本發(fā)明實施例涉及風力發(fā)電技術領域，具體涉及一種小型定槳距風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)及方法。

背景技術：

風能因其綠色環(huán)保、分布廣泛以及能源豐富等特性，成為了世界各國重視的新能源之一。對于一些邊遠山區(qū)、農(nóng)牧區(qū)的用電問題，風力發(fā)電技術的發(fā)展提供了一個良好的解決方法。但在自然條件下，風速風向存在很大的隨機性，大風天氣帶來的過風速容易造成風力系統(tǒng)的輸入功率過高，使得風機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速過快，造成風輪機的飛車失控、燒毀發(fā)電機與整流控制電路、損壞蓄電池，甚至導致機械部件脫落等嚴重后果。

因此，若能在過風速時有效地限制風輪機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速，則不僅能避免轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速過快帶來的嚴重損害，還能使風力發(fā)電系統(tǒng)正常地運行在過風速區(qū)間上，提高風力發(fā)電系統(tǒng)的風速利用區(qū)間上限，增加風電系統(tǒng)發(fā)電量，增大風能利用率。因此在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用過程中，研究過風速下，限制風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速的技術方法很有必要。現(xiàn)有技術中，小型風機的限速方式主要包括三種，一種是機械制動限速：常用的機械制動限速方式是通過減小風輪的有效迎風面積，達到減小吸收風能的效果，進而完成對系統(tǒng)的限速功能，其主要包括有兩種方式：(1)以某種機構使風輪偏離風向；(2)以某種機構改變風輪葉片槳距角。其中，定槳距風力發(fā)電機的結構特性使其無法通過采用改變風輪葉片槳距角的方法，一般只有變槳距風力發(fā)電機，才可以通過改變風輪葉片槳距角，來實現(xiàn)降低風機的轉(zhuǎn)速。而方法(1)采用改變風輪迎風方向的結構，其特點是小型風機的機頭或某個部件處于動態(tài)支撐狀態(tài)，長期運行導致的機械磨損也會增大裝置的配合間隙，導致保護滯后、失效以及劇烈的震動。并且偏航系統(tǒng)的設置也往往價格不菲，且復雜、故障率高，維護的專業(yè)要求更高。另一種是電阻制動：電阻制動限速方式是指當風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過閥值時，計算當前轉(zhuǎn)速下最大反向制動力矩對應的電阻，并通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電阻值實現(xiàn)對風機的轉(zhuǎn)速控制。當采用改變并聯(lián)電阻數(shù)量的方法，來調(diào)節(jié)電阻負載時，其具有調(diào)節(jié)簡單，可靠性高的優(yōu)點；但當并聯(lián)電阻投入工作進行限速時，發(fā)電機的繞組電流也會增大，這加重了發(fā)電機的電流負擔，同時發(fā)電機繞組電流的限制也縮小了電阻制動的調(diào)節(jié)范圍。還有一種是摩擦限速：摩擦制動限速方式是在系統(tǒng)中安裝剎車摩擦片、制動臂或液壓裝置，電開關根據(jù)風速信號完成開合動作，實現(xiàn)對剎車制動臂、摩擦片或液壓裝置的控制，達到限速制動的效果。這種方法采用的摩擦部件磨損較快，制動過程中部件間的接觸也會引起震動。而其中液壓限速制動法的成本也較高，維護周期短，同時液壓剎車的適用溫度范圍也有限。

因此，如何提出一種方法，能夠在不顯著影響風力發(fā)電系統(tǒng)各部件基本布局的情況下，當風速過大時能有效地降低風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速，保證風力發(fā)電系統(tǒng)在風速過大時仍能正常工作，成為亟待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明實施例提供一種小型定槳距風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)及方法。

一方面，本發(fā)明實施例提供一種小型定槳距風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，包括：電磁限速裝置、不控整流供電裝置以及智能控制開關，所述電磁限速裝置設置在風輪機和發(fā)電機之間，通過產(chǎn)生電磁限速制動力矩來降低所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速；所述不控整流供電裝置與所述發(fā)電機連接，將發(fā)電機的部分交流電整流成直流電，并通過所述智能控制開關為所述電磁限速裝置供電。

另一方面，本發(fā)明實施例提供一種應用風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)進行風力發(fā)電機輔助限速的方法，包括：

