CN106640535A - 多维度风能混合轴发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维度风能混合轴发电系统，采用机舱偏航和俯仰多维度捕获风能，驱动下置塔架内的发电机发电。包括风机桨叶、垂直轴转矩转换、弧线俯仰电机、偏航机械结构、对风保持装置、发电机以及变流器。垂直轴转矩转换将多维风机转矩严格转化为垂直轴转矩；偏航机械结构将垂直轴转矩分解，驱动机舱偏航和发电机发电；机舱俯仰由弧线俯仰电机完成，包括俯仰定转子以及定子支撑，产生俯仰力矩与垂直力，用于机舱俯仰对风和风机桨叶推力的平抑；机舱对风状态由对风保持装置在偏航对风结束时失电保持，实现机舱无功耗持续对风。本发明降低了机舱重量，极大减小偏航损耗，提高了机舱对风精度和风能利用率。

Description

多维度风能混合轴发电系统

技术领域

本发明涉及一种多维度风能混合轴发电系统，尤其是一种应用于大中型的风力发电系统，采用机舱俯仰和偏航多维度捕获风能，提高风能利用率。

背景技术

风力发电作为一种清洁、发展前景广阔的可再生能源，一直是世界各国的能源发展战略。提升风能捕获效率是风电领域科研工作者的研究热点，风力发电机组的偏航系统是基于风向变化实现机舱偏航对风的重要环节，是水平轴风力发电机组必不可少的组成部分，可有效提升风电机组可靠性、使用寿命和发电效率。但传统大中型风力发电机组发电机机组内置机舱内部，存在机舱重量大，偏航功耗大等问题，同时较大的回转力矩迫使偏航旋转机构复杂，齿轮传动多级完成，存在偏航齿轮齿间隙大问题，导致偏航对风精度不高；同时机舱重量等问题，也使得大中型风电机组对风仅考虑偏航对风，而无机舱俯仰，因此严重制约了风能捕获效率的提升；小型风力发电则普遍采用被动偏航以及机舱俯仰完成风能捕获，但机舱俯仰仅依靠风机自身倾覆力矩被动完成，俯仰调整速度慢，且存在对风精度差以及机舱稳定性问题。

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，提供一种多维度风能混合轴发电系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：多维度风能混合轴发电系统包括风力桨叶、垂直轴转矩转换、弧线俯仰电机、偏航机械结构、对风保持装置、发电机以及变流器。机舱在弧线俯仰电机、偏航机械结构以及对风保持装置共同作用下完成多维度风能捕获；风能捕获多维度转矩经垂直轴转矩转换和偏航机械结构协同作用下，将风能传递给发电机发电，并经变流器为负载供电；当机舱俯仰对风时，弧线俯仰电机的俯仰定子上电，与永磁体转子产生俯仰力矩与垂直力，实现机舱俯仰对风，同时平抑风机桨叶产生的推力；偏航对风时，偏航机械结构和对风保持装置协同将垂直轴转矩分解，分别经齿圈驱动机舱偏航以及行星架驱动发电机发电。机舱对风完成后偏航保持装置维持机舱迎风状态，实现机舱无功耗持续对风。

所述垂直轴转矩转换将多维风机转矩高效转化为垂直轴转矩，包括风能捕获轴、俯仰转换轴、俯仰支撑轴、垂直转换轴以及垂直轴，风能捕获轴和风力桨叶同轴联接，并将捕获风能经俯仰转换轴以及斜齿轮组，转换为俯仰支撑轴的垂直性转矩，再经垂直转换轴和斜齿轮组转化为垂直轴转矩；俯仰支撑轴、俯仰转换轴以及垂直转换轴共同构建机舱俯仰运动空间，消除机舱偏航和俯仰对转矩转换的影响，实现多维风机转矩至垂直轴转矩的严格转换。

所述弧线俯仰电机包括俯仰转子、俯仰定子以及定子支撑三部分，定转子呈弧线型，确保机舱俯仰运动时定转子气隙恒定，俯仰转子固定在机舱后侧，为弧线永磁体；俯仰定子为7个串联直流绕组，固定在定子支撑上，定子支撑与机舱U型支撑刚性连接，其供电线路经机舱U型支撑、垂直轴中心和太阳轮中心，与变流器直流侧相连，根据风速、风向以及机舱俯仰角度，控制定子绕组通电电流，产生俯仰力矩与垂直力，实现机舱俯仰和风机推力的平抑。

所述偏航机械结构包括太阳轮、行星架和齿圈，其中行星架和垂直轴刚性连接，将垂直轴转矩输入至偏航机械结构，齿圈与机舱U型支撑刚性连接，太阳轮与发电机相连；齿圈与偏航保持装置相连，在偏航过程中，偏航保持装置通电，偏航机械结构将垂直轴转矩分解部分转矩，驱动机舱偏航；偏航结束后，齿圈由偏航保持装置失电固定，偏航机械结构工作在力矩传递状态，太阳轮转矩经固定变比传递至发电机，实现风力发电。

