本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于大中型風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲、側(cè)偏保護(hù)以及機(jī)組安全保護(hù)的風(fēng)能捕獲方法，尤其是將可精確對風(fēng)的磁懸浮偏航系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)功率調(diào)控納為一體的風(fēng)能捕獲方法，有效提高風(fēng)能捕獲效率以及風(fēng)能捕獲安全性。

背景技術(shù)：

隨著化石燃料日益枯竭、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，風(fēng)力發(fā)電因其嚴(yán)格無污染受到各國科研人員的高度關(guān)注。但風(fēng)能波動性以及間歇性問題嚴(yán)重影響電網(wǎng)穩(wěn)定性以及負(fù)荷供電質(zhì)量，甚至危害電網(wǎng)安全，而風(fēng)能捕獲可顯著提高風(fēng)能利用，是解決上述問題的有效途徑，對風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。

傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)能捕獲包括最大功率跟蹤和發(fā)電機(jī)功率控制，最大功率跟蹤采用機(jī)側(cè)變流器對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，同時(shí)采用偏航實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)正面迎風(fēng)，但上述兩方法一般獨(dú)立完成，發(fā)電機(jī)跟蹤轉(zhuǎn)速對應(yīng)于風(fēng)向傳感器測得風(fēng)速，而非偏航所致有效風(fēng)速，降低了發(fā)電機(jī)捕獲功率。同時(shí)風(fēng)速波動以及風(fēng)速風(fēng)向儀測量誤差往往導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跟蹤轉(zhuǎn)速并非最優(yōu)值，雖然相關(guān)文獻(xiàn)采用擾動尋優(yōu)用以補(bǔ)償發(fā)電機(jī)輸出功率偏差，但導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)輸出功率波動，無形增加電網(wǎng)調(diào)度難度。同時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向的隨機(jī)波動也極易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)槳葉的側(cè)偏，極大降低了風(fēng)能捕獲，偏航裝置是解決上述問題的關(guān)鍵裝置，但傳統(tǒng)偏航裝置普遍采用多電機(jī)齒輪耦合技術(shù)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高等問題，尤其較大的摩擦損耗常使風(fēng)機(jī)偏航功耗加大。另外，風(fēng)機(jī)偏航速度一般設(shè)置較慢以確保風(fēng)機(jī)整體安全，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參考是基于風(fēng)速儀所測自然風(fēng)速，而非實(shí)際偏航迎風(fēng)所獲取的有效風(fēng)速，無法真正實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。而額定風(fēng)速以上工況，傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組通常采用變槳距控制和偏航控制相結(jié)合的方法，但此時(shí)偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般較大，較大的偏航啟動電流極易導(dǎo)致偏航電機(jī)和齒輪傳動損壞，嚴(yán)重影響偏航風(fēng)機(jī)機(jī)組的穩(wěn)定和安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對上述技術(shù)中存在的不足，提供一種應(yīng)用于大中型磁懸浮偏航風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲方法，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲、側(cè)偏保護(hù)以及機(jī)組安全保護(hù)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：磁懸浮偏航風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲是將機(jī)艙懸浮調(diào)控、偏航對風(fēng)、側(cè)偏保護(hù)以及發(fā)電機(jī)功率控制納為一體的新型風(fēng)能捕獲方法，通過控制機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮力、偏航電磁轉(zhuǎn)矩以及發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速下的風(fēng)能最大捕獲、額定風(fēng)速上的側(cè)偏保護(hù)和功率控制以及切出風(fēng)速時(shí)的機(jī)組安全保護(hù)，有效提高風(fēng)機(jī)偏航和發(fā)電機(jī)功率控制精度、風(fēng)能捕獲效率以及風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能捕獲安全性。包括發(fā)電機(jī)功率控制以及風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)體偏航控制兩部分，所述發(fā)電機(jī)功率控制是基于機(jī)側(cè)變流器和風(fēng)機(jī)偏航，共同實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速跟蹤的風(fēng)能最大捕獲以及發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速跟蹤的恒功率控制；所述風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)體偏航包括機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮控制和偏航控制，其中機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮控制由h橋懸浮變流器、定子繞組以及懸浮永磁體共同完成，機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航控制由雙向pwm變流器、偏航盤式繞組以及定子繞組共同實(shí)現(xiàn)。因風(fēng)速風(fēng)向不同，磁懸浮風(fēng)電機(jī)組分別工作懸浮風(fēng)能捕獲、無懸浮風(fēng)能捕獲以及機(jī)組安全保護(hù)三種工作模式，協(xié)同調(diào)控發(fā)電機(jī)功率控制以及風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)體偏航，確保風(fēng)能功率的安全捕獲。

