CN106194583A - 一种变桨供电装置及风力发电机组 - Google Patents

一种变桨供电装置及风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变桨供电装置及风力发电机组，变桨供电装置包括变桨发电机，所述变桨发电机包括相对转动的定子和转子；变桨发电机设置在风力发电机组的机舱内；所述转子与风力发电机组的轮毂相对固定；所述转子为输出电流的电枢绕组；所述转子通过电缆与所述轮毂内设置的变桨系统连接，并为变桨系统提供电源。转动过程中，转子和轮毂以及风力发电机组主传动轴保持相对静止，与轮毂内设置的变桨电机、变桨控制柜保持相对静止，由此，输出电流的电枢转子可以直接通过电缆与变桨控制柜、变桨电机连接，而省去了电滑环，从而彻底解决了电滑环容易损坏导致变桨系统无法正常工作变桨的技术问题。

Description

一种变桨供电装置及风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组的变桨供电装置及带有该变桨供电装置的风力发电机组。
背景技术
目前，随着技术的发展，风力发电正作为越来越重要的可再生清洁能源。风力发电机组要求具有较强的环境适应性，对于核心部件之一的变桨系统更是要求其具有高可靠性。
风力发电机组的变桨系统主要有以下功能：
(1)风力发电机组起机时开桨；
(2)正常发电期间根据主控要求实时调节桨距角；
(3)风速减少至停机风速时收桨停机；
(4)紧急情况下快速顺桨，实现气动刹车停机。
对于应用最为广泛的电动变桨系统，一般采用以下装置：采用电滑环将外部电力传输至轮毂中，分配至变桨驱动器，驱动变桨伺服电机根据指令实时动作。为保证外部电力故障或电滑环故障时能够安全停机，需要配备超级电容或蓄电池组进行备用。常用超级电容或蓄电池组作为备用电源，以便在外部电力或电滑环出现故障时，供变桨电机能够完成紧急顺桨使风力发电机组安全停机。
如专利号为CN200820078935，名称为“变桨距系统备用电源装置”的专利文件中公开了一种变桨系统，其通过连接在风力发电机组转子上的变桨发电机为变桨系统提供备用电源(仅在系统供电失效时投入使用)。变桨发电机的转子通过减速机构与风力发电机组的转子连接，变桨发电机放置在机舱内，然而，其定子仍然通过电滑环与变桨系统连接。
该技术方案存在的明显不足是：仅能作为电网断电时的备用电源，在电滑环故障时仍然不能作为备用电源，无法安全完成紧急收桨的作用，而电滑环作为故障率高的部件，该方案具有明显的缺陷。
又如专利号为CN201310108772，名称为“惯性储能，工频顺桨变桨系统”的专利文件中公开了利用磁粉离合器、增速机、发电机组成的传动和发电部件，在外部电源故障时为变桨系统供电。采用该技术，可以替代常规的蓄电池组和超级电容，并可以采用普通变频器和交流电机作为变桨，降低成本和维护要求。然而该技术方案中同样不得不采用电滑环；当电滑环出现故障时，则无法实现变桨动作。
此外控制单元和检测单元的电源也经电滑环由外部传至轮毂变桨控制柜。而作为运动电力传输部件的电滑环，故障率较高，且需要定期维护。
由此，无论是外部供电，还是变桨发电机供电，均需要通过电滑环传输至轮毂内，而当电滑环故障时，变桨系统将无法正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变桨供电装置及风力发电机组，以解决现有技术中的电滑环出现故障时，依靠寿命较短的超级电容或蓄电池组进行紧急顺桨的技术问题。
本发明提供了一种风力发电机组的变桨供电装置，包括变桨发电机，所述变桨发电机包括相对转动的定子和转子；
变桨发电机设置在风力发电机组的机舱内；
所述转子与风力发电机组的轮毂相对固定；
所述转子为输出电流的电枢绕组；
所述转子通过电缆与所述轮毂内设置的变桨系统连接，并为变桨系统提供电源。
