CN103967721A - 一种风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机组，包括叶轮(1)、主轴(2)、齿轮箱(3)、联轴器(4)、发电机(6)和用于作为支撑件的主机架(7)，叶轮(1)带动主轴(2)旋转，齿轮箱(3)安装在主轴(2)的传动链上并通过联轴器(4)与发电机(6)连接，风力发电机组还包括控制装置(50)和转速测量装置(9)，齿轮箱(3)中齿轮传动机构的内齿圈与控制装置(50)通过子传动装置连接，当转速测量装置(9)检测到主轴(2)的转速发生变化时，控制装置(50)通过子传动装置控制齿轮传动机构的内齿圈根据齿轮传动机构中太阳轮转速的变化而改变转速和/或转向，实现对齿轮传动机构传动比的调节，拓展了风机的适用区域，节约了机组整体成本。

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，尤其涉及一种可以降低切入风速、提高切出风速的风力发电机组，属于风力发电技术领域。

背景技术

现有主流风力发电机组分为双馈型、直驱型和全功率型。

双馈机型有一个共同的不足，就是切入风速仍然比较高，在低于此切入风速阈值时，纵使风对叶轮的作用力矩足以带动叶轮转动时，也要限制其转动，因为双馈风机的转子实际转速如果比额定转速小的太多，那么会损坏双馈风力发电机的变频器(有时也叫逆变器)。同理，也只有风速不超过切出风速这一对风速要求的上限，即只有当发电机转子旋转速度不超出使变频器(有时也叫逆变器)能承受的最高转速时，发电机组才能正常发电。这样就造成风力发电机组只能工作在一个很窄的风速区间内、发电量低、停机时间长、风能利用率低。进而造成风机利用率低，限制整个风能产业的发展。常规风力发电机组的工作原理和核心部件的布置，如图1所示，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或者被称作过渡段的装置2旋转，2与齿轮箱3也叫增速箱相联，运动和力通过3传递给联轴器4，然后再由联轴器传递给发电机6，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2隔开，主机架与塔筒8用轴承联接。由于风载荷的不确定性，导致风机定子绕组发出的电的频率都是随机的，而电网要求的频率是固定的。双馈型风机采用在转子上接入变频器引入电流的方法，就是让转子也产生旋转磁场，这个旋转磁场的频率由变频器根据风速的大小随时调节，使定子的磁场与转子的磁场这两个的矢量和满足电网要求的恒定频率值。直驱型风力发电机组的核心部件一般是去掉图1中的齿轮箱3，发电机6的类型与双馈不同，变频器的作用也与双馈有所差别，其余部件都是原理上相差不大。其中双馈型风机和全功率风机的变频器作用类似，都是讲发电机发出的全部功率的电输入到变频器中，将其由交流电转变成直流电，然后再按照电网要求从直流电再次转化成符合并入电网要求(电压、频率、相位等要求)的交流电。

在双馈和全功率机型中变频器的工作原理不同，但都是为了使发电机发出的频率波动范围比较大的电转化成频率波动范围不大(电网许可范围内)的电。直驱变频器和全功率变频器工作原理类似。还有一种恒速恒频的风力发电机组，它是靠根据风速的不同随时改变叶片的变浆角来保证发电机转子转速基本恒定的。但是这就造成了叶片不能像双馈、直驱、全功率机型那样最大程度地吸收和利用风能，无法保证机组发电功率最大化。另外，由于电网对风力发电机组并入有很多要求，除了要求风机所发出电的电压、频率、相位等都符合电网规定外，还要求在电网由于自身原因发生电压跌落时，风机能在一定时间内继续保持发电以抬高电网电压，当电网电压跌落时，如果风电机组不立即与电网断开，则有可能损坏逆变器等昂贵的设备。