所述懸浮風(fēng)能捕獲主要應(yīng)對額定風(fēng)速以下的運(yùn)行工況，發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大功率跟蹤，機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體在懸浮狀態(tài)下偏航迎風(fēng)，包括數(shù)據(jù)采集、懸浮準(zhǔn)備、懸浮控制、主動迎風(fēng)偏航、有效風(fēng)速獲取、發(fā)電機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速跟蹤、偏航停機(jī)以及機(jī)艙降落；所述無懸浮風(fēng)能捕獲主要應(yīng)對額定風(fēng)速以上工況，機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體在無懸浮狀態(tài)下實(shí)施機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航，包括偏航摩擦轉(zhuǎn)矩控制、偏航回饋轉(zhuǎn)矩控制、有效風(fēng)速獲取以及發(fā)電機(jī)恒功率控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)額定功率捕獲和側(cè)偏保護(hù)；所述機(jī)組安全保護(hù)主要應(yīng)對切出風(fēng)速工況，懸浮變流器提供反向電流，驅(qū)動定子繞組和永磁體產(chǎn)生懸浮吸力，確保風(fēng)電機(jī)組停機(jī)安全。

所述有效風(fēng)速是確定懸浮風(fēng)能捕獲和無懸浮風(fēng)能捕獲兩種工作方式的基礎(chǔ)，是由風(fēng)速v和實(shí)時(shí)變化的偏航旋轉(zhuǎn)角度θ基于vcosθ計(jì)算獲取的。所述風(fēng)速v采用基于風(fēng)速風(fēng)向儀測量的自然風(fēng)速和風(fēng)向、壓力傳感器測量的機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體壓力、電流傳感器測得的發(fā)電機(jī)輸出電流以及編碼器測得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速多數(shù)據(jù)融合技術(shù)獲取。所述偏航角度θ是采用偏航轉(zhuǎn)速法和轉(zhuǎn)矩觀測法協(xié)調(diào)獲取，偏航轉(zhuǎn)速法基于起始偏航角度θ0和偏航轉(zhuǎn)速ω，并根據(jù)θ1＝θ0-ωt計(jì)算獲得；轉(zhuǎn)矩觀測法采用偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl觀測器實(shí)時(shí)觀測負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)θ2＝arcsin[2(tl/r-mg)/(cρv²a)]獲取，式中r為機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)半徑、m為機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量、c為風(fēng)能利用系數(shù)、ρ為空氣密度、a為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)掃略面積；上述兩方法分別獲取θ1和θ2，根據(jù)θ＝ρ1θ1+ρ2θ2獲得實(shí)際的偏航角度θ，其中ρ1、ρ2分別為偏航轉(zhuǎn)速法和轉(zhuǎn)矩觀測法的權(quán)值，且滿足ρ1+ρ2＝1。

所述懸浮準(zhǔn)備是機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮控制以及偏航迎風(fēng)的前提，包括懸浮氣隙δ和懸浮電流iμ的確定。機(jī)艙偏航電磁轉(zhuǎn)矩受懸浮氣隙約束，機(jī)艙偏航過程最小懸浮氣隙δmin可表示為式中farv為機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體自重以及風(fēng)力作用于機(jī)艙上端面的壓力，可表示為式中fi為i壓力傳感器所測的機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體i位置的壓力，lm為定子繞組和偏航盤式繞組之間的互感；懸浮電流iμ是在確定機(jī)艙壓力farv和最小懸浮氣隙δmin的基礎(chǔ)上求取，可表示為式中k為懸浮力系數(shù)。

所述懸浮控制采用基于懸浮氣隙參考的pid閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)；所述主動迎風(fēng)偏航是基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向解耦策略，將偏航盤式繞組電流解耦成轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流，采用基于偏航轉(zhuǎn)速參考的pi外環(huán)控制以及基于電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)的，其中轉(zhuǎn)速外環(huán)給出了轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)的參考輸入，而勵磁電流環(huán)的參考則設(shè)為0，確保軸徑向磁場解耦；所述偏航轉(zhuǎn)速參考ωyref為恒定小轉(zhuǎn)速，以確保偏航運(yùn)行時(shí)機(jī)組安全與穩(wěn)定性；所述發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的關(guān)鍵，首先根據(jù)有效風(fēng)速vcosθ獲取發(fā)電機(jī)的優(yōu)化轉(zhuǎn)速參考ωgref，然后采用基于pi轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)ωgref的跟蹤，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大功率捕獲。

