專利名稱：自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及的是自由發(fā)電穩(wěn)壓定頻輸出的風(fēng)力發(fā)電機。
背景技術(shù)：
風(fēng)能的利用已有數(shù)千年歷史，至少在三千年前的商代，便就有了帆船，唐代“乘風(fēng)破浪今有時，直掛風(fēng)帆濟滄?！钡脑娋涫秋L(fēng)能利用的真實寫照，是對風(fēng)能利用的崇尚，贊美和自豪。除了“風(fēng)帆行舟”之外，還有提水灌溉，碾米磨粉等等，至從蒸氣機的出現(xiàn)，世界開始工業(yè)化之后，人們?yōu)榱俗非笏俣群捅憬荩瑢︼L(fēng)能的利用和研究沒有先前的熱情和投入，轉(zhuǎn)而大規(guī)模使用一次性的礦物燃燒能源。隨著礦業(yè)能源漸近枯竭，以及人類逐步認(rèn)識到大規(guī)模使用燃燒能源對人類賴以生存的地球環(huán)境的危害是對人類自身生存的挑戰(zhàn)。人們?yōu)榱顺掷m(xù)長足的發(fā)展與生存，不得不重操舊業(yè)，再度熱中于潔凈的風(fēng)力能源。有專家估計，開發(fā)利用總的風(fēng)能的1％，已足夠世界能源所需。隨著我國現(xiàn)代化的進程加快，眼前已出現(xiàn)能源供不應(yīng)求。據(jù)專家按現(xiàn)有發(fā)展速度及能源開發(fā)進展情況，預(yù)計20年后，其能源缺口在所需能源的50％左右，為此，開避新的電力能源領(lǐng)域是必須認(rèn)真對待的當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)力能源是潔凈的再生能源，取之不盡用之不竭，被選為新的能源，首當(dāng)其沖。上個世紀(jì)80年代，世界先進國家的定漿距風(fēng)力發(fā)電機組投入商業(yè)應(yīng)用，90年代變漿距風(fēng)力發(fā)電機問世，隨后定漿距變速、變漿距變速、同步風(fēng)力發(fā)電機相繼問世，但這些發(fā)電機的技術(shù)仍在逐步提高，到目前為止仍還有不少方面不盡人意，仍然存在以下幾個方面的問題和缺憾1、升速器和發(fā)電機同時擠在一密閉的鐵殼內(nèi)極不利于電器及轉(zhuǎn)動的零部件的散熱，影響機組的效能的發(fā)揮，必須增加一套制冷冷卻系統(tǒng)，幫助散熱方能滿足其正常運行；2、發(fā)電機隨偏航系統(tǒng)一同轉(zhuǎn)動，必須設(shè)置一套電纜纏繞情況的監(jiān)視系統(tǒng)，電纜纏繞到一定程度，必須停機整理電纜，否則將會出現(xiàn)事故，而被迫停機；3、其變速發(fā)電，同一發(fā)電機上兩種不同磁極對數(shù)的繞組所形成的大小兩種功率的發(fā)電機，功率偏差太大，不利于過渡切換，低風(fēng)速時，風(fēng)能利用低；4、基于一定要維持輸變電變壓器一次的標(biāo)準(zhǔn)值電壓，保持發(fā)電機的頻率、功率、電壓的恒定，束縛限制了獲取風(fēng)能的能力，而人為地丟棄一定程度的即刻到手的風(fēng)力能源；5、為了維持發(fā)電機的定頻、恒功率，穩(wěn)壓輸出，采用增加變漿距，或擾流器風(fēng)葉等機械裝置，不但限制了能源的獲取，還增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性；6、抗擊湍流振動對風(fēng)機產(chǎn)生疲勞壽命傷害能力差，其原因是齒箱、發(fā)電機固定在轉(zhuǎn)動圓盤上，其本身就是振源，加之湍流作用易引起振動；7、葉片采用剛性復(fù)合材料質(zhì)量大，其液壓變漿距裝置加工難度大，葉片長，表面要求高，怕碰損、運輸、安裝困難且價高，整套風(fēng)輪占總投入的20％-30％，不利于大功率風(fēng)機的開發(fā)及風(fēng)機的成本下降。從而影響風(fēng)力發(fā)電的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述諸多缺憾，提供一種自由發(fā)電穩(wěn)壓定頻輸出的風(fēng)力發(fā)電機組。如圖1所示由風(fēng)輪、升速器、偏航系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、輸變電系統(tǒng)、發(fā)電室、塔架、監(jiān)視控制系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)構(gòu)成的發(fā)電機組，其特征在于，風(fēng)輪的風(fēng)葉采用較軟的復(fù)合材料外殼，內(nèi)充入高壓氣體的方案，升速器采用兩級行星，一級傘齒輪調(diào)向，使輸入輸出軸互相垂直的方式，偏航系統(tǒng)采用直線電機推動方式，發(fā)電系統(tǒng)采用兩臺變速發(fā)電機立式布置，其軸串聯(lián)運行，發(fā)電時對發(fā)電機輸出電壓、頻率、功率不作任何限制，任其自由運行，只想方設(shè)法保證機組工作在最佳狀態(tài)，發(fā)電機裝于發(fā)電室內(nèi)，發(fā)電室裝于塔架頂上。