技术领域
[0001] 本
发明涉及无差别
风力发电技术领域，尤其涉及一种纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统。
背景技术
[0002] 风力发电是把风的
动能转为
电能。
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。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的
水能总量还要大10倍。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺
燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合。
[0003] 传统风力发
电机多为水平轴升力型和水平轴阻力型两类，其主要特点可归纳如下：
[0004] 1)水平轴升力型风力发电机旋转速度快，水平轴阻力型风力发电机旋转速度慢；
[0005] 2)传统风力发电机均具有对风装置，对风向要求高，
塔架前后均需安装风轮，有的在一个塔架上安装多个风轮，安装繁琐，维护量大，成本较高，适应性较差；
[0006] 3)传统风力发电机由风轮(包括尾
舵)、发电机和
铁塔三部份组成。每一部分都很重要，任何一个部分出现问题将导致风力
发电机组无法正常工作；
[0007] 4)传统风力发电机对风力要求较高，三级风力以上，即，风速大于每秒4米时，才适宜于发电，而低于三级风力时，无法发电；
[0008] 5)传统风力发电机存在噪声，视觉污染，占用大片土地，不稳定，不可控，成本较高，影响
鸟类活动等。
[0009] 因此，如何实现无差别风力发电系统已成为了急需解决的问题。
发明内容
[0010] 有鉴于此，本
申请提供一种纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统，本发明的风力发电系统在风向改变的时候无需对风装置，结构设计简单，减少了风轮对风时的陀螺力。
[0011] 本申请是通过如下技术方案实现的：
[0012] 一种纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统，该风力发电系统包括采风风轮、纵轴磁悬浮发电设备、
控制器、功率
放大器、不可控型
整流器、升压转换
电路、电
涡流位移
传感器、
数据采集模
块、无线通信单元以及
能量存储模块，其特征在于：
[0013] 所述采风风轮，通过
转轴与纵轴磁悬浮发电设备连接，用于将风能转化为机械能并传送至纵轴磁悬浮发电设备；
[0014] 所述纵轴磁悬浮发电设备用于将机械能转化为电能；
[0015] 所述电涡流位移传感器，分别于纵轴磁悬浮发电设备和控制器相连，用于测量纵轴磁悬浮发电设备中
转子的位移偏差，并将悬浮高度给定值与实际值比较得到误差，并将获得的所述误差传送至所述控制器进行处理；
[0016] 所述数据采集模块，与所述控制器连接，所述数据采集模块包括分布式传感器、
信号调理电路、
微处理器单元、以及数据传输单元，所述数据采集模块将采集到的数据经由数据传输单元发送给控制器；
[0017] 所述控制器，接收来自数据采集模块的数据信息，用于控制纵轴磁悬浮发电设备的运行状态和功率输出，并将生成的控制量发送给
功率放大器；
[0018] 所述功率放大器，与所述控制器连接，根据从所述控制器接收到的控制量来生成控制
电流，并传送至纵轴磁悬浮发电设备以实现对转子的控制；
[0019] 不可控型整流器，与所述纵轴磁悬浮发电设备连接，用于将纵轴磁悬浮发电设备输出的交流电转换为直流电；
[0020] 升压转换电路，用于将所述不可控整流器输出的直流电进行电能变换；
[0021] 无线通信单元，与所述控制器连接，用于实现所述控制器与上位机测试分析平台的数据传输通信，所述无线通信单元采用UART转WiFi无线模块USR-WIFI232；