所述偏航起動是由懸浮變流器調(diào)節(jié)偏航摩擦轉(zhuǎn)矩而實(shí)現(xiàn)的無回饋偏航迎風(fēng)，通過控制懸浮變流器電流大小，改變定子繞組與永磁體之間的懸浮力，調(diào)控球柱式引導(dǎo)環(huán)帶與引導(dǎo)柱槽之間的摩擦力，完成偏航摩擦轉(zhuǎn)矩調(diào)控。偏航控制機(jī)制為其中tw為風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩，表示為tw＝0.5cρv²asinθ·r；ttf為回轉(zhuǎn)力矩，表示為ttf＝farv·r；tr為偏航摩擦力矩，表示為tr＝(farv-fm)·μ·r；fm為控制的懸浮力，表示為fm＝nalm0hcdn2i2/(d/μp+δ)²，其中na是懸浮繞組極數(shù)，lm0為懸浮繞組和永磁體之間互感，hc是永磁體矯頑力，d是永磁體厚度，n2i2為懸浮繞組安匝數(shù)，μp為永磁體磁導(dǎo)率。fm的大小可經(jīng)由懸浮支撐體定子繞組電流實(shí)現(xiàn)，不需起動偏航變流器而實(shí)現(xiàn)機(jī)艙無懸浮狀態(tài)平穩(wěn)偏航起動，有效消除了風(fēng)力偏航轉(zhuǎn)矩過大所致的偏航轉(zhuǎn)速超調(diào)問題，大幅降低了較大的偏航起動回饋電流對機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性影響問題。

所述偏航回饋轉(zhuǎn)速控制是在偏航起動基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大懸浮力，并在偏航變流器協(xié)同控制下，實(shí)現(xiàn)偏航回饋轉(zhuǎn)速控制。偏航回饋轉(zhuǎn)速控制機(jī)理為te為電磁回饋轉(zhuǎn)矩，表示為te＝1.5nplmifiq。偏航回饋轉(zhuǎn)速控制首先逐步增大懸浮變流器向定子繞組提供的懸浮電流，增加懸浮斥力逐步減小偏航摩擦轉(zhuǎn)矩，同時(shí)偏航回饋電磁轉(zhuǎn)矩和功率逐漸增加，直至懸浮斥力等于機(jī)艙重力以及風(fēng)力作用在機(jī)艙上端面的下壓力，機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體與懸浮支撐體無偏航摩擦，此時(shí)偏航回饋功率最大，回饋功率的增加量與摩擦功率的減小量可動態(tài)表示為ptf＝fn·r·ω。偏航轉(zhuǎn)速完全由偏航變流器的回饋制動轉(zhuǎn)矩完全調(diào)控實(shí)現(xiàn)。

所述發(fā)電機(jī)恒功率控制是應(yīng)對額定風(fēng)速以上工況，協(xié)調(diào)風(fēng)機(jī)偏航而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)額定功率的捕獲，可分為有效風(fēng)速在額定風(fēng)速以上的恒功率控制和有效風(fēng)速在額定風(fēng)速以下的恒功率控制。其中，有效風(fēng)速在額定風(fēng)速以上恒功率控制是為保護(hù)發(fā)電機(jī)安全，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參考設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速ωgn，控制機(jī)側(cè)變流器輸出電流，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)格跟蹤額定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出額定功率和能量回饋；有效風(fēng)速在額定風(fēng)速以下恒功率控制過程與機(jī)側(cè)變流器的最大功率跟蹤控制方法完全相同，機(jī)側(cè)變流器基于有效風(fēng)速獲取的發(fā)電機(jī)的優(yōu)化跟蹤速度，控制機(jī)側(cè)變流器輸出電流，調(diào)控偏航電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化轉(zhuǎn)速跟蹤而實(shí)現(xiàn)的。

