本实用新型涉及一种风力发电机组，尤其是一种风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置，属于风电领域。
背景技术：
随着能源危机和环境污染日趋严重，作为严格无污染的风力发电受到世界关注，明确将风力发电从补充能源提升至替代能源战略地位，但低风速区域（平均风速低于5-6m/s）占全国总面积的70%以上，加大大功率低风速风力发电机型研究，是推动低风速风电发展的有效途径。垂直轴风力发电机无需水平轴风力发电系统必需的偏航装置，具有启动风速低、安装简便等优势，特别是磁悬浮轴承引入至垂直轴风力发电后，风力机起动阻力矩大幅降低，非常适合弱风型风电场。但目前普遍功率相对较小，内蒙古索力德风电公司和广州雅图新能源有限公司开发了mw级垂直轴风力机，采用磁悬浮轴承以及多层桨叶采风机构，起动风速减小至3-3.5m/s，但存在风能捕获控制滞后、机械冲击大以及输出功率波动等问题，同时多层采风系统高度差导致风机存在较大倾覆力矩，极易导致风机旋转体轴径向悬浮位移变化，摩擦损耗大、发电成本高。采用主动电磁悬浮实现垂直轴风力发电系统桨叶采风机构的完全悬浮，可有效降低风机旋转体轴径向摩擦损耗，但磁悬浮装置本身也存在电磁悬浮功耗，特别是产生电磁力所需的悬浮绕组和永磁体直接导致风机桨叶采风系统自重增大，产生较大悬浮功耗；同时风速的随机性和波动性问题，极易导致功率波动，影响电力系统安全和可靠性。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于：针对现有技术中存在的缺陷或不足，将压缩空气储能引入至垂直轴风力发电系统，平抑风能波动对输出功率影响，采用风机旋转体的四点完全气动悬浮，极大消除轴径向摩擦损耗，提供一种度电成本低、控制简单、风能利用率高、大功率风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置。
为了达到以上目的，本实用新型风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置，包括：风机桨叶、风机旋转体、永磁同步发电机、压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置、塔架、机械耦合装置、以及变流器部分。风速和气罐气压随机变化，系统存在气浮起动、气浮风能捕获、气浮压缩储能、阻尼功率控制以及停机保护等五种工作模式，主控制cpu为dsp28335，基于风速传感器、电流电压传感器、气压传感器、压力传感器以及编码器等实测数据，合理控制pwm输出、阀门开度电压以及电磁离合器吸合，优化选择五种工作模式。
所述风机桨叶为四组两层结构，分别为轴向桨叶和径向桨叶，所述轴向桨叶设置在风机旋转体顶端，所述径向桨叶按照均分原则分布在风机旋转体外侧；所述风机旋转体为流线型机壳结构，顶端为塔架支撑的圆形水平旋转面，外侧设置三组风机桨叶，内侧设置n/s排列的16对永磁体，构成永磁同步发电机转子；所述永磁同步发电机为径向发电机，包括转子和定子两部分，所述定子三相绕组固定在塔架上，转子均匀内嵌在风机旋转体上，随风机旋转体旋转在定子绕组内感应三相电流，经变流器部分馈电并网；所述塔架为风机旋转体的旋转支撑，塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承，内侧为支撑机械耦合装置的托盘支撑，将风机旋转体捕获转矩传递至压缩空气储能部分，塔架内部设置压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置以及变流器部分；所述机械耦合装置为行星齿轮升速机构，包括与风机旋转体刚性联结的齿圈、固定在托盘支撑上的行星架以及太阳轮等三部分，将风机旋转体变速驱动压缩机。
