專利名稱：一種變槳距變速風力發(fā)電機組的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機，特別是指一種變槳距變速風力發(fā)電機組。
背景技術：
目前我國并網(wǎng)型風力發(fā)電機組主要有兩種類型 一種為定槳距定 速恒頻風力發(fā)電機組，它由風輪機、主軸、增速箱、鼠籠式三相異步 發(fā)電機及控制系統(tǒng)組成。另一種為變槳距變速恒頻風力發(fā)電機組，它 有兩種組成形式第一種由變槳距裝置、風輪機、主軸、增速箱、 雙饋異步發(fā)電機、四象限雙向變流器及控制系統(tǒng)組成。第二種由變 槳距裝置、風輪機、主軸、永磁同步發(fā)電機、全功率單向變流器及控 制系統(tǒng)組成。
定槳距定速恒頻風力發(fā)電機組發(fā)電機運行在固定轉速同步轉速， 根據(jù)空氣動力理論此機組只在某一風速下風輪機運行在最佳葉尖速 比，而風速是在很寬范圍內(nèi)變化的，所以風能利用率較低。由于機組 不能變速，陣風或強風將對機組傳動機構產(chǎn)生較大的沖擊載荷，縮短 了機組的使用壽命，并引起功率大幅波動。且該機組需從電網(wǎng)吸收無 功，破壞了電網(wǎng)電能質(zhì)量。
電機組風能利用率低的缺點，但其變槳距裝置采用液壓方式，存在反 應速度慢、液壓密封件易損、液壓油易滲漏的缺點。另第一種變槳距 變速恒頻風力發(fā)電機組中雙饋異步發(fā)電機的滑環(huán)和碳刷易損、不可靠， 四象限雙向變流器控制復雜且穩(wěn)定性差。第二種變槳距變速恒頻風力 發(fā)電機組沒有增速箱，永磁同步發(fā)電機轉速低、體積大、質(zhì)量重，永 磁材料昂貴且隨時間的推移產(chǎn)生退磁，電機成本高、壽命短。
上述的變槳距變速恒頻風力發(fā)電機組，存在液壓變槳裝置反應速 度慢、液壓油滲漏，發(fā)電機體積大、質(zhì)量重、可靠性差、成本高、壽 命短、控制復雜的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明在于提供一種變槳距變速風力發(fā)電機組，以解 決上述變槳距變速恒頻風力發(fā)電機組，存在液壓變槳裝置反應速度慢、 液壓油滲漏，發(fā)電機體積大、質(zhì)量重、可靠性差、成本高、壽命短、 控制復雜的缺點。
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種變槳距變速風力發(fā)電機組，包
括采集風能的三槳葉風輪機，所述三槳葉風輪機的輪轂內(nèi)安裝變槳 距裝置，所述三槳葉風輪機的主軸連接增速箱，所述增速箱通過聯(lián)軸 器與具有同軸勵磁機的同步發(fā)電機連接，所述變槳距裝置、同步發(fā)電 機連接PLC控制板；
所述PLC控制板包括
參數(shù)狀態(tài)檢測模塊，用于接收風速、風向數(shù)據(jù)、同步發(fā)電機轉速
和輸出功率、槳距角數(shù)據(jù)；
所述參數(shù)狀態(tài)檢測模塊將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送至運行控制器； 所述運行控制器將發(fā)電機轉速和槳距角數(shù)據(jù)發(fā)送至變槳距控制
器，將風速、風向數(shù)據(jù)、發(fā)電機轉速和輸出功率數(shù)據(jù)發(fā)送至功率控制
器；
所述變槳距控制器按照發(fā)電機轉速運算出相應的槳距角，控制連 接的變槳距裝置調(diào)節(jié)槳葉角度；
所述功率控制器按照風速、風向數(shù)據(jù)、發(fā)電機轉速和輸出功率數(shù) 據(jù)運算出調(diào)節(jié)的輸出功率值，通過連接勵磁模塊調(diào)節(jié)同步發(fā)電機相應 的勵》茲大?。?br> 所述同步發(fā)電機在所述PLC控制板的控制下，將產(chǎn)生的電能通過 變頻器輸送至電網(wǎng)。
