CN103184974B - 风力发电机组的变桨系统以及风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开风力发电机组的变桨系统以及风力发电机组。所述风力发电机组的变桨系统包括磁粉离合器、齿轮箱、发电机、切换开关和变桨电机，磁粉离合器的输入轴连接到风力发电机组的转子单元，磁粉离合器的输出轴连接到齿轮箱的输入轴，齿轮箱的输出轴连接到发电机的转子，发电机通过切换开关电连接到变桨电机，其中，当风力发电机组的外部电源发生故障时，切换开关闭合，磁粉离合器的输入轴在风力发电机组的桨叶的惯性驱动下转动，磁粉离合器的输出轴以预定转速转动并且在通过齿轮箱提高转速后驱动发电机发电，变桨电机在发电机拖动下将桨叶转动到顺桨位置。

Description

风力发电机组的变桨系统以及风力发电机组
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组的变桨系统，更具体地讲，涉及一种以风力发电机的惯性作为后备能源的风力发电机组的变桨系统。
背景技术
随着技术的发展，可再生能源的关注和利用程度日益增加，其中，风力发电是一种已经发展相对成熟的能源技术。风力发电要求有较强的环境适应能力，而变桨系统则是风力发电的核心部件之一。变桨系统的功能主要有以下两个方面。
第一，按照风力发电机组主控制器的要求实时调节风力发电机组的叶片桨距角，以确保发电机工作在合适的转速范围内，从而在风力发电机组安全的前提下，最大限度吸收风能。第二，在风力发电机组出现故障时，变桨系统调节叶片桨距角至最大，此时叶片不再吸收风能，实现气动刹车停机的功能。这种停机方式是变桨变速型风力发电机组唯一的安全停机方式。
目前，风力发电机组的变桨系统从执行硬件角度可以分为电动变桨系统和液压变桨系统两大类。液压变桨系统依靠储能器中储存的压力油作为后备能源，电动变桨系统通常依靠电池或者电容作为后备能源。
液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。液压变桨系统由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器几个部分组成。液压油的压力在20MPa左右，因此制造工艺要求较高，实现难度较大，而管路也容易产生泄漏现象。液压系统由于受液压油黏温特性的影响，对环境温度的要求比较高，对于在不同纬度使用的风力发电机组，液压油需增加加热或冷却装置。液压变桨系统受限于其机械结构，最大变桨速度比电动变桨系统慢。
电动变桨系统由风力机组内部市电作为动力源，通过电动伺服系统经由减速机构传动之后驱动叶片完成桨距角调节。电动变桨系统通常由驱动单元、电动机、储能单元（电池或者电容）、逻辑控制单元、外部传感器组成。电动变桨系统使用电池或者电容作为电源。在外部能源中断时，驱动单元使用储能单元中储存的能量将叶片驱动至顺桨位置。电动变桨系统由于备用电源的限制，驱动单元和电动机都需要特别设计，无法使用通用产品。这些特别设计的产品结构复杂，使用维护的成本都非常高。电池或者电容充电、检测、放电技术都比较复杂，且电池的寿命较短，需要经常更换。使用交流电动机的电动变桨系统在驱动器发生故障时，无论备电是否正常都无法完成顺桨动作。
因此，需要一种能够降低故障率和成本的风力发电机组的变桨系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以风力发电机的惯性作为后备能源的风力发电机组的变桨系统，以降低变桨系统的故障率和成本。
根据本发明的一方面，提供了一种风力发电机组的变桨系统，包括磁粉离合器、齿轮箱、发电机、切换开关和变桨电机，磁粉离合器的输入轴连接到风力发电机组的转子单元，磁粉离合器的输出轴连接到齿轮箱的输入轴，齿轮箱的输出轴连接到发电机的转子，发电机通过切换开关电连接到变桨电机，其中，当风力发电机组的外部电源发生故障时，切换开关闭合，磁粉离合器的输入轴在风力发电机组的桨叶的惯性驱动下转动，磁粉离合器的输出轴以预定转速转动并且在通过齿轮箱提高转速后驱动发电机发电，变桨电机在发电机拖动下将桨叶转动到顺桨位置。
可选择地，所述变桨系统还包括不间断电源，其中，当风力发电机组的外部电源发生故障时，不间断电源将磁粉离合器投入工作状态，以使磁粉离合器的输出轴以预定转速转动。
