新型垂直軸磁懸浮風機轉子系統構建及其控制策略分析

葉云洋 陳文明

摘? 要：垂直軸風力發電機具有結構簡單、噪聲低、制造和維護成本低等優點，在中小型風力發電機中具有較廣闊的市場前景，但傳統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，而現有的磁懸浮垂直軸風力發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電機轉子系統，并根據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，為垂直軸風機的發展提供了一條新的思路。

關鍵詞：垂直軸風力發電機;磁懸浮轉子系統;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

風力發電機是將風能轉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]，且大型化基本已經達到了極限，而垂直軸風力發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點，在中小型風力發電機中具有較廣闊的市場前景，一些國內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電系統[3-4]。隨著磁懸浮技術和電氣控制技術的發展，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電效率及其使用范圍[5]。但目前大多數垂直軸磁懸浮發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，缺乏對環境變化的適應能力，特別是在低風速區，由于垂直軸磁懸浮發電機長時間處于待發電區和發電區之間，主動磁懸浮發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、中風速區和高風速區自動選擇最佳的工作模式，在不降低風力發電機啟動風速同時減少電磁損耗，再通過風機控制系統的智能調節來優化整個垂直軸浮風力發電機，從而提高風力發電機組的發電效率，那么將大大提高其實用性，并擴大其使用范圍。

2 多模式磁懸浮發電機轉子系統構建

如圖1所示，設計的多模態磁懸浮發電機轉子系統結構包括導磁主軸承、轉子體、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、發電機箱體和垂直軸風機主軸等。轉子系統最中間部分是軸向電磁軸承，通電后可以使轉子體懸浮;電磁軸承的頂部是陶瓷滾珠軸承，在靜態和低速時滾珠軸承支撐著轉子體運動;轉子體周邊放置著至少三個懸浮定位執行線圈，保證轉子在高速運轉時的安全穩定。發電機的轉子系統可以說是整個垂直軸風力機的關鍵部件，發電時將磁轉子系統豎直放置在垂直軸風機底部的發電機箱體中，結合垂直軸風力發電機的實際工作情況，發電機轉子系統有三種工作模式。

（1）在風速較低時，發電機轉子系統在摩擦阻力很小的陶瓷頂珠軸承帶動下低速轉動;當轉子磁鋼處于低速平衡狀態時，其加速度為零，即所受合力為零，轉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，轉子系統軸向力線圈磁場使轉子體浮起，轉子體無硬摩擦運轉高效發電，此時磁懸浮發電機中有兩套線圈繞組同時工作，一套用于產生電磁力和旋轉磁場的定子線圈繞組，另一套是使磁懸浮發電機產生可控懸浮力的軸向力線圈組。

（3）在風速較高時，轉子體仍處于磁懸浮狀態，可以通過控制軸向定位線圈的電磁場穩定發電機的位置同時保護發電機，提高發電效率。

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

3 多模式磁懸浮發電機轉子系統控制策略分析

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

3.1 低風速區控制策略

當實際來流風速小于啟動風速時風機轉子處于待機狀態;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，發電電機轉子體在摩擦阻力很小的陶瓷頂珠軸承帶動下低速轉動發電，可以認為轉子轉速和風速成線性正比，使用閉環數字PID控制便可實現;當風速在低速區大于一定值時，轉子轉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 中風速區控制策略

當風速在中速區大于某風速而小于額定轉速時，磁軸承通電產生磁場使轉子體懸浮轉動無摩擦發電，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電機的轉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。而對于磁懸浮發電機可以通過加入軸向反向磁場以限制轉子的轉速，并采用自適應神經模糊推理系統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，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，保證風機發電效率同時兼顧安全穩定性。

4 結束語

根據垂直軸發電機實際工作情況，構建了多工作模式的垂直軸磁懸浮轉子系統結構，綜合考慮風機控制成本、發電效率和電能質量，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、磁懸浮高效發電及強風自動保護，為小型垂直軸磁懸浮風力發電機的研制及兆瓦級垂直軸風力發的研發提供技術參考。

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.關于風力發電機剎車裝置的改進研究與設計[J].河北企業，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.垂直軸風力發電機電壓控制器的研發[D].河南科技大學，2009.

[5]張廣路.垂直軸磁懸浮風力發電機轉子系統控制研究[D].燕山大學，2010.

[6]魏杰，朱熀秋，周超，等.磁懸浮風力發電機發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.直驅風力發電機的功率控制[J].機械與電子，2009（07）：37-39.