CN103452767A - 一种风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风力发电机组，其包括叶轮、主传动系统和发电机，所述主传动系统由叶轮带动旋转，所述发电机与所述主传动系统连接，其还包括可以储存风能或向所述主传动系统释放能量的蓄能装置。所述蓄能装置包括两种不同的类别，第一种是由滑杆和重块组成的可调节转动惯量的蓄能装置，所述第二种蓄能装置包括电机及其控制装置和齿轮传动装置，所述电机及其控制装置与所述齿轮传动装置连接，所述主传动系统包括齿轮箱，所述齿轮传动装置与所述齿轮箱中的齿轮啮合。本发明既减小了切入风速、增大了切出风速，使本发明的机型对风速的要求更低，风机适用范围更广，可以更加充分利用风资源，增大发电量和发电时间。

Description

一种风力发电机组
技术领域
本发明涉及一种新型的风力发电机组，尤其涉及一种可以蓄能的风力发电机组及用于风力发电机组上的蓄能方法，属于风力发电技术领域。
背景技术
现有风力发电机组无论是双馈机型还是全功率机型抑或是直驱机型，都是要求风速在一定范围内才能正常工作、发电。它们都对最低风速有要求，这个最低风速就是切入风速；对最高风速也有要求，这个最高风速就是切出风速，只有当风速处于切入风速和切出风速之间时，风力发电机组才能正常发电，这样就造成风力发电机组发电量低、停机时间长、风能利用率低，进而造成风机利润率低，限制整个风能产业的发展。风力发电机组的核心发电部件基本构成如图1：当风吹到叶片上使得叶片受力从而带动叶轮1绕与水平面有一定倾角的轴线旋转时，叶轮的旋转通过主轴2或者被称作过渡段的装置旋转带动，主轴或者过渡段与齿轮箱（也叫增速箱）相连，运动和力通过齿轮箱3传递给联轴器4，然后再由联轴器4传递给发电机6，发电机6上连接变频器。
直驱型风力发电机组的核心部件一般是去掉齿轮箱3，但是发电机的类型与双馈机型不同，其余部件都是大体相近。
主机架7是作为支撑结构件用来安放、固定其它零部件，它还通过轴承与主轴2或者过渡段隔开，主机架7与塔筒8用轴承联接。
因此，针对以上不足，本发明提供了一种风力发电机组。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机组，其能够降低切入风速、增大切出风速、有效利用风能，能够大幅降低成本，更容易满足电网要求的低电压穿越功能、利于并网。
（二）技术方案
为实现以上功能，本发明所述的一种风力发电机组，其包括叶轮1、主传动系统、发电机6以及主机架7，所述主传动系统由叶轮1带动旋转，所述发电机6与所述主传动系统连接，所述主传动系统活动连接并支撑在所述主机架7上，所述风力发电机组还包括可以储存风能或向所述主传动系统释放风能的蓄能装置5，所述蓄能装置5可以安装在所述叶轮1上或所述主传动系统上或所述发电机6的转子等地方上。
其中，所述蓄能装置5包括可调节转动惯量的滑杆5-1和重块5-2，所述滑杆5-1相对固定地连接在所述主传动系统上，所述重块5-2在外力作用下可滑动或移动地连接在滑杆5-1上。
其中，所述滑杆5-1上可以安装有齿条，所述重块5-2上可以安装有齿轮，通过重块5-2上的齿轮与所述滑杆5-1上的齿条的啮合，实现重块5-2在滑杆5-1上的移动。
其中，所述滑杆5-1上可以安装有齿轮，所述重块5-2上可以安装有齿条，通过重块5-2上的齿条与滑杆5-1上的齿轮的啮合，实现重块5-2在滑杆5-1上的移动。
其中，所述滑杆5-1上可以设有滑轨，所述重块5-2上可以设有滑槽，通过所述滑杆5-1上的滑轨与重块5-2上的滑槽的滑动配合，实现滑块5-2在滑杆5-1上的滑动。