不控整流供電裝置獲取發(fā)電機的部分交流電，并將所述交流電整流成直流電發(fā)送至智能控制開關；

所述智能控制開關測量所述不控整流供電裝置的輸出電壓，若判斷獲知所述輸出電壓大于或等于電壓閾值，則所述智能控制開關閉合；

電磁限速裝置通電并產(chǎn)生磁場，進一步產(chǎn)生電磁限速制動力矩，消耗風輪機吸收的部分風能，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)及方法，當風力發(fā)電系統(tǒng)處于過風速運行時，電磁制動裝置啟動開始工作，產(chǎn)生電磁限速制動力矩，消耗了部分風能，保證風輪機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速處于正常范圍內(nèi)，使得風力發(fā)電系統(tǒng)在一定程度的過風速下仍能正常工作，既實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)過風速保護功能，也提高了風力發(fā)電系統(tǒng)的風速利用區(qū)間上限，增加風電系統(tǒng)發(fā)電量，增大了風能利用率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例中風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中電磁限速裝置的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中的制動盤產(chǎn)生電磁限速制動力矩的示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中繞組線圈的磁力線分布示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例中智能控制開關的結構示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例中的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)的功率平衡調(diào)節(jié)路徑示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例中風力發(fā)電機輔助限速方法的流程示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例中風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖，如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)包括：電磁限速裝置5、不控整流供電裝置、6以及智能控制開關7，電磁限速裝置5設置在風輪機1和發(fā)電機2之間，通過產(chǎn)生電磁限速制動力矩來降低發(fā)電機2轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速；不控整流供電裝置6與發(fā)電機2連接，將發(fā)電機2的部分交流電整流成直流電，并通過智能控制開關7為電磁限速裝置5供電。

具體地，如圖1所示，風力發(fā)電系統(tǒng)通常包括風輪機1、發(fā)電機2、系統(tǒng)整流逆變裝置3以及終端輸出4，風輪機1吸收風能后，驅(qū)動發(fā)電機2運轉(zhuǎn)；發(fā)電機2生產(chǎn)的電能經(jīng)過系統(tǒng)整流逆變裝置3，轉(zhuǎn)化為標準電能，標準電能輸送至蓄電池或者電網(wǎng)等終端輸出4。當風速過大時，風輪機1的轉(zhuǎn)速會超過其額定轉(zhuǎn)速，而風輪機1和發(fā)電機2是同軸旋轉(zhuǎn)，風輪機1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)電機2旋轉(zhuǎn)，當風輪機1轉(zhuǎn)速過大時，會引起風輪機1飛車失控，并且發(fā)電機2的轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速也會過快，使得發(fā)電機2的功率過大，導致發(fā)電機2、整流控制裝置3以及蓄電池或者電網(wǎng)等終端輸出4燒毀。本發(fā)明實施例在風輪機1和發(fā)電機2之間設置電磁限速裝置5，并設置有與發(fā)電機2連接的不控整流供電裝置6，不控整流供電裝置6具有容量小的特點，其包括橋式不控整流電路，將從發(fā)電機2處獲得的部分交流電整流成直流電，并通過智能控制開關7為電磁限速裝置5供電。當然具體將交流電整流成直流電的方法還可以是其他方法，本發(fā)明實施例不作具體限定。當風力過大時，智能控制開關7閉合以使不控整流供電裝置6為電磁限速裝置5供電。電磁限速裝置5通電后會產(chǎn)生電磁限速制動力矩，抵消部分風力發(fā)電系統(tǒng)的輸入力矩，消耗風輪機1吸收的部分風能，從而降低發(fā)電機2的轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速。

當風速過大時，系統(tǒng)整流逆變裝置3會啟動過風速保護而斷開，使得風力發(fā)電系統(tǒng)無電能輸出。因此不控整流供電裝置6與發(fā)電機2連接，沒有從系統(tǒng)整流逆變裝置3處獲得電能，能夠確保因過風速而導致系統(tǒng)整流逆變裝置3啟動過風速保護時，不控整流供電裝置6仍能從發(fā)電機2處獲得交流電，保證了電磁限速裝置5有可靠的供電源能正常完成限速工作。同時發(fā)電機2經(jīng)過不控整流供電裝置6直接向電磁限速裝置5供電的方式也使得電磁限速裝置5的限速效果與風速同趨勢，即風速越大限速效果也越好。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，通過在風輪機和發(fā)電機之間設置電磁限速裝置，在風速過大時，由不控整流供電裝置通過智能控制開關為其供電，產(chǎn)生電磁限速制動力矩，抵消部分風力發(fā)電系統(tǒng)的輸入力矩，消耗風輪機吸收的部分風能，降低了發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)過風速限速保護功能，讓風力發(fā)電系統(tǒng)在一定程度的過風速環(huán)境下以正常的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。此外，本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，結構簡單，體積較小，安裝對風力發(fā)電系統(tǒng)基本結構的影響也較小。

