葉云洋 陳文明

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

關鍵詞：垂直軸風力發(fā)電機;磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng);自適應智能控制

中圖分類號：TP273.1 文獻標志碼：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

風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)化成電能的一種設備，可分為水平軸風力機和垂直軸風力機兩種[1]，水平軸風機的技術相對成熟但存在結構復雜、制造和維護成本高等缺點[2]，且大型化基本已經(jīng)達到了極限，而垂直軸風力發(fā)電機作為其中重要的一支，具有啟動風速低、噪聲低、制造和維護成本低等優(yōu)點，在中小型風力發(fā)電機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力發(fā)電系統(tǒng)[3-4]。隨著磁懸浮技術和電氣控制技術的發(fā)展，近年來很多研究者將磁懸浮技術成功應用于中小型垂直軸風機上，取得了很多新的技術突破，大大提高了風機的發(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)電機技術主要采用單一的主動磁懸浮軸承或被動磁懸浮結構，缺乏對環(huán)境變化的適應能力，特別是在低風速區(qū)，由于垂直軸磁懸浮發(fā)電機長時間處于待發(fā)電區(qū)和發(fā)電區(qū)之間，主動磁懸浮發(fā)電機的電磁損耗比較大[6]。因此，如果垂直軸磁懸浮風機具有多種工作模式，可以在低風速區(qū)、中風速區(qū)和高風速區(qū)自動選擇最佳的工作模式，在不降低風力發(fā)電機啟動風速同時減少電磁損耗，再通過風機控制系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)來優(yōu)化整個垂直軸浮風力發(fā)電機，從而提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率，那么將大大提高其實用性，并擴大其使用范圍。

2 多模式磁懸浮發(fā)電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)構建

如圖1所示，設計的多模態(tài)磁懸浮發(fā)電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結構包括導磁主軸承、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)電機箱體和垂直軸風機主軸等。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)和低速時滾珠軸承支撐著轉(zhuǎn)子體運動;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)子在高速運轉(zhuǎn)時的安全穩(wěn)定。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可以說是整個垂直軸風力機的關鍵部件，發(fā)電時將磁轉(zhuǎn)子系統(tǒng)豎直放置在垂直軸風機底部的發(fā)電機箱體中，結合垂直軸風力發(fā)電機的實際工作情況，發(fā)電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有三種工作模式。

（1）在風速較低時，發(fā)電機轉(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;當轉(zhuǎn)子磁鋼處于低速平衡狀態(tài)時，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，電機近似等效于一個永磁異步電動機。

（2）當風速達到一定值時，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向力線圈磁場使轉(zhuǎn)子體浮起，轉(zhuǎn)子體無硬摩擦運轉(zhuǎn)高效發(fā)電，此時磁懸浮發(fā)電機中有兩套線圈繞組同時工作，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)電機產(chǎn)生可控懸浮力的軸向力線圈組。

（3）在風速較高時，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)電機的位置同時保護發(fā)電機，提高發(fā)電效率。

結合普通磁懸浮風力發(fā)電機建模的思路，電機處于不同的工作模式對應有不同的模型。

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

在構建的垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結構基礎上，考慮風力發(fā)電實際運行過程中風速變化的情況，研究風力發(fā)電機在不同工作模式之間的無縫切換方案，充分利用系統(tǒng)本身結構特性研究高效易行的控制方案，以實現(xiàn)垂直軸風力發(fā)電機組最佳發(fā)電效果[7]。

3.1 低風速區(qū)控制策略

當實際來流風速小于啟動風速時風機轉(zhuǎn)子處于待機狀態(tài);當風速大于啟動風速后，風機開始在額定風速是低于額定風速時，發(fā)電電機轉(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，可以認為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風速成線性正比，使用閉環(huán)數(shù)字PID控制便可實現(xiàn);當風速在低速區(qū)大于一定值時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與風速關系不成正比關系了，風機準備進入下一個工作模式。

3.2 中風速區(qū)控制策略

當風速在中速區(qū)大于某風速而小于額定轉(zhuǎn)速時，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，這時可使用最大風能追蹤（MPPT）策略，當風機的輸出功率隨風速大小的變化而變化時，MPPT的目標就是控制風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速使風機盡可能運行在最大功率處，進而獲得最大的風能[8]。

3.3 高風速區(qū)控制策略

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

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

4 結束語

根據(jù)垂直軸發(fā)電機實際工作情況，構建了多工作模式的垂直軸磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結構，綜合考慮風機控制成本、發(fā)電效率和電能質(zhì)量，提出了自適應能力很強的智能控制策略，以使風機能夠低風速自啟動、磁懸浮高效發(fā)電及強風自動保護，為小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機的研制及兆瓦級垂直軸風力發(fā)的研發(fā)提供技術參考。

參考文獻：

[1]胡以懷，金浩，馮是全，等.垂直軸風力機在風力致熱中的應用研究[J].科技通報，2017，33（12）：1-8.

[2]杜曉東，邢永恒.關于風力發(fā)電機剎車裝置的改進研究與設計[J].河北企業(yè)，2017（08）：197-198.

[3]Ismail M F， Vijayaraghavan K. The effects of aerofoil profile modification on a vertical axis wind turbine performance[J]. Energy， 2015，80（FEB.1）：20-31.

[4]任雁.垂直軸風力發(fā)電機電壓控制器的研發(fā)[D].河南科技大學，2009.

[5]張廣路.垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)控制研究[D].燕山大學，2010.

[6]魏杰，朱熀秋，周超，等.磁懸浮風力發(fā)電機發(fā)展及其控制策略研究[J].電氣自動化，2013，35（01）：7-11.

[7]Hohman T C， Martinelli L， Smits A J. The effects of inflow conditions on vertical axis wind turbine wake structure and performance[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics， 2018，183：1-18.

[8]尹潮鴻，謝樺，童亦斌，等.直驅(qū)風力發(fā)電機的功率控制[J].機械與電子，2009（07）：37-39.