上部安裝大發(fā)電機，中部安裝小發(fā)電機，下部安裝發(fā)電監(jiān)視控制柜、整流器柜、發(fā)電室與塔架由數(shù)枚螺栓緊固，塔架底部安裝逆變器和電力變壓器，下面就各系統(tǒng)分別闡述如下風(fēng)輪，風(fēng)輪是由風(fēng)葉、封口、汽泵、輪轂、卡環(huán)法蘭組成，風(fēng)葉是由高強度復(fù)合材料的簾布與橡膠經(jīng)一定溫度硫化，按照設(shè)計好的規(guī)格尺寸在高壓力模具中產(chǎn)生，與汽車輪胎功能相似的，其內(nèi)有互相隔開的氣室，經(jīng)卡環(huán)法蘭封口與輪轂緊壓在一起時，各分開的氣室內(nèi)可分別充入高壓氣體，使葉片強度增加，其強度由式δ＝∑ShP+δK·SK……(1)，δ——葉片強度，P——充氣壓力，δK——選用材料許用應(yīng)力，∑Sh——氣室截面積之和，SK——殼胎截面積，由此可以看出，由氣體壓力P與該受力截面∑Sh的乘積與殼胎材料的強度及其截面積的乘積的和構(gòu)成強硬的整體，以抗擊F＝1/2ρCrSV2……(2)所形成的最大破壞力F——葉片最大受力，ρ——空氣密度，Cr——總的氣動系數(shù)，S——葉片投影到旋轉(zhuǎn)面的面積，等于平均弦長×漿葉長度，V——最大的風(fēng)速，設(shè)計計算時風(fēng)速一般按50年一遇的災(zāi)害風(fēng)力，其值根據(jù)地區(qū)不同，取值不同，有取60m/s，也有取70m/s?，F(xiàn)有技術(shù)是由復(fù)合材料制成的梁，然后外縛簿復(fù)合材料板，其內(nèi)充填木材或塑料，成為葉片，充填物只起到簿殼不被強風(fēng)作用下變型的作用，而對整體強度，它起的作用甚微，相反，它增大了葉輪的質(zhì)量，大的轉(zhuǎn)動慣量占用一定的風(fēng)能效率。而空氣的質(zhì)量較現(xiàn)有充填物質(zhì)量要小得多，其增加的強度取決于空氣壓力，較充填木材及其它材料的強度要大的多。
升速器，如圖所示是在原兩級行星軸和一級平行軸園柱齒輪轉(zhuǎn)動齒輪箱的基礎(chǔ)上改進而成的，是將原來末級輸出的圓柱齒輪改為錐形傘齒輪，為了整機的平衡，保持風(fēng)輪、齒箱的重心位于三組底腳固定螺栓為頂點的三角形內(nèi)，并盡量靠近中心，以保持風(fēng)機的運行平衡，而增加一級平行軸圓柱齒輪做為最后一級的輸出軸，雖然效率有所下降，但卻可產(chǎn)生意想不到的有益效果。其一，增大速比范圍，有利于大功率風(fēng)力機的應(yīng)用。其二，發(fā)電機可以牢固的固定在塔架上，只要保證輸出軸軸心，發(fā)電機軸心和塔桶中心在一條直線上，則風(fēng)輪、齒箱在偏航系統(tǒng)的推動下，將圍繞發(fā)電機軸心轉(zhuǎn)動，將省去一套電纜監(jiān)視系統(tǒng)，不再為電纜纏繞問題而煩心，減少因電纜經(jīng)常移動形成的疲勞損壞而造成的停機事故，不會再出現(xiàn)正在發(fā)電時，必須停機整理電纜的不應(yīng)出現(xiàn)的耽誤發(fā)電時間的事情。其三，齒箱和發(fā)電機可從密閉的鐵殼中解放出來，各自的散熱將得到大大改善，齒箱只需從底部高速齒輪附近的熱油泵入上部的油箱中冷卻，然后靠自重，注入齒箱淋灑在上部軸承或齒輪上即可，發(fā)電機無須再選密閉式，采用開放式，依靠塔架桶形成的煙窗效應(yīng)形成風(fēng)流，吹去發(fā)電時所產(chǎn)生的熱量足矣。省去復(fù)雜的制冷系統(tǒng)，齒箱、發(fā)電機從密室內(nèi)解放出來也方便了機組的維護與檢修。由于減少的密室及發(fā)電機重量，有利于偏航系統(tǒng)的啟動和剎車。其四，由于發(fā)電機能得益于安穩(wěn)地固在塔桶中，免遭因湍流而形成的振動之苦，齒箱底腳增設(shè)硬質(zhì)膠墊，再加上風(fēng)輪葉片是軟復(fù)合材料內(nèi)充氣體對湍流產(chǎn)生的振動將起到緩沖作用，將會使機組整體振動有所下降，從而延長機組的使用壽命。其不足之處，傘齒輪轉(zhuǎn)動效率低于圓柱齒輪，現(xiàn)有技術(shù)中，小傘齒輪一般為單端出軸，其受力狀況近似懸壁梁。為此小傘齒輪易損壞，本方案將小傘齒輪也兩端出軸并有軸承支承，可改變其懸臂梁似的受力狀態(tài)，但由于小傘齒輪齒數(shù)遠小于大傘齒輪齒數(shù)，易受磨損，為此，將其視為易損件，并設(shè)計方便更換的結(jié)構(gòu)。便于一定時日更換。齒箱上設(shè)有冷卻油箱，和微型油泵、泵、油箱、齒箱由油管連接，中間有電磁閥門控制，以保證該冷卻時冷卻，不該冷卻的就停止冷卻。