所述压缩空气储能包括三个压缩机、三个电磁离合器、七个气动阀门、高压储气罐、以及气路，所述压缩机共有三个，轴向依次放置在塔架内部，彼此间通过电磁离合器级联，上端压缩机经电磁离合器与机械耦合装置转矩耦合所述，气动阀门共有7个，将三个压缩机的吸/排气口合理联结和柔性调整，改变压缩机的多级压缩模式，提升压缩储能效率，所述高压储气罐存储压缩所致高压气体，为悬浮阻尼调控装置提供高压气体，上端设置压力传感器和泄气阀；所述悬浮阻尼调控装置包括两个轴向放置的盘式气动支撑和四个三通气动阀门，控制风机旋转体气浮和摩擦阻尼调控，所述盘式气动支撑固定在塔架上，两盘式气动支撑之间为风机旋转体的圆盘型底座，两盘式气动支撑对应设置四对凹型膨胀孔，上下两膨胀孔共用一个三通气动阀，所述三通气动阀输入端经气路与高压储气罐相联；所述膨胀孔气压由三通气动阀的阀门开度控制，增加上侧膨胀孔排出气体压力，增大风机旋转体摩擦转矩，增加下侧膨胀孔排出气体压力，弱化直至消除风机旋转体摩擦转矩；所述变流器部分包括机侧变流器、网侧变流器、蓄电池、充电变流器以及控制回路变流器，所述机侧变流器为可控三相整流器，调节永磁同步发电机电磁转矩，使风机旋转体运行在最大功率点对应转速上，网侧变流器为三相逆变桥，将永磁同步发电输出功率馈送上网；所述蓄电池为控制回路的供电电池，所述充电变流器和控制回路变流器都为buck变流器，所述充电变流器将机侧变流器的整流输出电压降压给蓄电池充电，所述控制回路变流器为所述气动阀门、电磁离合器供电的斩波变流器。
本发明的有益效果是：
1）将压缩空气储能引入垂直轴风力发电系统，平抑风能波动对输出功率影响，极大提升风机输出功率稳定，创新性地引入风机旋转体的气动悬浮，极大降低风机旋转体悬浮功耗和摩擦功耗，实现风机超低速起动和风能高效捕获。
2）压缩空气储能多气动阀门和电磁离合器的协同调控机制，可实现压缩空气储能消纳功率的柔性调整，结合永磁同步发电机机侧变流器的调控，可实现风机额定转速的粗细协同调控策略，极大提升风能捕获功率。
3）采用风机旋转体四点气动悬浮机制，灵活控制风机旋转体的稳定悬浮，实现风速波动所致倾覆力矩的有效平抑，确保风机旋转体多自由度悬浮稳定，实现低风速启动甚至微风启动，大大提高风能利用率，尤其适合于弱风型风电场。
附图说明
图1为本实用新型风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置结构示意图。
图2为本实用新型风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置变流器部分结构图。
图3为本实用新型压缩空气储能和悬浮阻尼调控装置结构图。
图4为本实用新型控制输入和输出图。
图5为本实用新型风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置控制机制图。
图中：1.1-轴向桨叶，1.2-径向桨叶，2-机械耦合装置，2.1-齿圈，2.2-行星架，2.3-太阳轮，3-风机旋转体，4.1-永磁同步发电机定子，4.2-永磁同步发电机转子，5-滚珠轴承，6-压缩机，7-高压储气罐，8-塔架，9-悬浮阻尼调控装置，10-托盘支撑，11-机侧变流器，12-充电变流器，13-网侧变流器，14-蓄电池；15-控制回路变流器，16~19-三通气动阀，20-上膨胀孔，21-下膨胀孔，22~24-电磁离合器，25~31-双向气动阀，32-泄气阀，33-压力传感器，34-气动上支撑，35-气动下支撑。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。
如图1、图2、图3所示，本实用新型风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置包括：风机桨叶1、风机旋转体3、永磁同步发电机4、压缩空气储能（6,7,22~24,25~31）、悬浮阻尼调控装置9、塔架8、机械耦合装置2、以及变流器部分11~15；风机桨叶为四组两层结构，包括1个轴向桨叶1.1和3个径向桨叶1.2，轴向桨叶1.1设置在风机旋转体3顶端，径向桨叶1.2按照均分原则分布在风机旋转体外侧；风机旋转体3为流线型机壳结构，顶端为塔架8支撑的圆形水平旋转面，外侧设置三组风机桨叶，内侧设置永磁同步发电机转子4.2；永磁同步发电机4为径向式发电机，包括转子4.2和定子4.1两部分，定子为三相绕组固定在塔架上；塔架为风机旋转体的旋转支撑，塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承5，上端内侧设置托盘支撑10，内设机械耦合装置2，将风机旋转体3捕获的风机转矩传递至压缩空气储能部分，塔架内部设置压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置9以及变流器部分；机械耦合装置2为行星齿轮升速机构，包括与风机旋转体刚性联结的齿圈2.1、固定在托盘支撑上的行星架2.2以及太阳轮2.3等三部分，将风机旋转体变速驱动压缩机6。