[0022] 所述能量存储模块，与所述升压转换电路连接，用于存储从机械能转化得到的电能。
[0023] 进一步的，所述采风风轮采用双
叶片螺旋形结构，包括封盖、叶片的凹面、转轴、叶片的凸面以及隔板，所述双叶片螺旋形结构的参数包括：旋转直径为0.75m、高1.2m、扭
角为180°；
[0024] 所述采风风轮的双叶片螺旋形结构包括围绕转轴对称设置的双叶片，在所述双叶片的上下两端均设置有封盖，在所述叶片的凹面沿转轴方向水平设置有等间隔的隔板；该螺旋形结构的偏心系数G为0.19，封盖直径D与采风风轮直径的比值D0/D＝1.1，内隔板数N为6，
螺距P为6.0。
[0025] 进一步的，所述数据采集模块中的微处理器单元采用MSP430芯片设计，并设置于纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统现场，所述数据采集模块将分布式传感器输出的各类模拟和
数字信号经过调理变送、驱动整形变换成由微处理器单元临时存储的带格式
数字量信号，再由数据传输单元，按照预设的规则发送给控制器；微处理器单元MSP430的UART串口连接到数据传输单元，并经由数据传输单元将数据传输给控制器。
[0026] 进一步的，所述分布式传感器中包括有风速传感器，该风速传感器的输出是与风速v大小成比例的TTL
频率信号，风速传感器的信号调理电路采用定时芯片NE555，将其高触发端TH和低触发端TR连接起来作为信号输入端，构成
施密特触发器，在处理器单元MSP430的
接口前端对风速传感器输出的信号进行整波。
[0027] 进一步的，所述无线通信单元设置为透明传输模式，管理用使用IE浏览器就能通过Web方式进行相关参数设置，以实现控制器与上位机的数据通信。
[0028] 进一步的，所述控制器包括伸缩因子确定单元、模糊控制单元、PID控制单元、复频陷波器以及正弦余弦信号发生器；
[0029] 复频陷波器，与PID控制单元连接，用于抑制转速同频振动以及倍频振动；
[0030] 伸缩因子确定单元，用于通过对伸缩因子进行模糊推理来确定伸缩因子，以动态调整论域大小，并将获得的伸缩因子发送给模糊控制单元；
[0031] 模糊控制单元，用于根据从所述伸缩因子确定单元处接收的伸缩因子，并结合模糊控制规则推理得到PID参数变化量，并将所述PID参数变化量发送给PID控制单元；
[0032] PID控制单元，用于根据从所述模糊控制单元处接收的所述PID参数变化量，并结合预设的初始值以得到PID控制参数，所述PID控制单元根据所述PID控制参数将控制量输出至功率放大器。
[0033] 进一步的，所述复频陷波器用于抑制转速同频振动以及倍频振动，具体包括：
[0034] 设 为陷波反馈环节的输入， 为其输出，则
输出信号与输出信号之间的函数关系为：
[0035]
[0036] 陷波反馈环节的传递函数为：
[0037]
[0038] 从输入 到陷波器N(s)输出的传递函数为
[0039]
[0040] 当ε≠0时，i＝1,2,……,n时，令s＝jωr，则有
[0041]
[0042] 当ε≠0，i＝1,2,……,n时，在陷波器N(s)的输出中，
输入信号y里转速同频和倍频分量将趋近于0，由此同频与倍频振动得到了有效抑制。
[0043] 进一步的，所述通过对伸缩因子进行模糊推理来确定伸缩因子，具体包括：
[0044] 步骤1、所述伸缩因子确定单元以e和ec作为输入变量，以kp、ki、kd作为三个输出变量，其中输入变量e和ec的原始论域分别为[-0.3,0.3]、[-6,6]，输出变量kp、ki、kd的原始论域分别为[-6,6]、[-0.3,0.3]、[-6,6]，原始的伸缩因子的论域设置为[0,1]；