偏航系統(tǒng)系統(tǒng)采用環(huán)型平面滑動，采用直線電機推動轉(zhuǎn)盤，承載風(fēng)輪齒箱的轉(zhuǎn)盤在固定環(huán)型面上滑動，固定盤固定在發(fā)電機室柱桶的頂端，它們滑動接觸面表面光潔度較高，并設(shè)有注入潤滑油處，固定盤有外卡和內(nèi)卡兩道關(guān)卡，使其在最大風(fēng)力作用下仍被限制在固定盤上，省去了現(xiàn)有技術(shù)中的大型軸承，大小齒圈及兩套旋轉(zhuǎn)電機及其減速齒箱，環(huán)型平面滑動轉(zhuǎn)動雖然其磨擦系數(shù)略大于滾動軸承，但平面接觸的偏航系統(tǒng)對停止偏航后的發(fā)電時機組穩(wěn)定將起到很好的作用，一般的風(fēng)速可不用帶剎車也能穩(wěn)定的工作，偏航的啟動雖然因磨擦系數(shù)略大于采用滾動軸承而增加了推力，但偏航的工作畢竟是有限的，更主要是本方案和現(xiàn)有技術(shù)比較，將大大減少機械加工量，從而較大地減少初期投入，降低風(fēng)電成本。直線電機做為推動裝置減化了裝置機構(gòu)，保證了機構(gòu)的可靠性，并可做到運行無接觸，機械零件無磨損，工作可靠無噪音，減少維修量，直線電機結(jié)構(gòu)簡單，特別是次級，有時可利用設(shè)備本身部分，散熱條件好，初級鐵芯嵌線后可用環(huán)氧樹脂密封成為一整體，免遭有害氣體及潮溫的侵害。當(dāng)然直線電機也有不盡人意的地方，由于初級線圈兩端開斷，將產(chǎn)生縱向的邊緣效應(yīng)，從而使其效率和功率因數(shù)低，還由于其電磁氣隙與節(jié)距的比值較大，通常所需磁化電流也較大，但從整體考慮，由于中間省去一整套傳動系統(tǒng)，因此整體效率并不比旋轉(zhuǎn)電機的效率低。直線電機的另一不足之處乃是對電源電壓的波動較為敏感，往往有比較恒定的啟動推力，因此需要電源電壓相應(yīng)的穩(wěn)定。由于本方案直線電機使用于電源的始端，其電壓質(zhì)量是不成問題的。
自由發(fā)電系統(tǒng)兩發(fā)電機立式安裝，兩軸通過液壓連軸接串聯(lián)聯(lián)接，該連軸接能控制投入運行和停運。發(fā)電輸出采用磁力開關(guān)送入三相橋式電力整流器。其輸出直流做為串聯(lián)的多組三相逆變器的直流電源。各臺逆變器輸出通過濾波電感線圈、交流接觸器觸頭送入升壓變壓器對應(yīng)的繞組，變壓器二次進入電網(wǎng)。每臺發(fā)電機有自己的一套系統(tǒng)，該發(fā)電機組隨風(fēng)速的變化，將有小小(指小發(fā)電機中的低速發(fā)電機)、大小(指大發(fā)電機低速發(fā)電機)，小小與大小聯(lián)合。小大(指小發(fā)電機中高速發(fā)電機)、大大(指大發(fā)電機中高速發(fā)電機)，小大與大大聯(lián)合及小大與大大在20％過載范圍內(nèi)只準(zhǔn)一定時間的運行七種運行發(fā)電方式。它們在啟動風(fēng)速到切除風(fēng)速的整個時間內(nèi)，對發(fā)電機的頻率、電壓及輸出動率不做任何限制，任其自由發(fā)電，監(jiān)測控制系統(tǒng)跟蹤輸出電壓、電網(wǎng)電壓、風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速后輸入計算機進行程序計算比較，然后做出運行方式的調(diào)整選擇，以適于風(fēng)機工作于亞佳和最佳狀態(tài)，從而獲得最大的風(fēng)力能源。我們已經(jīng)知道定漿距風(fēng)力發(fā)電機租的漿葉節(jié)距角和額定轉(zhuǎn)速都是固定不變的。這一限制，使得風(fēng)力發(fā)電機組的功率曲線上只有一點具有最大功率系數(shù)(見圖5)這一點對應(yīng)于某一葉尖速比，當(dāng)風(fēng)速變化時，功率系數(shù)也隨之改變，而要在變化的風(fēng)速下保持最大功率系數(shù)，必須保持轉(zhuǎn)速與風(fēng)速之比不變，也就是說風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速要能夠隨風(fēng)速變化?，F(xiàn)有技術(shù)是靠調(diào)整漿距限制風(fēng)輪速度，為此將丟失風(fēng)能，本方案采取是在風(fēng)輪進入失速時對機組風(fēng)輪加入負載的辦法使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下降從而退出失速。對于同樣直徑的風(fēng)輪驅(qū)動的風(fēng)力發(fā)電機組，其發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速可以有很大變化，而額定轉(zhuǎn)速較低的發(fā)電機在低風(fēng)速時具有較高的功率系數(shù)，額定轉(zhuǎn)速較高的發(fā)電機在高風(fēng)速時具有較高的功率系數(shù)，這就是利用雙速發(fā)電機的根據(jù)，但是額定轉(zhuǎn)速并不是按額定風(fēng)速時具有的最大功率系數(shù)設(shè)定的。