圖2為本發(fā)明實施例中電磁限速裝置的結構示意圖，如圖2所示，在上述實施例的基礎上，所述電磁限速裝置包括：制動盤21和帶繞組線圈的鐵芯22，制動盤21設置在風輪機1和發(fā)電機2之間，與風輪機1以及發(fā)電機2同軸旋轉(zhuǎn)；帶繞組線圈的鐵芯22中的繞組線圈與智能控制開關7連接，且?guī)Ю@組線圈的鐵芯22與制動盤21之間的距離不小于預設距離，以使得制動盤21旋轉(zhuǎn)后能夠切割通電的繞組線圈產(chǎn)生的磁力線，從而產(chǎn)生電磁限速制動力矩。

具體地，如圖2所示，電磁限速裝置5包括制動盤21和帶繞組線圈的鐵芯22，其中制動盤21設置在風輪機1和發(fā)電機2之間，并和風輪機1以及發(fā)電機2同軸旋轉(zhuǎn)，即制動盤21設置在風輪機1和發(fā)電機2相連的轉(zhuǎn)子軸24上，與轉(zhuǎn)子軸24同軸旋轉(zhuǎn)。其中制動盤21的材質(zhì)是有良好磁導率的金屬，具體可以是鐵或者鋼，當然還可以是其他有良好磁導率的金屬，本發(fā)明實施例不作具體限定。帶繞組線圈的鐵芯22中的繞組線圈23與智能控制開關7連接，由智能控制開關7控制不控整流供電裝置6為帶繞組線圈的鐵芯22中的繞組線圈23供電。帶繞組線圈的鐵芯22與制動盤21之間的距離不小于預設距離，預設距離可以是風電系統(tǒng)在最惡劣的環(huán)境下工作時，帶繞組線圈的鐵芯22仍不與制動盤21接觸，且能產(chǎn)生勵磁效果的距離。既確保了制動盤21與帶繞組線圈的鐵芯的安全性，也保證制動盤21在帶繞組線圈的鐵芯22通電后產(chǎn)生的磁場范圍內(nèi)。當制動盤21旋轉(zhuǎn)后，其內(nèi)部會產(chǎn)生渦電流，帶有渦電流的金屬制動盤21旋轉(zhuǎn)后切割磁場運動，會受到安培力的作用，從而產(chǎn)生電磁限速制動力矩，消耗風輪機吸收的部分風能，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

圖3為本發(fā)明實施例中的制動盤產(chǎn)生電磁限速制動力矩的示意圖，如圖3所示，本發(fā)明實施例提供的電磁限速裝置中的帶繞組線圈的鐵芯在通電后會產(chǎn)生磁場，其中鐵芯的磁極面寬度為a，磁極面長度為b，制動盤中心到磁極中心的距離為L，風力發(fā)電機系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度即制動盤的旋轉(zhuǎn)角速度為ω。帶繞組線圈的鐵芯產(chǎn)生的磁場穿過制動盤，隨著制動盤的轉(zhuǎn)動，穿過制動盤的磁通量B會隨著時間的變化而變化，進而產(chǎn)生渦電流，在磁場中受到安培力的作用，產(chǎn)生電磁限速制動力矩T_制動。進一步將風輪機吸收的功率轉(zhuǎn)化為電磁制動功率P_制動，消耗了風輪機吸收的部分風能，降低了風輪機以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速。其中電磁限速制動力矩T_制動和電磁制動功率P_制動的公式可以參考公式(1)-(7)。

T_制動＝2BI_ebL (1)

式中：T_制動——制動力矩；

B——穿過制動盤的磁感應強度；

I_e——制動盤上產(chǎn)生的渦流的有效值；

b——繞組線圈的鐵芯的磁極面的長度；

L——制動盤軸心到磁極中心的距離。

式中：Δ_h——渦電流在制動盤上的集膚深度；

S——繞組線圈的鐵芯在制動盤上的投影面積；

ω——制動盤的旋轉(zhuǎn)角速度；

ρ——制動盤的電阻率。

S＝a×b (3)

式中：a——繞組線圈的鐵芯的磁極面的寬度。

式中：μ₀——真空磁導率；

μ_r——相對磁導率。

式中：N——繞組線圈的匝數(shù)；

I——繞組線圈中的電流的有效值；

R_m——磁通量回路磁阻；

K_e——折算系數(shù)。

將公式(2)、(3)、(4)和(5)帶入公式(1)，可以得到電磁限速制動力矩T_制動，具體參見公式(6)：

由于功率P＝Tω，根據(jù)電磁限速制動力矩T_制動，將公式(6)帶入P＝Tω，可以得到電磁制動功率P_制動，具體參見公式(7)：

電磁制動功率P_制動是制動盤通過產(chǎn)生制動力矩分擔了風輪機的部分吸收功率而產(chǎn)生的，其中風力發(fā)電系統(tǒng)運行時，風輪機的吸收功率P的計算公式如下公式(8)所示，

