风力磁悬浮飞轮辅助发电装置论文和设计-褚晓广

全文摘要

本实用新型公开了一种风力磁悬浮飞轮辅助发电装置，采用磁悬浮飞轮旋转体，实施偏航迎风和机械冲击平抑，以及超过发电机额定功率部分的消纳使用，全方位提升风能利用率，存在飞轮驱动偏航发电、飞轮储能风力发电以及停机三种模式。风向改变，飞轮悬浮绕组上电，飞轮旋转体将机舱悬浮至偏航高度，飞轮偏航绕组产生电磁转矩，驱动机舱偏航对风；偏航结束后，飞轮旋转体悬浮降落至储能高度，平抑发电机机械冲击；额定风速以上工况时，飞轮旋转体将超过发电机额定功率部分高效转化，当超过飞轮最大转化功率时，飞轮旋转体悬浮驱动机舱侧风，确保发电机恒功率输出。本实用新型实用化将极大提升风能利用率，降低偏航功耗和设备维护费用。

主设计要求

1.一种风力磁悬浮飞轮辅助发电装置，其特征包括机舱、发电机、机舱旋转体、飞轮旋转体、飞轮偏航绕组、偏航锁存绕组、飞轮耦合轴、飞轮耦合绕组、悬浮锁存绕组、飞轮悬浮绕组、混合塔架、以及变流器单元，完成风力发电、飞轮驱动偏航以及飞轮储能；所述机舱前端设置风机桨叶，桨叶经水平传动轴、变速齿轮组、飞轮耦合轴，分别与发电机和飞轮旋转体耦合，驱动发电机发电和飞轮能量转化；所述机舱旋转体为圆盘状结构，上端和机舱底部刚性联接，下端设置T型圆环带导轨，与设置在混合塔架上T型槽一起，引导机舱旋转，限制机舱俯仰，并由球形滚珠和飞轮耦合轴耦合；所述飞轮旋转体内置飞轮偏航绕组，外型为盘式旋转结构，上下两端各配置一个圆柱型联结轴，上圆柱型联结轴内置圆柱型凹槽以及飞轮耦合绕组，为飞轮耦合轴提供上下运动空间，完成飞轮旋转体和飞轮耦合轴的机械联结，下圆柱形联结轴内嵌在混合塔架中心凹槽内，下端设置有被动悬浮装置；所述飞轮偏航绕组内嵌在飞轮旋转体内，为星型联结的三相交流绕组，与飞轮悬浮绕组产生的励磁磁场合作，产生电磁力矩驱动机舱偏航迎风、侧偏保护以及储能；所述偏航锁存绕组为4个电磁绕组，正交设置在机舱旋转体的内侧圆环中，上电制动时将机舱旋转体和飞轮旋转体耦合一体，驱动机舱偏航；所述飞轮耦合绕组为4个电磁绕组，正交设置在飞轮旋转体上圆柱型联结轴内，上电将飞轮旋转体和飞轮耦合轴机械联结，实现飞轮储能和发电机机械冲击平抑；所述飞轮悬浮绕组设置在混合塔架上端，共有8个按照N\/S顺序排列的直流励磁绕组组成，产生飞轮旋转体气隙磁场，支撑飞轮旋转体悬浮和旋转，驱动机舱偏航。

