新型垂直軸磁懸浮風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)構(gòu)建及其控制策略分析

葉云洋 陳文明

摘? 要：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、制造和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有較廣闊的市場前景，但傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)由于啟動性能較差、風(fēng)能利用率較低因而沒有得到廣泛應(yīng)用，而現(xiàn)有的磁懸浮垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其較高的損耗率和較高的成本也沒有得到普及。文章構(gòu)建了一種新型的垂直軸磁懸浮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，并根據(jù)風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作狀況提出了基于最大風(fēng)能跟蹤的自適應(yīng)智能控制策略，保證風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的同時(shí)降低損耗，為垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)展提供了一條新的思路。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī);磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng);自適應(yīng)智能控制

中圖分類號：TP273.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）22-0023-02

Abstract： Vertical axis wind turbine has the advantages of simple structure， low noise， low manufacturing and maintenance cost， and has a broad market prospect in small and medium-sized wind turbines， but the traditional vertical axis wind turbine has poor start-up performance. The low utilization rate of wind energy has not been applied on a large scale， and the existing magnetic vertical axis wind turbine has not bee n popularized because of its high loss rate and high cost. A new type of rotor system of the magnetic wind power generator is constructed in this project. Based on the actual working condition of wind turbine， the adaptive intelligent control strategy for maximum wind energy tracking of fan is proposed. It not only ensures the wind energy utilization ratio of the fan， but also reduces the loss. The results can provide a new idea for the development of vertical axis wind turbine.

Keywords： vertical axis wind turbine; rotor system of the magnetic suspending; adaptive intelligent control

1 概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的一種設(shè)備，可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩種[1]，水平軸風(fēng)機(jī)的技術(shù)相對成熟但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)[2]，且大型化基本已經(jīng)達(dá)到了極限，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為其中重要的一支，具有啟動風(fēng)速低、噪聲低、制造和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有較廣闊的市場前景，一些國內(nèi)外專家和研究人員將研究的目光重新投向了垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[3-4]。隨著磁懸浮技術(shù)和電氣控制技術(shù)的發(fā)展，近年來很多研究者將磁懸浮技術(shù)成功應(yīng)用于中小型垂直軸風(fēng)機(jī)上，取得了很多新的技術(shù)突破，大大提高了風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率及其使用范圍[5]。但目前大多數(shù)垂直軸磁懸浮發(fā)電機(jī)技術(shù)主要采用單一的主動磁懸浮軸承或被動磁懸浮結(jié)構(gòu)，缺乏對環(huán)境變化的適應(yīng)能力，特別是在低風(fēng)速區(qū)，由于垂直軸磁懸浮發(fā)電機(jī)長時(shí)間處于待發(fā)電區(qū)和發(fā)電區(qū)之間，主動磁懸浮發(fā)電機(jī)的電磁損耗比較大[6]。因此，如果垂直軸磁懸浮風(fēng)機(jī)具有多種工作模式，可以在低風(fēng)速區(qū)、中風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)自動選擇最佳的工作模式，在不降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動風(fēng)速同時(shí)減少電磁損耗，再通過風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)來優(yōu)化整個垂直軸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，那么將大大提高其實(shí)用性，并擴(kuò)大其使用范圍。

2 多模式磁懸浮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)構(gòu)建

如圖1所示，設(shè)計(jì)的多模態(tài)磁懸浮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)磁主軸承、轉(zhuǎn)子體、定子線圈、陶瓷滾珠、軸向懸浮磁鋼、懸浮定位磁鋼、定位平面線圈、電源、傳感器、發(fā)電機(jī)箱體和垂直軸風(fēng)機(jī)主軸等。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)最中間部分是軸向電磁軸承，通電后可以使轉(zhuǎn)子體懸浮;電磁軸承的頂部是陶瓷滾珠軸承，在靜態(tài)和低速時(shí)滾珠軸承支撐著轉(zhuǎn)子體運(yùn)動;轉(zhuǎn)子體周邊放置著至少三個懸浮定位執(zhí)行線圈，保證轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的安全穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可以說是整個垂直軸風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件，發(fā)電時(shí)將磁轉(zhuǎn)子系統(tǒng)豎直放置在垂直軸風(fēng)機(jī)底部的發(fā)電機(jī)箱體中，結(jié)合垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際工作情況，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有三種工作模式。