式中：P——風輪機的吸收功率；

C_P——風輪機的效率；

A——風輪機風輪的正面迎風面積；

η_空——空氣密度；

v——風速。

式中：λ——葉尖速比；

R——風輪機的風輪迎風面積的半徑；

ω——轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速。

將公式(9)和(10)變換后，代入公式(8)，可以得到風輪機吸收功率的計算公式，如公式(11)

從公式(11)可以看出，轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速與風輪機的吸收功率成正比關系，當風輪機吸收功率過大時，轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速過高，此時電磁限速裝置啟動，通過產(chǎn)生電磁限速制動力矩來消耗風輪機的部分吸收功率，在降低了轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速的同時，也限制了發(fā)電機的輸入功率，實現(xiàn)了過風速保護功能。電磁制動功率P_制動是制動盤通過產(chǎn)生制動力矩而產(chǎn)生的，其分擔了風輪機的部分吸收功率，產(chǎn)生的電磁制動功率在制動盤上以熱能的形式散發(fā)到空氣中，既不會影響電磁限速裝置的機械結構，也不會影響發(fā)電機的工作環(huán)境?？梢钥闯鲲L力發(fā)電系統(tǒng)在過風速條件下運行時，當電磁限速裝置工作后，風輪機吸收的功率被電磁限速裝置分擔，從而使得發(fā)電機的吸收功率不高于額定值，保證了風力發(fā)電系統(tǒng)在過風速狀態(tài)下仍能正常發(fā)電。

由公式(6)和公式(7)可知，當繞組線圈、制動盤等裝置選定并安裝完成后，電磁限速制動力矩T_制動和電磁制動功率P_制動僅與繞組線圈中的電流I、制動盤旋轉(zhuǎn)的角速度ω以及線圈匝數(shù)N相關。公式(6)和(7)中的其他參數(shù)在繞組線圈、制動盤等裝置選定并安裝完成后都已經(jīng)確定并已知。各參數(shù)對電磁限速制動力矩T_制動和電磁制動功率P_制動的具體影響如下：

電磁限速裝置中閉合磁路的組成部分包含有較大的空氣磁路，則磁路處于線性狀態(tài)，磁極產(chǎn)生的勵磁磁通量Φ_m與繞組線圈內(nèi)的電流大小成比例。則如公式(6)和(7)所示，電磁限速制動力矩T_制動和電磁制動功率P_制動與線圈電流I的平方呈正比例線性關系，增大繞組線圈中的電流I即可增大電磁限速制動力矩T_制動和電磁制動功率P_制動。

與線圈電流I相似，電磁限速制動力矩T_制動與繞組匝數(shù)N的平方呈正比例關系。增加繞組線圈的匝數(shù)即可有效地增大電磁限速制動力矩T_制動和電磁制動功率P_制動。因此，在風力發(fā)電系統(tǒng)安裝電磁限速裝置時，選擇適當?shù)睦@組匝數(shù)十分重要。

綜上所述，在風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)工作前，選擇合適的制動盤材料及其尺寸，調(diào)節(jié)繞組線圈繞組匝數(shù)以及繞組線圈中鐵芯與制動盤間的間距，即設置好制動盤的電阻率ρ、相對磁導率μ_r、磁極面的寬度a、磁極面的長度b、制動盤重心到磁極中心的距離L、渦電流在制動盤上的集膚深度Δh、繞組線圈繞組匝數(shù)N、磁通量回路磁阻R_m等參數(shù)。當風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)工作時，以風速與風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速的函數(shù)關系、風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速與其輸出電能的函數(shù)關系、輸出電能與電磁制動力矩的函數(shù)關系、電磁制動轉(zhuǎn)矩與風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速的函數(shù)關系為基礎，選擇合適的控制策略，便能實現(xiàn)本電磁智能輔助限速系統(tǒng)對風力發(fā)電系統(tǒng)的限速控制。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，在風輪機和發(fā)電機之間設置包括制動盤和帶鐵芯的繞組線圈的電磁限速裝置，當風速過大時，通過由制動盤旋轉(zhuǎn)切割通電后的繞組線圈產(chǎn)生的磁力線，而產(chǎn)生電磁限速制動力矩，從而消耗風輪機吸收的部分風能，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)的過風速保護功能。

在上述實施例的基礎上，所述制動盤和所述繞組線圈設置在所述發(fā)電機的機艙外，其中所述帶繞組線圈的鐵芯一端設置在所述機艙的外壁上，另一端與所述制動盤之間有一定的間隙，所述間隙在預設范圍內(nèi)。