因風(fēng)力機組和一般發(fā)電機組不一樣，并不是經(jīng)常運行在額定風(fēng)速上，并且功率與風(fēng)速的3次方成正比，只要風(fēng)速超過額定風(fēng)速，功率就會顯著上升，這對于定漿距風(fēng)力發(fā)電機來說是無法控制的，事實上定漿距風(fēng)力發(fā)電機組在風(fēng)速達到額定風(fēng)速之前就已開始失速了，到額定風(fēng)速時功率系數(shù)已相當(dāng)小，然而現(xiàn)有技術(shù)采用單一的雙速發(fā)電機，因低速電機和高速電機的功率輸出差異大，從小電機過渡到大電機，或從大電機過渡到小電機的過渡過程太陡，切除轉(zhuǎn)換比較麻煩，獲取最佳功率系數(shù)不盡理想，仍有相當(dāng)程度的能源丟失，為此才采取兩雙速發(fā)電機進行發(fā)電過程的功率調(diào)整，可以較好地改變現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，使機組工作在亞佳和最佳狀態(tài)，基本上在較大的功率系數(shù)下運行。從而獲得較多的風(fēng)力電能源。由于我們不對發(fā)電機采取任何限制，任其自由運行，可我們發(fā)出之電能又必須送入電網(wǎng)，而電網(wǎng)對入網(wǎng)條件又那么苛刻，即要讓自己發(fā)電機充分自由發(fā)揮其最大能力，又要遵守公眾的電網(wǎng)苛刻的準(zhǔn)入條件，為此必須認(rèn)真解決這一對立的矛盾，而這一矛盾的解決只有依靠發(fā)電與電網(wǎng)之間的輸變電系統(tǒng)來解決了。
定頻穩(wěn)壓輸變電系統(tǒng)，500KV的超高壓直流供電，然后經(jīng)過電力逆變器將直流逆變?yōu)?0赫交流并入電網(wǎng)已是成熟的技術(shù)，為此本發(fā)明案也采取將發(fā)電機輸出的的風(fēng)力電能經(jīng)過三相橋式整流后，經(jīng)過逆變器逆變成50赫正弦交流電，輸送到變壓器，變壓器再送往電網(wǎng)，由于逆變器的觸發(fā)裝置已有成熟技術(shù)可直接采用，本方案不再述及其原理圖上也未給出，特說明之。而我們要進入也必須遵守即定的準(zhǔn)入規(guī)則，其準(zhǔn)入規(guī)則最重要的兩條1、是交流的頻率必須和電網(wǎng)頻率一致。2、是電壓必須保持和電網(wǎng)在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定，否則將會使電網(wǎng)受到損壞。或者本發(fā)電機組受到破壞，至于輸出功率嗎？我們把電網(wǎng)看成是無窮大的電流場，隨時都會有電能進入和輸出，為此沒有必要規(guī)定一定輸入恒定功率的電能，因為風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，其風(fēng)能本身就是一個變數(shù)，是自然界里變化無窮的一個量，為此逆變后的正弦交流電只要滿足頻率和電壓的要求(還有相序和相位，但因相序相位是死的東西是常識，只要繞組首尾不錯相位是不會錯的)，就可進入電網(wǎng)了，至于輸出功率，功率是電壓與電流的乘積，如果限定的電壓，那么輸出電流便就成了變數(shù)了，它的大小反映的是供電能力的大小，根據(jù)歐姆定律，在電路中，電流又和電壓成正比例關(guān)系，為此我們的發(fā)明方案采取將發(fā)電機輸出的交流經(jīng)整流后的直流，做為主逆變器和輔助逆變器總的電源，主逆變器輸出電壓做為輸出的基準(zhǔn)電壓，然后將其高出基準(zhǔn)電壓的部分，經(jīng)輔助逆變器逆變后分段加入變壓器的對應(yīng)繞組上，夠哪個位，就送入那個繞組上，這樣在輸送變壓器二次進入電網(wǎng)的電壓始終保持一不變的電壓值(電網(wǎng)波動除外)，加上去只是變壓器的輸送電能力的增加，其頻率已有逆變器限定，為此其電壓和頻率是不變的，這樣即滿足了入電網(wǎng)條件，又能把風(fēng)機發(fā)出的多余電力隨時送入電網(wǎng)，并能保證電網(wǎng)和機組安全運行。這里必須強調(diào)的幾點，特別注重的是以發(fā)電機發(fā)電的最小輸出電壓Vmin做為基準(zhǔn)電壓，我們定為這個電壓進入變壓器其二次感應(yīng)電壓恰是電網(wǎng)額定電壓，再一個就是機組所能發(fā)生最高極限電壓，最高極限電壓以附號Vmax，再一個必須清楚變壓器的每匝上的電壓，稱為Uza，這三個參數(shù)是分段輸送電的主要依據(jù)，其段數(shù)n＝(Umax-Umin)/Uza…(3)，根據(jù)n值確定串聯(lián)逆變器數(shù)，如果n≤3，則選三組逆變器，即為Ue、10％Ue、20％Ue；如果n≤6，則選Ue、10％Ue、20％Ue、30％Ue；如果n≤11，則選Ue、10％Ue、20％Ue、30％Ue、50％Ue；如果n≤18，則選Ue、10％Ue、20％Ue、30％Ue、50％Ue、70％Ue；如果n≤27，則選Ue、10％Ue、20％Ue、30％Ue、50％Ue、70％Ue、90％Ue。n值再增大必須再增加，逆變器數(shù)，有多少組逆變器，輸送變壓器就應(yīng)有對應(yīng)的繞組，考慮逆變器可能造成互相干擾，其對應(yīng)變壓器上的繞組應(yīng)是獨立的。