[0045] 步骤2、输入伸缩因子为α(e)和α(ec)，取5个模糊子集GM、GS、GO、VS、VM，输出伸缩因子分别为α(e/ec)、α(kp)、α(ki)以及α(kd)，取7个模糊子集GB、GM、GS、GO、VS、VM、VB，根据伸缩因子规则表，确定伸缩因子，将所述确定伸缩因子与原始论域相乘以得到调整后的论域；
[0046] 其中，kp的伸缩因子规则表如下：
[0047]
[0048] ki的伸缩因子规则表如下：
[0049]
[0050] Kd的伸缩因子规则表如下：
[0051]
[0052] 进一步的，所述功率放大器选用
电压-电流型三电平PWM
开关功放，其中L为电
磁铁励磁线圈的等效电感，R为等效
电阻，功率放大器的传递函数为：
[0053]
[0054] 其中，Tp为滞后时间常数；Ap为放大倍数。
[0055] 进一步的，所述控制器采用TMS320F28335作为主芯片，其外围
硬件电路设计包括电源电路、复位电路、控制器与电涡流位移传感器的接口电路；所述电源电路采用TPS758xx系列电源稳压芯片输出固定电压3.3V、2.5V、1.8V。
[0057] 1)本发明的风力发电系统采用磁悬浮技术驱动，利用
磁场导向推动转轴，转轴无摩擦，微风状态下可进行发电。
[0058] 2)本发明的风力发电系统在风向改变的时候无需对风装置，结构设计简单，减少了风轮对风时的陀螺力。对风力无要求，三级风力以下(即风速小于每秒4米时)同样可进行发电。
附图说明
[0059] 图1为本发明纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统的组成结构示意图；
[0060] 图2为本发明的采风风轮的双叶片螺旋形结构示意图；
[0061] 图3为本发明的控制器与电涡流位移传感器的接口电路示意图；
[0062] 图4为本发明的数据采集模块的组成结构示意图；
[0063] 图5为本发明的风速传感器调理电路示意图；
[0064] 图6为本发明的控制器的功能组成结构示意图；
[0065] 图7为本发明的控制器外围硬件电路的电路示意图；
[0066] 图8为本发明的不可控型整流器的电路结构示意图；
[0067] 图9为本发明的升压转换电路的示意图；
[0068] 图10为本发明的功率放大器的电路示意图。
具体实施方式
[0069] 这里将详细地对示例性
实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附
权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0070] 在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0071] 磁悬浮风力发电机技术在研究中要实现启动控制策略、停车控制策略、自动对风控制策略、安全停机控制策略等多个方面的研究，同时也要基于运行环境状态来对其内部进行自动控制调整，所以磁悬浮风力发电机主要是依靠变桨距控制技术、最佳
叶尖速比控制技术、变速运行控制技术、闭环控制技术、数字控制技术、变频恒频控制技术、优化反馈控制技术以及增益调度控制技术等多
门先进技术作为
支撑。
[0072] 现阶段磁悬浮技术开始被成功应用于风力发电机领域，对于磁悬浮风力发电机技术来说，实现动态下的稳定悬浮是其主要内容，并且其所使用的磁悬浮控制系统决定了整个转子系统的性能，所以关于磁悬浮风力发电机中磁悬浮控制策略的是本发明技术方案的一个关键内容。对于磁悬浮风力发电机中磁悬浮技术控制策略的选择，必须要将鲁棒性最强的控制策略作为其主要选择方向，只有这样，才能确保磁悬浮控制策略的应用可以满足系统运行要求，这也关系到整个磁悬浮风力发电机在运行中的整体效率能否满足新能源领域的发展要求。
[0073] 下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