具體地，如圖2所示，將制動盤21和帶繞組線圈的鐵芯22設置在發(fā)電機2的機艙外，帶繞組線圈的鐵芯22的一端設置在機艙的外壁25上，另一端與制動盤21之間有一定的間隙，間隙在預設范圍內(nèi)，保證帶繞組線圈的鐵芯22與制動盤21不直接接觸。需要說明的是，帶繞組線圈的鐵芯22與制動盤21之間的間隙可以根據(jù)實際情況進行設置，間隙不同，穿過制動磁盤21的磁通量不同，磁感應強度不同，產(chǎn)生的渦電流也不同，從而導致產(chǎn)生的電磁限速制動力矩不同。具體可以根據(jù)公式(6)看出，制動盤軸心到磁極中心的距離會影響到電磁限速制動力矩的大小。因此根據(jù)需要，可以通過調(diào)節(jié)帶繞組線圈的鐵芯22與制動盤21之間的間隙來調(diào)節(jié)制動盤21產(chǎn)生的電磁限速制動力矩，進一步調(diào)節(jié)限速效果。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，在限速制動過程中，將吸收的發(fā)電系統(tǒng)富余功率，以發(fā)熱的形式，消耗在制動盤中。而由于此風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)將制動盤和帶繞組線圈的鐵芯設置在發(fā)電機的機艙外，使得制動盤能將熱能通過對流和輻射散發(fā)到周圍的環(huán)境中，而不將熱能散發(fā)到發(fā)電機的機艙內(nèi)，不僅有效緩解了發(fā)電機本體的電負荷壓力，同時也降低了發(fā)電機的溫升。實現(xiàn)了不顯著影響原風力發(fā)電系統(tǒng)的運行環(huán)境的情況下，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對風力發(fā)電系統(tǒng)的過風速保護功能。

在上述實施例的基礎上，所述帶繞組線圈的鐵芯與所述制動盤的軸線平行但不重合，其中所述鐵芯的軸線方向與所述繞組線圈的纏繞方向符合右手螺旋定則關系。

具體地，本發(fā)明實施例中的帶繞組線圈的鐵芯22與制動盤21的軸線平行但不重合，即二者軸線不在一條直線上，使得帶繞組線圈的鐵芯22發(fā)出的磁力線的方向與制動盤21的軸平面垂直。此外，帶繞組線圈的鐵芯22與制動盤21之間也保持一定的距離。

圖4為本發(fā)明實施例中繞組線圈的磁力線分布示意圖，如圖4所示，本發(fā)明實施例提供的繞組線圈在通電后，可以使得穿過制動盤21的磁通量比較均勻，這樣制動盤21轉(zhuǎn)動時穿過其內(nèi)任意一點的磁通量的變化可以簡化為隨時間作正弦變化。根據(jù)右手螺旋定則，制動盤21中會形成渦電流，帶渦電流的制動盤21轉(zhuǎn)動時切割磁力線，會受到安培力并產(chǎn)生電磁限速制動力矩，從而起到限速作用。

圖5為本發(fā)明實施例中智能控制開關的結構示意圖，如圖5所示，在上述實施例的基礎上，所述智能控制開關包括：測量單元51、邏輯單元52和執(zhí)行單元53，測量單元51與不控整流供電裝置6連接，用于測量不控整流供電裝置6的輸出電壓，并將所述輸出電壓發(fā)送至邏輯單元52；邏輯單元52接收所述輸出電壓，將所述輸出電壓和預設的電壓閥值作對比，并將對比結果發(fā)送至執(zhí)行單元53；執(zhí)行單元53與電磁限速裝置5連接，根據(jù)接收到的所述對比結果進行閉合或斷開操作。

具體地，測量單元51包括電壓幅值測量電路，對不控整流供電裝置6輸出的直流電壓即輸出電壓進行幅值測量；邏輯單元52包括電壓幅值對比電路，預先在邏輯單元52中將切出風速時對應的不控整流裝置6的輸出電壓設置為電壓閥值，并將測量單元51測得的輸出電壓與預設的電壓閥值進行對比，將對比結果輸入執(zhí)行單元53中；執(zhí)行單元53包括控制電磁限速裝置5通電的開關，執(zhí)行單元53根據(jù)邏輯單元52的對比結果進行開關的閉合或斷開，實現(xiàn)對電磁限速裝置5的供電控制。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，通過智能控制開關測量不控整流供電裝置的輸出電壓，并將輸出電壓和電壓閥值作對比，根據(jù)對比結果來控制電磁限速裝置的通電或斷電，實現(xiàn)了對電磁限速裝置的合理控制，使得在過風速時電磁限速裝置工作，否則電磁限速裝置處于休眠狀態(tài)。

在上述實施例的基礎上，所述執(zhí)行單元根據(jù)所述對比結果進行閉合或斷開操作，包括：若所述比結果是所述輸出電壓大于或等于所述電壓閥值，則所述執(zhí)行單元進行閉合操作；若所述比結果是所述輸出電壓小于所述電壓閥值，則所述執(zhí)行單元進行斷開操作。