10％Ue的值應(yīng)該是變壓器整數(shù)匝上的電壓值，即為Uza整數(shù)倍數(shù)值，各逆變器輸出經(jīng)整形濾高次諧波的電感線圈到三相交流接觸器觸頭，交流接觸器另一組觸頭接對應(yīng)的變壓器繞組，交流接觸器的常閉觸頭接逆變器的電源兩端，當(dāng)發(fā)電機的輸出端電壓升高了10％Ue，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供控制系統(tǒng)指定10％Ue逆變器的交流接觸器送電時，交流接觸器吸合，一邊將逆變器輸出端與對應(yīng)變壓器10％Ue繞組接通，同時其常閉觸頭斷開，使該逆受器獲得直流電源而開始運作，當(dāng)發(fā)電電壓繼續(xù)升高達到高于Ue 20％Ue，則20％Ue逆變器投入，10％Ue逆變器則退出電網(wǎng)，如果主逆變輸出電壓繼續(xù)保持在正常范圍，就在此種情況下運行，如果發(fā)電電壓繼續(xù)升高，超過30％Ue，投入30％Ue逆變，退出20％Ue，如果電壓再高于40％Ue，10％Ue再投入，再繼續(xù)高于40％Ue，退出10％Ue，投入20％Ue，再繼續(xù)高出50％Ue，退出20％Ue，投入10％Ue，總之是隨著發(fā)電機發(fā)電電壓的變化而跟隨相應(yīng)的投入退出，始終保持變壓器輸進電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍，輔助逆變器不管增加投入多少，總的發(fā)電輸出電壓卻不會改變，改變的是發(fā)電機組提供給電網(wǎng)的供電能力，也就是提供電流的增加或減少，不管發(fā)電機在何時增加或減少，只要在極限范圍之內(nèi)，本輸變電系統(tǒng)都能安全穩(wěn)妥地將電力輸送到電網(wǎng)上，不會再丟失掉，設(shè)置那么多輔助逆變器，但真正工作的大概只有2到3組，待所有逆變器都投入運行時發(fā)電機組已接近全部退出的時候了。全部逆變器投入的運行最高設(shè)計為40分鐘，也就是兩發(fā)電的大電機聯(lián)合運行并在超載20％額定功率內(nèi)的時間，風(fēng)力發(fā)電規(guī)范，規(guī)定發(fā)電機超載20％運行不能超過1小時，而我們設(shè)定為40分鐘是尚有安全余地。按上述調(diào)整方法也可跟隨電網(wǎng)電壓，進行調(diào)解當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，逆變輸送電系統(tǒng)跟隨做出反應(yīng)，和電網(wǎng)保持一致。為此其高出額定的電力，可用來填充電網(wǎng)低谷，有百利而無一害。比采取措施丟掉要劃算的多。
塔架其上部為柱桶型的發(fā)電室，下部為錐桶型，底部留有進風(fēng)口門，如果機組設(shè)在陸地其進風(fēng)口留于底部，如果塔架在水中，可從底部進風(fēng)口于一能夠容下人出入的管連接，管伸出水面，高于風(fēng)浪不能夠侵?jǐn)_的高度，塔架可用鋼桶形分段連接，大型機組可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下部必須留有進風(fēng)口，最上可為塔架發(fā)電室合用，上部裝大發(fā)電機，中部裝小發(fā)電機，下部裝整流及控制柜，塔內(nèi)壁上設(shè)登塔達登及膚手和護身，大型機組，可設(shè)微型電梯以供檢修人員上下使用，塔架底部裝逆變器和電力升壓變壓器。
剎車系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機，剎車裝置已有成熟技術(shù)，本發(fā)明方案沒有新穎方式提出，仍采用成熟的現(xiàn)有技術(shù)，只是由于在葉輪、齒箱等方面的采用新技術(shù)從而減少了轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量剎車負載減輕了，同時由于本發(fā)明方案不再采用變漿距和擾流器系統(tǒng)，為此該系統(tǒng)內(nèi)基本不再采用液壓機械系統(tǒng)，為此偏航和葉輪的剎車，最好選用電磁剎車系統(tǒng)，如果電磁剎車難于滿足剎車力矩要求，非選液壓不可，可只增加油泵閥門，其油箱可用齒箱上的油箱，風(fēng)輪剎車設(shè)兩處，低速端在齒箱對輪上，在轉(zhuǎn)盤上生根，高速端在大電機液壓連軸接上端，偏航系統(tǒng)的剎車兩處分設(shè)在兩直線電機的兩端夾縫處。生根于桶壁，剎車接觸為直線電機二次圓桶內(nèi)壁。兩剎車裝置中線穿過圓柱圓心，以保持圓桶受力均衡平穩(wěn)。
控制系統(tǒng)本發(fā)明方案雖然在葉輪、齒箱、偏航、發(fā)電、變送電方面都有新技術(shù)提出，但這些技術(shù)的提出非但沒有增加控制系統(tǒng)的難度，相反還簡化了風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)，因為整個啟動風(fēng)速到切除風(fēng)速的區(qū)間內(nèi)，對風(fēng)機的狀態(tài)始終是放任自由，不作限制，只是對風(fēng)向、風(fēng)速、發(fā)電電壓、逆變電壓、輸出電壓、電網(wǎng)電壓及轉(zhuǎn)速的跟蹤。把這些信息輸入計算機中進行程序化計算對比，得出相應(yīng)的反應(yīng)，隨風(fēng)速變化而變化以滿足風(fēng)機時時都運行在亞佳和最佳狀態(tài)，從而獲取較大的風(fēng)力能源，由于丟掉對風(fēng)葉角度的跟蹤控制，從而使風(fēng)機控制實際上簡化了許多，從長遠的觀點，如果將來開發(fā)特大型發(fā)電機，則可將葉輪內(nèi)的三個氣室延中線隔開形成6個氣室，通過對風(fēng)葉運行狀況的監(jiān)視，然后通過氣泵和電磁閥，對風(fēng)葉外型前端，厚度，彎曲度等進行些微的改變，以使風(fēng)葉在任何時間都運行在最佳功率系數(shù)中，從而更大地獲取風(fēng)能。
