CN104500328A - 两端直驱风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两端直驱风力发电机，包括前端风轮、前端变桨距装置、双轴伸永磁同步发电机、后端风轮和后端变桨距装置，其前端风轮和后端风轮轮毂分别直接固定于发电机旋转轴的两端；由于采取了双级风轮同轴直驱方式，设备结构简单、紧凑、可靠性和风能利用率都较高。两端直驱风力发电机，其采用的变桨距调节方式，即通过让一个风轮提供正向驱动力距，另一个风轮产生逆向阻力距的方式，大幅提高了风力发电机的切出风速；由此产生的运行控制模式还进一步提高了设备的可靠性；所述变桨距调节方式，适合于所有两级风轮同轴联接或者同轴线串接的双风轮风力发电机。

Description

两端直驱风力发电机
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及一种双级风轮的风力发电机，特别是其前端风轮、后端风轮与发电机的布置及其连接方式，以及两级风轮叶片独特的变桨距调节方法。
背景技术
风电是世界上公认的最接近商业化、市场竞争最强的可再生能源技术之一，而应用中的水平轴风力发电机都只是在发电机一端布置风轮的风力发电机，且由于这些风力发电机的切出风速都不高，限制了风速的可应用范围，在风速经常性会大于切出风速的地区，影响设备长期稳定地与公共电网并网发电。设计者本着提高风力发电机的切出风速即扩展风速应用范围，增加风能利用效率，并出于设备长期安全运行可靠性考虑，推出一种双级风轮的两端直驱风力发电机。
发明内容
本发明提供了一种两端直驱风力发电机，其目的是要提高风能利用效率，解决应用中的风力发电机切出风速不高的问题；
为实现上述目的，其技术解决方案是：一种两端直驱风力发电机，包括前端风轮、前端变桨距装置、永磁同步发电机、后端风轮和后端变桨距装置；所述前端风轮、所述永磁同步发电机和所述后端风轮沿驱动风轮的风力方向依次排布。
上述所述永磁同步发电机为内转子结构或者外转子结构或者盘式结构，其旋转轴为中空结构，其旋转轴贯穿设备并两端都向外伸出；
优选地，所述永磁同步发电机为内转子（磁极）、外定子（绕组）结构。
上述所述前端风轮包括前端叶片和前端轮毂，其前端轮毂直接或者通过风轮轴固定于上述所述永磁同步发电机旋转轴的前端；
优选地，所述前端叶片的数量为2片；
优选地，所述前端轮毂直接固定于所述永磁同步发电机旋转轴的前端。
上述所述前端风轮的叶片桨距角通过上述所述前端变桨距装置调节；
优选地，所述前端风轮的叶片桨距角的调节范围为0～118°，即根据需要，通过调节所述前端风轮的叶片桨距角，所述前端风轮对上述所述永磁同步发电机旋转轴既能提供正向驱动力距、又能产生逆向阻力距。
上述所述后端风轮包括后端叶片和后端轮毂，其后端轮毂直接或者通过风轮轴固定于上述所述永磁同步发电机旋转轴的后端；
优选地，所述后端叶片的数量为2片；
优选地，所述后端叶片为对称翼型；
优选地，所述后端轮毂直接固定于所述永磁同步发电机旋转轴的后端。
上述所述后端风轮的叶片桨距角通过上述所述后端变桨距装置调节；
优选地，所述后端风轮的叶片桨距角的调节范围为0～118°，即根据需要，通过调节所述后端风轮的叶片桨距角，所述后端风轮对上述所述永磁同步发电机旋转轴既能提供正向驱动力距、又能产生逆向阻力距。
附图说明
图1为两端直驱风力发电机示意图；
图2为图1的右视图；
图3为两端直驱风力发电机典型结构示意图；
图4为应用示意图一；
图5为应用示意图二；
图6为应用示意图三。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，两端直驱风力发电机包括前端风轮1、前端变桨距装置、双轴伸永磁同步发电机2、后端风轮3、后端变桨距装置、电机舱5、塔架6等等；所述前端风轮1包括前端叶片11和前端轮毂12，所述后端风轮3包括后端叶片31和后端轮毂32；前端风轮1、永磁同步发电机2和后端风轮3沿驱动风轮的风力方向依次排布。
两端直驱风力发电机，其前端风轮1、后端风轮3通过前端变桨距装置、后端变桨距装置分别调节前端叶片11和后端叶片31的桨距角。
两端直驱风力发电机，其前端轮毂12、后端轮毂32分别直接固定于发电机旋转轴4的前端和后端。
两端直驱风力发电机，其日常运行模式是：前端叶片11的桨距角0～90°范围保持一个相对固定值，通过后端变桨距装置自动调节后端叶片31的桨距角，控制发电机旋转轴4的转速大小，保证双轴伸永磁同步发电机2正常运转。
上述日常运行模式的具体操作是：当风速大于等于切入风速、且接近或者小于25m/s时，在设备以常规方式正常启动后，前端叶片11的桨距角在0～90°（即提供正向驱动力距的位置）范围保持相对固定，只是在0～90°范围调节后端叶片31的桨距角，就能够控制发电机旋转轴4的转速大小，此时，前端风轮1和后端风轮3共同相向直接正向驱动双轴伸永磁同步发电机2按其额定功率正常工作；
当风速接近或者大于25m/s、且小于安全风速的75%或者更低时，前端叶片11的桨距角进行对应适度调整后保持相对固定，此时，只是通过后端变桨距装置在0～90°范围调节后端叶片31的桨距角，已难以或者不能控制发电机旋转轴4的转速大小，此时，两端直驱风力发电机选择通过后端变桨距装置在90～118°范围调节后端叶片31的桨距角，通过产生逆向阻力距的方式，控制发电机旋转轴4的转速大小，此时，前端风轮1提供正向驱动力距、后端风轮3提供逆向阻力距的方式保证双轴伸同步发电机2按其额定功率正常工作。
上述日常运行模式中前端叶片11的桨距角保持一个相对固定值（其大小可根据两端直驱风力发电机的额定风速和当前一段时间风电场的平均风速而定），其目的，一是从提高设备的可靠性考虑，让前端变桨距装置经常性地处于备用状态；二是让控制模式简单化。
两端直驱风力发电机，在设备运行过程中，当后端变桨距装置出现突发性故障而无法调节后端叶片31的桨距角时，可选择启用备选安全运行模式，此时，后端叶片31的桨距角（故障时所处位置一般应在0～90°之间）保持固定，通过前端变桨距装置自动调节前端叶片11的桨距角，控制发电机旋转轴4的转速大小，保证双轴伸永磁同步发电机2正常运转。具体操作方法参照上述日常运行模式。
两端直驱风力发电机，通过上述所述独特的变桨距调节方法，成功实现提高风力发电机的切出风速即扩展风速应用范围的目的，且似乎不再有传统意义上的切出风速概念，出于对设备、特别是对风轮叶片保护考虑，切出风速设定为安全风速的75%或者更低。
两端直驱风力发电机，通过上述所述日常运行模式和备选安全运行模式，提高了风力发电机的可靠性，可确保设备长期稳定地供电，直到用电低峰时或者设备大修期间安排进行检修。
两端直驱风力发电机，除了常规停机模式外，还可选择后端变桨距装置直接在90～118°范围调节后端叶片31（优选对称翼型）桨距角，通过后端风轮3对发电机旋转轴4提供适度大小的逆向阻力距，实现气动减速停机，减少机械刹车对传动系统的冲击。
两端直驱风力发电机，其发电机旋转轴4使用空心轴的目的，一是为减轻机组的重量，二是为方便电缆走线；通过在空心轴径向方向钻孔，圆周滑轨或者滑环方式，解决风轮轮毂及其叶片内部供电和控制信号传达问题。
由于双级风轮机组风能利用率通常高于单级风轮机组，在相同功率下，双级风轮机组所用叶片较短、单支叶片重量较轻，加之一级风轮和二级风轮都采用两支叶片，这样可减轻因增加一级风轮后而给机组增加的重量。
如图4、图5和图6所示（其中1为前端风轮，2为双轴伸永磁同步发电机，3为后端风轮，4为发电机旋转轴，7为联轴器，8为变速齿轮箱，9为鼠笼型异步发电机或者双馈异步发电机），上述所述变桨距调节方式，适合于所有两级风轮同轴连接或者同轴线串接的双风轮风力发电机。
 以上所述，仅是本发明的一些较佳优选方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何人员利用上述提示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或者装饰，均落在本发明保护范围内。