设计方案

2.根据权利要求1所述的风力磁悬浮飞轮辅助发电装置，其特征是所述变流器单元包括机侧变流器、网侧变流器、BUCK-BOOST变流器、飞轮悬浮变流器、飞轮锁存变流器、飞轮储能变流器、偏航锁存变流器以及DSP28035主控单元；所述机侧变流器为水平轴发电机的整流单元，采用SVPWM调制方法，并以风能捕获优化转速为控制目标，优化输出发电机转矩电流，调节变流器占空比，捕获最大风能；所述网侧变流器为双向PWM变流器，控制变流器占空比，保持直流母线电压恒定；所述飞轮悬浮变流器为H桥拓扑结构，与飞轮悬浮绕组直流联接，根据工作方式不同的悬浮高度参考，调节占空比和方向，改变飞轮旋转体悬浮高度；所述飞轮储能变流器和飞轮偏航绕组直接联结，存在整流和逆变两种模式，逆变模式为飞轮偏航绕组提供三相交流电能，产生电磁转矩驱动飞轮旋转体和机舱偏航，整流模式将飞轮高速旋转储存的能量转化成的三相交流电能，整流后，经BUCK-BOOST变流器升压，汇流至网侧变流器直流母线侧；所述飞轮锁存变流器为H桥拓扑结构，与飞轮耦合绕组相连，提供直流电流和电磁吸力，控制飞轮旋转体与风机传动轴耦合，实施飞轮驱动偏航和飞轮储能发电的工作模式改变；所述偏航锁存变流器为H桥拓扑结构，与偏航锁存绕组相连，提供直流电流和电磁吸力，控制飞轮旋转体和机舱旋转体的机械耦合。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种风力磁悬浮飞轮辅助发电装置，将磁悬浮飞轮储能、飞轮释能与水平轴风力发电的偏航迎风、侧偏保护以及风能拓宽纳为一体，极大降低偏航功耗，充分利用多余额定风速以上风能，非常适合大中型风机发电系统。

背景技术

风力发电是一种严格无污染的新能源，一直以来颇受世界各国能源部门广泛关注。风机偏航系统是水平轴风力发电系统的关键组件，驱动风机桨叶迎风，提升捕获功率，但目前风机偏航系统多采用齿轮传动耦合，结构复杂、摩擦损耗大、故障率高，严重影响有效风机捕获功率。发明专利200910161406.7和201410143297.7披露了一种磁悬浮偏航装置，采用磁悬浮技术驱动机舱悬浮下偏航，极大降低了机舱重力所致的摩擦转矩，提升了风能利用率。但大中型风电机组桨叶工作在80米高的塔架上，风速风向相对稳定，机舱偏航迎风仅占风电机组总运行时间不到30%，磁悬浮偏航装置大约70%的时间运行在闲置状态；另外，当风机桨叶捕获功率经常超过发电机额定功率，为保护发电机安全，经常侧风保护，使得风能不能充分利用，同时因偏航功耗问题，极大降低了风能利用，同时波动风速极易导致发电机轴机械冲击，严重影响发电机使用寿命。

发明内容

本实用新型的技术任务克服现有技术的不足，提供一种风力磁悬浮飞轮辅助发电装置，极大降低偏航功耗、提升风能利用率以及磁悬浮飞轮偏航装置的利用率。

本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案为：一种风力磁悬浮飞轮辅助发电装置，其特征包括机舱、发电机、机舱旋转体、飞轮旋转体、飞轮偏航绕组、偏航锁存绕组、飞轮耦合轴、飞轮耦合绕组、悬浮锁存绕组、飞轮悬浮绕组、混合塔架、以及变流器单元，完成风力发电、飞轮驱动偏航以及飞轮储能；所述机舱前端设置风机桨叶，桨叶经水平传动轴、变速齿轮组、飞轮耦合轴，分别与发电机和飞轮旋转体耦合，驱动发电机发电和飞轮能量转化；所述机舱旋转体为圆盘状结构，上端和机舱底部刚性联接，下端设置T型圆环带导轨，与设置在混合塔架上T型槽一起，引导机舱旋转，限制机舱俯仰，并由球形滚珠和飞轮耦合轴耦合；所述飞轮旋转体内置飞轮偏航绕组，外型为盘式旋转结构，上下两端各配置一个圆柱型联结轴，上圆柱型联结轴内置圆柱型凹槽以及飞轮耦合绕组，为飞轮耦合轴提供上下运动空间，完成飞轮旋转体和飞轮耦合轴的机械联结，下圆柱形联结轴内嵌在混合塔架中心凹槽内，下端设置有被动悬浮装置；所述飞轮偏航绕组内嵌在飞轮旋转体内，为星型联结的三相交流绕组，与飞轮悬浮绕组产生的励磁磁场合作，产生电磁力矩驱动机舱偏航迎风、侧偏保护以及储能；所述偏航锁存绕组为4个电磁绕组，正交设置在机舱旋转体的内侧圆环中，上电制动时将机舱旋转体和飞轮旋转体耦合一体，驱动机舱偏航；所述飞轮耦合绕组为4个电磁绕组，正交设置在飞轮旋转体上圆柱型联结轴内，上电将飞轮旋转体和飞轮耦合轴机械联结，实现飞轮储能和发电机机械冲击平抑；所述飞轮悬浮绕组设置在混合塔架上端，共有8个按照N\/S顺序排列的直流励磁绕组组成，产生飞轮旋转体气隙磁场，支撑飞轮旋转体悬浮和旋转，驱动机舱偏航。