轉(zhuǎn)動部分上的電源是靠直線電機上面的滑環(huán)提供，葉輪上的電源是由齒箱尾部滑環(huán)提供，可以想象該機組投運后的壯觀場面，任何閃電雷鳴，都會從葉片兩邊導(dǎo)體上乘乘進入大地，在極限范圍內(nèi)的風(fēng)速時風(fēng)機將自如發(fā)揮，不漏掉能源，遇到無法抗拒的風(fēng)力，會趕緊退出，以保全自身。三顆紅燈在數(shù)米高空中漫條斯理地劃著圓圈，告知飛機、輪航駕駛員遠離我身，因為從我身上流淌著為家園送去的人們渴望已久的潔凈的風(fēng)力能源。


圖1為自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機圖，圖2為齒箱視剖圖，圖3定頻穩(wěn)壓變送電電路原理圖，圖4功率系數(shù)與葉尖速比λ關(guān)系圖，圖5定漿距風(fēng)力發(fā)電機的功率曲線與功率系數(shù)曲線圖。
具體實施 圖1中，1葉輪，2、齒箱(升速器)，3、大發(fā)電機，4、小發(fā)電機，5、液壓連軸接，6、轉(zhuǎn)盤，7、固定盤，8、外卡盤，9、內(nèi)卡環(huán)，10、送電滑環(huán)，11、直線電機1次，12、直線電機2次，13、供電滑環(huán)炭刷架，14、供給葉輪用電滑環(huán)，15、齒箱油散熱冷卻微形油泵，16、整流柜，17、控制柜，18、逆變柜，19、送電變壓器，20、塔架，21、發(fā)電室(塔桶)，22、冷卻油箱，23、進風(fēng)口，24、小發(fā)電機擋風(fēng)板，25、大發(fā)電機通風(fēng)管。大傘齒輪26。小傘齒輪27。輸出軸28。
葉輪1與齒箱2的低速端對輪連接。葉輪是由殼胎、封口、氣泵、輪轂、卡環(huán)法蘭通過數(shù)枚螺栓緊固在一起，并形成殼胎內(nèi)能互相獨立注入氣體的氣室，齒箱2的上部安裝著油箱22，22與2之間設(shè)置有微型油泵15，其作用是將齒箱內(nèi)升溫的潤滑油從最下端高速軸承處抽出，送入油箱22冷卻，然后靠自重淋灑在上部齒輪或軸上，齒箱2的尾部置有提供葉輪電源的滑環(huán)，為氣泵、電磁閥及航標(biāo)指示燈提供電源，齒箱2的輸出軸上裝有剎車盤和連接大發(fā)電機3的液壓連軸接5，5的另一端連接發(fā)電機3的軸，發(fā)電機3的軸，必須有承受兩臺發(fā)電機最大輸出功率的能力，發(fā)電機3的大軸的尾端安有與5類似但功率不同的液壓聯(lián)軸接，該液壓聯(lián)軸接另一端聯(lián)接小發(fā)電機4，3和4底腳由緊固螺栓固定在橫梁鋼板與發(fā)電室桶壁形成的各自室間內(nèi)，其地腳與鐵板間有硬質(zhì)膠墊，以做為舜間沖擊的緩沖。梁上面的鐵板，留有通氣孔，從小發(fā)電機室的邊孔中，用氣管將下部冷風(fēng)引入大發(fā)電機下部，使大發(fā)電機線圈和鐵芯得到充分冷卻，小發(fā)電機的出風(fēng)口處置一擋風(fēng)板，將小發(fā)電機的熱風(fēng)逼著，從大發(fā)電機室的邊孔中排出，防止小發(fā)電機熱風(fēng)增加大發(fā)電機溫度。齒箱2的底腳通過硬膠墊，與轉(zhuǎn)盤6緊固在一起，6座落在固定盤7上，外面與卡環(huán)8由數(shù)枚螺栓堅固，卡環(huán)可分段拼接，以便于檢修更換，卡環(huán)與固定盤留有一定間隙，內(nèi)壁嵌有青鋼板，靠更換其板達到6、7、8之間有合適的間隙，以利于偏航系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動靈活，又牢固可靠，6、7、8的接觸面要求較高的表面光法度和一定的潤滑度。6的下部裝有內(nèi)卡環(huán)9，9為復(fù)合材料與環(huán)氧樹脂在模具中擠壓而成，要有一定的強度，絕緣性和不導(dǎo)磁，9的斷面成T形，伸向桶壁一支起到控制轉(zhuǎn)盤的作用，9與桶壁21有密封圈，起到阻隔潤滑物外溢作用，9的下部安裝直線電機的二次側(cè)12，12是鋁鋼復(fù)合板，鋁處外徑面內(nèi)卡環(huán)9的靠桶壁一面裝有導(dǎo)電環(huán)10，10與滑環(huán)13配合，為轉(zhuǎn)動部分提供三相交流電源，12與21之間安裝直線電機11，11固定在21上，小發(fā)電機4的下部為電氣室，其內(nèi)安裝控制柜16，和整流柜17，其下鋼板均留有通風(fēng)孔，以供散熱冷卻。發(fā)電室21，以數(shù)枚螺栓堅固在塔架20的頂端，20的下部安裝兩臺發(fā)電機的逆變柜18和升壓變壓器19將發(fā)電機所發(fā)電力送入電網(wǎng)，直線電機推進速度應(yīng)能滿足偏航系統(tǒng)的低速要求，如果采取最大允許節(jié)距仍無法滿足低速要求，則可采取大電流等間隔時間的間隙供電方式解決。