所述压缩空气储能包括三个压缩机6、三个电磁离合器22~24、七个双向气动阀25~31、高压储气罐7以及气路，三个压缩机轴向依次放置在塔架8内部，彼此间通过电磁离合器22~24级联，双向气动阀门25~31共有7个，将三个压缩机6的吸/排气口合理联结，改变压缩机的多级压缩模式；所述高压储气罐7存储高压气体，上端设置压力传感器33和泄气阀32；所述悬浮阻尼调控装置9包括两个盘式气动支撑34~35和四个三通气动阀16~19，盘式气动支撑34~35固定在塔架8上，盘式上下气动支撑之间为风机旋转体3的圆盘型底座，两盘式气动支撑对应设置四对凹型膨胀孔，上下膨胀孔20~21共用一个三通气动阀16~19；所述膨胀孔气压由三通气动阀控制，增加上膨胀孔20排出气体压力，增大风机旋转体摩擦转矩，增加下膨胀孔21排出气体压力，弱化/消除风机旋转体3摩擦。
所述变流器部分包括机侧变流器11、网侧变流器13、蓄电池14、充电变流器12以及控制回路变流器15，所述机侧变流器11为可控三相整流器，调节永磁同步发电机电磁转矩，网侧变流器13为三相逆变桥，将永磁同步发电输出功率馈送上网；蓄电池14为控制回路供电电源；所述充电变流器12和控制回路变流器15都为buck变流器，充电变流器为蓄电池充电，控制回路变流器为气动阀、电磁离合器供电。因风速、气罐气压等随机变化，风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置存在气浮起动、气浮风能捕获、气浮压缩储能、阻尼功率控制以及停机保护等五种工作模式，主控制cpu采用dsp28335，根据风速传感器、电流电压传感器、气压传感器、压力传感器以及编码器等测量数据，合理选择和优化控制四种工作模式，控制机制如图5。
气浮起动：当风速vw达到起动风速vin后，三通气动阀开始上电，dsp28335根据压力传感器测量的压力，调节四个三通气动阀的开度，将高压储气罐内的高压气体经气路，送至气动支撑上的膨胀孔，增大气动下支撑上的四个下膨胀孔气体压力，直到风机旋转体四点处的压力传感器测量压力为零，此时风机旋转体完全由四个膨胀孔气体浮力支撑，风机旋转体开始无摩擦旋转，捕获能量，机侧变流器和网侧变流器开始工作。
气浮风能捕获：当风速vw满足vin<vw≤vn，继续保持四个三通气动阀的开度以及下膨胀孔内压力，确保风机旋转体完全由四个膨胀孔气体浮力支撑，风机旋转体无摩擦旋转捕获能量，机侧变流器根据编码器实测转速和旋转角度，调控永磁同步发电机的电磁转矩，使其稳定工作在当前风速最大功率点对应转速上，永磁同步发电机将捕获风能转化交流电功率，经机侧变流器、网侧变流器馈电上网，或者经充电变流器为蓄电池充电。
气浮压缩储能：当风速vw满足vn<vw<vot，继续保持四个三通气动阀的开度以及下膨胀孔内压力，确保风机旋转体完全由四个膨胀孔气体浮力支撑，风机旋转体无摩擦旋转捕获能量，同时切入压缩机压缩空气储能，根据实测的高压储气罐气体压力ps，给出i级压缩对应最大转矩ticmax，(i=1,2,3)，进而根据垂直轴风机功率曲线pw和额定转速ωn，给出风机捕获转矩为tw，若ps<pc1max，则由ns=(tw,-tn)/tc1max，其中：tn为发电机额定转矩，按照向下取整原则，计算压缩机ⅰ级压缩切入数量ns；若pc1max≤ps<pc2max，则投入ⅱ级串联压缩机构，设置ns=1；若pc2max≤ps<pc3max，则投入ⅲ级压缩机构，设置ns=1，其中pcimax为i级压缩对应的最大排气压力；进而计算△t=tw-nsticmax,如果△t＜tn，则按照ns和i进行电磁离合器吸合，切入压缩机；如果△t＞tn，则增大一级压缩，即i=i+1；接着以额定转速ωn为参考，结合实测转速ω，机侧变流器调控永磁同步发电机电磁转矩，将超过压缩空气储能功率部分，经网侧变流馈电并网。
阻尼功率控制：风速vw满足vn<vw<vot，涡旋机ⅲ级压缩、△t＞tn或者ps＞pc3max时，调控悬浮阻尼调控装置中的4个三通气动阀，改变三通气动阀门的控制电压，根据永磁同步发电机输出功率以及额定功率，动态改变上下膨胀孔内气压以及风机旋转体和塔架之间的摩擦转矩tf，直至永磁同步发电机额定功率输出，网侧变流器馈电上网，或者经充电变流器为蓄电池充电。
停机保护：若风速vw大于vout或者三通电磁阀门开度已达到最大开度，且永磁同步发电机输出功率仍大于pn，此时顺桨停机。
技术特征：
