CN102400856A - 千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组 - Google Patents

千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组 Download PDF

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潘建
姚兴佳
孟强
王超
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Abstract

一种千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，该发电机组包括风轮单元、传动和发电单元、机舱支撑单元和发电控制输出单元；风轮单元包括叶片和轮毂；传动和发电单元为永磁直驱发电机；机舱支撑单元包括机舱回转底架、转向偏航机构、转向偏航轴承和机组塔架；本发明的整机结构采用优化设计理论，机组可靠性更加稳定安全，运输、安装更加方便，可以成为一切有风力资源地区的中型机组风力发电设备，可单台建设独立供电站，也可多台机组联网建设独立风电场。

Description

千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组
技术领域
本发明属于风力发电属新能源领域，本发明涉及千瓦级风力发电机组技术，也就是中型风力发电机组技术，特别涉及到千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组技术。
背景技术
常规能源的减少和涨价，人类生存的环境日益的破坏，温室效应的影响，觉醒了全世界人民和各国政府对环境保护必须要重视。开发新能源在能源重的比重逐年上升，风力发电已经发展成一个新兴的工业产业、形成了一个新的经济增长点。世界上经济发达国家的大型风力发电技术走在了前列，推动了我国风力发电技术发展，到2011年我国的风力发电技术快速发展，风力发电机组产量和装机总量已经排在了世界的第一位。
目前，千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组还是空白，市场前景也非常好，特别适用于那些风力资源丰富的偏远山区、牧区、海岛等运输、安装不便的地区。目前国内、国外还不能生产千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组。
"十二五"期间，风电的发展是国家重点鼓励、重点支持的领域。这也是未来重要的新兴产业。国家会给予更多的投入，采取更多的鼓励政策，推进风电发展，确保"十二五"非化石能源比重占比11.4%，到2020年要提高到15%目标的实现。
到2015年中国风电产业的商业运行容量，要达到1亿千瓦；2020年要达到2亿～2.5亿千瓦。2010年中国风电运行容量为3100万千瓦，装机达到了4100多万千瓦。
千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组是解决分布式发电、小电网并网的有效途径，是M瓦级风力发电组不能替代的一种补充，目前还没有一种高效率的千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其目的是填补这一领域技术空白，解决以往的风力发电机组故障率高、效率低下，无法满足这一领域风力发电电力需求的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：该发电机组包括风轮单元、传动和发电单元、机舱支撑单元和发电控制输出单元；风轮单元包括叶片和轮毂；传动和发电单元为永磁直驱发电机；机舱支撑单元包括机舱回转底架、转向偏航机构、转向偏航轴承和机组塔架；发电控制输出单元为机组控制柜；叶片连接在轮毂上，轮毂连接至永磁直驱发电机，永磁直驱发电机连接在机舱回转底架上，机舱回转底架通过转向偏航轴承可旋转的设置在机组塔架上，机舱回转底架上固定连接有转向偏航机构，转向偏航机构可与机舱回转底架同步转动；机组控制柜为PLC智能自动控制系统。
永磁直驱发电机包括主轴、前轴承、前端盖、定子、磁极、转子、定子线圈、后端盖和后轴承；主轴连接轮毂，主轴分别通过前轴承和后轴承支撑在前端盖和后端盖上实现旋转；定子、磁极、转子和定子线圈在设置前端盖和后端盖形成的外壳内，转子固定连接在主轴上与主轴同步转动，磁极径向固定贴在转子的外圆周表面上，定子套在转子上的磁极外围；定子线圈设置在定子上，定子线圈通过接线盒连接至输出电缆。
永磁直驱发电机内设置有信号传感器，信号传感器连接至PLC智能自动控制系统。
在轮毂内设置有电动同步变桨机构，电动同步变桨机构连接至叶片，叶片通过变桨轴承设置在轮毂上。
电动同步变桨机构连接至变桨驱动机构，变桨驱动机构连接至变桨驱动电机，变桨驱动电机连接至PLC智能自动控制系统。
转向偏航机构包括偏航驱动齿轮、偏航减速机和偏航电机，偏航电机通过偏航减速机连接至偏航驱动齿轮；转向偏航轴承设置在偏航轴承外环与偏航轴承内环之间，偏航轴承外环固定设置在机组塔架上，偏航轴承外环的外围圆周上设置有与偏航驱动齿轮啮合的齿牙；偏航轴承内环与机舱回转底架之间连接固定，偏航轴承内环为可旋转的结构；机舱回转底架与转向偏航机构之间连接固定。
在转向偏航机构的下方还设置有偏航阻尼刹车机构，该机构包括磨檫片、压力弹簧和可调螺栓；可调螺栓通过压力弹簧将磨檫片接触在偏航轴承外环上，通过可调螺栓控制磨檫片与偏航轴承外环之间的摩擦力大小来实现偏航阻尼刹车。
优点及效果：
本发明提供一种千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：该发电机组包括风轮单元、传动和发电单元、机舱支撑单元和发电控制输出单元。风轮单元包括叶片和轮毂；传动和发电单元为永磁直驱发电机；机舱支撑单元包括机舱回转底架、转向偏航机构、转向偏航轴承和机组塔架；发电控制输出单元为机组控制柜。叶片连接在轮毂上，轮毂直接连接至永磁直驱发电机，永磁直驱发电机连接在机舱回转底架上，机舱回转底架通过转向偏航轴承连接在机组塔架上，机舱回转底架上固定连接有转向偏航机构，转向偏航机构可与机舱回转底架同步转动；机组控制柜为PLC智能自动控制系统。