具體地，由于不控整流供電裝置6的輸出電壓是由發(fā)電機提供的，當風速過大時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速增大，輸出功率會相應的增大，導致輸出電壓增大。因此，當邏輯單元52判斷測量單元51測得的不控整流供電裝置6的輸出電壓U_輸大于或等于預設的電壓閥值U_閥時，即U_輸≥U_閥，邏輯單元52可以輸出表示“是”的對比結果，執(zhí)行單元53接收到對比結果后，將開關閉合，電磁限速裝置5通電啟動，產(chǎn)生電磁限速制動力矩，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速；否則，邏輯單元52判斷測量單元51測得的不控整流供電裝置6的輸出電壓U_輸小于電壓閥值U_閥時，即U_輸<U_閥，可以輸出表示“否”的對比結果，執(zhí)行單元43(53)接收到對比結果后，將開關斷開，電磁限速裝置5斷電休眠，這時，風速在風力發(fā)電系統(tǒng)正常工作的范圍內(nèi)。當然對比結果的具體表示含義，可以根據(jù)需要進行設置，本發(fā)明實施例不作具體限定。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，通過智能控制開關測量不控整流供電裝置的輸出電壓，并將輸出電壓和電壓閥值作對比，當輸出電壓大于或等于電壓閥值時，表示風速過大，這時智能控制開關閉合，電磁限速裝置的通電工作；否則，表示風速正常，智能控制開關斷開，電磁限速裝置斷電休眠。實現(xiàn)了根據(jù)風速來對電磁限速裝置的合理控制，使得在過風速時電磁限速裝置工作，實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)的過風速保護功能。

下面具體介紹本發(fā)明實施例中風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)的工作原理，以便更好地理解本發(fā)明實施例的技術方案。

風力發(fā)電系統(tǒng)運行時，假設風速V_風為切出風速V_1out，對應的轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速ω為臨界正常轉(zhuǎn)速ω_out。當風速從切出風速V_風增大△V_風至V'_風時，風力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速由臨界正常轉(zhuǎn)速ω_out增大至ω'，風輪機的臨界正常吸收功率P_風輪機增大△P_風輪機至P'_風輪機，P'_風輪機表示過風速V'_風,下風輪機的吸收功率。其中，過風速下風輪機的吸收功率P'_風輪機的具體公式參見公式(12)：

P'_風輪機＝P_風輪機+ΔP_風輪機 (12)

式中：P'_風輪機——過風速V'_風下風輪機的吸收功率；

P_風輪機——風輪機的臨界正常吸收功率；

△P_風輪機——風輪機從臨界正常吸收功率到過風速下的吸收功率的變化值。

將公式(11)代入公式(12)并進行簡單的變化后，可以得到風輪機的額外吸收功率△P_風輪機，具體參見公式(13)：

式中：ω'——過風速V'_風下轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速；

ω_out——切出風速V_風對應的轉(zhuǎn)子軸的臨界轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上述公式(8)、(10)可知，當風速V_風增大△V_風至V'_風時，轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速ω和風輪機吸收功率P都增大。

若當前的風速為切出風速V_風，系統(tǒng)中風輪機的臨界正常吸收功率P_風輪機與發(fā)電機的臨界正常吸收功率P_{發(fā)電機}的功率平衡關系如公式(14)所示：

P_風輪機＝P_{發(fā)電機} (14)

式中：P_{發(fā)電機}——發(fā)電機的臨界正常吸收功率。

當風速由V_風增大至V'_風時，此時風速超出切出風速，則V'_風為過風速，即V'_風>V_風。此時系統(tǒng)中風輪機的吸收功率P'_風輪機、發(fā)電機的吸收功率P'_{發(fā)電機}以及風輪機的臨界正常吸收功率P_風輪機、發(fā)電機的臨界正常吸收功率P_{發(fā)電機}的功率平衡關系如公式(15)所示：

P'_風輪機＝ΔP_風輪機+P_風輪機＝P'_{發(fā)電機}＞P_{發(fā)電機} (15)

式中：P'_{發(fā)電機}——過風速V'_風下沒有安裝限速輔助系統(tǒng)時發(fā)電機的吸收功率。

此時，發(fā)電機的吸收功率P'_{發(fā)電機}高于臨界正常吸收功率P_{發(fā)電機}，則發(fā)電機處于過負荷運行狀態(tài)。風力發(fā)電系統(tǒng)需要采取措施降低轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速，減少發(fā)電機的吸收功率，保證風力系統(tǒng)的正常運行。這時，電磁限速裝置啟動，制動盤產(chǎn)生電磁制動力矩T_制動，制動盤會消耗部分風輪機的吸收功率，此部分功率為電磁制動功率P_制動，電磁制動力矩T_制動和電磁制動功率P_制動的具體公式參見上述公式(6)和(7)。