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

本发明的目的是提供一种风力发电机组，以解决现有技术中存在的以下问题：

现有双馈机型风力发电机组切入风速高、风机在低风速下无法启动发电、在高风速时过又早切出导致的无法充分利用风资源的问题；

现有直驱机型和全功率机型风力发电机的逆变器功率大、成本过高的问题；

现有风机在电网电压突然降低的时候，与之连接的逆变器容易损坏的问题，即低电压穿越的问题。

(二)技术方案

为此目的，本发明提出了一种风力发电机组，包括叶轮、主轴、齿轮箱、联轴器、发电机和用于作为支撑件的主机架，所述叶轮带动主轴旋转，所述齿轮箱安装在所述主轴的传动链上并通过所述联轴器与发电机连接，所述风力发电机组还包括控制装置和转速测量装置，齿轮箱中设置的齿轮传动机构的内齿圈与所述控制装置通过子传动装置连接，当所述转速测量装置检测到所述主轴的转速发生变化时，所述控制装置通过所述子传动装置控制所述齿轮传动机构的内齿圈根据齿轮传动机构中太阳轮转速的变化而改变转速和/或转向，实现对齿轮传动机构传动比的调节。

其中，所述齿轮传动机构中设有至少一级行星齿轮传动结构。

其中，所述行星齿轮传动结构包括行星齿轮减速传动结构和/或行星齿轮增速传动结构。

其中，所述齿轮传动机构中至少有一级行星齿轮传动结构的内齿圈通过轴承与齿轮箱壳体相连并在与之相对应的子传动装置控制下运动。

其中，所述控制装置包括驱动机构和驱动控制装置，所述驱动控制装置与所述驱动机构连接，所述驱动机构通过所述子传动装置与所述齿轮传动机构的内齿圈传动连接，所述驱动控制装置根据所述转速测量装置的检测结果控制所述驱动机构驱动所述子传动装置，所述子传动装置带动所述齿轮传动机构的内齿圈绕轴线旋转。

其中，所述子传动装置与所述齿轮传动机构的内齿圈的连接方式为齿轮传动、链轮传动、齿轮销齿、齿形带和带轮传动中的任一种。

其中，所述驱动机构为电机驱动机构。

其中，所述驱动机构为液压驱动机构。

其中，所述驱动机构为气动驱动机构。

其中，所述转速测量装置为设置在所述主轴上的转速测量传感器。

(三)有益效果

本发明提出的风力发电机组，具有以下有益效果：

1、相对常规机型的风力发电机组取消了昂贵的发电机逆变器，大大节约了机组整体成本，且更容易满足电网公司对风机低电压穿越的并网要求；

2、既减小了切入风速、又增大了切出风速，使机型对风速的要求更低，可以更加充分利用风资源、增大发电量和发电时间，装备这种风机的风电场对风资源的要求大为降低，极大拓展了风机的适用区域；

3、提高风力发电机组的并网效果，避免频繁地并网或与电网脱开；

4、能够根据需要使发电机始终保持高转速，避免当发电机的转子转速过低时由于发电机的效率低而造成过大的能量损失。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是常规风力发电机组的工作原理和核心部件的布置图；

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是本发明实施例中行星齿轮传动结构的工作原理图；

图4是本发明另一实施例中行星齿轮传动结构的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种风力发电机组，用一种全新的齿轮传动机构取代现有发电机逆变器。此种齿轮传动机构可以保证叶轮在风速比现有产品切入风速更低的工况下就启动并且使机组发电，而且可以保证发电机转子的转速在电网要求的转速范围内。

本发明提供的一种风力发电机组中定子和转子都无需配对应的逆变器，也无需配保护逆变器的Crossbar柜，工作原理和核心部件的布置如图2所示，包括：叶轮1、主轴2、齿轮箱3、联轴器4、发电机6和用于作为支撑件的主机架7，所述主机架7与塔筒8可以通过轴承联接，所述叶轮1带动主轴2旋转，所述齿轮箱3安装在所述主轴2的传动链上并通过所述联轴器4与发电机6连接，所述风力发电机组还包括控制装置50和转速测量装置9，齿轮箱3中设置的齿轮传动机构的内齿圈与所述控制装置50通过子传动装置连接，当所述转速测量装置9检测到所述主轴2的转速发生变化时，所述控制装置50通过所述子传动装置控制所述齿轮传动机构的内齿圈根据齿轮传动机构中太阳轮转速的变化而改变转速和/或转向，实现对齿轮传动机构传动比的调节。