優(yōu)選的，所述PLC主板還包括
輸出開/關控制信號的控制裝置驅動模塊，所述控制裝置驅動模塊 驅動與所述機架連接的偏航裝置；驅動與發(fā)電機連接的冷卻裝置；驅動與齒輪箱連接的潤滑冷卻裝置。
優(yōu)選的，所述增速箱高速軸端還連接高速軸機械制動器。 優(yōu)選的，所述增速箱包括
連接所述主軸連接的行星架，行星架上有3個均布行星輪同時與
太陽輪和內(nèi)齒圈嚙合，內(nèi)齒圈固定在箱體上；行星輪將機械能傳遞給 太陽輪，太陽輪通過花鍵將機械能傳遞給二級大齒輪；二級大齒輪與 中間齒輪軸嚙合，輸出大齒輪安裝在中間齒輪軸上，輸出大齒輪與輸 出齒輪軸嚙合，將機械能通過所述主軸輸出至連接高速軸聯(lián)軸器。
本發(fā)明機組采用變槳距控制器與功率控制器相結合①完成了對機 組輸出功率的優(yōu)化，使機組運行在最佳狀態(tài)，獲得了最大風能利用率， 提高了機組的發(fā)電效率，比定槳距定速恒頻風力發(fā)電機組從風中獲取 的能量高出20%以上。②可吸收和釋放瞬變風能，機組輸出功率平滑、 穩(wěn)定、電能質(zhì)量好、對傳動機構載荷沖擊小、可向電網(wǎng)輸送無功。③ 帶勵磁機的同步發(fā)電機體積小、重量輕、可靠性高、控制簡單。@全 硬件交-直-交全功率變頻器可靠性高、風機主控制器的循環(huán)運行速度 快。


圖1為機組結構圖； 圖2為輪轂結構圖； 圖3增速箱結構圖； 圖4控制系統(tǒng)的結構圖； 圖5變頻器的結構圖。
具體實施例方式
為清楚說明本發(fā)明中的方案，下面給出優(yōu)選的實施例并結合附圖 詳細說明。
本發(fā)明采用三槳葉風輪機、增速箱、帶同軸勵磁機的同步發(fā)電機、 全功率變頻器的結構形式，屬變槳距變速恒頻風力發(fā)電機組。如圖1所示，包括風輪槳葉1、電驅動同步變槳距裝置2、輪轂3、主軸軸承 4、主軸5、增速箱6、高速軸機械制動器7、 4關軸器8、帶同軸勵》茲機 同步發(fā)電機9、偏航裝置10、機架11、塔筒12和集偏航變槳距變速 恒頻等控制于 一 體的控制系統(tǒng)。
其連接是前部為裝有三槳葉的風輪機，風輪機輪轂內(nèi)裝有電驅 動變槳距裝置；風輪機與主軸前端法蘭連接，主軸前端由主軸軸承及 軸承座支撐，主軸后端直接與增速箱低速軸端連接；增速箱高速軸端 連接高速軸機械制動器，再通過聯(lián)軸器與帶同軸勵磁機同步發(fā)電機連 接；以上部件除風輪機外均裝在機艙內(nèi)。機搶底部裝有偏航機構，通 過偏航軸承再與塔筒連接。 一體化控制系統(tǒng)分別安裝于輪轂、機搶和 塔基塔筒內(nèi)。
上述發(fā)電機組的包括以下優(yōu)點
①變槳距裝置采用全翼展電驅動同步方式；②風水冷卻循環(huán)模塊； ③集偏航制動、高速軸機械制動于一體的液壓模塊；④集偏航、變槳 距、變速恒頻等控制于一體的控制系統(tǒng)。
下面詳細介紹各組成部件
槳葉機組槳葉為變速變距型槳葉，它采用DU/FFA-W3/NACA 63-2系列翼型，葉片最大弦長為2.65m ,材料玻璃纖維增強復合材料， 基體材料為環(huán)氧玻璃纖維增強樹脂GRE,根部由用T型結構預埋在槳 葉中的螺桿同輪轂連接，輪轂和槳葉組成了風輪機，當氣流經(jīng)過槳葉 表面時產(chǎn)生升力，驅動風輪機旋轉，風電機組的源動力由此產(chǎn)生。
變槳距裝置如圖2所示全翼展電驅動同步變槳距裝置由3套獨 立的電驅動回路組成。包括回轉軸承21、小齒輪22、減速箱23、電 動機24、電機驅動器25、控制柜26、槳葉位置檢測裝置27、電池拒 28及充電器29等。其連接是電動機24與減速箱23連接，減速箱 23通過小齒輪22與回轉軸承內(nèi)齒圈連接，三槳葉安裝于回轉軸承， 回轉軸承固定在輪轂上。電機驅動器控制電機轉動，通過減速箱帶動 回轉軸承轉動，調(diào)整三槳葉的槳距角?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)運算給定一號槳 葉的轉動速度，控制二號、三號槳葉跟隨一號槳葉的槳距角進行同步轉動。在電網(wǎng)故障或安全鏈動作時電機驅動電源自動切換到蓄電池槳
