1.一种磁悬浮混合风力发电系统,其特征包括机舱、发电机、机舱旋转体、垂直轴旋转体、垂直轴定子绕组、悬浮绕组、阻尼绕组、复合塔架、以及电气控制单元,协同完成水平轴风力发电、水平轴机舱主被动偏航以及垂直轴风力发电;所述机舱前端设置风机桨叶,捕获高纬度水平风能并驱动发电机发电,机舱上端设置风速风向测试仪;所述机舱旋转体为圆盘形结构,上端为圆柱形机舱支撑,和机舱底部刚性联接,下端为圆柱形悬浮约束轴,通过球形滚珠内嵌在机舱托撑内,限制机舱旋转体悬浮俯仰;所述垂直轴旋转体的旋转轨道是旋转T型槽,设置在机舱旋转体的圆盘上端,限制机舱旋转体俯仰;所述旋转T型槽的上侧内外圆环中,偏航锁存为8个电磁绕组,上电制动将机舱旋转体和垂直轴旋转体构成一体,驱动机舱悬浮偏航;所述阻尼绕组位于旋转T型槽下端,调控垂直轴旋转体的悬浮磁场和电磁转矩;所述垂直轴旋转体包括T型旋转轨、垂直桨叶、变桨伺服电机、以及垂直轴定子绕组,协同完成垂直轴风力发电以及水平轴机舱的主被动偏航;所述T型旋转轨内嵌在旋转T型槽内,严防垂直轴旋转体倾覆和俯仰;所述垂直桨叶为低高度风能的捕获单元,共有4个,为机舱悬浮被动偏航和垂直轴旋转体悬浮驱动发电提供转矩;所述变桨伺服电机安装在垂直桨叶上端,经变速齿轮与垂直桨叶旋转轴机械耦合,改变垂直桨叶迎风面积,调控垂直轴风能捕获;所述垂直轴定子绕组为机舱主动偏航和低高度风能捕获绕组,在悬浮磁场辅助作用下驱动机舱主被动偏航和垂直轴风能捕获。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮混合风力发电系统,其特征是所述复合塔架包括机舱托撑和塔架底撑,支撑机舱旋转体、垂直轴旋转体以及机舱;所述机舱托撑为圆形凹槽,凹槽内直径为机舱旋转体外径,凹槽底部设置圆环状摩擦片,中心设置圆柱形凹槽,放置悬浮约束轴,限制机舱旋转体偏航俯仰和轴向旋转;所述悬浮绕组设置在机舱托撑下部、圆形环带内,共有16个绕组,按照N/S顺序排列,调控悬浮绕组电流改变垂直轴旋转体的悬浮高度,实施水平轴机舱偏航和垂直轴发电;所述塔架底撑与机舱托撑刚性联结,内部设置电气控制单元,经电源线通道与发电机、垂直轴定子绕组、悬浮绕组以阻尼绕组相联结,调控水平和垂直轴风能捕获以及汇流馈网。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮混合风力发电系统,其特征是所述电气控制单元包括机侧变流器、网侧变流器、升压变压器、BUCK‑BOOST变流器、垂直轴双向变流器、H桥变流器、两BUCK变流器以及DSP28035主控单元;所述机侧变流器为可控PWM整流器,位于发电机后侧,将发电机输出的交流电整流,采用占空比调控实施高纬度风能最大捕获;所述网侧变流器为三相能量双向可控变流器,占空比调控维持直流母线电压恒定;所述BUCK‑BOOST变流器为能量双向流动的升降压变压器,BOOST升压将垂直轴风力发电捕获能量升压并汇流至机侧变流器直流母线,BUCK降压将机侧变流器母线降压为垂直轴双向变流器和H桥变流器提供能量;所述垂直轴双向变流器为整流和逆变两种模式变流器,逆变模式为垂直轴定子绕组提供三相交流电能,产生电磁转矩驱动机舱偏航,整流模式将垂直轴定子绕组捕获和转化的交流整流,并经BUCK‑BOOST升压汇流至机侧变流器直流母线;所述H桥变流器为悬浮绕组电流控制变流器,与悬浮绕组直流联接,占空比和方向协同改变,实施垂直轴旋转体悬浮高度调控;所述两BUCK变流器包括BUCK变流器1和BUCK变流器2,BUCK变流器1和阻尼绕组相连,控制悬浮磁场密度和垂直轴风机捕获功率,BUCK变流器1与伺服电机相连,调节垂直轴桨叶迎风面积,实施水平轴机舱悬浮下被动偏航和垂直轴风力发电的最大风能捕获;