本发明提供的一种风力发电机组取消了昂贵的发电机逆变器，虽然增加了控制装置和转速测量装置，但其成本比现有同等功率等级风机的发电机逆变器成本低，大大节约了机组整体成本。

本发明中齿轮传动机构的内齿圈根据齿轮传动机构中太阳轮转速的变化而改变转速和/或转向，实现对齿轮传动机构传动比的调节，而且其转速和/或转向可以根据转速测量装置9的检测结果进行实时的调整，不同于现有差动齿轮传动机构的匀速转动，它可以保证当输入轴即主轴2的输入转速在很大范围内波动情况下仍保证输出轴即联轴器4的输出转速恒定，即发电机转子的转速恒定维持在电网要求的频率附近。从而保证机组在较宽的风速范围内并网发电。

其中，所述齿轮传动机构中设有至少一级行星齿轮传动结构。

其中，所述行星齿轮传动结构包括行星齿轮减速传动结构和/或行星齿轮增速传动结构。

其中，所述齿轮传动机构中至少有一级行星齿轮传动结构的内齿圈通过轴承与齿轮箱壳体相连并在与之相对应的子传动装置控制下运动。

本发明实施例中提出的齿轮传动机构的工作原理，如图3所示，包括输入轴31、多级行星齿轮传动结构、输出轴32和子传动装置33，所述输入轴31与主轴2同轴固定连接，输入轴31与主轴2也可以一体设置；所述输出轴32与联轴器4同轴固定连接，输出轴32与联轴器4也可以一体设置。图3中仅示出了第N级行星齿轮传动结构通过子传动装置33连接有控制装置的情况，但并非对本发明其他技术方案的限定，本发明提出的齿轮传动机构中至少有一级行星齿轮传动结构均设有与之对应的子传动装置，每个子传动装置设有对其进行驱动控制的控制装置，也可以仅对选定的子传动装置设置控制装置。多级行星齿轮传动结构的行星减(增)速级的内齿圈可以绕轴线旋转，因此整个传动链的传动比是可调节的。根据风速变化导致的叶轮1转速和主轴2的转速变化，因此输入转速即行星架的转速发生变化，此时可以通过调节第N级行星齿轮传动结构内齿圈的转速和转向进而保证齿轮箱输出轴32的转速恒定，具体为：

当风速保持机组发电满发并且风速稳定的时候，保持第N级行星齿轮传动结构的内齿圈静止不旋转；当风速加大或减小时，输入轴31的转速增加或降低，此时第N级行星齿轮传动结构的内齿圈需要与输入轴31同向或反向转动。风速变化越大，内齿圈转动速度越大；风速变化越快，内齿圈转动加速度越大。具体转动的参数可根据运动学和动力学进行计算。

其中，所述控制装置50，如图3所示，包括驱动机构501和驱动控制装置502，所述驱动控制装置502与所述驱动机构501连接，所述驱动机构501通过所述子传动装置与所述齿轮传动机构的内齿圈传动连接，所述驱动控制装置502根据所述转速测量装置9的检测结果控制所述驱动机构501驱动所述子传动装置，所述子传动装置带动所述齿轮传动机构的内齿圈绕轴线旋转，从而实现了取消原有发电机的逆变器、通过机械方式对发电机转子进行转速控制的目的。

行星齿轮传动结构与所述子传动装置33的传动方式包括但不限于齿轮啮合、齿轮销轨啮合、链轮传动、齿形带传动或带轮传动，子传动装置33由驱动机构501驱动，驱动机构501的转向、转速、转矩由其所配的驱动控制装置502控制。驱动控制装置502对驱动机构501的控制需要根据转速测量装置9的反馈信息来工作，从而保证无论叶轮1带动主轴2的转速快还是慢，齿轮箱3的输出轴的转速始终保持在电网要求的发电机转速范围内，既起到逆变器的作用，也使得发电机在更低风速或更高风速下也能获得稳定的发电机转子转速。