葉向大角度回轉到92。，使機組處于安全狀態(tài)。其特點是變槳反應速
度快、同步性好?？朔艘簤鹤儤嘌b置反應速度慢，液壓密封件易
損、液壓油；參漏的在夾點。
主軸由單一主軸承和增速箱懸臂支撐，承擔了支撐輪轂處傳遞過 來的各種負載，并將扭矩傳遞給增速箱，將軸向推力、氣動彎矩傳遞 給機搶、塔架。
增速箱主要由圖3所示的行星架31、內(nèi)齒圈32、行星輪33、太 陽輪34、 二級大齒4侖35、中間齒輪軸36、輸出大齒輪37、輸出齒輪 軸38、前箱體39、后箱體310組成；主軸前端為法蘭通過螺栓與輪轂 連接，主軸后端通過脹緊套與增速箱實現(xiàn)過盈連接；風輪機將風能轉 換為機械能后通過主軸傳遞給行星架，行星架上有3個均布行星輪同 時與太陽輪和內(nèi)齒圈嚙合，內(nèi)齒圈固定在箱體上；行星輪將機械能傳 遞給太陽輪，太陽輪通過花鍵將機械能傳遞給二級大齒輪；二級大齒 輪與中間齒輪軸嚙合，輸出大齒輪安裝在中間齒輪軸上，輸出大齒輪 與輸出齒輪軸嚙合，將機械能通過高速軸聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機。
高速軸機械制動器及聯(lián)軸器主要由高速軸制動器、與齒輪箱高速 軸固定在一起的剎車盤、剎車位置傳感器、剎車片磨損傳感器、液壓 站以及管路附件組成。高速軸機械制動器是機組的第二套剎車系統(tǒng)， 當機組出現(xiàn)故障時，通過高速軸制動器使機組處于安全狀態(tài)。聯(lián)軸器 主要的作用是連接增速箱高速輸出軸和發(fā)電機輸入軸，將機械能傳遞 給發(fā)電機。聯(lián)軸器強度高，承載能力大，許用瞬時最大轉矩為許用長 期轉矩的三倍以上，解決了風力發(fā)電機組傳動軸系可能發(fā)生的瞬時尖 峰載荷。另外其彈性高，阻尼大，具有足夠的減振能力，將沖擊和振 動產(chǎn)生的振幅降低到發(fā)電機輸入允許的范圍內(nèi)；具有足夠的補償性， 解決了兩軸連接的位移偏差。
帶同軸勵磁機的同步發(fā)電機由定子、轉子、勵^t機、軸承、機座 等組成。它將機械能轉換為電能，其特點是在發(fā)電機尾部裝有同軸勵 磁機，無碳刷、滑環(huán)等部件。通過控制系統(tǒng)的功率控制器控制勵磁機的勵i茲，乂人而改變主才/L轉子的勵/磁，達到改變輸出功率及轉速的目的。 偏航裝置由帶內(nèi)齒圈的單列四點支撐球軸承、偏航減速機、扭 纜傳感器等組成，當風速的入射角與風輪旋轉平面法線偏離15 °以 上時，機組將進行自動對風，偏航裝置與控制系統(tǒng)和風向標相配合， 完成系統(tǒng)的偏航控制，同時，當扭纜傳感器動作時，偏航裝置將帶動 機艙旋轉完成電纜的解繞。
增速箱潤滑冷卻裝置主要是由潤滑泵、雙精度過濾器、冷卻風扇、 壓力開關、溫度傳感器、管路附件所組成，目的是為保證風電機組增 速箱工作在設計的溫度范圍內(nèi)以及保障增速箱潤滑油的清潔度，從而 使機組更安全可靠的長久運行。
液壓裝置用于提高各個裝置的液壓動力。
發(fā)電機冷卻裝置主要是由水泵、過濾器、冷卻風扇、壓力開關、 溫度傳感器、管路附件所組成，目的是為保證風電機組發(fā)電機工作在 設計的溫度范圍內(nèi)，從而使機組更安全可靠的長久運行。
機架主要由機組的結構鋼架，機艙支撐底板，如結構支撐、風
輪支撐、主軸支撐等組成?？沙惺茱L正面壓力、側面壓力及風輪轉動 引起的各部件結構動力的作用。
