c，使所述旋转体保持在悬浮平衡点；

另一方面，所述永磁直驱型风力发电机在风力作用下开始发电，由所述机侧变流器对所述永磁直驱型风力发电机实施有功功率的最大功率点跟踪控制，由所述网侧变流器实现并网；

步骤3，恒功率输出控制：当风速V_w处于额定风速V_N和切出风速V_out之间时，即：V_N<V_w≤V_out，根据风速大小，控制所述悬浮变流器、所述机侧变流器，使所述永磁直驱风力发电机输出功率保持为额定功率，具体方法为：

31)如果风速V_w大于额定风速V_N，但小于设定风速V_S，即：V_N<V_w<V_S，则采用旋转阻尼控制方法，即：控制所述悬浮变流器，逐步使所述盘式定子的d轴电流分量i_d变小，使所述盘式定子产生的电磁吸力f_e与所述盘式转子永磁体产生的电磁吸力f_pm之和小于所述旋转体的重力mg，进而使所述外壳垂直降落至与所述塔架接触，所述外壳与所述塔架之间将产生摩擦力，则所述旋转体在旋转过程中将产生摩擦阻力矩T_f，即增大旋转阻尼；同时控制所述机侧变流器，按运动方程对所述永磁直驱型风力发电机的转速实施控制，进而确保所述永磁直驱型风力发电机输出额定功率，由所述网侧变流器实现并网；

32)如果风速V_w继续增大，即：V_S≤V_w≤V_out，则所述悬浮变流器采用零d轴电流控制策略，即令i_d^*＝0，从而使所述盘式定子产生的电磁吸力f_e降至0，所述外壳将完全降落在所述塔架上，此时摩擦阻力矩T_f达到最大值，使旋转阻尼增大；同时控制所述机侧变流器，按运动方程对所述永磁直驱型风力发电机的转速实施控制，进而确保所述永磁直驱型风力发电机输出额定功率；此时所述磁悬浮盘式电机处于发电状态，通过所述悬浮变流器向电网输送电能；由所述网侧变流器实现并网。