新型垂直轴磁悬浮风机转子系统构建及其控制策略分析

叶云洋 陈文明

摘  要：垂直轴风力发电机具有结构简单、噪声低、制造和维护成本低等优点，在中小型风力发电机中具有较广阔的市场前景，但传统的垂直轴风力机由于启动性能较差、风能利用率较低因而没有得到广泛应用，而现有的磁悬浮垂直轴风力发电机由于其较高的损耗率和较高的成本也没有得到普及。文章构建了一种新型的垂直轴磁悬浮发电机转子系统，并根据风机的实际工作状况提出了基于最大风能跟踪的自适应智能控制策略，保证风机风能利用率的同时降低损耗，为垂直轴风机的发展提供了一条新的思路。

关键词：垂直轴风力发电机;磁悬浮转子系统;自适应智能控制

中图分类号：TP273.1 文献标志码：A         文章编号：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

风力发电机是将风能转化成电能的一种设备，可分为水平轴风力机和垂直轴风力机两种[1]，水平轴风机的技术相对成熟但存在结构复杂、制造和维护成本高等缺点[2]，且大型化基本已经达到了极限，而垂直轴风力发电机作为其中重要的一支，具有启动风速低、噪声低、制造和维护成本低等优点，在中小型风力发电机中具有较广阔的市场前景，一些国内外专家和研究人员将研究的目光重新投向了垂直轴风力发电系统[3-4]。随着磁悬浮技术和电气控制技术的发展，近年来很多研究者将磁悬浮技术成功应用于中小型垂直轴风机上，取得了很多新的技术突破，大大提高了风机的发电效率及其使用范围[5]。但目前大多数垂直轴磁悬浮发电机技术主要采用单一的主动磁悬浮轴承或被动磁悬浮结构，缺乏对环境变化的适应能力，特别是在低风速区，由于垂直轴磁悬浮发电机长时间处于待发电区和发电区之间，主动磁悬浮发电机的电磁损耗比较大[6]。因此，如果垂直轴磁悬浮风机具有多种工作模式，可以在低风速区、中风速区和高风速区自动选择最佳的工作模式，在不降低风力发电机启动风速同时减少电磁损耗，再通过风机控制系统的智能调节来优化整个垂直轴浮风力发电机，从而提高风力发电机组的发电效率，那么将大大提高其实用性，并扩大其使用范围。

2 多模式磁悬浮发电机转子系统构建

如图1所示，设计的多模态磁悬浮发电机转子系统结构包括导磁主轴承、转子体、定子线圈、陶瓷滚珠、轴向悬浮磁钢、悬浮定位磁钢、定位平面线圈、电源、传感器、发电机箱体和垂直轴风机主轴等。转子系统最中间部分是轴向电磁轴承，通电后可以使转子体悬浮;电磁轴承的顶部是陶瓷滚珠轴承，在静态和低速时滚珠轴承支撑着转子体运动;转子体周边放置着至少三个悬浮定位执行线圈，保证转子在高速运转时的安全稳定。发电机的转子系统可以说是整个垂直轴风力机的关鍵部件，发电时将磁转子系统竖直放置在垂直轴风机底部的发电机箱体中，结合垂直轴风力发电机的实际工作情况，发电机转子系统有三种工作模式。

（1）在风速较低时，发电机转子系统在摩擦阻力很小的陶瓷顶珠轴承带动下低速转动;当转子磁钢处于低速平衡状态时，其加速度为零，即所受合力为零，转子磁钢的重力就等于陶瓷滚珠轴对其向上的支持力。此时，电机近似等效于一个永磁异步电动机。

（2）当风速达到一定值时，转子系统轴向力线圈磁场使转子体浮起，转子体无硬摩擦运转高效发电，此时磁悬浮发电机中有两套线圈绕组同时工作，一套用于产生电磁力和旋转磁场的定子线圈绕组，另一套是使磁悬浮发电机产生可控悬浮力的轴向力线圈组。

（3）在风速较高时，转子体仍处于磁悬浮状态，可以通过控制轴向定位线圈的电磁场稳定发电机的位置同时保护发电机，提高发电效率。

结合普通磁悬浮风力发电机建模的思路，电机处于不同的工作模式对应有不同的模型。

3 多模式磁悬浮发电机转子系统控制策略分析

在构建的垂直轴磁悬浮风力发电机转子系统结构基础上，考虑风力发电实际运行过程中风速变化的情况，研究风力发电机在不同工作模式之间的无缝切换方案，充分利用系统本身结构特性研究高效易行的控制方案，以实现垂直轴风力发电机组最佳发电效果[7]。

3.1 低风速区控制策略

当实际来流风速小于启动风速时风机转子处于待机状态;当风速大于启动风速后，风机开始在额定风速是低于额定风速时，发电电机转子体在摩擦阻力很小的陶瓷顶珠轴承带动下低速转动发电，可以认为转子转速和风速成线性正比，使用闭环数字PID控制便可实现;当风速在低速区大于一定值时，转子转速与风速关系不成正比关系了，风机准备进入下一个工作模式。

3.2 中风速区控制策略

当风速在中速区大于某风速而小于额定转速时，磁轴承通电产生磁场使转子体悬浮转动无摩擦发电，这时可使用最大风能追踪（MPPT）策略，当风机的输出功率随风速大小的变化而变化时，MPPT的目标就是控制风力发电机的转速使风机尽可能运行在最大功率处，进而获得最大的风能[8]。

3.3 高风速区控制策略

对于普通风力机而言，当风速高于额定风速时而小于安全风速后，此时风力机不仅不能获得大的能量而且会使风电机组受损，而且超过额定风速时，风机的输出功率不仅不能过快的增加反而会急速下降，因为在额定点之后，桨叶处于失速状态。而对于磁悬浮发电机可以通过加入轴向反向磁场以限制转子的转速，并采用自适应神经模糊推理系统使风机工作在额定功率下，限制风能的吸收，从而克服失速这个缺点，使风力机在额定点后仍能保持较高的功率，有利于保护对机组的传动系统，保证风机的安全性。

综合以上分析，这款风机可以采用基于最大风能跟踪的模糊PID控制策略，保证风机发电效率同时兼顾安全稳定性。

4 结束语

根据垂直轴发电机实际工作情况，构建了多工作模式的垂直轴磁悬浮转子系统结构，综合考虑风机控制成本、发电效率和电能质量，提出了自适应能力很强的智能控制策略，以使风机能够低风速自启动、磁悬浮高效发电及强风自动保护，为小型垂直轴磁悬浮风力发电机的研制及兆瓦级垂直轴风力发的研发提供技术参考。

参考文献：

[1]胡以怀，金浩，冯是全，等.垂直轴风力机在风力致热中的应用研究[J].科技通报，2017，33（12）：1-8.

[2]杜晓东，邢永恒.关于风力发电机刹车装置的改进研究与设计[J].河北企业，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.垂直轴风力发电机电压控制器的研发[D].河南科技大学，2009.

[5]张广路.垂直轴磁悬浮风力发电机转子系统控制研究[D].燕山大学，2010.

[6]魏杰，朱熀秋，周超，等.磁悬浮风力发电机发展及其控制策略研究[J].电气自动化，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，谢桦，童亦斌，等.直驱风力发电机的功率控制[J].机械与电子，2009（07）：37-39.