控制系統(tǒng)如圖4所示集偏航、變槳距、變速恒頻等控制于一體 的控制系統(tǒng)采用一個主控制器及分散的1/0模塊，解決了多控制器通 訊接口兼容性存在的問題，提高了控制的可靠性。該控制系統(tǒng)包括風 輪機電驅動變槳距控制、槳葉位置檢測裝置、變槳距回轉軸承潤滑控 制、傳動鏈狀態(tài)檢測、齒輪箱潤滑冷卻控制、齒輪箱狀態(tài)檢測、同步 發(fā)電機勵磁控制、發(fā)電機冷卻控制、發(fā)電機狀態(tài)檢測、交-直-交全功 率變頻器、運行控制器、變槳距控制器、功率控制器、偏航及高速軸 機械制動控制、液壓控制、控制拒加熱及散熱控制、電網(wǎng)及氣象參數(shù) 檢測、獨立的安全鏈路。運行控制器根據(jù)檢測系統(tǒng)輸入的氣象參數(shù)、 電網(wǎng)參數(shù)、風輪機、齒輪箱、發(fā)電機的運行參數(shù)以及控制系統(tǒng)的狀態(tài) 參數(shù)進行實時分析及控制。
在控制系統(tǒng)中，由運行控制器控制各個模塊工作，參數(shù)、狀態(tài)檢
9測模塊用于接收風速風向裝置、變槳距裝置、增速器、同步發(fā)電機、 互感器、變頻器等參數(shù)，并將參數(shù)發(fā)送至運行控制器，對于槳距調(diào)節(jié)， 運行控制器將參數(shù)發(fā)送至變槳距控制器，對于變速調(diào)節(jié)，運行控制器 將參數(shù)發(fā)送至功率控制器。
在額定功率以下，變槳距控制器不起作用，此時槳距角處于最小， 功率控制器根據(jù)風速的大小改變發(fā)電機的運行轉速及輸出功率，使風
輪機運行在最佳葉尖速比，最大限度地吸收風能；在額定功率以上，
變槳距控制器根據(jù)風速改變槳距角，將多余風能丟失，避免了機組輸 入能量的過載，功率控制器控制機組輸出穩(wěn)定的額定功率。
儲存在風輪機上，保證了機組輸出功率的平滑性和穩(wěn)定性。在變速過 程中，功率控制器根據(jù)風速的大小改變發(fā)電機的輸出功率及運行轉速，
功率控制器根據(jù)風速調(diào)節(jié)發(fā)電機轉速，通過發(fā)電機轉速調(diào)節(jié)相應的輸
出功率，當發(fā)電機轉速高時，通過調(diào)節(jié)勵磁模塊提高輸出功率；當發(fā) 電機轉速降低時，通過調(diào)節(jié)勵磁模塊降低輸出功率。
上述的控制系統(tǒng)由一個PLC進行控制管理、采用分散的1/0模塊 進行數(shù)據(jù)采集及控制輸出。
變頻器組成，如圖5所示。它由整流器、直流母線濾波器、直流 母線過壓保護器、IGBT、電網(wǎng)側濾波器、脈寬調(diào)制器、鎖相環(huán)、三角 波發(fā)生器、電網(wǎng)檢測電路、熔斷器等組成。將發(fā)電機輸出的電壓和頻 率均在變化的電能逆變成與電網(wǎng)一致的固定的電壓和頻率的電能，變 頻器根據(jù)直流母線電壓的高低進行逆變功率大小的輸出。該變頻器采 用全硬件電路，消除了采用控制器進行逆變發(fā)生的軟故障，提高了變 頻器的可靠性。風機主控制器只需對變頻器的工作狀態(tài)進行檢測診斷， 發(fā)出逆變使能信號，因此減輕了風機主控制器的工作任務，加快了風 機主控制器的循環(huán)運行速度。
因此變槳距控制器與功率控制器相結合完成了對機組輸出功率的 優(yōu)化，使機組在較寬的風速下運行在最佳狀態(tài)，獲得了高的風能利用 率，提高了機組的發(fā)電效率。本發(fā)明機組采用變槳距控制器與功率控制器相結合①完成了對機 組輸出功率的優(yōu)化，使機組運行在最佳狀態(tài)，獲得了最大風能利用率， 提高了機組的發(fā)電效率，比定槳距定速恒頻風力發(fā)電機組從風中獲取 的能量高出20%以上。②可吸收和釋放瞬變風能，機組輸出功率平滑、 穩(wěn)定、電能質(zhì)量好、對傳動機構載荷沖擊小、可向電網(wǎng)輸送無功。③ 帶勵磁機的同步發(fā)電機體積小、重量輕、可靠性高、控制簡單。④全 硬件交-直-交全功率變頻器可靠性高、風機主控制器的循環(huán)運行速度 快。