因此，在風力發(fā)電系統(tǒng)中安裝本發(fā)明實施例中的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，若風速為V'_風且風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)工作時，發(fā)電機的吸收功率為P″_{發(fā)電機}，則系統(tǒng)中的功率平衡關系如公式(16)所示：

P'_風輪機＝ΔP_風輪機+P_風輪機＝P″_{發(fā)電機}+P_制動 (16)

式中：P″_{發(fā)電機}——過風速V'_風下安裝了風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)時發(fā)電機的吸收功率。

將公式(14)代入公式(16)中，整理可得發(fā)電機的臨界正常吸收功率P_{發(fā)電機}與過風速下風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)啟動時發(fā)電機的吸收功率P″_{發(fā)電機}的關系，如公式(17)所示：

ΔP_風輪機+P_{發(fā)電機}＝P″_{發(fā)電機}+P_制動 (17)

根據(jù)公式(17)，過風速下風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)工作時，若電磁限速裝置產(chǎn)生的制動功率P_制動大于風輪機額外吸收的功率△P_風輪機，則風力發(fā)電機在過風速下風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)啟動時的吸收功率P″_{發(fā)電機}小于臨界正常吸收功率P_{發(fā)電機}，即若滿足公式(18)關系，則公式(19)成立。此時風力發(fā)電機處于正常運行狀態(tài)。

ΔP_風輪機≤P_制動 (18)

P_{發(fā)電機}≥P″_{發(fā)電機} (19)

△P_風輪機與P_制動的表達式如公式(13)和(7)所示，當風速為V'_風時，轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速為ω'，將公式(13)和(7)代入公式(18)中，如公式(20)所示，并將公式(20)整理可得式(21)：

式中參數(shù)的含義與上述實施例一致，此處不再贅述。

公式(21)是由公式(18)推導而得，因此理論上，加裝了風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)在任意風速下工作時，若電磁限速裝置的線圈電流與風力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速的關系符合公式(21)，則公式(19)成立，即風力發(fā)電機就可以正常工作。

由公式(6)和(21)可知，電磁限速裝置的繞組線圈的電流I不僅是影響T_制動的重要變量，同時也是調(diào)節(jié)風力發(fā)電系統(tǒng)功率平衡的重要因素，調(diào)節(jié)繞組線圈電流I的大小，就可以保證風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。圖6為本發(fā)明實施例中的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)的功率平衡調(diào)節(jié)路徑示意圖，如圖6所示，本發(fā)明實施例中的繞組線圈的電流I由發(fā)電機直接提供，加裝了風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)工作時的功率平衡調(diào)節(jié)路徑可以表示為如下：

當風速V_風增大時，轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速ω、風輪機吸收功率P_風輪機與發(fā)電機吸收功率P_{發(fā)電機}都增大；則發(fā)電機的輸出功率P_輸出增大，輸向電磁限速裝置的鐵芯繞組線圈電流I增大；根據(jù)式(6)和(7)，可知電磁限速裝置產(chǎn)生的電磁限速制動力矩T_制動與電磁制動功率P_制動也與線圈電流I同趨勢增長；而由功率平衡等式(17)可知，P_制動的增大，能更大程度地減少風輪機額外吸收功率△P_風輪機對過風速下發(fā)電機的吸收功率P_制動的影響，保證了風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，實現(xiàn)了對風力發(fā)電系統(tǒng)的限速保護。此外，本發(fā)明實施例中的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)的工作流程與風力發(fā)電系統(tǒng)形成了負反饋，即風速越大，風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)的制動效果越強，產(chǎn)生的電磁限速制動力矩越大，電磁制動功率越大，分擔的風輪機吸收的功率越多，有效地實現(xiàn)限速保護功能并維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

因此，過風速時，若能通過預設調(diào)節(jié)，使得發(fā)電機向電磁限速裝置輸出的線圈電流I與當前轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速符合公式(21)所述的關系，則任意風速下風輪機額外吸收的功率均不會對風力發(fā)電系統(tǒng)造成影響，即風力發(fā)電系統(tǒng)在任意風速下都能正常運行。此時加裝了風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)的切出風速V_2out大于原風力發(fā)電系統(tǒng)的切出風速V1_out，即V_2out>V1_out，提高了風力發(fā)電系統(tǒng)的風速利用區(qū)間的上限，增大了風能利用率。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，可以通過合理的設置電磁限速裝置結構參數(shù)如：制動盤的材質(zhì)和尺寸、制動盤重心到磁極中心的距離L以及繞組線圈繞組匝數(shù)N等，進一步可以調(diào)節(jié)電磁限速裝置中的繞組線圈的電流，可以實現(xiàn)任一風速下保證風力發(fā)電系統(tǒng)能夠正常工作。實現(xiàn)了過風速下風力發(fā)電系統(tǒng)的過風速保護功能。本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)結構簡單、體積小，便于安裝，不僅便于安裝在新增小型風力發(fā)電機上，也便于原有風力發(fā)電機的改裝。在完成風力發(fā)電系統(tǒng)過風速限速保護的同時，提高了風力發(fā)電機的切出風速，擴大了風速利用區(qū)間，增大了風能的利用率。