所述变流器单元包括机侧变流器、网侧变流器、BUCK-BOOST变流器、飞轮悬浮变流器、飞轮锁存变流器、飞轮储能变流器、偏航锁存变流器以及DSP28035主控单元；所述机侧变流器为水平轴发电机的整流单元，采用SVPWM调制方法，并以风能捕获优化转速为控制目标，优化输出发电机转矩电流，调节变流器占空比，捕获最大风能；所述网侧变流器为双向PWM变流器，控制变流器占空比，保持直流母线电压恒定；所述飞轮悬浮变流器为H桥拓扑结构，与飞轮悬浮绕组直流联接，根据工作方式不同的悬浮高度参考，调节占空比和方向，改变飞轮旋转体悬浮高度；所述飞轮储能变流器和飞轮偏航绕组直接联结，存在整流和逆变两种模式，逆变模式为飞轮偏航绕组提供三相交流电能，产生电磁转矩驱动飞轮旋转体和机舱偏航，整流模式将飞轮高速旋转储存的能量转化成的三相交流电能，整流后，经BUCK-BOOST变流器升压，汇流至网侧变流器直流母线侧；所述飞轮锁存变流器为H桥拓扑结构，与飞轮耦合绕组相连，提供直流电流和电磁吸力，控制飞轮旋转体与风机传动轴耦合，实施飞轮驱动偏航和飞轮储能发电的工作模式改变；所述偏航锁存变流器为H桥拓扑结构，与偏航锁存绕组相连，提供直流电流和电磁吸力，控制飞轮旋转体和机舱旋转体的机械耦合。

本实用新型所带来的有益效果是：1）采用磁悬浮飞轮驱动技术，将机舱旋转体悬浮下偏航迎风，极大降低了偏航功耗，提升了偏航对风精度，并在偏航正面迎风时进行波动功率平抑，消纳波动风速对发电机机械冲击，提高了磁悬浮偏航装置使用率；2）基于飞轮储能变流器以及磁悬浮飞轮旋转体的协同机制，可实现风机额定风速以上，超过发电机额定功率以上的风能利用，并以储能形式消纳发电机输出轴多余功率，提升了风能利用空间，减小了风速波动对发电机轴机械冲击，确保发电机安全。

附图说明

图1 风力磁悬浮飞轮辅助发电装置结构图。

图2 风力磁悬浮飞轮辅助发电装置电气结构图。

图3 风力磁悬浮飞轮辅助发电装置运行机制图。

图中：1.水平桨叶，2. 水平传动轴，3.发电机，4.机舱，5. 风速风向测试仪，6.旋转T型轨，7. 风机限位轴承，8.偏航锁存绕组，9. 飞轮悬浮绕组， 10.飞轮旋转体，11.飞轮偏航绕组，12.飞轮耦合轴，13.飞轮耦合绕组 14.被动悬浮装置，15.机舱托撑，16.变流器单元，17.电源线通路， 18.旋转轴承，19.机舱旋转体，20.混合塔架，21.飞轮悬浮变流器，22.飞轮锁存变流器，23.BUCK-BOOST变流器，24.电网，25.升压变压器，26.网侧变流器，27.机侧变流器，28. 偏航锁存变流器，29.塔架底撑，30.旋转T型槽，31.变速齿轮组，32.飞轮储能变流器。

变量说明：

设计图

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