其中，所述滑杆5-1上可以设有滑槽，所述重块5-2上可以设有滑轨，通过滑杆5-1上的滑槽与重块5-2上的滑轨的滑动配合，实现滑块5-2在滑杆5-1上的滑动。
其中，所述滑杆5-1的重量远小于所述重块5-2的重量，以使得滑杆5-1的转动惯量远小于重块5-2的转动惯量，因此，整个传动系统中只有重块5-2的转动惯量可变。
其中，所述蓄能装置5包括电机及其控制装置5-3和齿轮传动装置5-4，所述主传动系统包括主轴2和齿轮箱3，所述齿轮箱3安装在所述主轴2的传动链上，所述电机及其控制装置5-3与所述齿轮传动装置5-4连接，所述齿轮传动装置5-4与所述齿轮箱3中的齿轮3-1啮合。
其中，当风速高于切出风速时，所述齿轮箱3中的齿轮3-1作为主动轮带动所述齿轮传动装置5-4旋转，所述齿轮传动装置5-4向所述主传动系统提供反力矩，有阻碍所述主传动系统旋转的趋势，此时所述电机及其控制装置5-3作为发电机吸收所述主传动系统中的多余能量；当风速低于切入风速时，所述电机及其控制装置5-3作为电动机带动所述齿轮传动装置5-4旋转，此时所述齿轮传动装置5-4作为主动轮带动所述齿轮箱3中的齿轮3-1旋转，以给所述主传动系统一个额外的辅助力矩；当风速在额定的切入风速和额定的切出风速之间时，所述齿轮传动装置5-4与所述齿轮箱3中的齿轮3-1脱开或所述齿轮传动装置5-4空转，不对主传动系统产生影响。即可实现风速低于切入风速一定范围或高于切出风速一定范围仍能保证风机运行而不至于脱网，也保证了机组在更大的风速范围内运行、发电。
其中，所述蓄能装置5的数量可以为一个或多个。可在风力发电机组的叶片、主传动系统、发电机6的转子等处的一处或几处加入通过改变整个系统转动惯量来减小风速变化对传动系统影响的所述一个或多个蓄能装置5。
（三）有益效果
上述技术方案提供的风力发电机组，设有蓄能装置5，该蓄能装置通过改变整个系统的转动惯量来减小风速变化对传动系统的影响；或者通过在主传动系统之外加上一个由单独动力输入输出装置组成的力矩输入装置，以根据风速的大小不同，表现为从主传动系统吸收能量、向主传动系统释放能量、既不从主传动系统吸收能量也不向主传动系统释放能量，使得本发明对风速的要求更低，可以更加充分利用风资源、增大发电量和发电时间，避免频繁地并网或与电网脱开。
附图说明
图1是常规风力发电机组工作原理和核心部件布置图；
图2是本发明一种风力发电机组的工作原理和核心部件的布置图；
图3是本发明另一种风力发电机组的工作原理和核心部件的布置图。
图中：1：叶轮；2：主轴；3：齿轮箱；3-1：齿轮箱中的齿轮；4：联轴器；6：发电机；7：主机架；8：塔筒；5：蓄能装置；5-1：滑杆；5-2：重块；5-3：电机及其控制装置；5-4：齿轮传动装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的风力发电机组作进一步详细说明。
参见图2和图3中，本发明的一种风力发电机组，其包括叶轮1、主传动系统、发电机6以及主机架7，所述主传动系统由叶轮1带动旋转，所述发电机6与所述主传动系统连接，所述主传动系统活动连接并支撑在所述主机架7上，所述主传动系统可以通过轴承与所述主机架7连接，所述主机架7与塔筒8可以通过轴承连接，所述风力发电机组还包括可以储存风能或向所述主传动系统释放能量的蓄能装置5，所述蓄能装置5可以安装在所述叶轮1的叶片上或所述主传动系统上或所述发电机6的转子上，也可以安装在其他合适的地方。该蓄能装置5不影响风机的主传动系统的正常运行，并且可以保证在风速过大时将多余的风能吸收存储起来，使风机仍然能正常运行，在风速过低时再将存储的风能释放出来，也保证风机仍然能够正常运行。