1.一种风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置，其特征包括风机桨叶、风机旋转体、永磁同步发电机、压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置、塔架、机械耦合装置、以及变流器部分；所述风机桨叶为四组两层结构布置，包括轴向桨叶和径向桨叶，所述轴向桨叶设置在风机旋转体顶端，所述径向桨叶按照均分原则分布在风机旋转体外侧；所述风机旋转体为流线型机壳结构，顶端为塔架支撑的圆形水平旋转面，外侧设置三组径向桨叶，内侧设置n/s排列的16对永磁体，构成永磁同步发电机转子；所述永磁同步发电机为径向发电机，包括转子和定子两部分，所述定子三相绕组固定在塔架上，转子内嵌在风机旋转体上，随风机旋转体旋转，在定子绕组内产生三相电流，经变流器部分整流、逆变馈电并网；所述塔架为风机旋转体的旋转支撑，塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承，内侧设置托盘支撑，内设机械耦合装置，将风机旋转体捕获转矩传递至压缩空气储能，塔架内设置压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置以及变流器部分；所述机械耦合装置将风机旋转体升速驱动压缩机，包括与风机旋转体刚性联结的齿圈、固定在托盘支撑的行星架以及太阳轮三部分。
2.如权利要求1所述的风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置，其特征所述压缩空气储能包括三个压缩机、三个电磁离合器、七个双向气动阀，以及高压储气罐，所述压缩机轴向放置在塔架内部，彼此间通过电磁离合器级联，上端压缩机经电磁离合器与机械耦合装置的太阳轮耦合，7个双向气动阀将压缩机的吸/排气口合理联结，改变多级压缩模式，所述高压储气罐存储压缩所致高压气体，上端设置压力传感器和泄气阀，提供高压气体给悬浮阻尼调控装置；所述悬浮阻尼调控装置包括两个轴向放置的盘式气动支撑和四个三通气动阀，控制风机旋转体气浮和摩擦转矩，所述盘式气动支撑固定在塔架上，两盘式气动支撑之间为风机旋转体底座，上下盘式气动支撑对应设置四对凹型膨胀孔，两膨胀孔共用一个三通气动阀，所述三通气动阀输入经气路与高压储气罐相联；所述膨胀孔气压由三通气动阀开度控制，摩擦转矩增大是由上膨胀孔气压增加实现，下膨胀孔排出气压增加，弱化甚至消除摩擦转矩；所述变流器部分包括机侧变流器、网侧变流器、蓄电池、充电变流器以及控制回路变流器，所述机侧变流器为三相可控整流器，调节永磁同步发电机电磁转矩，使风机旋转体运行在最大功率点对应转速上，网侧变流器为三相逆变桥，将永磁同步发电输出功率馈送上网；所述蓄电池为控制回路供电电源，所述充电变流器和控制回路变流器都为buck变流器，所述充电变流器将机侧变流器的整流输出电压降压给蓄电池充电，所述控制回路变流器为所述双向气动阀、电磁离合器供电的斩波变流器。
3.如权利要求1所述的风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置，其特征包括气浮起动、气浮风能捕获、气浮压缩储能、阻尼功率控制以及停机保护等五种工作模式，主控制cpu为dsp28335，根据风速传感器、电流电压传感器、气压传感器、压力传感器以及编码器等实测数据，合理控制变流器pwm输出、气动阀门开度和电磁离合器吸合，合理选择和优化控制五种工作模式。
技术总结
本实用新型公开了一种风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置，采用压缩空气储能高效储存超过额定功率以上风能，采用四点气浮支撑风机旋转体，消除轴径向摩擦损耗，提高风能捕获效率，包括风机桨叶、风机旋转体、永磁同步发电机、压缩空气储能、悬浮阻尼调控装置以及变流器，压缩空气储能采用电磁离合器合理吸合以及双向气动阀合理联结，调整压缩空气储能功率；悬浮阻尼调控装置合理调节气动支撑上膨胀孔内气压，改变风机旋转体与塔架之间的摩擦转矩，确保发电机恒功率控制，因风速和高压储气罐内气压变化，风力压缩空气储能式垂直轴气浮发电装置存在气浮起动、气浮风能捕获、气浮压缩储能、阻尼功率控制以及停机保护等五种工作模式。
技术研发人员：董同乐;褚晓广;孔英;韩子豪
受保护的技术使用者：曲阜师范大学
技术研发日：.04.25
技术公布日：.12.31
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