下面以1000KW和600KW兩臺發(fā)電機組成的風(fēng)力發(fā)電機組為例的具體實施中功率調(diào)整及定頻穩(wěn)壓輸出輸變電的全過程敘述如下假定啟動風(fēng)速為2.5m/s，切除風(fēng)速為28m/s，調(diào)壓段數(shù)n＝11，逆變器設(shè)置Ue，10％Ue，20％Ue，30％Ue，50％Ue共5組，大發(fā)電機額中的高速發(fā)電機為4級，額定功率為1000KW，大電機中的低速發(fā)電機為6級，額定功率為200KW，小發(fā)電機中高速發(fā)電機為4級，額定功率600KW，小發(fā)電機中低速發(fā)電機為6級，額定功率為150KW。
當(dāng)風(fēng)速規(guī)定時間內(nèi)，持續(xù)達到2.5m/s，偏航系統(tǒng)啟動，將風(fēng)輪對準(zhǔn)風(fēng)向傳感器提供的方向。兩級液壓連軸接注油，葉輪高低速兩級剎車松開，葉輪開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到150KW發(fā)電機能輸出最低輸出電壓時，150KW輸出投入電網(wǎng)。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)測得，風(fēng)速繼續(xù)增大，而轉(zhuǎn)速不再增加，或略有下降，則說明，風(fēng)葉已進入失速。則投入200KW發(fā)電機，150KW退出發(fā)電，之后若葉輪轉(zhuǎn)速開始上升，且200KW發(fā)電機也能輸出最低電壓，則就此狀態(tài)繼續(xù)運行，如果200KW發(fā)電上來后，葉輪轉(zhuǎn)速開始上升，則說明風(fēng)葉已退出失速，維持狀態(tài)運行，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)上升，風(fēng)葉又進入失速，保持200KW發(fā)電機運行情況下，投入150KW機組，也就是此時機組在350KW功率下運行，風(fēng)速繼續(xù)增大，葉輪又進入失速，200KW，150KW同時退出電網(wǎng)，待風(fēng)輪速度達到4級發(fā)電機亞同步速度時，投600KW發(fā)電機，同樣道理會出現(xiàn)，600KW單獨運行，1000KW單獨運行，1600KW運行，1920KW運行(準(zhǔn)其運行40分鐘)，我們設(shè)定，當(dāng)風(fēng)速達到26或27m/s，偏航系統(tǒng)啟動，將風(fēng)輪向0發(fā)電角度推進，等待時機，如果風(fēng)速繼續(xù)增大，達到切除風(fēng)速，則監(jiān)控系統(tǒng)指令葉片尾室放氣，則葉片尾部在風(fēng)力作用使葉片尾部形成擾流板，使風(fēng)輪速度急速下降，然后兩級剎車同時下閘，使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，偏航系統(tǒng)將葉輪推至0發(fā)電角度，當(dāng)風(fēng)速在26m/s-27m/s持續(xù)一段時間后開始下降，風(fēng)輪將重新回到最佳迎風(fēng)角度繼續(xù)運行。一般情況下遇到切除風(fēng)速是不多的，一年中最多也只是幾次熱帶風(fēng)暴來臨如此，風(fēng)速從高速下降到低風(fēng)速，則剛好反過來，只是在經(jīng)過切除風(fēng)速侵?jǐn)_之后，再次啟動風(fēng)機，必須先對葉片尾室充入高壓氣體。當(dāng)4級發(fā)電機發(fā)電向6級發(fā)電機過渡時則要先下閘，使風(fēng)速下降到接近6級發(fā)電機允許風(fēng)速時，才能投入6級發(fā)電。應(yīng)盡量避免放尾室內(nèi)的氣。
當(dāng)發(fā)電機輸出電壓，經(jīng)過整流的直流升高到逆電器逆變后的50赫交流的電高出電網(wǎng)的電壓10％時，也就是電壓1超過到10％Ue(Ue定義為能使逆變器輸出達到能使變器2次輸出電網(wǎng)額定電壓的電壓)，則10％Ue逆變器投入運行，其輸出進入電網(wǎng)，當(dāng)發(fā)電電壓外高高出20％Ue時，20％Ue投入，10％Ue逆變退出，其調(diào)壓運行全過程為UeUe+10％Ue、Ue+20％Ue、Ue+30％Ue、Ue+10％Ue+30％Ue、Ue+20％Ue+30％Ue、Ue+10％Ue+50％Ue、Ue+20％Ue+50％Ue、Ue+30％Ue+50％Ue、Ue+10％Ue+30％Ue+50％Ue、Ue+20％Ue+30％Ue+50％Ue、Ue+10％Ue+20％Ue+30％Ue+50％Ue，當(dāng)所有逆變器全部投入，也就是整個風(fēng)機快要全部下網(wǎng)了，最多只能運行40分鐘，全部投入實際上是1920KW工作的最后40分鐘，發(fā)電電壓的下降反過來依次減去逆變器進行調