其中，所述蓄能装置5优选包括可调节转动惯量的滑杆5-1和重块5-2，所述滑杆5-1相对固定地连接在所述主传动系统上，所述重块5-2在外力作用下可滑动或移动地连接在滑杆5-1上。
其中，所述滑杆5-1上可以安装有齿条，所述重块5-2上可以安装有齿轮，通过所述滑杆5-1上的齿条与重块5-2上的齿轮的啮合，实现重块5-2在滑杆5-1上的移动。具体而言，所述滑杆5-1的一个侧面可以加工成齿条状的锯齿面或者在所述滑杆5-1的一侧固定有与其长度相符的齿条，所述重块5-2可以为与所述锯齿面啮合的齿轮或者所述重块5-2加工成中间设有齿轮安装轴和齿轮安装孔的中空结构，而把齿轮安装在所述重块5-2的齿轮安装轴上，由此实现齿轮与齿条的啮合，从而实现所述重块5-2在滑杆5-1上的移动。也可以通过其他适宜的方式实现重块5-2在滑杆5-1上的移动，例如，所述滑杆5-1上可以安装有齿轮，所述重块5-2上可以安装有齿条，通过重块5-2上的齿条与滑杆5-1上的齿轮的啮合，实现重块5-2在滑杆5-1上的移动。具体而言，所述滑杆5-1可以加工成中间设有齿轮安装轴和齿轮安装孔的中空结构，在所述中空结构内的齿轮安装轴上安装齿轮，在所述滑块5-2上与所述齿轮对应的一面加工成齿条状的锯齿面或者在所述滑块5-2上与所述齿轮对应的一面固定有齿条，由此实现齿轮与齿条的啮合，从而实现所述重块5-2在滑杆5-1上的移动。
其中，所述滑杆5-1上可以设有滑轨，所述重块5-2上可以设有滑槽，通过所述滑杆5-1上的滑轨与重块5-2上的滑槽的滑动配合，实现滑块5-2在滑杆5-1上的滑动。具体而言，可以在所述滑杆5-1的长度方向的一侧面上设有矩形凸起（梯形凸起或半圆形凸起），在所述重块5-2上设有与所述矩形凸起（梯形凸起或半圆形凸起）相配合的矩形槽（梯形槽或半圆形槽），通过所述矩形槽（梯形槽或半圆形槽）与所述矩形凸起（梯形凸起或半圆形凸起）的相互配合，实现所述滑杆5-1与所述重块5-2的滑动配合，或者将所述滑杆5-1加工成与所述矩形槽（梯形槽或半圆形槽）相适应的形状，也能达到同样的技术效果。
或者，在所述滑杆5-1上可以设有滑槽，在所述重块5-2上可以设有滑轨，通过滑杆5-1上的滑槽与重块5-2上的滑轨的滑动配合，实现滑块5-2在滑杆5-1上的滑动。具体而言，可以在所述滑杆5-1长度方向的一侧面上设有矩形槽（梯形槽或半圆形槽），在所述重块5-2上设有与所述矩形槽（梯形槽或半圆形槽）相配合的矩形凸起（梯形凸起或半圆形凸起），通过所述矩形槽（梯形槽或半圆形槽）与所述矩形凸起（梯形凸起或半圆形凸起）的相互配合，实现所述滑杆5-1与所述重块5-2的滑动配合。
也可以通过其他适宜的方式实现重块5-2在滑杆5-1上的滑动。
其中，所述滑杆5-1的重量远小于所述重块5-2的重量，以使得滑杆5-1的转动惯量远远小于重块5-2的转动惯量，因此，整个传动系统中只有重块5-2的转动惯量可变。根据力学原理J=m×R2,其中m是重块5-2的质量，R是重块5-2所在位置距离所述主传动系统的中心线的垂直距离，J为重块5-2绕着所述主传动系统的中心线旋转的转动惯量，根据不同的风速，风机主动调节重块5-2在滑杆5-1上的相对位置，也即改变R的大小，来改变整个系统的转动惯量。
当风速改变时，原来的风载荷在主传动系统上的等效转矩与发电机6处的电磁转矩相等这一平衡必然被打破，风载荷等效转矩大于或小于发电机6的电磁转矩，从而产生一个不为零的总的力矩M，根据M=J×α，由于M和J均不为零，必然产生一个不为零的角加速度，角加速度的产生使得发电机6的转子速度增加或降低，这样便偏离额定转速，如果偏离额定转速过多，更易超出切出风速（风机能工作的最高风速）或降低到切入风速（风机能工作的最低风速）以下，使得机组处于非正常发电状态，通过主动改变重块5-2相对主传动系统回转中心线距离，即R的大小，来改变系统总的转动惯量J的大小，使得系统的角加速度α大小变化甚微，从而极大抵消了风载荷变化对系统产生的影响。