可选择地，所述变桨系统还包括滑环和变桨驱动器，其中，在风力发电机组的外部电源正常的情况下，当需要执行变桨操作时，滑环将外部电源提供给变桨驱动器，从而使变桨驱动器驱动变桨电机将桨叶转动到顺桨位置。
可选择地，磁粉离合器、齿轮箱和发电机设置在风力发电机组的机舱中，切换开关和变桨电机设置在风力发电机组的轮毂中。
可选择地，磁粉离合器、齿轮箱、发电机、切换开关和变桨电机设置在风力发电机组的轮毂中。
可选择地，所述变桨系统还包括连接到切换开关的限位开关，其中，当桨叶转动到顺桨位置时触发限位开关，从而通过限位开关的触发使切换开关断开。
可选择地，磁粉离合器、齿轮箱和发电机由风力发电机组的静轴支撑。
可选择地，发电机的输出电压等级与变桨电机的输入电压等级一致。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括所述风力发电机组的变桨系统的风力发电机组。
所述风力发电机组的变桨系统不受储能系统电压限制，而变桨电机可选用通用的三相异步电机，从而大大降低成本。此外，根据本发明实施例的风力发电机组的变桨系统不需要轮毂内部电池（电容）储能，从而简化了变桨系统设计。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是示意性地示出根据本发明实施例的风力发电机组的变桨系统的示图。
具体实施方式
现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。
图1是示意性地示出根据本发明实施例的风力发电机组的变桨系统的示图。参照图1，根据本发明实施例的风力发电机组的变桨系统包括磁粉离合器10、齿轮箱20、发电机30、切换开关40和变桨电机50。
磁粉离合器根据电磁原理和利用磁粉传递转矩，其具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系。在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点，是一种多用途、性能优越的自动控制元件。当磁粉离合器中的线圈不通电时，磁粉离合器的输入轴旋转，磁粉在离心力的作用下，压附于夹环内壁，磁粉离合器的输出轴与输入轴没有接触，此时，磁粉离合器为空转状态。当线圈通电时，磁粉在磁力线作用下产生磁链，从而使输出轴与输入轴成为一刚体而旋转，并在超载时产生滑差，此时为工作状态，从而达到传递扭矩的目的。因此，磁粉离合器既可以起到转矩投切的作用，又可以起到将输出转速稳定在预定值的作用。根据本发明实施例，磁粉离合器10的输入轴连接到风力发电机组的转子单元，输出轴连接到齿轮箱20的输入轴。因此，当风力发电机组的外部电源发生故障时，如果投入磁粉离合器10，则磁粉离合器10的输入轴可在风力发电机组的桨叶的惯性驱动下转动，而输出轴可以以预定转速转动。
齿轮箱是由齿轮组成的变速装置，其可以实现增速功能。实际上，齿轮箱在风力发电机组当中经常用到，而且是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮（即桨叶）在风力作用下所产生的动力传递给风力发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到风力发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据本发明实施例，齿轮箱20的输入轴与磁粉离合器10的输出轴相连接，齿轮箱20的输出轴连接到发电机30的转子。因此，当在风力发电机组的外部电源发生故障情况下投入磁粉离合器10时，齿轮箱20可将磁粉离合器10的输出轴的转速提高到预定转速。此时，发电机30在齿轮箱20的输出驱动下发电。根据本发明实施例，发电机30可实现为现有技术中的各种发电机。
发电机30通过切换开关40电连接到变桨电机50。切换开关40可以为常开型开关。当风力发电机组的外部电源发生故障时，切换开关40闭合。此时，发电机30在齿轮箱20的输出驱动下发电，从而变桨电机50在发电机30拖动下将桨叶转动到顺桨位置。根据本发明实施例，变桨电机50可以实现为通用交流或者直流电动机，并且变桨电机50的输入电压等级与发电机40的输出电压等级一致。