在风力发电机组工作时，风力发电机组的主传动轴以中高转速旋转，叶片带动轮毂和主传动轴转动，转子与风力发电机组的轮毂以及主传动轴保持相对静止，转子与轮毂内设置的变桨电机、变桨控制柜保持相对静止。正常发电过程中，变桨发电机时刻保持发电状态，发电量根据变桨电机负载由变频器自动调节。
由此，输出电流的电枢转子可以直接通过电缆与变桨控制柜、变桨电机连接，而省去了电滑环，从而彻底解决了电滑环容易损坏导致变桨系统无法正常工作变桨的技术问题，后期维护更加简单，维护成本更低。
进一步地，所述转子固定设置在风力发电机组主传动轴或者风力发电机组轮毂上，并随风力发电机组主传动轴或者轮毂同步转动。
进一步地，所述定子固定设置在所述机舱内。定子与机舱相对固定设置，定子套装着转子。定子具体设置方式可以是固定设置在机舱内的机架上。
进一步地，所述变桨发电机为宽速、宽电压范围发电机；所述变桨发电机的输入转速为1～3倍的变桨发电机最小发电转速，其输出电压范围为1～3倍变桨发电机最小发电电压。
风力发电机组的主传动轴和轮毂旋转速度相对较慢，从变桨开机到正常工作发电，以及最后变桨停机，叶片的转速变化较大，对应普通发电机来说，在转速低于其最小发电转速时，发电机无法在正常工作发电，而叶片的所有动作均需要变桨系统的配合才可以实现。由此，需要变桨发电机能够在一个较宽的转速范围内能够正常发电，从而有效保证变桨系统的正常供电。
进一步地，所述变桨发电机为永磁同步发电机，其定子为永磁体；或者，所述变桨发电机为电励磁同步发电机或异步发电机。
进一步地，所述变桨发电机的转子通过变桨驱动器与所述变桨电机连接，而变桨电机驱动叶片转动实现桨距的调整。
变桨驱动器与变桨发电机相匹配，变桨驱动器的输入电压与变桨发电机的输出电压相匹配，变桨驱动器的输入频率与变桨发电机的输入转速或输出电压频率相匹配；所述变桨发电机的电力经过变桨驱动器的变换与所述变桨电机连接。而变桨电机则可以采用普通的电机即可。
进一步地，所述变桨供电装置还包括备用电源，备用电源分安装在变桨控制柜内和变桨驱动器连接，备用电源通过变桨驱动器与变桨电机连接。
进一步地，所述备用电源与轮毂相对固定，备用电源为超级电容或者蓄电池组；所述变桨发电机通过充电装置与超级电容或者蓄电池组连接，变桨发电机将生产出的多余电量存储在超级电容或者蓄电池组内。
在风力发电机组启动时，主传动轴和轮毂转速较小，尤其针对海上风机，小风不发电时，为了释放风力应力，叶片通常处于慢速旋转中，此时变桨发电机低速空载运行，风机传动系阻力矩较小，若轮毂转速较慢无法达到变桨发电机最小发电转速，则可以通过超级电容或者蓄电池组等备用电源驱动变桨电机转动。
超级电容或者蓄电池组等备用电源设置在轮毂内部，与轮毂同样保持相对静止，备用电源与变桨系统之间同样通过电缆直接连接。
进一步地，所述定子可转动地设置在所述机舱内，定子可围绕所述转子转动，定子在定子驱动机构的驱动下以与所述风力发电机组主传动轴转向相反的方向转动。
通过定子驱动机构逆向转动定子，使得定子与转子之间的相对转速增加，或者使得定子和转子的相对转速控制在一个合理的额定范围内，从而有效控制变桨发电机的电流或电压。
定子驱动机构和外部的电网、主发电机或者备用电源连接，无论风力发电机组处于何种状态，均可以通过变桨发电机发电驱动变桨电机转动。
进一步地，所述定子驱动机构包括传动装置，传动装置的输入端端与所述风力发电机的转子机械连接，传动装置的输出端与变桨发电机定子连接。
进一步地，所述定子驱动机构包括传动装置，传动装置的输入端与所述风力发电机组主传动轴连接，传动装置的输出端与变桨发电机定子连接。
进一步地，所述传动装置为变速箱。
进一步地，所述定子驱动机构为定子电动机，定子电动机通过传动机构带动定子转动。
其中，优选地，定子周向上设置有齿轮结构，定子驱动机构上设置有与齿轮机构相配合的传动齿轮，通过该传动齿轮副，定子驱动机构带动变桨发电机定子转动。
进一步地，所述定子电动机与风力发电机组或者电网连接，由风力发电机或者电网向定子电动机提供电源。
进一步地，风力发电机组的机舱内设置有超级电容或者蓄电池组，所述定子电动机与超级电容或者蓄电池组连接。