（1）在風(fēng)速較低時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在摩擦阻力很小的陶瓷頂珠軸承帶動下低速轉(zhuǎn)動;當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼處于低速平衡狀態(tài)時(shí)，其加速度為零，即所受合力為零，轉(zhuǎn)子磁鋼的重力就等于陶瓷滾珠軸對其向上的支持力。此時(shí)，電機(jī)近似等效于一個永磁異步電動機(jī)。

（2）當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向力線圈磁場使轉(zhuǎn)子體浮起，轉(zhuǎn)子體無硬摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)高效發(fā)電，此時(shí)磁懸浮發(fā)電機(jī)中有兩套線圈繞組同時(shí)工作，一套用于產(chǎn)生電磁力和旋轉(zhuǎn)磁場的定子線圈繞組，另一套是使磁懸浮發(fā)電機(jī)產(chǎn)生可控懸浮力的軸向力線圈組。

（3）在風(fēng)速較高時(shí)，轉(zhuǎn)子體仍處于磁懸浮狀態(tài)，可以通過控制軸向定位線圈的電磁場穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的位置同時(shí)保護(hù)發(fā)電機(jī)，提高發(fā)電效率。

結(jié)合普通磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模的思路，電機(jī)處于不同的工作模式對應(yīng)有不同的模型。

3 多模式磁懸浮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)控制策略分析

在構(gòu)建的垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)力發(fā)電實(shí)際運(yùn)行過程中風(fēng)速變化的情況，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同工作模式之間的無縫切換方案，充分利用系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)特性研究高效易行的控制方案，以實(shí)現(xiàn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最佳發(fā)電效果[7]。

3.1 低風(fēng)速區(qū)控制策略

當(dāng)實(shí)際來流風(fēng)速小于啟動風(fēng)速時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子處于待機(jī)狀態(tài);當(dāng)風(fēng)速大于啟動風(fēng)速后，風(fēng)機(jī)開始在額定風(fēng)速是低于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電電機(jī)轉(zhuǎn)子體在摩擦阻力很小的陶瓷頂珠軸承帶動下低速轉(zhuǎn)動發(fā)電，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)速成線性正比，使用閉環(huán)數(shù)字PID控制便可實(shí)現(xiàn);當(dāng)風(fēng)速在低速區(qū)大于一定值時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與風(fēng)速關(guān)系不成正比關(guān)系了，風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)入下一個工作模式。

3.2 中風(fēng)速區(qū)控制策略

當(dāng)風(fēng)速在中速區(qū)大于某風(fēng)速而小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，磁軸承通電產(chǎn)生磁場使轉(zhuǎn)子體懸浮轉(zhuǎn)動無摩擦發(fā)電，這時(shí)可使用最大風(fēng)能追蹤（MPPT）策略，當(dāng)風(fēng)機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速大小的變化而變化時(shí)，MPPT的目標(biāo)就是控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使風(fēng)機(jī)盡可能運(yùn)行在最大功率處，進(jìn)而獲得最大的風(fēng)能[8]。

3.3 高風(fēng)速區(qū)控制策略

對于普通風(fēng)力機(jī)而言，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)而小于安全風(fēng)速后，此時(shí)風(fēng)力機(jī)不僅不能獲得大的能量而且會使風(fēng)電機(jī)組受損，而且超過額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)的輸出功率不僅不能過快的增加反而會急速下降，因?yàn)樵陬~定點(diǎn)之后，槳葉處于失速狀態(tài)。而對于磁懸浮發(fā)電機(jī)可以通過加入軸向反向磁場以限制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，并采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)使風(fēng)機(jī)工作在額定功率下，限制風(fēng)能的吸收，從而克服失速這個缺點(diǎn)，使風(fēng)力機(jī)在額定點(diǎn)后仍能保持較高的功率，有利于保護(hù)對機(jī)組的傳動系統(tǒng)，保證風(fēng)機(jī)的安全性。

綜合以上分析，這款風(fēng)機(jī)可以采用基于最大風(fēng)能跟蹤的模糊PID控制策略，保證風(fēng)機(jī)發(fā)電效率同時(shí)兼顧安全穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

根據(jù)垂直軸發(fā)電機(jī)實(shí)際工作情況，構(gòu)建了多工作模式的垂直軸磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合考慮風(fēng)機(jī)控制成本、發(fā)電效率和電能質(zhì)量，提出了自適應(yīng)能力很強(qiáng)的智能控制策略，以使風(fēng)機(jī)能夠低風(fēng)速自啟動、磁懸浮高效發(fā)電及強(qiáng)風(fēng)自動保護(hù)，為小型垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制及兆瓦級垂直軸風(fēng)力發(fā)的研發(fā)提供技術(shù)參考。

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