所述对风保持装置中俯仰保持装置包括俯仰保持端盖、俯仰保持线圈、俯仰制动簧、俯仰制动弧套以及俯仰轴；偏航保持装置包括偏航保持端盖、偏航保持线圈、偏航制动簧、俯仰制动卡套以及齿圈制动盘。俯仰保持装置的俯仰保持端盖与机舱刚性连接，俯仰轴与机舱U型支撑刚性连接，且俯仰轴中通俯仰转换轴；偏航保持装置的偏航保持端盖与塔架刚性连接，齿圈制动盘与齿圈刚性连接，并在俯仰和偏航后失电，实现机舱无功耗稳定持续对风。

本发明所带来的有益效果是：

1)本发明采用机舱偏航和俯仰多维度捕获风能，借助弧线俯仰电机以及偏航机械结构完成了机舱多维度对风，提升了风能利用系数；

2)本发明借助垂直轴转矩转换，将风力机转矩严格转换为垂直轴转矩，使得发电机下置于塔架成为可能，极大降低机舱重量，减小了偏航功耗和俯仰损耗，提升了偏航对风精度；

3)本发明采用弧线俯仰电机完成机舱俯仰，使得俯仰过程气隙稳定，确保俯仰力矩稳定性，同时产生的法向垂直力，快速平抑风机桨叶波动推力，提升了风力整体发电系统稳定性。

4)本发明借助偏航机械结构合理分解风力机垂直性转矩实现机舱偏航，消除了传统风电机组偏航电机的使用，极大降低了成本。

附图说明

图1设备基本结构示意图。

图2设备横截面示意图。

图3设备俯视示意图。

图4控制流程图。

图5俯仰保持装置基本结构示意图。

图6偏航保持装置基本结构示意图。

图中1.风力桨叶，2.机舱，3.机舱U型支撑，4.定子支撑，5.俯仰转子，6.俯仰定子，7.偏航滑动滚珠，8.塔架，9.风能捕获轴，10.俯仰转换轴，11.俯仰支撑轴，12.齿圈，13.垂直轴，14.发电机，15.俯仰保持装置，16.垂直转换轴，17.偏航保持装置，18.行星架，19.太阳轮，20.变流器，21.斜齿轮组，22.俯仰保持端盖，23.俯仰制动簧，24.俯仰保持线圈，25.俯仰制动弧套，26.俯仰轴，27.偏航保持端盖，28.偏航制动簧，29.偏航保持线圈，30.俯仰制动卡套，31.齿圈制动盘。

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。

本发明所公布的多维度风能混合轴发电系统，包括风力桨叶1、垂直轴转矩转换(9、10、11、13、16)、弧线俯仰电机(4、5、6)、偏航机械结构(12、18、19)、对风保持装置(15、17)、发电机14以及变流器20；垂直轴转矩转换由风能捕获轴9、俯仰转换轴10、俯仰支撑轴11、垂直转换轴16和垂直轴13组成；弧线俯仰电机由俯仰转子5、俯仰定子6以及定子支撑4三部分组成；偏航机械结构由太阳轮19、行星架18和齿圈12组成；对风保持装置包括俯仰保持装置15和偏航保持装置17，俯仰保持装置15由俯仰保持端盖22、俯仰保持线圈24、俯仰制动簧23、俯仰制动弧套25以及俯仰轴26组成，偏航保持装置17由偏航保持端盖27、偏航保持线圈29、偏航制动簧28、俯仰制动卡套30以及齿圈制动盘31组成。

本发明公布的多维度风能混合轴发电系统工作流程如图4所示。系统实时根据监测的风速风向以及历史数据，判定风力发电系统运行状态，系统可工作在俯仰发电状态、偏航发电状态以及对风保持发电状态，完成机舱偏航、俯仰和对风保持以及发电机14发电。

当风速低于起动风速V_cut，系统运行停机状态，发电机14停机，对风保持装置失电，保持停机前对风状态；当风速超过起动风速，且风速风向测试仪检测的俯仰角度A和偏航角度B均为0时，系统运行在对风保持发电状态；当俯仰角度和偏航角度都不为0时，系统首先机舱俯仰，此时系统运行在俯仰发电状态；当俯仰角度调整为0后，同时偏航角度不为零时，此时系统进入偏航发电状态。

对风保持发电状态，机舱在对风保持装置失电下正面迎风捕获风能，风机多维度转矩经垂直轴转矩转换和偏航机械结构驱动发电机14发电。对风保持装置断电，此时俯仰保持线圈24和偏航保持线圈29断电，俯仰制动弧套25和俯仰轴26被俯仰制动簧23的推力紧锁，偏航制动卡套30和齿圈制动盘31被偏航制动簧28紧压，俯仰轴26和齿圈制动盘31在巨大压力和阻力作用下严格制动，齿圈12和机舱2无法运动，使得机舱2无功耗稳定精确对风。风机多维度转矩经垂直轴转矩转换和偏航机械结构转换，驱动发电机14发电，并由变流器20逆变输出实现并网。