其中，所述叶轮1上设有叶片，所述叶片可以连接风速监测装置。
例如，当风速增大，由于叶片变桨需要时间，此时风载荷对主传动系统作用的力矩加大，当风速监测装置测量到风速加大到指定阈值时，储能系统便自动动作，重块5-2沿着滑杆5-1朝着远离主传动系统的中心线方向移动，这样就增大了整个传动系统的转动惯量，由于M=J×α均增大，转动惯量增大到合适值就保证了角加速度α的值非常小，因此发电机转子的转速变化就非常小，也即机组不容易超出切出转速或降低到切入转速以下，从而保证了机组在更大的风速范围内运行、发电。
其中，所述蓄能装置5包括电机及其控制装置5-3和齿轮传动装置5-4，所述主传动系统包括主轴2和齿轮箱3，所述齿轮箱3安装在所述主轴2的传动链上，具体的安装方式可以为所述主轴2穿过所述齿轮箱3中的齿轮3-1的安装孔，由所述主轴2的旋转带动所述齿轮箱3中的齿轮3-1旋转，所述主轴2通过联轴器4与发电机6连接，所述电机及其控制装置5-3与所述齿轮传动装置5-4连接，所述齿轮传动装置5-4与所述齿轮箱3中的齿轮3-1啮合。
其中，当风速高于切出风速时，主传动系统中的能量过大，所述齿轮箱3中的齿轮3-1作为主动轮带动所述齿轮传动装置5-4旋转，所述齿轮传动装置5-4向所述主传动系统提供反力矩，有阻碍所述主传动系统旋转的趋势，此时所述电机及其控制装置5-3作为发电机吸收所述主传动系统中的多余能量；当风速低于切入风速时，主传动系统顺势无法启动，所述电机及其控制装置5-3作为电动机带动所述齿轮传动装置5-4旋转，此时所述齿轮传动装置5-4作为主动轮带动所述齿轮箱3中的齿轮3-1旋转，以给所述主传动系统一个额外的辅助力矩，帮助主传动系统旋转、启动；当风速在额定的切入风速和额定的切出风速之间时，所述齿轮传动装置5-4与所述齿轮箱3中的齿轮3-1脱开，不对主传动系统产生影响。即可实现风速低于切入风速一定范围或高于切出风速一定范围仍能保证风机运行而不至于脱网，也保证了机组在更大的风速范围内运行、发电。
其中，所述蓄能装置5的数量为一个或多个。可在风力发电机组的叶片、主传动系统、发电机的转子等处的一处或几处安装所述的一个或多个蓄能装置5。也可以在叶片内部安装所述蓄能装置5，所述蓄能装置5的布置方式包括但不限于沿着主传动系统中心线按圆周对称布置或是交错布置。若风力发电机组的主传动系统的中心线有多条，那么所述的蓄能装置5的布置方式所依据的中心线包括任意一条中心线。
其中，所述叶轮1上设有根据风速大小调节叶片迎角大小的变桨系统。所述变桨系统可以保证获取最大的能量，同时减少风力对风机的冲击，在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网，一般情况下，所述变桨系统具有时间的滞后性，只有当风机测得或者通过其他途径获得风速变化的信号之后才能做出反应，在实际应用中，由于风速变化的非线性，具体操作如今还不能达到提前变桨的程度。