进一步地，所述超级电容或者蓄电池组通过充电装置与电网连接，电网正常时将部分能量存储在超级电容或者蓄电池组内。
一种风力发电机组，所述风力发电机组包括上述的变桨供电装置。
进一步地，风力发电机组的主控系统以及风力发电机组的轮毂内设置有无线收发装置，变桨系统通过无线收发装置与主控系统无线连接。
进一步，所述风力发电机组还包括变流器，主发电机通过变流器与电网连接，主传动轴和轮毂转速未达到所述变桨发电机发电转速时，主发电机通过变流器吸收电网电能而加速转动，主发电机带动主传动轴和轮毂加速运转直到满足变桨发电机发电要求。
现有技术中，电驱变桨的供电电缆需通过电滑环由机舱引至轮毂内，电滑环是运动电力传输装置，成本高昂且易损坏；而电驱变桨配置蓄电池组或超级电容作为备用电源，以保证滑环或供电故障时能紧急顺桨。备用电源平均寿命6年～10年，同样无法满足风机20年的使用寿命；本发明通过设置变桨发电机，其转子与轮毂保持相对固定，从而省去电滑环直接与变桨系统连接，从而彻底解决了的现有技术所存在的技术问题，而且制作成本大大降低。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例中变桨供电装置及风力发电机组的结构示意图。
图中：
1－主传动轴； 2－主控系统； 3－主发电机；
4－增速机； 5－变桨发电机； 5a－定子；
5b－转子； 6－轮毂； 7－变流器；
8－变桨控制柜； 8a－变桨控制器； 8b－备用电源；
8c－变桨驱动器； 9－变桨电机； 10－无线收发装置；
11－叶片； W－电网。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种风力发电机组的变桨供电装置，包括变桨发电机5，变桨发电机5包括相对转动的定子5a和转子5b；
变桨发电机5设置在风力发电机组的机舱内；
转子5b与风力发电机组的轮毂6相对固定；
其中，转子5b为输出电流的电枢绕组；
转子5b通过电缆与轮毂6内设置的变桨系统连接，并为变桨系统提供电源。
轮毂6内安装有变桨控制柜8，变桨控制器8a、备用电源8b、变桨驱动器8c均安装在变桨控制柜8内。
在风力发电机组工作时，风力发电机组的主传动轴以中高转速旋转，叶片11带动轮毂6和主传动轴1转动，转子5b与风力发电机组的轮毂6以及主传动轴1保持相对静止，转子5b与轮毂6内设置的变桨电机9、变桨控制柜8保持相对静止。正常发电过程中，变桨发电机时刻保持发电状态，发电量根据变桨电机负载由变频器自动调节。
由此，输出电流的转子5b可以直接通过电缆为变桨控制柜8供电，而省去了电滑环，从而彻底解决了电滑环容易损坏导致变桨系统无法正常工作变桨的技术问题，后期维护更加简单，维护成本更低。
转子5b固定设置在风力发电机组主传动轴1上，并随风力发电机组主传动轴1和轮毂6同步转动。而变桨发电机5为宽速、宽电压范围发电机；变桨发电机5的输入转速为1～3倍的变桨发电机最小发电转速，其输出电压范围为1～3倍变桨发电机最小发电电压。
风力发电机组的主传动轴和轮毂旋转速度相对较慢，从变桨开机到正常工作发电，以及最后变桨停机，叶片的转速变化较大，对应普通发电机来说，在转速低于其最小发电转速时，发电机无法在正常工作发电，而叶片的所有动作均需要变桨系统的配合才可以实现。由此，需要变桨发电机能够在一个较宽的转速范围内能够正常发电，从而有效保证变桨系统的正常供电。
其中，变桨发电机优选为永磁同步发电机，其定子为永磁体。
变桨发电机5通过变桨驱动器8c与变桨电机9连接。变桨驱动器8c与变桨发电机9相匹配，而变桨电机9驱动叶片11转动实现桨距的调整。变桨驱动器8c的输入电压与变桨发电机5的输出电压相匹配，变桨驱动器8c的输入频率与变桨发电机5的输入转速或输出电压频率相匹配；变桨发电机5的电力经过变桨驱动器8c的变换与变桨电机9连接，变桨电机9则可以采用普通的电机即可。