所述機(jī)組安全保護(hù)主要應(yīng)對切出風(fēng)速工況，驅(qū)動懸浮變流器產(chǎn)生反向電流，與機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體永磁體產(chǎn)生懸浮吸力，將機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體與懸浮支撐體固定一起，確保風(fēng)電機(jī)組極端惡劣工況下的不發(fā)生傾覆和墜落；

所述主控制cpu為dsp28035，其內(nèi)置高速16位ad，實(shí)時(shí)采集風(fēng)速風(fēng)向儀、電流互感器、電壓互感器、氣隙傳感器、光電編碼器以及壓力傳感器，其中風(fēng)速風(fēng)向儀采集風(fēng)速和風(fēng)向；電流互感器采集機(jī)側(cè)變流器輸出電流；電壓互感器采集機(jī)側(cè)變流器輸出母線電壓；氣隙傳感器采集機(jī)艙懸浮氣隙高度；光電編碼器采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和偏航轉(zhuǎn)速；壓力傳感器采集復(fù)合塔架不同位置機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體壓力；dsp28035基于上述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分別獲取不同工作方式以及h橋變流器、機(jī)側(cè)變流器以及偏航變流器的占空比，調(diào)控系統(tǒng)整體風(fēng)能捕獲。

本發(fā)明所帶來的有益效果是：

1)本發(fā)明將機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航和風(fēng)能捕獲納為一體研究，有效解決了機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航、風(fēng)能最大功率跟蹤獨(dú)立控制時(shí)風(fēng)能捕獲效率低問題，提高了風(fēng)機(jī)偏航和發(fā)電機(jī)功率控制精度和風(fēng)能捕獲效率。

2)本發(fā)明采用多數(shù)據(jù)融合技術(shù)獲取風(fēng)速v以及采用偏航轉(zhuǎn)速法、轉(zhuǎn)矩觀測法協(xié)調(diào)獲取偏航角度θ，藉此獲取較高精度的有效風(fēng)速，為確定懸浮風(fēng)能捕獲和無懸浮風(fēng)能捕獲兩種工作方式以及機(jī)側(cè)變流器優(yōu)化跟蹤轉(zhuǎn)速設(shè)定提供關(guān)鍵信息，有效消除傳統(tǒng)基于所測風(fēng)速進(jìn)行擾動尋優(yōu)最大功率跟蹤帶來的發(fā)電機(jī)輸出功率波動大，機(jī)側(cè)變流器控制困難問題。

3)無懸浮風(fēng)能捕獲中的偏航起動是由懸浮變流器調(diào)控偏航摩擦轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)的無回饋偏航迎風(fēng)，不需起動偏航變流器而實(shí)現(xiàn)機(jī)艙無懸浮狀態(tài)平穩(wěn)偏航起動，有效消除了風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩過大所致的偏航轉(zhuǎn)速超調(diào)問題，大幅降低了較大的偏航起動回饋電流對機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性影響問題。

4)本發(fā)明將機(jī)艙懸浮控制用于切出風(fēng)速時(shí)機(jī)組安全保護(hù)，將機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體與懸浮支撐體固定一起，確保風(fēng)電機(jī)組不發(fā)生傾覆和墜落，大幅提高了風(fēng)電機(jī)組應(yīng)對極端惡劣工況的能力。

附圖說明

圖1磁懸浮偏航風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能捕獲基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2磁懸浮偏航風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能捕獲主控制流程圖。

圖3懸浮風(fēng)能捕獲控制流程圖。

圖4無懸浮風(fēng)能捕獲控制流程圖。

圖5發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖。

圖6懸浮偏航控制框圖。

圖7無懸浮偏航起動及偏航回饋控制框圖。

圖中1.風(fēng)速風(fēng)向儀，2.發(fā)電機(jī)，3.編碼器i，4.偏航中軸，5.編碼器ii，6.壓力傳感器，7.定子繞組，8.偏航盤式繞組，9.偏航變流器，10.懸浮變流器，11.機(jī)側(cè)變流器，12.永磁體環(huán)帶。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，其中文中符號說明如下表所示。

