多模块风力发电机变量控制方法与流程

本发明涉及利用风能进行发电的风力发电机，具体涉及多模块风力发电机变量控制方法，所谓的变量是指风力发电机功率数值的改变、调整。

背景技术：

随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，风力发电的占比越来越高，因风力输入都是不稳定的，现有风力发电机所利用的风能通常是局限在某一个应用段的范围，对应用段外的动力输入无法进行有效利用，导致对可再生能源利用率低下。例如现有的大型风力发电机，其通常由一个额定功率在1000kw左右的大功率的发电模块构成，通常只有在风力达到五级、六级及以上的较大风力时才可以正常发电并输出符合标准的电流，而在二级至四级低风、微风段，外部动力输入和功率输入通常不足以带动发电机正常发电，即便发电，输出的也是不符合一定频率、电压标准的废电，从而使发电机在较低风速的情况下长期处于停摆、闲置状态，因而该类大型风力发电机对风力的利用仅仅是局限于一个应用范围较小的大风力段，对长时间存在的低风力段的风能无法利用，因而整个电机对能量的转化率低，产出投入比较低，浪费大。

由此可见，现有发电机因额定功率单一、恒定，其并不能根据外部输入动力的实时变化而调整其内部参与发电的结构和额定功率，因而要么外部动力不足以带动发电机正常发电，要么发电机过速运转烧毁。现有技术公开了一种具有多个发电单元的风力发电机，其可以根据外部风力大小调节发电机的整体功率，其解决了电机功率随外部动力大小变化而变化的技术问题。但自然界的风力大小和风向始终是随时变化的，该多个发电单元的风力发电机并不能解决叶片随风向随时变化的问题，因而风力发电机不能始终使叶片的迎风面最大，不能最大限度的获得风能，因而其对风能的利用效率并不能达到最佳的状态。如何对多模块风力发电机进行有效的控制以提高发电机对风能的利用效率成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术问题，本发明提供了一种多模块风力发电机的变量控制方法，该控制方法可实现风力发电机根据输入的外部风力大小变化控制不同数量的发电模块参与发电，从而适时调整发电机的功率以适配外部风力条件，同时，还可确保发电机始终可以获得最大的受风面积、捕获更多的风能，极大提高发电量。本发明具体技术方案如下。

多模块风力发电机变量控制方法，所述风力发电机包括主动力轴，依次串接在主动力轴上的多个发电模块，偏航电动机，控制器及与控制器信号连接的测速编码器、风向探测器、角度传感器；每个发电模块均包括一个单元磁体部和一个单元线圈部，其特征在于，包括如下步骤：

a、在控制器内预先设置一个转速上限值、一个转速下限值、正向最大偏转角度值、负向最大偏转角度值；

b.、风力驱动发电机主动力轴转动并带动发电模块的单元磁体部转动，测速编码器检测采集主动力轴的转速信息并将信号传输给控制器；

c、当主动力轴的转速达到转速上限值时，控制器控制导通一个单元线圈部的输出电路，一个单元线圈部与外界负载导通构成一个回路，该单元线圈部产生的电势在回路内形成电流，从而加载一个发电模块参与发电；当主动力轴的转速达到转速下限值时，控制器控制断开一个单元线圈部的输出电路，该单元线圈部与外界负载构成的回路断开，该单元线圈部仅产生电势而不能形成电流，从而卸载一个已参与发电的发电模块；

d、风向探测器将获得的风向信号传输给控制器，当风向偏离叶片的旋转平面的垂直线时，控制器启动偏航电动机工作以驱动发电机整机偏向，使得叶片的旋转平面的垂直线与风向重合；当发电机整机的偏转角度达到正向最大偏转角度值或负向最大偏转角度值时，控制器指令偏航电动机停止工作。

所述发电模块的每个所述单元线圈部的输出电路串联有一个所述通断开关模块；控制器分别与所述通断开关模块相连，控制器可根据接收到的来自信号采集传输模块的信号控制通断开关模块的导通从而控制单元线圈部输出电路的导通。通过通断开关模块进行电路的断通，便于控制器的控制。