[0074] 本发明的纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统的组成结构如图1所示，在风速v的带动下风轮以
角速度ω旋转，将风功率Pa转变为作为旋转
主轴的纵轴上的机械功率Pt，发电机转子在旋转主轴带动下以转速n旋转，并在控制器及功率变换器的控制下，将机械功率Pt转变为电功率Pe，最后经过电力配电接口输送给用户负载使用或并入电力系统。
[0075] 在图1所示的发电系统中，该风力发电系统包括采风风轮、纵轴磁悬浮发电设备、控制器、功率放大器、不可控型整流器、升压转换电路、电涡流位移传感器、数据采集模块、无线通信单元以及能量存储模块。
[0076] 所述采风风轮，通过转轴与纵轴磁悬浮发电设备连接，用于将风能转化为机械能并传送至纵轴磁悬浮发电设备；
[0077] 所述纵轴磁悬浮发电设备用于将机械能转化为电能；
[0078] 所述电涡流位移传感器，分别于纵轴磁悬浮发电设备和控制器相连，用于测量纵轴磁悬浮发电设备中转子的位移偏差，并将悬浮高度给定值与实际值比较得到误差，并将获得的所述误差传送至所述控制器进行处理；
[0079] 所述数据采集模块，与所述控制器连接，所述数据采集模块包括分布式传感器、信号调理电路、微处理器单元、以及数据传输单元，所述数据采集模块将采集到的数据经由数据传输单元发送给控制器；
[0080] 所述控制器，接收来自数据采集模块的数据信息，用于控制纵轴磁悬浮发电设备的运行状态和功率输出，并将生成的控制量发送给功率放大器；
[0081] 所述功率放大器，与所述控制器连接，根据从所述控制器接收到的控制量来生成控制电流，并传送至纵轴磁悬浮发电设备以实现对转子的控制；
[0082] 不可控型整流器，与所述纵轴磁悬浮发电设备连接，用于将纵轴磁悬浮发电设备输出的交流电转换为直流电；
[0083] 升压转换电路，用于将所述不可控整流器输出的直流电进行电能变换；
[0084] 无线通信单元，与所述控制器连接，用于实现所述控制器与上位机测试分析平台的数据传输通信，所述无线通信单元采用UART转WiFi无线模块USR-WIFI232；
[0085] 所述能量存储模块，与所述升压转换电路连接，用于存储从机械能转化得到的电能。
[0086] 采风风轮的双叶片螺旋形结构示意图如图2所示，该采风风轮采用双叶片螺旋形结构，包括1-封盖、2-叶片的凹面、3-转轴、4-叶片的凸面、5-隔板，所述双叶片螺旋形结构的参数包括：旋转直径为0.75m、高1.2m、扭角为180°。所述采风风轮的双叶片螺旋形结构包括围绕转轴对称设置的双叶片，在所述双叶片的上下两端均设置有封盖，在所述叶片的凹面沿转轴方向水平设置有等间隔的隔板。该螺旋形结构的偏心系数G为0.19，封盖直径D与采风风轮直径的比值D0/D＝1.1，内隔板数N为6，螺距P为6.0。
[0087] 旋转直径为D的叶片完成180°扭角时的高度称为螺距在扫风面积不变的条件下，风轮直径随螺距减小而增大，转速变小，当转速降低的幅度大于直径增加幅度时，风轮输出功率将减小；相反，风轮直径随螺距增大而减小，转速增加，当直径减小的幅度大于转速增加幅度时，风轮输出功率也将减小。
[0088] 封盖的加入使得采风风轮性能显著提升，封盖阻碍凹面内气流从两端扩散，提高了凹面压力，增加了风轮正力矩，但是，若封盖直径太大，则凸面迎风侧聚风作用明显，压力增大，负力矩随之也增大。偏心使两叶片间形成气流通道，凹面气流经该通道进入凸面背风侧，减小了凸面两侧压差，从而降低了凸面负力矩。因此，偏心具有改善风轮性能的作用，偏心系数G为偏心距与叶片直径的比值，通过如下公式计算：
[0089] G＝(e-da)/db
[0090] 其中，e为偏心距、da为轴直径、db为叶片半圆直径，偏心系数决定了偏心距的大小。
[0091] 纵轴磁悬浮发电设备包括1-位移传感器、2-上永磁
轴承PM1、3-上电
磁轴承EM1、4-转轴、5-
定子、6-
