CN103883469A - 机械耦合式磁悬浮风机偏航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于大中型风电机组的机械耦合式磁悬浮风力偏航系统，包括行星齿轮、锥形齿轮、电磁离合器、垂直悬浮绕组、水平悬浮绕组、偏航电机。风机偏航机械转矩和偏航电机转矩经行星齿轮转矩耦合并驱动风机机舱偏航。风机偏航机械转矩由电磁离合器和锥形齿轮以固定变比取自发电机前侧风机转矩；偏航电机转矩在机舱悬浮下由双向PWM变流器控制；机舱悬浮由水平悬浮绕组和垂直悬浮绕组共同控制，水平悬浮绕组平衡机舱重力，垂直悬浮绕组抑制中心偏移；偏航电机因风机偏航转矩变化可工作在电动和再生制动两模式，并由PWM变流器完成能量双向流动。本发明减少了偏航功率能量转换环节，大幅降低了偏航功耗，提高了风能利用率。

Description

机械耦合式磁悬浮风机偏航系统

技术领域

本发明涉及一种机械耦合式磁悬浮风机偏航系统，尤其是一种应用于大中型风电系统实现机舱精确对风的偏航系统。 

背景技术

风电机组偏航系统可使风机风轮始终迎风，提高风电机组风能利用率，对确保风电机组安全稳定运行具有关键作用。目前，大中型风电偏航系统普遍采用多电机驱动，偏航功耗大，故障率高，制约了大型风电、尤其是海上风电的发展，究其原因是海上风电的安装和维护需要大型船舶和直升飞机的辅助，高偏航故障率导致风电成本升高。发明专利200910161406.7披露一种磁悬浮偏航装置，该装置采用磁悬浮驱动技术极大降低了偏航故障率和维护费用，在机舱稳定悬浮下进行机舱偏航，降低了因机舱重力所致的摩擦转矩；但由于风机倾覆转矩使得偏航电机中心偏移，偏航电机与塔架间的摩擦力矩依然存在，且偏航功耗较大，尤其需要说明的是其偏航电机功率完全来自发电机发电功率，较大的偏航功耗限制了风能利用率的进一步提高。 

发明内容

本发明的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供一种基于机舱完全悬浮下的偏航电机转矩和风机偏航转矩机械耦合的新型风力偏航系统。 

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：风电机组偏航系统包括行星齿轮、锥形齿轮、电磁离合器、悬浮绕组、偏航电机。偏航电机吸收了轴/径向电机特点，经由水平悬浮绕组和垂直悬浮绕组共同作用实现机舱完全悬浮，并由双向PWM变流器控制定子绕组8供电产生偏航电机转矩，其中水平悬浮绕组10用于平衡机舱重力，垂直悬浮绕组9用于抑制风机倾覆力矩所致机舱中心偏移问题，减小机舱偏航电机中心偏移所致摩擦转矩。 

所述风机偏航转矩为经由电磁离合器2和锥形齿轮3固定比例，取自发电机前侧的风机机械转矩，具有随偏航对风误差减小而增大的特点，并在偏航角度为零时转矩值最大。 

所述行星齿轮15主要完成风机偏航转矩和偏航电机转矩机械耦合，共同驱动机舱偏航。其中，太阳轮5和风机高速机械轴间存在固定转矩变比的锥形齿轮传动体系，通过电磁离合器完成转矩耦合；而齿圈5和偏航电机定子8机械联接，实现风机转矩和偏航电机转矩机械耦合，共同经由行星架4驱动机舱偏航，行星架和机舱机械联接成一体。 

所述悬浮绕组，包括水平悬浮绕组和垂直悬浮绕组两部分，分别通过对应斩波器实现悬浮控制，而斩波器硬件拓扑及控制策略已为成熟技术，在此不作赘述。 

所述偏航定子三相绕组放置及绕制技术为发明专利200910161406.7中发明内容。鉴于本发明特殊偏航运行机制，偏航电机（应具有发电和电动两种工作模式）定子电流采用双向PWM变流器（具有整流和逆变双重功能）控制。受外界风能随机性影响，偏航风机转矩具有波动性特点，偏航电机需补充或吸收部分波动转矩确保偏航转速恒定，为此，偏航电机可分别工作在电动模式、再生制动式发电模式以及停止模式等三种工作模式。 