进一步，所述单元磁体部包括若干相对设置的左磁体、右磁体，左磁体与右磁体之间留有间隙，所述单元线圈部位于所述间隙内。

作为优化，所述单元磁体部包括一组相对设置的左磁盘、右磁盘，所述左磁体按照n极、s极交错布置在左磁盘上，所述右磁体按照s极、n极交错布置右磁盘上；且相对设置的左磁体与右磁体磁极相反。

进一步改进，相邻的两个所述单元磁体部共用一个磁盘，该磁盘同时兼做一个单元磁体部的左磁盘和相邻的另一个单元磁体部的右磁盘，左磁体、右磁体分别布置在该磁盘的两个面上。

本发明的有益技术效果是：

首先，采用测速编码器检测发电机主动力轴的转速并将转速信号传输给控制器，控制器根据预先设置的转速上限值和转速下限值控制各发电模块的加载或卸载进而控制参与发电的发电模块的数量，通过这种控制方法可以使得风力发电机能适时根据外部自然风力的大小变化而自我调整其发电功率，使得发电机的功率与外部输入的风能相匹配，实现多模块风力发电机功率的变量；

其次，采用风向探测器结合控制器适时调整发电机的方向，风向探测器将获得的风向信号传输给控制器，如其感知叶片不是正对着风向，也即风向偏离叶片的旋转平面的垂直线时，控制器启动偏航电动机工作以驱动发电机整机偏向，使得叶片正对来风，确保发电机始终可以获得最大的受风面积、捕获更多的风能，极大提高发电量；

再次，采用角度传感器与控制器的结合，事先在控制器中设置好偏转角度的最大值，当发电机整机的偏转角度达到正向最大值或负向最大值时，控制器指令偏航电动机停止工作，从而保证发电机不因过度偏转导致设备损坏或失控，极大提高了设备的安全性、稳定性和使用寿命。

因此本发明可有效调控发电机的功率变量，并确保发电机对风能的最大利益效率，确保设备的安全、可靠。

附图说明

图1为本发明发电机实施例的立体结构示意图；

图2为本发明发电机实施例的立体分解图；

图3为本发明发电模块叠加的逻辑关系图(信号采集传输模块采用测速编码器)；

图4为本发明控制器的控制逻辑图。

说明书附图中的附图标记包括：电机外壳1、主动力轴2、发电模块3、单元磁体部31、单元线圈部32、螺钉33、散热的鳍片11、控制器4、信号采集传输模块5。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如附图1～2所示，多模块风力发电机的结构，包括：电机外壳1、主动力轴2、依次串接在主动力轴2上的四个发电模块3以及控制系统，电机外壳1包括通过螺栓相固定的上壳体、下壳体及前端盖、后端盖，主动力轴2、发电模块3均安装在电机外壳1内，电机外壳1上还设置有便于散热的散热鳍片11。每个所述发电模块3均包括一个单元磁体部31和一个单元线圈部32，具体的，每个单元磁体部31包括一组相对设置的左磁盘、右磁盘，若干左磁体按照n极、s极交错布置在左磁盘上，若干右磁体按照s极、n极交错布置右磁盘上，且相对设置的左磁体与右磁体磁极相反，左磁体与右磁体之间留有间隙，左磁盘与右磁盘之间相应也留有间隙，各单元磁体部31的左磁盘、右磁盘分别与所述主动力轴2通过键槽固定连接并可随主动力轴2转动构成发电机的转子。单元线圈部32通过螺钉33固定在电机外壳1上，单元线圈部32构成发电机的定子，单元线圈部32内部由多个小线圈包按顺序排列组成，整体构成与所述左磁盘、右磁盘形状匹配的线圈盘，小线圈包由漆包铜线绕制而成，小线圈包的数量可以根据需求和发电机的功率决定。

所述单元线圈部32位于所述左磁体(左磁盘)与右磁体(右磁盘)之间的间隙内，因此一个单元线圈部32被夹在两个磁盘(左磁盘、右磁盘)中间，当然磁盘(左磁盘、右磁盘)与单元线圈部32之间具有一定的间距以使得磁盘可以正常转动而不至于摩擦单元线圈部32。所述左磁盘、右磁盘的端面与所述单元线圈部32的端面实质平行且与主动力轴2的轴线实质垂直；左磁盘、右磁盘的外周壁与所述电机外壳1的内壁之间具有一定的空隙，以使得磁盘在转动时不会摩擦电机外壳1。在单元磁体部31随主动力轴2转动时单元线圈部32可以切割左磁体和右磁体之间的磁力线。