飞轮转子、7-下电磁轴承EM2、8-下永磁轴承PM2、9-壳体。
[0092] 转子的径向
位置分别由转轴两端的一对同性相对，轴向磁化的永磁环PM1、PM2约束，当转子偏离径向中心线时，永磁环之间的自动对中作用会把转轴拉回中心位置。而转子的轴向位置由位于转轴两端的电磁铁EM1、EM2以差动方式予以控制，PM1、PM2在提供径向约束力的同时，还提供电磁控制的偏置磁场B1、B2。当转轴轴向位于平衡位置时，电磁线圈没有电流流过，此时永磁力与重力平衡。在现实应用场景中，转子会受到向上的干扰力而破坏平衡状态，由位移传感器的检测，在控制器作用下，通过功率放大器在电磁线圈里产生控制电流，将使EM1产生一个与B1相反的磁场，而EM2产生一个与B2同向的磁场，最终向上的磁力减小，向下的磁力加大，将转子轴向拉回平衡点。在上述控制过程中，由位移传感器检测得到转子的位置信号送至控制器，控制器采用振动控制方法对位移信号进行运算，从而生成控制量送至功放，功放生成电流送至磁轴承实现对转子的稳定悬浮和主动控制。
[0093] 位移传感器主要是完成轴向支承盘的位置检测，系统位移信号需要通过非
接触式传感器获取，本发明中选用TR系列电涡流位移传感器，本发明的技术方案中需要检测的位移变化范围是2～8mm，其中平衡时气隙为5mm，因此要求传感器线性量程大于8mm，根据产品
说明书中的参数，位移传感器
探头选用CWY-D0-A812501C20D10，其量程为12.5mm，壳体长度为20mm，探头选1mm，位移传感器放大系数按500，即要求前置器要求输出
限幅电压在5V以内，故按ACWY-D0-A812500C02选用，电涡流位移传感器可表示为一阶惯性环节，其传递函数可表示为：
[0094]
[0095] 其中，Tb为滞后时间常数；Ab为放大倍数。
[0096] 电涡流位移传感器是基于电涡流效应而工作的，由前置器发出的高频信号会在探头头部周围产生交变磁场，当有金属导体在附近的时候，会在导体表面产生电涡流而产生一个交变的磁场而反作用于探头头部，从而引起前置器电流的变化，这种变化与导体靠近探头头部的距离有关。因此，电涡流位移传感器在使用时，要注意布局和隔磁措施，以避免外磁场的干扰。
[0097] 电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器，安装在磁悬浮进给平台的运动平台上，实时检测悬浮高度并传送给控制器，电涡流传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、不受各种介质的影响，非常适合悬浮高度的测量。传感器
输出电压不能直接输入到DSP的A/D模块，必须通过调理电路将电压偏置到0-3V。控制器与电涡流位移传感器的接口电路如图3所示。
[0098] 纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统中包括有大型旋转设备，安装运行位置特殊，其入场维护不宜采用人工有线测试方式进行，在本发明的纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统中通过数据采集模块来实现机组
气动和电气性能的自动连续无线测量，以应对纵轴风力发电装置工作性能评估与现场运行参数测试的实际应用需求。
[0099] 数据采集模块通过设置的气温、气压、风速、
扭矩、频率、电压和电流这些分布式传感器检测出现场各类物理量信号，再通过相关功能电路完成对被监测信号的采集、调理和变送，数据采集模块的组成结构示意图如图4所示。
[0100] 根据测量需要，数据采集模块的测量对象主要包括以下几类：
[0101] 1)风速，测量发电设备运行时的风速情况。
[0102] 2)转速，测量采风风轮的旋转速度，与风速相结合可以检验采风风轮捕捉风能的能力。
[0103] 3)交、直流电压，测量发电设备输出的交流电压、互补
太阳能的充电电压、