本发明的具体效果如下：
1、功率调整，采用时时检测风速、转速的方法，让电动同步变桨机构充当控制电动同步变桨距机械连锁结构，最大能量扑获风能，年发电量提高5%-10%。
2、风向跟踪，风向驱动机构采用检测风向的方法，控制转向偏航机构时时跟踪风向工作。
3、发电机，采用稀土永磁直驱发电机，永磁电机的优点是不需要电励磁，可实现无刷化，无励磁损耗，因而效率显著提高。
4、机械传动，减掉了增速箱和主轴传动部件，就减少了机械故障和设备噪音，减少了设备故障，提高设备年发电利用率。
5、偏航刹车闸，通过偏航阻尼刹车机构实现偏航刹车闸的作用，采用耐磨材料阻尼制动装置结构，减掉了液压闸或电动闸，使结构简单，降低成本。
6、电控系统，采用PLC智能自动控制，风力发电机组从待机、开机、发电、停机、安全保护全程实现无人职守自动控制。
7、电源输出采用AC/DC/AC风力发电机专用变流电源，电能质量好。
附图说明：
图1为本发明的整体结构示意图
图2为本发明电动同步变桨机构示意图
图3为本发明转向偏航机构示意图
图4为本发明偏航阻尼刹车机构示意图
图5为本发明永磁直驱发电机示意图
图6为本发明发电控制原理示意图。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1所示，本发明提供一种千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，这个机组也就是中型风力发电机组，该发电机组包括风轮单元、传动和发电单元、机舱支撑单元和发电控制输出单元；风轮单元包括叶片1和轮毂3；传动和发电单元为永磁直驱发电机4；机舱支撑单元包括机舱回转底架5、转向偏航机构6、转向偏航轴承7和机组塔架9；发电控制输出单元为机组控制柜8；叶片1连接在轮毂3上，轮毂3连接至永磁直驱发电机4，永磁直驱发电机4连接在机舱回转底架5上，机舱回转底架5通过转向偏航轴承7可旋转的设置在机组塔架9上，机舱回转底架5上固定连接有转向偏航机构6，转向偏航机构6可与机舱回转底架5同步转动；机组控制柜8为PLC智能自动控制系统。
如图5所示，永磁直驱发电机4包括主轴11、前轴承12、前端盖13、定子14、磁极15、转子16、定子线圈17、后端盖18和后轴承19；主轴11连接轮毂3，主轴11分别通过前轴承12和后轴承19支撑在前端盖13和后端盖18上实现旋转，具体的说就是主轴11一部分通过前轴承12支撑在前端盖13上，另一部分通过后轴承19支撑在后端盖18上；定子14、磁极15、转子16和定子线圈17在设置前端盖13和后端盖18形成的外壳内，转子16固定连接在主轴11上与主轴11同步转动，磁极15径向固定贴在转子16的外圆周表面上，定子14套在转子16上的磁极15外围；定子线圈17设置在定子14上，定子线圈17通过接线盒20连接至输出电缆10。
永磁直驱发电机4内设置有信号传感器，信号传感器连接至PLC智能自动控制系统。信号传感器将采集的永磁直驱发电机4内的电流变化信息传递给PLC智能自动控制系统，然后通过PLC智能自动控制系统来控制整个发电机组。
如图2所示，在轮毂3内设置有电动同步变桨机构2，电动同步变桨机构2连接至叶片1，叶片1通过变桨轴承21设置在轮毂3上。
电动同步变桨机构2连接至变桨驱动机构22，变桨驱动机构22连接至变桨驱动电机23，变桨驱动电机23连接至PLC智能自动控制系统。
如图3所示，转向偏航机构6包括偏航驱动齿轮29、偏航减速机30和偏航电机31，偏航电机31通过偏航减速机30连接至偏航驱动齿轮29；转向偏航轴承7设置在偏航轴承外环24与偏航轴承内环28之间，偏航轴承外环24固定设置在机组塔架9上，偏航轴承外环24的外围圆周上设置有与偏航驱动齿轮29啮合的齿牙；偏航轴承内环28与机舱回转底架5之间连接固定，偏航轴承内环28为可旋转的结构；机舱回转底架5与转向偏航机构6之间连接固定。也就是偏航电机31通过带动偏航减速机30带动偏航驱动齿轮29转动，因为偏航驱动齿轮29与偏航轴承外环24啮合，而偏航轴承外环24又是固定的，所以转向偏航机构6就会带动机舱回转底架5与偏航轴承内环28同步转动，实现转向偏航。
如图4所示，在转向偏航机构6的下方还设置有偏航阻尼刹车机构，该机构包括磨檫片25、压力弹簧26和可调螺栓27；可调螺栓27通过压力弹簧26将磨檫片25接触在偏航轴承外环24上，通过可调螺栓27控制磨檫片25与偏航轴承外环24之间的摩擦力大小来实现偏航阻尼刹车。
本发明在使用时，叶片1在风力作用下转动，带动永磁直驱发电机4发电，通过信号传感器采集永磁直驱发电机4内的电流变化信息，并将该信息传递给PLC智能自动控制系统，PLC智能自动控制系统控制电动同步变桨机构2实现变桨，PLC智能自动控制系统也可以控制转向偏航机构6是整个发电机组根据风向和风力实现偏航，直到达到最佳发电效果为止，而在偏航结束时通过偏航阻尼刹车机构实现偏航终止；发电工作开始之后，永磁直驱发电机4将电流通过接线盒20及输出电缆10输出至电网，实现发电。
本发明效果理想，在国家鼓励、支持高新技术知识产权自主创新的政策下，我们经过20多年在该技术行业的技术开发创新、经验总结积累，开发出了千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组。我们的技术在中型系列机型中填补了国内、国外空白，技术水平处于领先地位。
千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组是把风能转换成电能，利用自然能源发电的设备，机组在发电工作过程中采用微机智能自动控制，风力发电机在3～25m/s风速下连续发电运行，额定风速为10.5～11.5m/s，额定功率为100～300kW。
本发明的整机结构采用优化设计理论，机组可靠性更加稳定安全，运输、安装更加方便，可以成为一切有风力资源地区的中型机组风力发电设备，可单台建设独立供电站，也可多台机组联网建设独立风电场。