所述本发明塔架结构（图3）采用立式塔架12、水平悬浮支架16和垂直悬浮支架15组成。立式塔架用于支撑行星齿轮及机舱；水平悬浮支架和垂直悬浮支架为硅钢片材质组成铁芯结构，并分别放置水平悬浮绕组和垂直悬浮绕组。 

本发明所带来的有益效果是：1）本发明借助水平悬浮绕组和垂直悬浮绕组实现了风机机舱两自由度完全悬浮，其中水平悬浮平衡机舱重力；垂直悬浮抑制风机倾覆力矩所致机舱径向偏移，大幅降低摩擦转矩和风机偏航功耗。2）本发明借助于行星齿轮实现了风机偏航转矩和偏航电机转矩机械耦合，偏航电机工作在电动、再生制动式发电以及停止等三种工作模式，实现机机舱被动偏航和主动偏航完美统一，大幅降低了偏航功耗，提高了风能利用率。3）本发明偏航转矩部分来自风机机械转矩，减少了能量转换环节，提高了风能利用率；且偏航电机功耗随机舱对风偏航角减小而减小，偏航目标达到判定可通过偏航电机功率计算比较确定。该方法可有效消除传统偏航控制完全依赖风向传感器所致偏航控制精度不高问题。 

附图说明

图1 本发明实例一偏航系统结构示意图。 

图2 本发明实例二行星齿轮机械耦合结构示意图。 

图3 本发明实例三风机塔架结构示意图。 

图4 本发明实例四机械耦合式磁悬浮偏航系统控制方案原理图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

如图1、图2和图3如示，本发明所公布的机械耦合式磁悬浮偏航系统，包括塔架结构（图3，水平悬浮支架16、垂直悬浮支架15以及塔架12）、机舱1、行星齿轮17（太阳轮5、行星架4以及齿圈6组成）、机械耦合结构（电磁离合器2和锥形齿轮3组成）、塔架上安装有垂直悬浮绕组9和水平悬浮绕组10组成的磁悬浮机构以及行星齿轮齿圈6上安装有定子绕组8共同组成。 

如图4所示，本发明公布的机械耦合式磁悬浮偏航系统控制方案。风力发电系统为成熟技术，不受本发明保护。双向PWM变流器20、垂直悬浮绕组斩波器18以及水平悬浮绕组斩波器19分别与发电系统直流母线耦合，通过变流器20、18和19实现机舱悬浮和机舱偏航；双向PWM变流器主要任务为机舱匀速偏航，采用基于定子磁链定向和定子电流d轴分量i _d=0的轴/径向磁场解耦策略，实现机舱悬浮与偏航解耦控制；为降低偏航对发电机输出电能质量的影响，双向PWM变流器可工作在逆变和整流两状态，并经由偏航转速跟踪控制（图4中基于转速控制和电流跟踪控制器的双闭环控制）完成电能双向流动，确保机舱稳定偏航。18和19斩波器为成熟技术，在此不做赘述。 

本发明专利系统工作包括机舱悬浮、机舱偏航以及机舱降落等3个步骤。 

机舱悬浮，当机舱安装的风向传感器11检测到风向改变时，垂直悬浮绕组9通电，抑制倾覆转矩所致的机舱中心偏移问题，实现机舱与塔架σ间距恒定，确保塔架和行星齿轮中心具中，减小径向摩擦；进而水平悬浮绕组10供电，机舱悬浮启动，平衡机舱重力，最终将机舱稳定悬浮于气隙u，从而有效降低因机舱重力所致的摩擦力矩。 