和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā) 明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1、一種變槳距變速風力發(fā)電機組，其特征在于，包括采集風能的三槳葉風輪機，所述三槳葉風輪機的輪轂內(nèi)安裝變槳距裝置，所述三槳葉風輪機的主軸連接增速箱，所述增速箱通過聯(lián)軸器與具有同軸勵磁機的同步發(fā)電機連接，所述變槳距裝置、同步發(fā)電機連接PLC控制板；所述PLC控制板包括參數(shù)狀態(tài)檢測模塊，用于接收風速、風向數(shù)據(jù)、同步發(fā)電機轉速和輸出功率、槳距角數(shù)據(jù)；所述參數(shù)狀態(tài)檢測模塊將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送至運行控制器；所述運行控制器將發(fā)電機轉速和槳距角數(shù)據(jù)發(fā)送至變槳距控制器，將風速、風向數(shù)據(jù)、發(fā)電機轉速和輸出功率數(shù)據(jù)發(fā)送至功率控制器；所述變槳距控制器按照發(fā)電機轉速運算出相應的槳距角，控制連接的變槳距裝置調(diào)節(jié)槳葉角度；所述功率控制器按照風速、風向數(shù)據(jù)、發(fā)電機轉速和輸出功率數(shù)據(jù)運算出調(diào)節(jié)的輸出功率值，通過連接勵磁模塊調(diào)節(jié)同步發(fā)電機相應的勵磁大??；所述同步發(fā)電機在所述PLC控制板的控制下，將產(chǎn)生的電能通過變頻器輸送至電網(wǎng)。
2、 根據(jù)權利要求所述的變槳距變速風力發(fā)電機組，其特征在于， 所述PLC主板還包括輸出開/關控制信號的控制裝置驅動模塊，所述控制裝置驅動模塊 驅動與所述風輪機連接的偏航裝置；驅動與發(fā)電機連接的潤滑冷裝置。
3、 根據(jù)權利要求所述的變槳距變速風力發(fā)電機組，其特征在于， 所述增速箱高速軸端還連接高速軸機械制動器。
4、 根據(jù)權利要求所述的變槳距變速風力發(fā)電機組，其特征在于， 所述增速箱包括連接所述主軸連接的行星架，行星架上有3個均布行星輪同時與 太陽輪和內(nèi)齒圏嚙合，內(nèi)齒圏固定在箱體上；行星輪將機械能傳遞給太陽輪，太陽輪通過花鍵將機械能傳遞給二級大齒輪；二級大齒輪與 中間齒輪軸嚙合，輸出大齒輪安裝在中間齒輪軸上，輸出大齒輪與輸 出齒輪軸嚙合，將機械能通過所述主軸輸出至連接高速軸聯(lián)軸器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種變槳距變速風力發(fā)電機組，包括采集風能的三槳葉風輪機，所述三槳葉風輪機的輪轂內(nèi)安裝變槳距裝置，所述三槳葉風輪機的主軸連接增速箱，所述增速箱通過聯(lián)軸器與具有同軸勵磁機的同步發(fā)電機連接，所述變槳距裝置、同步發(fā)電機連接PLC控制板；所述PLC控制板控制連接的變槳距裝置調(diào)節(jié)槳葉角度；調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率值。本發(fā)明機組采用變槳距控制器與功率控制器相結合，完成了對機組輸出功率的優(yōu)化，使機組運行在最佳狀態(tài)，獲得了最大風能利用率，提高了機組的發(fā)電效率?？晌蘸歪尫潘沧冿L能，機組輸出功率平滑、穩(wěn)定、電能質(zhì)量好、對傳動機構載荷沖擊小。變頻器可靠性高、風機主控制器的循環(huán)運行速度快。
文檔編號F03D9/00GK101555871SQ200910203419
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權日2009年5月21日
發(fā)明者強 余, 杰 劉, 瑾 劉, 靜 劉, 吳星華, 唐永春, 歐陽海黎, 湯文兵, 閆中杰 申請人:中船重工(重慶)海裝風電設備有限公司