蓄电池的端电压、发电系统的充电电压等，与风速、转速相结合检验风力发电设备的输出能力，验证系统的充电效率，监测
蓄电池工作状态。
[0104] 4)交、直流电流，测量发电机输出的交流电流、系统充电电流、互补太阳能充电电流等，与电压数据相结合得到系统功率输出能力。
[0105] 所述数据采集模块包括分布式传感器、信号调理电路、微处理器单元、以及数据传输单元，所述数据采集模块将采集到的数据经由数据传输单元发送给控制器，再经由控制器处理后发送至上位机测试分析平台，该上位机测试分析平台由计算机及LabVIEW
软件编程来实现，其具体实现方式并非本发明所涉及内容，在此不做详细描述。
[0106] 所述数据采集模块中的微处理器单元采用MSP430芯片设计，设置于纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统现场，所述数据采集模块将分布式传感器输出的各类模拟和数字信号经过调理变送、驱动整形变换成由微处理器单元临时存储的带格式数字量信号，再由数据传输单元，按照预设的规则，例如
指定周期、系统空闲、或者其他预设的触
发条件，发送给控制器。微处理器单元MSP430的UART串口连接到数据传输单元，并经由数据传输单元将数据传输给控制器。
[0107] 分布式传感器中包括有风速传感器，该风速传感器的输出是与风速v大小成比例的TTL频率信号，为了避免长线传输的信号衰减，风速传感器的信号调理电路采用定时芯片NE555，将其高触发端TH和低触发端TR连接起来作为信号输入端，构成施密特触发器，在处理器单元MSP430的接口前端对风速传感器输出的信号进行整波，风速传感器调理电路如图5所示。
[0108] 无线通信单元用于实现所述控制器与上位机测试分析平台的数据传输通信，所述无线通信单元采用UART转WiFi无线模块USR-WIFI232。该无线通信单元最高波特率450kb/s，可选TCP Server/TCP Client/UDP Server/UDP Client工作模式，TCP Server模式时可支持多达32个Client连接，有效通信距离达400m，技术指标已能满足实际需要。所述无线通信单元设置为透明传输模式，管理用使用IE浏览器就能通过Web方式进行相关参数设置，以实现控制器与上位机的数据通信。
[0109] 当上位机与控制器建立连接后，如果网络连接成功，则返回“网络连接成功”消息。此时，上位机通过控制器向数据采集模块发送关断指令，使数据采集模块依然处于低功耗休眠状态。当“开始监测”事件触发后，上位机则通过控制器向数据采集模块周期性发送打开指令，直到收到数据采集模块的激活确认符为止，此时“接收”事件自动触发，程序开始接收数据采集模块所传来的数据并将数据实时显示和储存。当“停止监测”事件触发后，程序则通过控制器像数据采集模块周期性发送关断指令，使数据采集模块重新处于休眠状态。
[0110] 本发明的风力发电系统中，控制器采用动态论域模糊控制策略，实现论域的自适应调整，在动态论域模糊控制策略中，论域会根据电涡流位移传感器反馈比较得到的位移偏差e和位移偏差变化率ec进行动态调整，再按照模糊控制规则表，对控制参数实时整定，改善被控系统动态和稳态性能，提高系统的鲁棒性。
[0111] 动态论域会随着输入的变化而变宽或变窄，这种方法更符合实际系统的需要。以位移偏差e为例，设原始论域为[-E，E]。当偏差减小，论域范围变小；偏差增大，论域范围变宽，通过这种动态调整方式，得到论域范围为 其中α(e)为伸缩因子。这种根据系统的实时变化来确定合适论域的方法，可以提高其控制
精度。
[0112] 本发明中的控制器的功能组成结构如图6所示，所述控制器包括伸缩因子确定单元、模糊控制单元、PID控制单元、复频陷波器以及正弦余弦信号发生器；
[0113] 复频陷波器，与PID控制单元连接，用于抑制转速同频振动以及倍频振动；