机舱偏航，机舱稳定悬浮后，电磁离合器2通电，发电机前端风机机械转矩T _W通过电磁离合器和锥形齿轮3的固定变比δ完成转矩分解，其中部分转矩用作风机偏航转矩δT _W；此时通过偏航电机定子8通电，经由图4双向PWM变流器控制偏航转矩，确保机仓以恒定转速  _ref偏航。在风速较小或者机舱偏航角较大时，风机偏航转矩不足以独立完成风机机舱偏航，偏航电机工作在电动模式，双向PWM变流器运行在逆变模式，此时差额转矩部分由偏航电机电磁转矩辅助，T _ref>0；随着偏航角度

减小，风机偏航转矩足以稳定实现偏航机舱恒定转速时，偏航电机电磁转矩T _ref=0，此时偏航电机和双向PWM变流器均工作在停止模式，由于风能随机性问题，此工作模式仅为暂态过程；随着对风精度进一步升高，风机偏航转矩逐步增大，此转矩除满足风机偏航转矩需要外还有剩余时，偏航电机将工作在再生制动回馈模式，为实现偏航转速恒定，多余电能部分将通过双向PWM变流器整流回馈至风力发电机直流侧，此时双向变流器工作在整流模式，偏航电机电磁转矩T _ref<0但

_ref >0保持不变。针对风向传感器信号易干扰且测量精度不高等问题，采用基于机舱偏航功耗的爬山法完成偏航目标的判定工作，具体原理如下：当偏航角度

_min时，起动偏航目标判定程序，首先由T _ref判定当前偏航工作模式，当T _ref>0时偏航工作在电动模式，计算偏航电机功率P _yaw=T _ref

，当P _yaw最小时即为偏航控制目标达到；当T _ref<0时偏航电机工作在再生制动模式，偏航电机功率P _yaw<0，当其值最小即再生回馈功率最大时，即偏航角度达到控制要求，偏航结束。 

机舱降落，将电磁离合器和偏航电机定子停止供电，水平悬浮绕组逐步减小供电电流，使机舱稳定悬浮降落直至悬浮气隙为u _max，此时垂直悬浮绕组和水平悬浮绕组断电，从而完成了机舱偏航全部过程。 

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。 

Claims (8)

1.一种应用于大中型风电机组的机械耦合式磁悬浮偏航系统，其特征是，包括行星齿轮、水平悬浮绕组、垂直悬浮绕组以及定子绕组，所述行星齿轮的三个转矩输入/输出轴（太阳轮、齿圈和行星架）分别与锥形齿轮、偏航电机定子绕组以及风机机舱相连；所述锥形齿轮经由电磁离合器以固定变比获取部分风力涡轮机转矩作为风机偏航机械转矩；所述偏航电机定子绕组通过双向PWM变流器和风力发电机直流侧相连；所述水平悬浮绕组和垂直悬浮绕组经由斩波器和风力发电机直流侧相连。

2.如权利要求1所述的机械耦合式磁悬浮偏航系统，其特征是，所述双向PWM变流器可工作于逆变和整流状态，实现偏航电机电动和再生回馈制动模式以确保机舱匀速偏航。

3.如权利要求1所述的机械耦合式磁悬浮偏航系统，其特征是，所述电磁离合器经由变流器和发电机直流侧相连，以确保电磁离合器有效吸合和断开。

4.如权利要求2所述的机械耦合式磁悬浮偏航系统，其特征是，所述双向变流器设置有电流传感器。

5.如权利要求2所述的机械耦合式磁悬浮偏航系统，其特征是，所述偏航电机设有电机角速度传感器以及气隙传感器。

6.如权利要求1所述的机械耦合式磁悬浮偏航系统，其特征是，所述水平悬浮绕组和垂直悬浮绕组分别设置于塔架的水平和垂直支撑上。

7.如权利要求1所述的机械耦合式磁悬浮偏航系统，其特征是，所述偏航控制分机舱悬浮、机舱偏航以及机舱降落三个过程。

8.如权利要求7所述的机械耦合式磁悬浮偏航系统，其特征是，所述机舱偏航结束判定标准为基于风向传感器和偏航功耗爬山法的混合判定方法。

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