DSP28035主控单元采集电流、电压、风速风向、发电机转速、垂直轴旋转体转速;所述磁悬浮混合风力发电系统有双维混合风力发电模式和水平轴机舱偏航两种发电模式:
1)双维混合风力发电模式
水平轴风力发电和垂直轴风力发电共同工作,全方位捕获风能;水平轴风力发电包括机舱、发电机、机侧变流器和网侧变流器,水平桨叶旋转捕获风能,任何风速都存在水平轴风机的优化转速nopt1,机侧变流器在DSP28035主控单元的控制下,实现占空比的柔性改变,调节发电机电磁转矩,调控水平桨叶的转速,实现水平轴风能最大捕获;
水平轴风力发电:水平风机桨叶正面迎风,机舱和机舱旋转体刚性联接,稳定放置在复合塔架,即机舱旋转体放置在机舱托撑内,悬浮约束轴嵌入在机舱托撑内,机舱托撑限制机舱旋转体和机舱旋转,严防风机偏航侧风降低风能捕获;
垂直轴风力发电:悬浮绕组首先上电,H桥变流器实施调控占空比,动态调控悬浮气隙磁场强度,将垂直轴旋转体平滑悬浮至δref2处,其中δref2为垂直轴发电时垂直轴旋转体悬浮气隙参考设定,偏航锁存上电,严防垂直轴旋转体出现水平位移及倾覆,垂直桨叶在风速推动下高速旋转,垂直轴风机的优化转速nopt2由阻尼绕组的电流调控以及基于变桨伺服电机协同控制实现,阻尼绕组和BUCK变流器相连,而BUCK变流器与变桨伺服电机相连,协同完成垂直轴风力发电风能捕获;作为垂直轴发电核心,垂直轴定子绕组在桨叶驱动下的快速旋转,经垂直轴双向变流器整流、BUCK‑BOOST变流器升压馈入至机侧变流器的直流母线上,此时网侧变流器将垂直轴风力发电和水平轴风力发电产生的总电能经网侧变流器、升压变压器馈入电网;
2)水平轴机舱偏航发电模式
水平轴风力发电运行,垂直轴风力发电转化为水平轴机舱提供主被动偏航,实现水平轴风力发电的正面迎风;水平轴主被动偏航包括垂直轴旋转体、垂直轴定子绕组、悬浮绕组、BUCK‑BOOST变流器、垂直轴双向变流器、H桥变流器、BUCK变流器、复合塔架,机舱悬浮是在δref1下,借用基于变桨伺服电机控制的垂直桨叶以及垂直轴定子绕组协同作用下,主被动完成机舱偏航对风,其中δref1为机舱偏航时垂直轴旋转体悬浮气隙参考设定;
偏航判断:风机偏航主要实现水平轴风机正面迎风,偏航条件主要为偏航角度θ,当风速风向仪检测到θ>θmin,其中θmin允许的最小偏航偏差,水平轴风机满足偏航条件,此时垂直轴风力发电停止;
机舱悬浮:H桥变流器向悬浮绕组通电,悬浮绕组电流远远大于稳定悬浮所需电流,悬浮电流基于垂直轴旋转体上安装的气隙传感器实施调控,悬浮电流产生悬浮磁场与机舱托撑之间产生悬浮吸力,驱动垂直轴旋转体逐步悬浮,随着垂直轴旋转体悬浮气隙逐渐减小,垂直轴旋转体悬浮至机舱底部,此时偏航锁存上电,使机舱旋转体、垂直轴旋转体以及机舱成为一体,悬浮绕组电流进一步增加,机舱旋转体逐步脱离机舱托撑支撑,悬浮约束轴也已脱离机舱托撑底部,当垂直轴旋转体悬浮气隙达到δref2时,机舱悬浮和垂直轴旋转体悬浮过程结束;
机舱偏航:当垂直轴旋转体驱动机舱悬浮至参考位置后,BUCK‑BOOST变流器将发电机机侧变流器直流母线电压降压,起动垂直双向变流器,为垂直轴定子绕组通入交流电,在悬浮绕组励磁作用下,产生电磁转矩,驱动垂直轴旋转体旋转,带动机舱主动偏航对风,同时BUCK变流器对变桨伺服电机实施控制,调控垂直桨叶的迎风面积,实现风机机舱的主被动偏航迎风;当偏航角度θ<=θmin时,风机机舱偏航结束,此时缓慢降低悬浮绕组电流,垂直轴旋转体悬浮高度逐步降低,机舱旋转体首先降落至机舱托撑完全支持,此时悬浮电流快速减小,机舱旋转体和机舱托撑耦合在一起,此时垂直轴旋转体继续悬浮下降,直至悬浮气隙为δref2,重新进入双维混合风力发电模式。