机舱俯仰发电状态，机舱2在弧线俯仰电机驱动下俯仰对风，多维度转矩经垂直轴转矩转换和偏航机械结构驱动发电机14发电。机舱2在俯仰保持装置15上电情况下，经弧线俯仰电机的俯仰转子5和俯仰定子6互相作用俯仰对风。俯仰保持装置15中的俯仰保持线圈24通电，俯仰制动弧套25在磁力作用下与俯仰轴分离，向两侧压缩俯仰制动簧23，减小俯仰轴26摩擦阻尼，确保机舱2无阻俯仰。弧线俯仰电机的定子6通电，与俯仰转子5一起产生俯仰力矩，驱动机舱2在俯仰支撑轴11、俯仰转换轴10以及垂直转换轴16共同构建的支撑空间中作俯仰运动，直至俯仰角A为零。风机多维度转矩经垂直转矩转换为垂直性转矩，在偏航保持装置17失电情况下齿圈12制动，经行星架18和太阳轮19固定变比传递至发电机14发电，并通过变流器20完成并网。

机舱偏航发电状态，偏航机械结构将垂直轴转矩分解为偏航转矩和发电机驱动转矩，完成机舱2偏航对风和并网发电。偏航保持装置17上电，机舱俯仰保持装置15在机舱弧线俯仰电机失电的情况下，失电保持机舱俯仰状态，同时偏航保持线圈29通电，偏航制动卡套30在磁力作用下与齿圈制动盘分离，向两侧压缩偏航制动簧28，降低偏航阻力，确保机舱2正常偏航。垂直转矩转换将风机多维度转矩转换为垂直轴转矩，经行星架18输入以及齿圈12和太阳轮19分解输出，将垂直轴转矩分解为偏航转矩和发电机驱动转矩，由发电机转矩调节，完成机舱2主被动偏航和发电机14发电，且可通过变流器20完成并网发电。

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 (5)

1.一种应用于大中型风电机组的多维度风能混合轴发电系统，其特征是，包括风力桨叶、垂直轴转矩转换、弧线俯仰电机、偏航机械结构、对风保持装置、发电机以及变流器设备，所述发电机下置在塔架中，并经偏航机械结构以及垂直轴转矩转换和风机桨叶轴相连；所述垂直轴转矩转换包括风能捕获轴、俯仰转换轴、俯仰支撑轴、垂直转换轴以及垂直轴，将多维风机转矩严格转换为垂直轴转矩；所述弧线俯仰电机包括俯仰转子、俯仰定子以及定子支撑，产生俯仰力矩与垂直力，俯仰机舱对风和平抑风机桨叶推力；所述偏航机械结构包括太阳轮、行星架和齿圈，分解垂直轴转矩，齿圈输出驱动机舱偏航，太阳轮输出驱动发电机发电；所述对风保持装置在机舱对风完成后保持机舱迎风状态，实现机舱无功耗持续对风。

2.根据权利要求1所述的多维度风能混合轴发电系统，其特征是所述风能捕获轴和风力桨叶同轴联接，并将捕获的风能经俯仰转换轴以及斜齿轮组，转换为俯仰支撑轴的垂直性转矩，再经垂直转换轴和斜齿轮组转化为垂直轴转矩；俯仰支撑轴、俯仰转换轴以及垂直转换轴共同构建机舱俯仰运动空间，消除机舱偏航和俯仰对转矩转换的影响。

3.根据权利要求1所述的多维度风能混合轴发电系统，其特征是所述弧线俯仰电机定转子呈弧线型，确保机舱俯仰定转子气隙恒定，俯仰转子固定在机舱后侧，为弧线永磁体；俯仰定子为7个串联直流绕组，固定在定子支撑上，定子支撑与机舱U型支撑刚性连接，定子供电线路经机舱U型支撑、垂直轴中心和太阳轮中心，与变流器直流侧相连，根据风速、风向以及机舱俯仰角度，控制定子绕组通电电流，产生俯仰力矩与垂直力，实现机舱俯仰和风机推力的平抑。

4.根据权利要求1所述的多维度风能混合轴发电系统，其特征是所述偏航机械结构中行星架和垂直轴刚性连接，将垂直轴转矩输入至偏航机械结构，齿圈与机舱U型支撑刚性连接，太阳轮与发电机相连；齿圈与偏航保持装置相连，偏航过程偏航保持装置通电，偏航机械结构将垂直轴转矩分解部分转矩至齿圈，驱动机舱偏航；偏航结束偏航保持装置失电固定，偏航机械结构工作在力矩传递状态，太阳轮转矩经固定变比传递至发电机，实现风力发电。

5.根据权利要求1所述的多维度风能混合轴发电系统，其特征是所述对风保持装置中俯仰保持装置包括俯仰保持端盖、俯仰保持线圈、俯仰制动簧、俯仰制动弧套以及俯仰轴；偏航保持装置包括偏航保持俯仰保持端盖、偏航保持线圈、偏航制动簧、俯仰制动卡套以及齿圈制动盘。俯仰保持装置的俯仰保持端盖与机舱刚性连接，俯仰轴与机舱U型支撑刚性连接，且俯仰轴中通俯仰转换轴；偏航保持装置偏航保持端盖与塔架刚性连接，齿圈制动盘与齿圈刚性连接，并在俯仰和偏航后失电，实现机舱无功耗稳定持续对风。