本發(fā)明所公布的磁懸浮偏航風(fēng)電機(jī)組將機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航和風(fēng)能最大功率跟蹤納為一體，包括磁懸浮偏航風(fēng)電機(jī)組、機(jī)側(cè)變流器、懸浮變流器、偏航變流器以及主控單元dsp28035，極大提高了風(fēng)能利用率，增強(qiáng)了風(fēng)電機(jī)組的可調(diào)度性以及對電網(wǎng)波動功率支撐能力。其捕獲機(jī)制如圖1所示，主控制單元首先基于采集的風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、電流、氣隙和轉(zhuǎn)速，優(yōu)化選擇風(fēng)能捕獲工作方式以及發(fā)電機(jī)跟蹤控制目標(biāo)，分別由機(jī)側(cè)變流器完成發(fā)電機(jī)功率控制，由懸浮變流器、懸浮繞組和永磁體完成機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮力和懸浮氣隙調(diào)控，由偏航變流器、偏航盤式繞組以及偏航傳動裝置完成機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航，上述三部分協(xié)同完成懸浮風(fēng)能捕獲、無懸浮風(fēng)能捕獲以及機(jī)組安全保護(hù)，實(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速下的風(fēng)能最大捕獲、額定風(fēng)速上的功率控制以及切出風(fēng)速時(shí)的機(jī)組安全保護(hù)。

1)數(shù)據(jù)采集。鑒于磁懸浮偏航風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在多種工作模式和控制目標(biāo)，實(shí)時(shí)有效獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)是決定系統(tǒng)工作模式以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令設(shè)定的基礎(chǔ)。主控單元dsp28035首先接收由相應(yīng)傳感器采集的原始信息，并經(jīng)由其內(nèi)ad轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，藉此獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速vw、偏航角度θ、俯仰角度β、機(jī)側(cè)變流器輸出電流idc、機(jī)側(cè)變流器直流母線電壓udc、機(jī)艙懸浮氣隙高度δ、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg、偏航轉(zhuǎn)速ωyaw、機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體支撐力farv。風(fēng)速vw采用基于風(fēng)速風(fēng)向儀測量數(shù)據(jù)、壓力傳感器測量的機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體支撐力、電流傳感器測得的發(fā)電機(jī)輸出電流以及編碼器i測得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速多數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行獲取，以增強(qiáng)風(fēng)速vw和偏航角度θ精確度；偏航角度θ是采用偏航轉(zhuǎn)速法和轉(zhuǎn)矩觀測法協(xié)調(diào)獲取，偏航轉(zhuǎn)速法是基于起始偏航角度θ0和偏航轉(zhuǎn)速ω并根據(jù)θ1＝θ0-ωt實(shí)時(shí)計(jì)算獲得；轉(zhuǎn)矩觀測法采用偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl觀測器實(shí)時(shí)觀測負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)θ2＝arcsin[2(tl/r-mg)/(cρv²a)]獲取，上述兩方法分別獲取θ1和θ2，然后根據(jù)θ＝ρ1θ1+ρ2θ2獲得實(shí)際的偏航角度θ。機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體支撐力farv是由懸浮支撐體上均勻排列的八個(gè)壓力傳感器測量其位置點(diǎn)壓力，并根據(jù)式求取平均值所得。

2)工作模式選擇。本磁懸浮偏航風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)機(jī)捕獲存在懸浮風(fēng)能捕獲、無懸浮風(fēng)能捕獲以及機(jī)組安全保護(hù)三種工作模式，不同工作模式的控制方法和運(yùn)行機(jī)理存在嚴(yán)重差異，懸浮風(fēng)能捕獲機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體在懸浮狀態(tài)下完成的最大風(fēng)能捕獲，而無懸浮風(fēng)能捕獲是為確保發(fā)電機(jī)安全，在機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體無懸浮狀態(tài)下控制發(fā)電機(jī)輸出不超過額定功率的模式，工作模式判斷錯(cuò)誤將導(dǎo)致風(fēng)能捕獲失控，機(jī)組偏航功耗增大，甚至影響風(fēng)電機(jī)組的安全。工作模式選擇首先判斷風(fēng)速vw是否達(dá)到切出風(fēng)速vcutout，當(dāng)風(fēng)速vw超過vcutout時(shí)，機(jī)組進(jìn)行安全保護(hù)，驅(qū)動懸浮變流器產(chǎn)生反向電流，懸浮繞組產(chǎn)生懸浮吸力，將機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體與懸浮支撐體固定一起，確保機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體不發(fā)生傾覆和墜落；當(dāng)風(fēng)速vw滿足vw<vcutout，則進(jìn)一步比較風(fēng)速vw與額定風(fēng)速vn的大小，若風(fēng)速vw滿足vw≥vn，則為無懸浮風(fēng)能捕獲工作模式；否則為懸浮風(fēng)能捕獲工作模式。

