CN102322401B - 一种新型直驱永磁风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种新型直驱永磁风力发电机组，包括基座、塔筒、机舱、轮毂、叶片、风速风向仪、偏航系统、变频器、机舱控制柜、塔底控制柜、以及永磁发电机的定子、转子和主轴，所述的定子采用分数槽集中绕组、分块结构。本发明一种新型直驱永磁风力发电机组，能够有效提高风速偏低的风场的年发电量，同时整个机组的性能体积比要高于同类型机组，能为风电行业提高风能利用率提供有效的途径，同时有效地解决风电场低电压穿越、无功功率调节等并网问题。

Description

一种新型直驱永磁风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组整套设备，特别是涉及一种新型直驱永磁风力发电机组。

背景技术

目前，风力发电专用发电机正向高可靠性、低维护量、减少组件、降低成本、效率高、集成度高的方向发展，大体趋势是单机容量不断增长。在变速恒频的风力发电系统中，多采用双馈异步发电机和永磁同步发电机，特别是直驱风力发电机组，其发电机是机组的核心部件，不同的发电机技术路线将决定了整个机组的设计方案。不断优化机组设计方案，提高机组的整体效率，也成为当前本领域的重点改进目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型直驱永磁风力发电机组，使其具备高效率、高可靠性且结构简单，更适于推广应用。

为解决上述技术问题，本发明一种新型直驱永磁风力发电机组，包括基座、塔筒、机舱、轮毂、叶片、风速风向仪、偏航系统、变频器、机舱控制柜、塔底控制柜、以及永磁发电机的定子、转子和主轴，所述的定子采用分数槽集中绕组、分块结构。

作为本发明的一种改进，所述的定子采用利兹线设计，并分为发电机绕组和电动机绕组。

所述的定子表面设有散热焊接筋或机铣筋。

所述的定子的槽数小于100。

所述的转子采用永磁体嵌入式磁极或采用表面贴磁。

所述的机舱与主轴之间采用双轴承支撑结构，其中前轴承采用浮动轴承，后轴承采用止推轴承。

所述的每支叶片都配备有变桨机构和防雷装置。

所述的变桨机构采用交流电机，包括变桨控制系统、电池柜、驱动器、电机和变桨支撑结构，并配备有超级电容。

所述的变频器为全功率变频器，配有Crowbar或者斩波器装置。

所述的变频器主要包括两个通过直流母排连接的IGBT，斩波器并联在直流母排上。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1、采用了新型的永磁同步发电机技术，使得机组整体效率更高，生产效率也大幅提升，机舱和塔筒布置方案更是适合于海陆两用；

2、本发明在风场低风速时，效率更高，可以提高整个风场的发电量，为业主提供更多的电能，也为国家生产更多的清洁能源；

3、本发明采用了全功率变频器，能够更好地适应国内风场电网较弱、故障频发的特点，更容易解决低电压穿越、无功功率调节等电网并网问题。

如上所述，本发明一种新型直驱永磁风力发电机组，能够有效提高风速偏低的风场的年发电量，同时整个机组的性能体积比要高于同类型机组，能为风电行业提高风能利用率提供有效的途径，同时有效地解决风电场低电压穿越、无功功率调节等并网问题。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明一种新型直驱永磁风力发电机组的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，直驱永磁风力发电机组包括叶片1、变桨机构2、轮毂3、永磁发电机定子4、永磁发电机转子5、永磁发电机主轴6、机舱7、风速风向仪8、机舱控制柜9、偏航系统10、塔筒11、变频器12、塔底控制柜13以及基座14。

其中，叶片1为三支，可采用3MW直驱机组49m、56.5m等长度的叶片，适用于II类和III类风场，其材质可为强化玻璃纤维或者碳纤维，叶片1内设置有防雷装置，负责将接近叶片1的雷击引导至防雷系统内。

每支叶片1备有一套变桨机构2，采用交流电机，包括变桨控制系统、电池柜、驱动器、电机、变桨支撑等装置和设备，并配备有超级电容。其变桨控制策略：采用三叶片转动速度、转动起始角度和位置均保持一致，若三支叶片位置偏差大于一定值将向整机系统报警；或者采用三支叶片转动速度、转动起始角度和位置均独立控制，这种控制策略可以有效减少整机的疲劳载荷。本发明的变桨机构2具有三叶片同步调节的特点，同时备有超级电容，可提高变桨系统的稳定性。