再次参照图1，根据本发明实施例的风力发电机组的变桨系统还可包括不间断电源（UPS）60、滑环70、变桨驱动器80和限位开关（未示出）。当风力发电机组的外部电源发生故障时，UPS60向磁粉离合器10供电，从而磁粉离合器10投入工作状态。此时，如上所述，磁粉离合器10的输入轴可在风力发电机组的桨叶的惯性驱动下转动，而输出轴可以以预定转速转动。相应地，发电机30被驱动而发电，变桨电机50在发电机30拖动下将桨叶转动到顺桨位置。当桨叶转动到顺桨位置时触发限位开关，限位开关连接到切换开关40。因此，当限位开关被触发时，切换开关40由于限位开关的触发而断开，从而停止变桨操作。另一方面，在风力发电机组的外部电源正常的情况下，当需要执行变桨操作时，滑环70可将外部电源提供给变桨驱动器80，从而使变桨驱动器80驱动变桨电机50将桨叶转动到顺桨位置。
可选择地，根据本发明实施例，磁粉离合器10、齿轮箱20和发电机30可设置在风力发电机组的机舱中，切换开关40和变桨电机50可设置在风力发电机组的轮毂中。另一方面，磁粉离合器10、齿轮箱20、发电机30、切换开关40和变桨电机50均可设置在风力发电机组的轮毂中。此外，磁粉离合器10、齿轮箱20和发电机30可由风力发电机组的静轴支撑。此外，UPS60可设置风力发电机组的机舱中，而变桨驱动器80可设置在风力发电机组的轮毂中。
根据本发明实施例的风力发电机组的变桨系统可以应用到现有技术中的各种风力发电机组中。
根据本发明实施例的风力发电机组的变桨系统不受储能系统电压限制，而变桨电机可选用通用的三相异步电机，从而大大降低成本。此外，根据本发明实施例的风力发电机组的变桨系统不需要轮毂内部电池（电容）储能，从而简化了变桨系统设计。同时，由于变桨系统得到大幅简化，因此规避了变桨系统设计中最为核心的难题，大幅提高产品的可靠性，最大限度地减少了因变桨系统故障导致的飞车事故。
虽然已经描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对描述的实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种风力发电机组的变桨系统，包括磁粉离合器、齿轮箱、发电机、切换开关、不间断电源和变桨电机，其特征在于：
磁粉离合器的输入轴连接到风力发电机组的转子单元，磁粉离合器的输出轴连接到齿轮箱的输入轴，齿轮箱的输出轴连接到发电机的转子，发电机通过切换开关电连接到变桨电机，
其中，当风力发电机组的外部电源发生故障时，切换开关闭合，磁粉离合器的输入轴在风力发电机组的桨叶的惯性驱动下转动，磁粉离合器的输出轴以预定转速转动并且在通过齿轮箱提高转速后驱动发电机发电，变桨电机在发电机拖动下将桨叶转动到顺桨位置，
其中，当风力发电机组的外部电源发生故障时，不间断电源将磁粉离合器投入工作状态，以使磁粉离合器的输出轴以预定转速转动。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的变桨系统，其特征在于：还包括滑环和变桨驱动器，其中，在风力发电机组的外部电源正常的情况下，当需要执行变桨操作时，滑环将外部电源提供给变桨驱动器，从而使变桨驱动器驱动变桨电机将桨叶转动到顺桨位置。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组的变桨系统，其特征在于：磁粉离合器、齿轮箱和发电机设置在风力发电机组的机舱中，切换开关和变桨电机设置在风力发电机组的轮毂中。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组的变桨系统，其特征在于：磁粉离合器、齿轮箱、发电机、切换开关和变桨电机设置在风力发电机组的轮毂中。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组的变桨系统，其特征在于：还包括连接到切换开关的限位开关，其中，当桨叶转动到顺桨位置时触发限位开关，从而通过限位开关的触发使切换开关断开。
6.根据权利要求1所述的风力发电机组的变桨系统，其特征在于：磁粉离合器、齿轮箱和发电机由风力发电机组的静轴支撑。
7.根据权利要求1所述的风力发电机组的变桨系统，其特征在于：发电机的输出电压等级与变桨电机的输入电压等级一致。
8.一种包括权利要求1至7中任意一项权利要求所述的风力发电机组的变桨系统的风力发电机组。
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