3)懸浮風(fēng)能捕獲。懸浮風(fēng)能捕獲工作機(jī)制如圖3所示，主要應(yīng)對額定風(fēng)速以下工況的風(fēng)能捕獲，由于風(fēng)機(jī)偏航力矩?zé)o能力驅(qū)動機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航，偏航盤式繞組必須產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，輔助驅(qū)動機(jī)艙懸轉(zhuǎn)體偏航，機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體在完全懸浮狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)偏航和發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤，可分為懸浮準(zhǔn)備、懸浮控制、主動迎風(fēng)偏航、發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤以及偏航停機(jī)和機(jī)艙降落。

①懸浮準(zhǔn)備。懸浮準(zhǔn)備包括確定懸浮氣隙、懸浮電流以及偏航電流三部分。由于機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量較大，機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮性能和偏航轉(zhuǎn)速嚴(yán)重影響整體風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為此機(jī)艙懸轉(zhuǎn)體在懸浮前需進(jìn)行懸浮和偏航準(zhǔn)備。機(jī)艙偏航電磁轉(zhuǎn)矩受懸浮氣隙以及偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同約束，綜合考慮機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮功耗和偏航控制穩(wěn)定性，根據(jù)式獲取機(jī)艙偏航最小懸浮氣隙δmin，其中l(wèi)m為定子繞組和偏航盤式繞組之間的互感；電磁轉(zhuǎn)矩te即為偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl，其根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的風(fēng)速vw、偏航角度θ、機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體支撐力farv，并結(jié)合式計(jì)算獲取。定子繞組7的懸浮電流參考iμ是基于機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體支撐力farv和最小懸浮氣隙δmin，并根據(jù)式獲取；最后根據(jù)偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及定子繞組懸浮電流，根據(jù)式計(jì)算機(jī)艙偏航三相參考電流，為懸浮控制和主動迎風(fēng)偏航做準(zhǔn)備。

②懸浮控制。懸浮控制是機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航運(yùn)行的前提和關(guān)鍵，懸浮氣隙穩(wěn)定直接決定機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航穩(wěn)定，為應(yīng)對外界風(fēng)速波動對懸浮氣隙的影響，采用h橋變流器調(diào)控勵磁電流為定子繞組提供直流勵磁。機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮控制是基于懸浮氣隙參考δref的pid雙閉環(huán)控制，控制機(jī)制如圖6所示，氣隙外環(huán)的控制輸出為pi內(nèi)環(huán)懸浮電流參考，其控制輸出作為調(diào)制波送給比較單元txcmpr，經(jīng)由與三角載波比較生成有效pwm驅(qū)動信號，控制懸浮變流器h橋10向定子繞組7提供定子繞組7中懸浮電流iμ的大小，與和機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體中永磁體環(huán)帶12產(chǎn)生懸浮斥力fm，驅(qū)動機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體懸浮至設(shè)定的氣隙參考δref處，并穩(wěn)定工作。

③主動迎風(fēng)偏航。主動迎風(fēng)偏航是懸浮風(fēng)能捕獲模式下增加風(fēng)機(jī)捕獲功率的關(guān)鍵途徑，并與機(jī)側(cè)變流器的發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤一起，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)能捕獲。主動迎風(fēng)偏航控制如圖6所示，采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向解耦控制策略，將偏航盤式繞組三相電流解耦成轉(zhuǎn)矩電流iq和勵磁電流id，并基于偏航轉(zhuǎn)速參考ωyref的pi外環(huán)以及基于電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的，其中，轉(zhuǎn)速外環(huán)給出了轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)的參考。為確保軸徑向磁場解耦，勵磁電流環(huán)的參考設(shè)置為0；兩電流內(nèi)環(huán)的控制輸出經(jīng)由dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至三相靜止abc坐標(biāo)系的變換生成三相調(diào)制波，并與三角載波比較產(chǎn)生pwm驅(qū)動信號，驅(qū)動偏航變流器9向偏航盤式繞組8通入三相對稱交流電的大小，在在定子繞組7的勵磁作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩te，驅(qū)動機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體主動迎風(fēng)偏航。