[0114] 伸缩因子确定单元，用于通过对伸缩因子进行模糊推理来确定伸缩因子，以动态调整论域大小，并将获得的伸缩因子发送给模糊控制单元；
[0115] 模糊控制单元，用于根据从所述伸缩因子确定单元处接收的伸缩因子，并结合模糊控制规则推理得到PID参数变化量，并将所述PID参数变化量发送给PID控制单元；
[0116] PID控制单元，用于根据从所述模糊控制单元处接收的所述PID参数变化量，并结合预设的初始值以得到PID控制参数，所述PID控制单元根据所述PID控制参数将控制量输出至功率放大器。
[0117] 纵轴磁悬浮发电设备中的转子在旋转中会受到动
不平衡力的影响，从而产生与转速同频的周期性振动。为了抑
制动不平衡力，并消除其带来的影响，可以采用与转速同频的陷波器来进行滤除。本发明所采用的复频陷波器的工作原理如图6中所示。复频陷波器N(s)设计的核心是陷波反馈环节Nf，ε决定了陷波器N(s)的收敛速度和中心陷波带宽。
[0118] 设 为陷波反馈环节的输入， 为其输出，则输出信号与输出信号之间的函数关系为：
[0119]
[0120] 陷波反馈环节的传递函数为：
[0121]
[0122] 从输入 到陷波器N(s)输出的传递函数为
[0123]
[0124] 当ε≠0时，i＝1,2,……,n时，令s＝jωr，则有
[0125]
[0126] 当ε≠0，i＝1,2,……,n时，在陷波器N(s)的输出中，输入信号y里转速同频和倍频分量将趋近于0，由此同频与倍频振动得到了有效抑制。
[0127] 所述通过对伸缩因子进行模糊推理来确定伸缩因子，是实现变论域的必要步骤，本发明采用模糊推理方法确定伸缩因子，具体包括：
[0128] 步骤1、所述伸缩因子确定单元以e和ec作为输入变量，以kp、ki、kd作为三个输出变量，其中输入变量e和ec的原始论域分别为[-0.3,0.3]、[-6,6]，输出变量kp、ki、kd的原始论域分别为[-6,6]、[-0.3,0.3]、[-6,6]，原始的伸缩因子的论域设置为[0,1]；
[0129] 步骤2、输入伸缩因子为α(e)和α(ec)，取5个模糊子集GM、GS、GO、VS、VM，输出伸缩因子分别为α(e/ec)、α(kp)、α(ki)以及α(kd)，取7个模糊子集GB、GM、GS、GO、VS、VM、VB，根据伸缩因子规则表，确定伸缩因子，将所述确定伸缩因子与原始论域相乘以得到调整后的论域。
[0130] 其中，kp的伸缩因子规则表如下：
[0131]
[0132] ki的伸缩因子规则表如下：
[0133]
[0134] Kd的伸缩因子规则表如下：
[0135]
[0136] 本发明中的控制器采用TMS320F28335作为主芯片进行设计，TMS320F28335是一款广泛用于工业领域的高性能32位DSP，带有一个单精度浮点单元FPU，可以看作是一个
协处理器，DSP工作频率可达150MHz，集成多个专用于电机控制的外设，例如，
正交编码模块、捕获模块、PWM模块等，并且具有
微控制器的功能，广泛应用于实时性、精度要求高的领域。
[0137] 基于TMS320F28335的控制器外围硬件电路设计主要包含电源电路、复位电路、控制器与电涡流位移传感器的接口电路，控制器外围硬件电路的电路如图7所示。
[0138] 控制器的电源电路主要采用高可靠性的TPS758xx系列电源稳压芯片。TPS758xx系列稳压芯片能够输出固定电压有3.3V、2.5V、1.8V，用于I/O模块供电；通过外接反馈电阻输出可调电压1.22-5V，用于
内核供电。控制器的电源电路如图7所示，这里使用了两个稳压芯片，分别独立产生3.3V和1.9V的电压，增强系统可靠性。
[0139] 通过外接反馈电阻使U1产生1.9V内核电压，电源电路的输出电压调整按照如下公式进行，其中Vref表示U1内部参考电压1.224V，使用U2产生固定的3.3VI/O模块电压。
[0140]