Claims (6)

1.两端直驱风力发电机，包括前端风轮、前端变桨距装置、永磁同步发电机、后端风轮和后端变桨距装置，其特征在于，所述前端风轮、所述永磁同步发电机和所述后端风轮沿驱动风轮的风力方向依次排列。
2.根据权利要求1所述的两端直驱风力发电机，其特征在于，所述永磁同步发电机，其旋转轴为中空结构，其旋转轴贯穿设备并两端都向外伸出。
3.根据权利要求1所述的两端直驱风力发电机，其特征在于，所述前端风轮包括前端叶片和前端轮毂，所述前端轮毂直接或者通过风轮轴固定于所述永磁同步发电机旋转轴的前端。
4.根据权利要求1所述的两端直驱风力发电机，其特征在于，所述前端风轮的叶片桨距角通过所述前端变桨距装置调节，其叶片桨距角的调节范围为0～118°，即根据需要，通过调节所述前端风轮的叶片桨距角，所述前端风轮对所述永磁同步发电机旋转轴既能提供正向驱动力距，又能产生逆向阻力距。
5.根据权利要求1所述的两端直驱风力发电机，其特征在于，所述后端风轮包括后端叶片和后端轮毂，所述后端轮毂直接或者通过风轮轴固定于所述永磁同步发电机旋转轴的后端。
6.根据权利要求1所述的两端直驱风力发电机，其特征在于，所述后端风轮的叶片桨距角通过所述后端变桨距装置调节，其叶片桨距角的调节范围为0～118°，即根据需要，通过调节所述后端风轮的叶片桨距角，所述后端风轮对所述永磁同步发电机旋转轴既能提供正向驱动力距，又能产生逆向阻力距。
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