圖7為本發(fā)明實施例中風力發(fā)電機輔助限速方法的流程示意圖，如圖7所示，在上述實施例的基礎上，本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速的方法包括：

S1、不控整流供電裝置獲取發(fā)電機的部分交流電，并將所述交流電整流成直流電發(fā)送至智能控制開關；

具體地，不控整流供電裝置與風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機連接，獲取發(fā)電機的部分交流電并通過橋式不控整流電路將交流電整流成直流電，發(fā)送至智能控制開關。

S2、所述智能控制開關測量所述不控整流供電裝置的輸出電壓，若判斷獲知所述輸出電壓大于或等于電壓閾值，則所述智能控制開關閉合；

具體地，若風速過大，發(fā)電機的輸出功率增大，進一步導致不控整流供電裝置的輸出電壓大于電壓閥值。智能控制開關測量不控整流供電裝置的輸出電壓，并將輸出電壓和預設的電壓閥值作比較，若判斷獲知輸出電壓大于或等于電壓閥值，則閉合，以使得電磁限速裝置通電啟動，開始工作。

S3、電磁限速裝置通電并產(chǎn)生磁場，進一步產(chǎn)生電磁限速制動力矩，消耗風輪機吸收的部分風能，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速。

具體地，電磁限速裝置通電后，其中的帶繞組線圈的鐵芯會產(chǎn)生磁場，而電磁限速裝置中的制動盤旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生渦電流，并切割帶繞組線圈的鐵芯產(chǎn)生的磁力線，從而受到安培力的作用產(chǎn)生制動力矩，消耗風輪機吸收的部分風能，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速。

例如：當風速過大時，發(fā)電機的輸出功率增大，不控整流供電裝置的輸出電壓大于電壓閥值，智能控制開關就會閉合以使不控整流供電裝置為電磁限速裝置供電。電磁限速裝置通電后，帶繞組線圈的鐵芯會產(chǎn)生磁場，制動盤旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生渦電流，并切割帶繞組線圈的鐵芯產(chǎn)生的磁力線，從而受到安培力的作用產(chǎn)生制動力矩，進一步產(chǎn)生電磁制動功率，消耗風輪機吸收的部分風能，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速的方法，通過在風力發(fā)電系統(tǒng)中安裝風力發(fā)電機輔助限速系統(tǒng)，在過風速時，通過電磁限速裝置產(chǎn)生制動力矩消耗風輪機吸收的部分風能，而降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)的過風速保護功能。

在上述實施例的基礎上，所述方法還包括：若智能控制開關判斷獲知不控整流供電裝置的輸出電壓小于電壓閾值，則所述智能控制開關斷開，所述電磁限速裝置處于休眠狀態(tài)。

具體地，智能控制開關測量并判斷不控整流供電裝置的輸出電壓小于預設的電壓閥值時，表示風速在風力發(fā)電系統(tǒng)正常工作范圍內(nèi)，這時電磁限速裝置不需要工作，智能控制開關斷開，以使電磁限速裝置斷電而處于休眠狀態(tài)，不進行工作。

本發(fā)明提供的風力發(fā)電機輔助限速的方法，工作原理同上述系統(tǒng)的工作原理一致，此處不再贅述。

本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電機輔助限速的方法，當風力發(fā)電系統(tǒng)處于過風速運行時，發(fā)電機的輸出電壓上升，不控整流供電裝置輸出的電壓幅值上升并超過電壓閥值時，智能控制開關閉合，繞組線圈通電并產(chǎn)生磁通；磁通經(jīng)過繞組線圈鐵芯磁極、空氣氣隙和制動盤后形成閉合磁路；旋轉(zhuǎn)的制動盤切割磁感線，產(chǎn)生電磁限速制動力矩，消耗了部分風能，讓風輪機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速處于正常范圍內(nèi)，使得風力發(fā)電系統(tǒng)在一定程度的過風速下仍能正常工作，既保護了風力發(fā)電系統(tǒng)，也提高了風力發(fā)電系統(tǒng)的風速利用區(qū)間上限，增加風電系統(tǒng)發(fā)電量，增大了風能利用率。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。