④發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤。機(jī)側(cè)變流器最大功率跟蹤是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的關(guān)鍵，主控單元dsp28035經(jīng)由機(jī)側(cè)變流器11控制發(fā)電機(jī)2實(shí)現(xiàn)優(yōu)化轉(zhuǎn)速的跟蹤。風(fēng)機(jī)偏航對風(fēng)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控的動態(tài)響應(yīng)差別較大，偏航對風(fēng)所致的風(fēng)機(jī)有效風(fēng)速變化相對較慢，為降低發(fā)電機(jī)輸出功率的波動，設(shè)置計(jì)數(shù)器flag以降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控頻率，當(dāng)flag達(dá)到500時(shí)，給出當(dāng)前控制的有效風(fēng)速vcosθ，然后根據(jù)有效風(fēng)速vcosθ獲取發(fā)電機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速ωgref，藉此采用基于發(fā)電機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速參考ωgref的雙閉環(huán)控制完成發(fā)電機(jī)最大功率控制?？刂茩C(jī)制如圖5所示，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速外環(huán)參考為優(yōu)化轉(zhuǎn)速ωgref，而內(nèi)環(huán)電流參考為外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)的控制輸出。機(jī)側(cè)變流器11驅(qū)動發(fā)電機(jī)2跟蹤轉(zhuǎn)速參考ωgref，至發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到當(dāng)前風(fēng)速風(fēng)機(jī)捕獲的最大功率，則實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。

⑤偏航停機(jī)和機(jī)艙降落。為減小懸浮功耗、提高機(jī)組穩(wěn)定性，風(fēng)能捕獲完成后需進(jìn)行偏航停機(jī)和機(jī)艙降落。當(dāng)偏航角度θ滿足θ≤θmin或風(fēng)機(jī)捕獲功率滿足pw＝pmpp，機(jī)艙偏航結(jié)束，偏航變流器9首先停止向偏航盤式繞組8供電，進(jìn)而調(diào)控懸浮變流器h橋10的懸浮電流iμ，使機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體緩慢平穩(wěn)下降，減小對復(fù)合塔架的機(jī)械沖擊，當(dāng)懸浮氣隙δ逐漸減小至0時(shí)，h橋變流器停止向定子繞組7供電，鎖緊偏航閘。

4)無懸浮風(fēng)能捕獲。無懸浮風(fēng)能捕獲工作機(jī)制如圖4所示，主要應(yīng)對額定風(fēng)速以上工況的風(fēng)能捕獲，此時(shí)風(fēng)機(jī)偏航驅(qū)動力矩較大，無需偏航電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩即可完成機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航側(cè)風(fēng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在恒額定功率運(yùn)行狀態(tài)，采用偏航摩擦轉(zhuǎn)矩調(diào)控和偏航回饋轉(zhuǎn)矩調(diào)控相結(jié)合的控制方法，確保偏航轉(zhuǎn)速恒定，包括偏航摩擦轉(zhuǎn)矩調(diào)控、偏航回饋轉(zhuǎn)矩控制、發(fā)電機(jī)額定功率控制以及偏航停機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能恒額定功率捕獲以及側(cè)偏保護(hù)。

①偏航摩擦轉(zhuǎn)矩調(diào)控。風(fēng)能捕獲必須以風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定為前提，而額定風(fēng)速以上工況風(fēng)機(jī)偏航力矩較大，偏航起動極易導(dǎo)致偏航轉(zhuǎn)速超調(diào)以及機(jī)組不穩(wěn)定，較大的偏航回饋電流嚴(yán)重威脅偏航盤式繞組安全和使用壽命，因此調(diào)控懸浮力改變偏航摩擦力矩實(shí)現(xiàn)無回饋偏航起動。偏航摩擦轉(zhuǎn)矩調(diào)控機(jī)制如圖7所示，主要應(yīng)對機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航起動轉(zhuǎn)速低于0.75ωyref過程，采用基于pi偏航轉(zhuǎn)速和懸浮電流的雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的，偏航轉(zhuǎn)速外環(huán)的參考輸入為偏航起動軌線參考，其控制器輸出為懸浮電流內(nèi)環(huán)參考，電流內(nèi)環(huán)的控制輸出作為調(diào)制波，送給比較單元txcmpr，并與三角載波比較生成pwm驅(qū)動信號，控制懸浮變流器h橋10向定子繞組7提供懸浮電流iμ的大小，與機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體中永磁體環(huán)帶12產(chǎn)生懸浮斥力fm，改變球柱式引導(dǎo)環(huán)帶與引導(dǎo)柱槽之間摩擦力，基于tr＝(farv-fm)μr調(diào)控摩擦力矩，并結(jié)合完成不需偏航變流器9工作情況下無懸浮狀態(tài)的偏航起動。