Claims (7)

1.一种千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：该发电机组包括风轮单元、传动和发电单元、机舱支撑单元和发电控制输出单元；风轮单元包括叶片（1）和轮毂（3）；传动和发电单元为永磁直驱发电机（4）；机舱支撑单元包括机舱回转底架（5）、转向偏航机构（6）、转向偏航轴承（7）和机组塔架（9）；发电控制输出单元为机组控制柜（8）；叶片（1）连接在轮毂（3）上，轮毂（3）连接至永磁直驱发电机（4），永磁直驱发电机（4）连接在机舱回转底架（5）上，机舱回转底架（5）通过转向偏航轴承（7）可旋转的设置在机组塔架（9）上，机舱回转底架（5）上固定连接有转向偏航机构（6），转向偏航机构（6）可与机舱回转底架（5）同步转动；机组控制柜（8）为PLC智能自动控制系统。
2.根据权利要求1所述的千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：永磁直驱发电机（4）包括主轴（11）、前轴承（12）、前端盖（13）、定子（14）、磁极（15）、转子（16）、定子线圈(17)、后端盖（18）和后轴承（19）；主轴（11）连接轮毂（3），主轴（11）分别通过前轴承（12）和后轴承（19）支撑在前端盖（13）和后端盖（18）上实现旋转；定子（14）、磁极（15）、转子（16）和定子线圈(17)在设置前端盖（13）和后端盖（18）形成的外壳内，转子（16）固定连接在主轴（11）上与主轴（11）同步转动，磁极（15）径向固定贴在转子（16）的外圆周表面上，定子（14）套在转子（16）上的磁极（15）外围；定子线圈(17)设置在定子（14）上，定子线圈(17)通过接线盒（20）连接至输出电缆（10）。
3.根据权利要求2所述的千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：永磁直驱发电机（4）内设置有信号传感器，信号传感器连接至PLC智能自动控制系统。
4.根据权利要求1所述的千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：在轮毂（3）内设置有电动同步变桨机构（2），电动同步变桨机构（2）连接至叶片（1），叶片（1）通过变桨轴承（21）设置在轮毂（3）上。
5.根据权利要求4所述的千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：电动同步变桨机构（2）连接至变桨驱动机构（22），变桨驱动机构（22）连接至变桨驱动电机（23），变桨驱动电机（23）连接至PLC智能自动控制系统。
6.根据权利要求1所述的千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：转向偏航机构（6）包括偏航驱动齿轮（29）、偏航减速机（30）和偏航电机（31），偏航电机（31）通过偏航减速机（30）连接至偏航驱动齿轮（29）；转向偏航轴承（7）设置在偏航轴承外环（24）与偏航轴承内环（28）之间，偏航轴承外环（24）固定设置在机组塔架（9）上，偏航轴承外环（24）的外围圆周上设置有与偏航驱动齿轮（29）啮合的齿牙；偏航轴承内环（28）与机舱回转底架（5）之间连接固定，偏航轴承内环（28）为可旋转的结构；机舱回转底架（5）与转向偏航机构（6）之间连接固定。
7.根据权利要求6所述的千瓦级离网、并网型直驱永磁风力发电机组，其特征在于：在转向偏航机构（6）的下方还设置有偏航阻尼刹车机构，该机构包括磨檫片（25）、压力弹簧（26）和可调螺栓（27）；可调螺栓（27）通过压力弹簧（26）将磨檫片（25）接触在偏航轴承外环（24）上，通过可调螺栓（27）控制磨檫片（25）与偏航轴承外环（24）之间的摩擦力大小来实现偏航阻尼刹车。
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