在本实施例中，相邻的两个所述单元磁体部31共用一个磁盘，该磁盘同时兼做一个单元磁体部31的左磁盘和相邻的另一个单元磁体部31的右磁盘，若干左磁体、右磁体分别布置在该磁盘的两个面上。这种优化可以使得发电机的结构更加紧凑，并可以在相邻的两个单元磁体部31之间节约一个磁盘，从而可以节约成本。

每个发电模块3分别具有各自的额定功率，本实施例中各发电模块3的额定功率是相同的，发电机的额定总功率是各发电模块3的额定功率相加之和。多个发电模块3依次串接在主动力轴2上使得各发电模块3可以同时接受主动力轴2传递的外部动力。

发电机还设有偏航电动机、风向探测器、角度传感器，所述风向探测器、角度传感器均与所述控制器信号连接，所述控制器与偏航电动机电连接。

发电机还包括电源开关、显示器以及电源指示灯，显示器与控制器信号连接，显示器有操作界面便于设定控制器内的控制参数，电源指示灯与控制器电连接。

本发明的控制方法包括三个方面的自动控制即：

控制发电模块的自动叠加或卸载以根据风力大小调节自身功率；

控制发电机正对来风以增加叶片的受风面积、提高风能利用率；

控制发电机的偏转角度以防止发电机过度偏转损伤设备，其具体控制方法包括如下步骤，如图4所示：

a、在控制器内预先设置一个转速上限值、一个转速下限值、正向最大偏转角度值、负向最大偏转角度值；

b、风力驱动发电机主动力轴转动并带动发电模块的单元磁体部转动，测速编码器检测采集主动力轴的转速信息并将信号传输给控制器；

c、当主动力轴的转速达到转速上限值时，控制器控制导通一个单元线圈部的输出电路，一个单元线圈部与外界负载导通构成一个回路，该单元线圈部产生的电势在回路内形成电流，从而加载一个发电模块参与发电；当主动力轴的转速达到转速下限值时，控制器控制断开一个单元线圈部的输出电路，该单元线圈部与外界负载构成的回路断开，该单元线圈部仅产生电势而不能形成电流，从而卸载一个已参与发电的发电模块；

d、风向探测器将获得的风向信号传输给控制器，当风向偏离叶片的旋转平面的垂直线时，控制器启动偏航电动机工作以驱动发电机整机偏向，使得叶片的旋转平面的垂直线与风向重合；当发电机整机的偏转角度达到正向最大偏转角度值或负向最大偏转角度值时，控制器指令偏航电动机停止工作。

偏航电动机采用常规的电动机，其电源可以是发电机产生的电流，电动机通过齿轮结构驱动风力发电机主机的整体转向，使得捕获风能的叶片正对着来风，以使得叶片的迎风面最大，获得的风能更多。根据图4可见，风向探测器与控制器信号连接，用于感知风向并将风向信号传输给控制器，控制器发出指令控制偏航电动机是否运转和运转的方向；角度传感器用于感知发电机设备整体的偏航角度并将信号传输给控制器，当偏航角度大于某个预设值时，控制器指令电动机停止运转以确保发电设备的稳定性和安全性，避免过度偏转造成设备的损伤。预设的偏转角度包括正向最大值和负向最大值，该两个值控制发电机和叶片在两个相反方向的最大偏转角度。当然，也可在电机上增设一个风速传感器，风速传感器将风速信号传输给控制器，当风速达到台风级别的某一预设数值时，控制器指令偏转电动机偏转一定的角度以规避强风确保安全，当偏转角度达到预设的安全角度时，偏航电机停止偏转。在此，是将风速信号与偏转角度信号二者结合起来控制，风速值和偏转角度值事先在控制器中预设好。

本发明控制方法既可以使发电机根据自然条件下风力大小适时自动调整功率大小，实现自微风以上均正常发电，又使得发电机始终正对来风，可以最大限度的捕获外部风能，极大提高了发电机对风能的利用率，提高了发电量，而且可以确保发电机设备的安全稳定。当然，本发明的三方面的控制是同时进行的，测速编码器、风向探测器、角度传感器都同时监控外部环境并向控制器传递信号，因而发电机的控制运行是协调的。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。