本发明实施例中控制子传动装置33转动的驱动机构的传动链包括但不限于齿轮传动、链轮传动、齿轮销轨、齿形带或带轮传动。

其中，所述驱动机构501为电机驱动机构。

其中，所述驱动机构501为液压驱动机构。

其中，所述驱动机构501为气动驱动机构。

其中，所述转速测量装置9为设置在所述主轴2上的转速测量传感器。

在本发明实施例中转速测量装置9也可以设置在齿轮箱3的输入轴31上。

图4为本发明另一实施例中行星齿轮传动结构的工作原理图，本发明实施例中示出了第2级行星齿轮传动结构和第N级行星齿轮传动结构均设有通过子传动装置连接相应控制装置的情况。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。

本发明提出的风力发电机组，相对常规机型的风力发电机组取消了昂贵的发电机逆变器，大大节约了机组整体成本，且更容易满足电网公司对风机低电压穿越的并网要求；既减小了切入风速、又增大了切出风速，使机型对风速的要求更低，可以更加充分利用风资源、增大发电量和发电时间，装备这种风机的风电场对风资源的要求大为降低，极大拓展了风机的适用区域；提高风力发电机组的并网效果，避免频繁地并网或与电网脱开；能够根据需要使发电机始终保持高转速，避免当发电机的转子转速过低时由于发电机的效率低而造成过大的能量损失。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组，包括叶轮(1)、主轴(2)、齿轮箱(3)、联轴器(4)、发电机(6)和用于作为支撑件的主机架(7)，所述叶轮(1)带动主轴(2)旋转，所述齿轮箱(3)安装在所述主轴(2)的传动链上并通过所述联轴器(4)与发电机(6)连接，其特征在于：所述风力发电机组还包括控制装置(50)和转速测量装置(9)，齿轮箱(3)中设置的齿轮传动机构的内齿圈与所述控制装置(50)通过子传动装置连接，当所述转速测量装置(9)检测到所述主轴(2)的转速发生变化时，所述控制装置(50)通过所述子传动装置控制所述齿轮传动机构的内齿圈根据齿轮传动机构中太阳轮转速的变化而改变转速和/或转向，实现对齿轮传动机构传动比的调节。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述齿轮传动机构中设有至少一级行星齿轮传动结构。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于，所述行星齿轮传动结构包括行星齿轮减速传动结构和/或行星齿轮增速传动结构。

4.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于，所述齿轮传动机构中至少有一级行星齿轮传动结构的内齿圈通过轴承与齿轮箱壳体相连并在与之相对应的子传动装置控制下运动。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述控制装置(50)包括驱动机构(501)和驱动控制装置(502)，所述驱动控制装置(502)与所述驱动机构(501)连接，所述驱动机构(501)通过所述子传动装置与所述齿轮传动机构的内齿圈传动连接，所述驱动控制装置(502)根据所述转速测量装置(9)的检测结果控制所述驱动机构(501)驱动所述子传动装置，所述子传动装置带动所述齿轮传动机构的内齿圈绕轴线旋转。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组，其特征在于，所述子传动装置与所述齿轮传动机构的内齿圈的连接方式为齿轮传动、链轮传动、齿轮销齿、齿形带和带轮传动中的任一种。

7.根据权利要求5或6所述的风力发电机组，其特征在于，所述驱动机构(501)为电机驱动机构。

8.根据权利要求5或6所述的风力发电机组，其特征在于，所述驱动机构(501)为液压驱动机构。

9.根据权利要求5或6所述的风力发电机组，其特征在于，所述驱动机构(501)为气动驱动机构。

10.根据权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述转速测量装置(9)为设置在所述主轴(2)上的转速测量传感器。