本发明所提出的风力发电机组的蓄能装置5使得机组传动系统受到风载荷的冲击减小，对传动系统机械零部件的受力情况有所改善，延长机械零部件的适用寿命，本发明既起到增大机组的适用的风速范围，可以使机组的切入风速更低、切出风速更高，也能起到改善机组传动系统受力的特点，保证了机组在较宽的风速范围内并网发电，可以保护电机，又能保证所发电的电能质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组，其包括叶轮（1）、主传动系统、发电机（6）以及主机架（7），所述主传动系统由叶轮（1）带动旋转，所述发电机（6）与所述主传动系统连接，所述主传动系统活动连接并支撑在所述主机架（7）上，其特征在于:该风力发电机组还包括可以储存风能或向所述主传动系统释放能量的蓄能装置（5）。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于：所述蓄能装置（5）包括可调节转动惯量的滑杆（5-1）和重块（5-2），所述滑杆（5-1）相对固定地连接在所述主传动系统上，所述重块（5-2）在外力作用下可滑动或移动地设置在滑杆（5-1）上。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于：所述滑杆（5-1）上安装有齿条，所述重块（5-2）上安装有齿轮，通过重块（5-2）上的齿轮与滑杆（5-1）上的齿条的啮合，实现重块（5-2）在滑杆（5-1）上的移动。
4.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于：所述滑杆（5-1）上安装有齿轮，所述重块（5-2）上安装有齿条，通过重块（5-2）上的齿条与滑杆（5-1）上的齿轮的啮合，实现重块（5-2）在滑杆（5-1）上的移动。
5.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于：所述滑杆（5-1）上设有滑轨，所述重块（5-2）上设有滑槽，通过滑杆（5-1）上的滑轨与重块（5-2）上的滑槽的滑动配合，实现滑块（5-2）在滑杆（5-1）上的滑动。
6.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于：所述滑杆（5-1）上设有滑槽，所述重块（5-2）上设有滑轨，通过滑杆（5-1）上的滑槽与重块（5-2）上的滑轨的滑动配合，实现滑块（5-2）在滑杆（5-1）上的滑动。
7.根据权利要求2－6中任一项所述的风力发电机组，其特征在于：所述滑杆（5-1）的重量远小于所述重块（5-2）的重量。
8.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于：所述蓄能装置（5）包括电机及其控制装置（5-3）和齿轮传动装置（5-4），所述电机及其控制装置（5-3）与所述齿轮传动装置（5-4）连接，所述主传动系统包括主轴（2）和齿轮箱（3），所述齿轮箱（3）安装在所述主轴（2）的传动链上，所述齿轮传动装置（5-4）与所述齿轮箱（3）中的齿轮（3-1）啮合。
9.根据权利要求8所述的风力发电机组，其特征在于：当风速高于切出风速时，所述齿轮箱（3）中的齿轮（3-1）作为主动轮带动所述齿轮传动装置（5-4）旋转，所述齿轮传动装置（5-4）向所述主传动系统提供反力矩，此时所述电机及其控制装置（5-3）吸收所述主传动系统中的多余能量；当风速低于切入风速时，所述电机及其控制装置（5-3）作为电动机带动所述齿轮传动装置（5-4）旋转，此时所述齿轮传动装置（5-4）作为主动轮带动所述齿轮箱（3）中的齿轮（3-1）旋转，以给所述主传动系统一个额外的辅助力矩；当风速在额定的切入风速和额定的切出风速之间时，所述齿轮传动装置（5-4）与所述齿轮箱（3）中的齿轮（3-1）脱开或所述齿轮传动装置（5-4）空转。
10.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于：所述蓄能装置（5）的数量为多个。
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