[发明专利]一种风力发电机的永磁调速控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机的永磁调速控制方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，全球的风能约为2.74×10⁹ MW，其中可利用的风能为2×10⁷ MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风力发电的原理就是靠风力带动风力发电机的风轮把风的动能转变成机械能，再由增速机将旋转的速度提升，驱动发电机发电，把机械能转化为电能，目前大约每秒三米的风速（微风的程度），便可进行发电。

风力发电机主要由风轮、发电机、调速机构、制动器和电气部件组成，根据旋转轴的不同，主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类，目前市场上水平轴风力发电机占主流位置。水平轴风力发电机上多设置一组风轮，也有前后设置两组风轮的结构形式。由于风轮的转速较低，而且风力的大小和方向经常变化，所以，在风轮与发电机之间，要设置一个增速的齿轮变速箱和一个调速机构，才能使发电机的转速保持稳定，在风速过大时，制动器限制风轮转速和发电机的输出功率，保证风力发电机安全运行，提高风力发电机的寿命。

根据风轮形式的不同，调速机构分为定桨矩式和变桨矩式，定桨矩式调速机构结构简单，国内多采用此调速结构，优点是应力连续而无突变，缺点是但当风轮中某一个叶片没能和其他叶片同时降速时，会产生剧烈震动，使风力发电机的可靠性下降，寿命缩短，甚至被损坏。变桨矩式调速机构是在定桨矩的基础上加装桨矩调整环节，使风轮叶片的角度能随风速的变化而变化，能够有效减少风速随高度分布不均匀造成的启动轴向力的周期性变化，缺点是需要精确地控制每个叶片的桨矩角，设计和制造的难度很大。

随着控制技术的发展以及人们对更高风能利用率的追求，近年来，变转速控制技术成为热点，变转速控制是指风轮能根据风速的变化改变转速，能在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，提高风力发电机的运行效率和发电量。变转速运行与恒转速运行相比，减少了阵风冲击，提高了发电效率，改善了功率品质，但也增加了成本和系统控制的复杂性，目前还处于探索阶段。

永磁调速驱动装置是一种通过调节永磁转子与导体转子之间气隙来实现电机传动系统中转矩传递的机械装置，能在电机转速不变的情况下，控制风机或水泵的转速而达到节能的目的，适用于高温、低温、潮湿、肮脏、易燃易爆、电压不稳定甚至雷电等各种恶劣环境，能大幅减少系统振动，具有节能效果好，维护费用低的优点，一般用于电机传动系统中，能实现电机的完全软启动和无级调速运转，与变频器相比还具有无谐波污染的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机的永磁调速控制方法，采用永磁调速驱动装置作为调速机构，实现发电机的柔性启动，并能在风速过大时使发电机仍保持额定转速，保证风力发电机在更大风速范围内的安全、高效运行。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是这样的：

一种风力发电机的永磁调速控制方法，将永磁调速驱动装置应用到风力发电机的动力传递系统中，分别在发电机的启动、正常运行、停机以及非正常运行时，根据风轮的转速对发电机进行控制，使发电机保持在安全的最佳发电效率状态，其具体控制步骤如下：

1）启动，当风轮所在高度的风速超过3m/s的启动风速后，制动器解除制动，永磁调速驱动装置的执行机构动作拉大气隙，直至断开发电机与变速齿轮箱之间的磁力耦合，风轮由静止开始在不带发电机负载的情况下转动起来；

2）正常运行，当风轮转速稳定后，永磁调速驱动装置的执行机构动作缩窄气隙，在发电机与变速齿轮箱之间的建立磁力耦合，将发电机负载平滑地加载在风轮的主轴上，在额定风速以下时，风力发电机在该转速下执行最佳叶尖速比控制，按最佳效率曲线运行；在高于额定风速至安全切断风速之间，执行永磁调速控制，通过控制永磁调速驱动装置的磁力耦合程度，增大叶轮与发电机之间的速度差，使发电机运行在额定转速下；当蓄电池接近充满时，保持稳压浮充控制；

3）停机，当风速低于3m/s或高于安全切断风速时，永磁调速驱动装置的执行机构断开发电机与变速齿轮箱之间的磁力耦合，制动器制动，风轮停转。

所述步骤2）中所述最佳叶尖速比控制适用于3m/s～11m/s的风速范围；永磁调速控制适用于＞11m/s～25m/s风速范围。