轮毂6内还包括超级电容或者蓄电池组等备用电源8b，超级电容或者蓄电池组等备用电源8b安装在变桨控制柜8内和变桨驱动器8c连接，超级电容或者蓄电池组等备用电源8b通过变桨驱动器8c与变桨电机9连接。
超级电容或者蓄电池组等备用电源8b与轮毂相对固定，变桨发电机5通过充电装置与超级电容或者蓄电池组等备用电源8b连接，变桨发电机5将生产出的多余电量存储在超级电容或者蓄电池组等备用电源8b内。
为了实现变桨发电机5更稳当地发出充足电流，更为优选地，定子5a可转动地设置在机舱内，定子5a可围绕转子5b转动，定子5a在定子驱动机构(未示出)的驱动下以与风力发电机组主传动轴1转向相反的方向转动。
通过定子驱动机构逆向转动定子，使得定子与转子之间的相对转速增加，或者使得定子和转子的相对转速控制在一个合理的额定范围内，从而有效控制变桨发电机的电流或电压。
定子驱动机构和外部的电网、主发电机或者备用电源连接，由此无论风力发电机组处于何种状态，均可以通过变桨发电机发电驱动变桨电机转动。
定子驱动机构形式多样，其中一种形式，定子驱动机构为变速箱，变速箱的输入端与风力发电机3的转子机械连接，或者，变速箱的输入端与风力发电机组主传动轴1连接，而变速箱的输出端与定子5a连接。
而较为简单的形式，定子驱动机构则为定子电动机，定子电动机通过传动机构带动定子转动。定子电动机与风力发电机组或者电网连接，由风力发电机或者电网向定子电动机提供电源；或者，风力发电机组的机舱内设置有超级电容或者蓄电池组，所述定子电动机与超级电容或者蓄电池组连接。
其中，定子5a周向上设置有齿轮结构，定子驱动机构上设置有与齿轮机构相配合的传动齿轮，通过该传动齿轮副，定子驱动机构带动定子转动。
实施例2
如图1所示，本实施例公开了一种风力发电机组，风力发电机组包括上述的变桨供电装置。
主控系统2以及风力发电机组的轮毂6内设置有无线收发装置10，变桨系统通过无线收发装置10与主控系统2无线连接；轮毂6内的无线收发装置10与变桨控制柜8内的变桨控制器8a连接，变桨控制器8a再将主控的信息经处理后发送给变桨驱动器8c以驱动变桨电机9带动叶片11实现变桨动作。
主发电机3通过增速机4与主传动轴1连接，主发电机3通过变流器7与电网W连接，主传动轴1和轮毂6转速未达到变桨发电机5最低发电转速时，主发电机3通过变流器7吸收电网W的电能而加速转动，主发电机3带动主传动轴1和轮毂6加速运转直到满足变桨发电机5的发电要求。
现有技术中，电驱变桨的供电电缆需通过电滑环由机舱引至轮毂内，电滑环是运动电力传输装置，成本高昂且易损坏；而电驱变桨配置蓄电池组或超级电容作为备用电源，以保证滑环或供电故障时能紧急顺桨。备用电源平均寿命6年～10年，同样无法满足风机20年的使用寿命；本发明通过设置变桨发电机，其转子与轮毂保持相对固定，从而省去电滑环直接与变桨系统连接，从而彻底解决了的现有技术所存在的技术问题，而且制作成本大大降低。
本装置的工作原理如下：
(1)起机时，风机变流器驱动风机主发电机以电动状态运行，向电网吸收能量，拖动风机主传动轴及轮毂以较低速度旋转，当风机主传动轴转速达到变桨发电机最低发电转速相对应的转速时，变桨发电机开始发电，经变桨驱动器变换后驱动变桨电机进行开桨动作。同时由于叶片的气动作用，风机主传动轴和风轮会逐渐加速，变桨发电机可以持续发电以供变桨驱动器驱动变桨电机完成开桨动作。风机变流器开始以逆变并网工况运行，根据风速及设定程序进行加载并网发电。
(2)正常发电时，风机主传动轴及风轮已经以高于变桨发电机最小发电转速相对应的转速旋转，变桨发电机可以持续发电，进而根据主控系统的指令通过变桨驱动器和变桨电机实时调整叶片的桨距角。
(3)正常停机时，由于风轮仍处于旋转状态且携带较大的动能，可以满足变桨发电机持续发电，以保证变桨系统能完成收桨过程，之后根据叶片的气动刹车作用，使风轮缓慢停止。
(4)紧急停机时，由于风轮处于较高转速旋转，变桨发电机可持续发电供给变桨驱动器和变桨电机完成紧急收桨。