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于包括帶有充氣葉片的風(fēng)輪，輸入輸出軸相互垂直的升速齒箱，兩立式其軸串連的發(fā)電機，三相橋式整流器直流，電源串聯(lián)的逆變器，升壓變壓器，直線電機推動的偏航系統(tǒng)，發(fā)電室，塔架構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于帶有充氣葉片的風(fēng)輪由殼胎、封口、氣泵、輪轂構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述，自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于輸入輸出軸互相垂直的升速齒箱的輸入軸的對輪與葉輪相聯(lián)，齒箱固定在轉(zhuǎn)盤上。
4.根據(jù)權(quán)力要求1所述，自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機其特征在于其三相橋式整流器的三相交流電源來自于風(fēng)力發(fā)電機，直流輸出供給逆變器。
5.根據(jù)權(quán)力要求1所述，自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于兩立式其軸串連的發(fā)電機與齒箱的輸出軸通過液壓連軸接相連。
6.根據(jù)權(quán)力要求1所述，自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于有主逆變器和多個輔助逆變器直流電源側(cè)串聯(lián)構(gòu)成的逆變器組，其電源接于發(fā)電機輸出經(jīng)整流濾波后的直流電源上，逆變器輸出50H正弦交流電經(jīng)電感線圈由交流接觸器觸頭接到升壓變壓器對應(yīng)的繞組上。
7.根據(jù)權(quán)力要求1所述，自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于升壓變壓器上有多組繞組，各繞組上對應(yīng)于各逆變器上輸出的壓值相連接，二次變壓與電網(wǎng)電壓相等并輸往電網(wǎng)。
8.根據(jù)權(quán)力要求1所述，自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于直線電機推動的編航系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)盤、固定盤、外卡環(huán)、內(nèi)卡環(huán)、直線電機一次，直線電機二次構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)力要求1所述，自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機其特征在于發(fā)電機室為柱桶型，其桶上部固定固定盤，發(fā)電機室座落在塔架上。
10.根據(jù)權(quán)力要求1所述，自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于塔架為錐桶型，上部與發(fā)電機室緊固在一起。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種自由發(fā)電定頻穩(wěn)壓輸出的風(fēng)力發(fā)電機。它由充氣風(fēng)葉的風(fēng)輪，輸入輸出軸互相垂直的升速器，兩立式而軸串速的發(fā)電機，在啟動風(fēng)速和切除風(fēng)速之間不對發(fā)電機的電壓頻率，功率限制的，并能定頻穩(wěn)壓輸往電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機，偏航系統(tǒng)采用直線電機推轉(zhuǎn)的方式，發(fā)電機安穩(wěn)地固在其室內(nèi)，發(fā)電機室(塔桶)固定在塔架上，無須停機解決電纜纏繞問題。塔架下部安裝有逆變器串和升壓輸送電力的變壓器，從而形成風(fēng)力帶動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，風(fēng)輪帶動齒箱將速度升到發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速，發(fā)出電力送入三相橋式整流器，整流后，直流又送入逆變器串，逆變后的50H交流對應(yīng)送到變壓器，變壓器二次保持穩(wěn)定電壓，并送入電網(wǎng)。發(fā)電機啟動風(fēng)速和切除風(fēng)速段內(nèi)，自由運行，不受限制，其輸出高出之電壓，分段逆變輸進變壓器對應(yīng)的繞組，不再浪費風(fēng)力能源。
文檔編號H02J3/38GK1880756SQ20061008074
公開日2006年12月20日 申請日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者陳亞洲 申請人:陳亞洲