②偏航回饋轉(zhuǎn)矩控制。當(dāng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航轉(zhuǎn)速ωyaw達(dá)到0.75ωyref時(shí)，主控制cpu28035送給繼電器一高電平信號，將偏航摩擦轉(zhuǎn)矩控制切換至偏航行回饋轉(zhuǎn)矩控制。偏航回饋轉(zhuǎn)矩控制是在偏航起動基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)控懸浮力fm，使偏航摩擦轉(zhuǎn)矩tr逐步減小，偏航變流器9運(yùn)行于回饋制動調(diào)控機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航轉(zhuǎn)速，同時(shí)回饋能量與發(fā)電機(jī)輸出功率一起向電網(wǎng)饋電。偏航回饋轉(zhuǎn)矩控制機(jī)制如圖7所示，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向解耦策略，將偏航盤式繞組電流解耦成轉(zhuǎn)矩電流iq和勵磁電流id，并采用基于偏航轉(zhuǎn)速參考ωyref的pi外環(huán)控制以及基于電流內(nèi)環(huán)跟蹤的雙閉環(huán)控制策略予以實(shí)現(xiàn)，其中轉(zhuǎn)速外環(huán)pi控制輸出作為轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)的參考，而勵磁電流環(huán)的參考則設(shè)置為0，以確保軸徑向磁場解耦；兩電流內(nèi)環(huán)的pi控制輸出經(jīng)兩dq旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至三相靜止abc坐標(biāo)系中的三個(gè)比較單元(cmpa、cmpb、cmpc)，最終與三角載波比較產(chǎn)生pwm驅(qū)動信號，調(diào)控偏航變流器9向偏航盤式繞組8通入三相電流值，并在定子繞組7勵磁作用下產(chǎn)生回饋電磁轉(zhuǎn)矩te，調(diào)控機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航。此時(shí)，懸浮力調(diào)控則采用基于機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體壓力的雙閉環(huán)控制，執(zhí)行單元為h橋變流器，外環(huán)壓力參考設(shè)置為0，壓力閉環(huán)控制輸出則為懸浮電流內(nèi)環(huán)參考，內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)輸出則和三角載波比較，生成pwm，調(diào)節(jié)定子繞組懸浮電流，確保機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體對復(fù)合塔架壓力farv＝0，此時(shí)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體與懸浮支撐體嚴(yán)格無偏航摩擦，偏航回饋功率最大。

③發(fā)電機(jī)額定功率控制。發(fā)電機(jī)額定功率控制是主控單元dsp28035經(jīng)由機(jī)側(cè)變流器11調(diào)控發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)格為額定轉(zhuǎn)速的控制，確保發(fā)電機(jī)輸出嚴(yán)格控制在額定功率。為降低偏航有效風(fēng)速小幅變化對發(fā)電機(jī)輸出功率波動的影響，設(shè)置flag計(jì)數(shù)器以約束發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控頻率，當(dāng)flag達(dá)到200時(shí)，基于當(dāng)前偏航角度獲取的有效風(fēng)速vcosθ獲得有效風(fēng)速，藉此與額定風(fēng)速vn比較，若滿足vcosθ≤vn，即為有效風(fēng)速在額定風(fēng)速以下恒功率控制過程，發(fā)電機(jī)功率控制與最大風(fēng)能捕獲控制方法完全相同；當(dāng)vcosθ≥vn，即為有效風(fēng)速在額定風(fēng)速以上的恒功率控制，此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速ωgn，控制激勵框圖如5所示，完成發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ωgn的嚴(yán)格跟蹤，確保發(fā)電機(jī)輸出額定功率pn和能量回饋。

5)機(jī)組安全保護(hù)。機(jī)組安全保護(hù)主要應(yīng)對切出風(fēng)速惡劣工況下保護(hù)風(fēng)電機(jī)組而設(shè)置的，此時(shí)控制懸浮變流器10產(chǎn)生反向電流，定子繞組7與機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體永磁體12之間產(chǎn)生懸浮吸力，將機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體與懸浮支撐體固定一起，確保風(fēng)電機(jī)組不發(fā)生傾覆和墜落。