另外，本装置在不可抗拒的紧急情况下，可以利用超级电容或蓄电池组等备用电源完成紧急收桨或变桨动作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种变桨供电装置，其特征在于，包括变桨发电机，所述变桨发电机包括相对转动的定子和转子；
变桨发电机设置在风力发电机组的机舱内；
所述转子与风力发电机组的轮毂相对固定；
所述转子为输出电流的电枢绕组；
所述转子通过电缆与所述轮毂内设置的变桨系统连接，并为变桨系统提供电源。
2.根据权利要求1所述的变桨供电装置，其特征在于，所述转子固定设置在风力发电机组主传动轴或者轮毂上，并随风力发电机组主传动轴或者轮毂同步转动。
3.根据权利要求1所述的变桨供电装置，其特征在于，所述变桨发电机的输入转速为1￣3倍的变桨发电机最小发电转速，其输出电压范围为1￣3倍变桨发电机最小发电电压。
4.根据权利要求1所述的变桨供电装置，其特征在于，所述变桨发电机为永磁同步发电机，其定子为永磁体；或者，所述变桨发电机为电励磁同步发电机或异步发电机。
5.根据权利要求1所述的变桨供电装置，其特征在于，所述变桨发电机通过变桨驱动器与所述变桨电机连接。
6.根据权利要求5所述的变桨供电装置，其特征在于，所述变桨供电装置还包括备用电源，备用电源安装在变桨控制柜内和变桨驱动器连接，备用电源通过变桨驱动器与变桨电机连接。
7.根据权利要求6所述的变桨供电装置，其特征在于，所述备用电源与轮毂相对固定，备用电源为超级电容或者蓄电池组；所述变桨发电机通过充电装置与超级电容或者蓄电池组连接，变桨发电机将生产出的多余电量存储在超级电容或者蓄电池组内。
8.根据权利要求1所述的变桨供电装置，其特征在于，所述定子固定设置在所述机舱内；或者，所述定子可转动地设置在所述机舱内，定子可围绕所述转子转动，定子在定子驱动机构的驱动下以与所述风力发电机组主传动轴转向相反的方向转动。
9.根据权利要求8所述的变桨供电装置，其特征在于，所述定子驱动机构包括传动装置，传动装置的输入端与所述风力发电机的转子机械连接，传动装置的输出端与所述变桨发电机的定子连接。
10.根据权利要求8所述的变桨供电装置，其特征在于，所述定子驱动机构包括传动装置，传动装置的输入端与所述风力发电机组主传动轴连接，传动装置的输出端与所述变桨发电机的定子连接。
11.根据权利要求9或10所述的变桨供电装置，其特征在于，所述传动装置为变速箱。
12.根据权利要求8所述的变桨供电装置，其特征在于，所述定子驱动机构为定子电动机，定子电动机通过传动机构带动所述变桨发电机的定子转动。
13.根据权利要求8所述的变桨供电装置，其特征在于，定子周向上设置有齿轮结构，定子驱动机构上设置有与齿轮机构相配合的传动齿轮，通过该传动齿轮副，定子驱动机构带动定子转动。
14.根据权利要求12所述的变桨供电装置，其特征在于，所述定子电动机与风力发电机组或者电网连接，由风力发电机或者电网向定子电动机提供电源；或者，风力发电机组的机舱内设置有超级电容或者蓄电池组。
15.根据权利要求14所述的变桨供电装置，其特征在于，所述超级电容或者蓄电池组通过充电装置与电网连接，电网正常时将部分能量存储在超级电容或者蓄电池组内。
16.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括权利要求1－15任一项所述的变桨供电装置。
17.根据权利要求16所述的风力发电机组，其特征在于，风力发电机组的主控系统以及风力发电机组的轮毂内设置有无线收发装置，变桨系统通过无线收发装置与主控系统无线连接。
18.根据权利要求16所述的风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括变流器，主发电机通过变流器与电网连接，主传动轴和轮毂转速未达到所述变桨发电机发电转速时，主发电机通过变流器吸收电网电能而加速转动，主发电机带动主传动轴和轮毂加速运转直到满足变桨发电机发电要求。
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