[0141] 当U1产生的1.9V内核电压处于上升期但并未达到Q1的导通电压时，U2使能端为低电平，禁止使能，无法产生3.3VI/O模块电压，当内核电压继续上升到Q1的导通电压时，TPS75833使能，开始输出3..3V电压。L1、L2表示
磁珠，可以起到隔离模拟电源和数字电源的作用和抑制电源线和信号线上的高频干扰。
[0142] DSP芯片上电时状态可能不稳定，因此对复位信号有很高的要求，即需要复位电路设计高可靠性和
稳定性，这里使用电源监测器来自动产生上电复位脉冲，复位电路的电路示意图如图7所示，系统上电时，U3实时监测I/O模块供电电压，当VDD端电压超过1.1V，RESET将输出低电平，当VDD超过芯片内部电压
阀值，经过一定的延时将RESET重新拉到高电平，完成上电复位，通过外部按键可直接启动一次复位过程。
[0143] 在上述各个部件的设计时，都需要充分考虑风力发电的具体应用场景。整流器通常按是否可控可分为两类，即可控型整流器和不可控型整流器。可控型整流电路中使用全控或者半控型开关管，如MOSFET、IGBT等。通过调节开关管的占空比来控制整流器的等效电阻值，进而控制发电机转速，达到最大功率
跟踪的目的，但可控型整流电路中开关管的数目较多，控制方法较复杂，常限制其在小型风力发电系统中的应用。不可控型整流器中使用不可控的功率开关管，输出电压不可控，根据风力机所处的风速环境接蓄电池或接负载。其主要特点为成本低、结构简单，常用于小功率发电系统、离网型发电系统中，本发明所采用的不可控型整流器的拓扑结构如图8所示。
[0144] 在风力发电中，由于风能的不稳定，发电设备在不同转速下输出电压也不同，升压转换电路将不可控整流器输出的直流电进行电能变换，起到变换阻抗，调整直流电流的作用，作为实现最大功率点的跟踪控制的重要一环。本发明所采用的升压转换电路如图9所示。该升压转换电路具有对器件要求较低、结构简单、控制简单、输入电流连续和滤波简单的特点，能够对输出功率进行控制，减小损耗。
[0145] 功率放大器是将控制器的输出信号转换为控制电流或控制电压，向发电设备中的电磁铁线圈提供相应的激励源，从而产生电磁力保证转子的稳定运行，它是完成能量的转化的装置，因而，转化率以及转化速率的高低直接影响到磁轴承的稳定性和响应速度，即系统的动态特性。功率放大器根据输出量一般可划分为：电压-电流型和电压-电压型功率放大器；根据工作方式一般可划分为：开关功率放大器和线性功率放大器。
[0146] 本发明中的功率放大器选用电压-电流型三电平PWM开关功放，其结构如图10所示，其中L为电磁铁励磁线圈的等效电感，R为等效电阻。当考虑系统时滞时，功率放大器可表示为一阶惯性环节，其传递函数可表示为：
[0147]
[0148] 其中，Tp为滞后时间常数；Ap为放大倍数。三电平PWM开关功放的优点在于：电路的纹波与
电源电压几乎无关，所以可以通过提高主电路的电源电压来提高开关功放的上限截止频率，从而提高功放的整体性能；同时一个周期内的开关的次数减少了，降低了损耗。
[0149] 能量存储模块与所述升压转换电路连接，用于存储从机械能转化得到的电能。
[0150] 综上所述，本发明的纵轴磁悬浮导向控制无差别风力发电系统与传统机械轴承式风力发电机相比，具有极强的优势性能，能确保我国风力发电企业可以通过磁悬浮风力发电机的应用来创造更多社会效益。
[0151] 本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读
存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
[0152] 需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和
变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