定子4采用分数槽集中绕组、分块结构，定子槽数不到100个，发电机效率达到97.5％以上，自然冷却，定子4表面采用焊接筋或者机铣筋进行散热。采用这样的结构可以大幅消弱由正弦波分布的磁场感应电势中的谐波分量和齿谐波电势，减少齿槽效应引起的定位转矩，启动转矩小；线圈端部长度缩短，减少了端部绕线过长导致的铜损；定子线圈分块组结构，定子槽数大幅减少，生产效率大幅提高；线圈采用Litz线方案，大幅减少肌肤效应，减少发电机发热量，提高发电机效率；对分块式绕组做两组处理，实现两组冗余设置，同时可以是一组做发电机、一组做电动机用，使发电机试验更加简便；发电机采用自然冷却，发电机定子产生的热量通过发电机定子表面与空气进行热量交换。

转子5采用永磁体嵌入式磁极，防去磁能力强，磁体寿命长，永磁体利用率高，或者采用表面贴磁方案，用胶水将永磁体粘在转子表面。

机舱7为焊接钢结构，起到将发电机和塔筒11连接，以及保护机舱7内部件的作用。机舱7与主轴6之间采用双轴承支撑结构，其中前轴承采用浮动轴承，后轴承采用止推轴承。

变频器12，采用全功率变频器，负责将永磁同步发电机所发出的交流电频率转换为工频50Hz。变频器12的主要结构在于，两个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)之间由直流母排连接，直流母排上并联套斩波器，斩波器用于在机组发生低电压穿越时，消耗掉多余的能量，使得机组稳定过渡到正常阶段。配备Crowbar或者斩波器等装置的变频器12，负责在风场电网发生低电压穿越，风电机组无法将电能输送至电网时，将系统产生的电能消耗。此外，全功率变频器应具备无功功率调节功能，即在整机系统需要时，变频器能够提供适量的无功功率。

机舱控制柜9负责机舱部件的电气系统软件控制和硬件连接、电气件的电源分配等，塔底控制柜13负责塔底部件软件控制和硬件连接，二者共同实现整机系统电气元件的控制，整机的自启、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能，同时实现与变桨系统、变频器系统、机组监控系统的对接、指令传输和数据传输。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，例如针对叶片长度、材质，变桨机构电机型式，发电机转子与定子相对位置(即内转子和外转子)，定子槽数，机舱焊接结构的形状等方面进行变化，均是基于本发明技术方案上的变化和改进，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型直驱永磁风力发电机组，包括基座、塔筒、机舱、轮毂、叶片、风速风向仪、偏航系统、变频器、机舱控制柜、塔底控制柜、以及永磁发电机的定子、转子和主轴，其特征在于：

所述的定子采用分数槽集中绕组、分块结构，并采用利兹线设计，分为发电机绕组和电动机绕组，定子表面设有散热焊接筋或机铣筋。

2.根据权利要求1所述的一种新型直驱永磁风力发电机组，其特征在于所述的定子的槽数小于100。

3.根据权利要求1所述的一种新型直驱永磁风力发电机组，其特征在于所述的转子采用永磁体嵌入式磁极或采用表面贴磁。

4.根据权利要求1所述的一种新型直驱永磁风力发电机组，其特征在于所述的机舱与主轴之间采用双轴承支撑结构，其中前轴承采用浮动轴承，后轴承采用止推轴承。

5.根据权利要求1所述的一种新型直驱永磁风力发电机组，其特征在于所述的每支叶片都配备有变桨机构和防雷装置。

6.根据权利要求5所述的一种新型直驱永磁风力发电机组，其特征在于所述的变桨机构采用交流电机，包括变桨控制系统、电池柜、驱动器、电机和变桨支撑结构，并配备有超级电容。

7.根据权利要求1所述的一种新型直驱永磁风力发电机组，其特征在于所述的变频器为全功率变频器，配有Crowbar或者斩波器装置。

8.根据权利要求7所述的一种新型直驱永磁风力发电机组，其特征在于所述的变频器主要包括两个通过直流母排连接的IGBT，斩波器并联在直流母排上。