CN106762473A - 风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组，变流柜和箱变设置在所述风力发电机组的机舱内，在所述机舱内，塔筒的一侧设有发电机，另一侧设有所述变流柜和所述箱变。根据本发明的风力发电机组可显著降低对塔筒的抗倾覆力矩的要求。根据本发明的风力发电机组，减少了电控柜数量、简化了布局和接线，缩短了低压动力电缆以及配电电缆和控制电缆的长度，显著降低了电缆成本，同时减少了空间占用。

Description

风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地讲，涉及一种集成式风力发电机组。

背景技术

随着风力发电机组的不断大型化，直驱机组发电机重量不断增加，对于发电机前置式直驱机组而言，机头重量不平衡要求塔筒的抗倾覆力矩的能力大大增加。另外，面临风电电价不断下降的趋势，降低成本的压力巨大。

目前，主流风力发电机组制造商制造的风力发电机组依然采用分散式布置方式。具体地讲，如图1所示，发电机1通过与底座2连接而安装到机舱3的前部，用于发电机的散热的换热器4在机舱3内靠近机舱3的尾部设置，开关柜5、变频柜6、液压站7和机舱控制柜8设置在机舱3内，并且变频柜6、液压站7和机舱控制柜8位于底座2中，变流柜9、箱变10、主控柜11、泵站12和外部换热器13设置在塔筒14的塔底。具体地，箱变10设置在塔底的负一层平台，主控柜11和泵站12设置在塔底的一层平台(塔筒门入口)，变流柜9设置在塔底的二层平台。

现有技术中采用这样的分散式布置方式，会导致电缆成本增高。具体地讲，用于连接发电机1、变流柜9、箱变10的低压动力电缆15较长，在经济电流密度下所需的电缆直径较粗；机舱控制柜7以及发电机的散热系统需要400V低压配电和控制信号传输，而配电需要从位于塔底的主控柜11中的低压配电变压器中引出，因此额外需要从塔底向机舱3引出400V配电电缆和控制电缆。

此外，采用这样的分散式布置方式，会延长风场的建设周期，尤其是对于海上项目的风力发电机组吊装作业，由于作业窗口期较短以及吊装设备昂贵，会带来较大的成本增加。具体地讲，在吊装时需要对塔底进行拼装以及需要完成箱变、变流柜与主控柜之间的接线工作，不仅吊装准备工作多，而且现场作业，柜体间繁琐的接线工作，质量难以保证。此外，由于风力发电机组主要部件在吊装前是分开的，无法组成一个完整的电系统及其控制系统，因此很多预调试工作无法进行，从而导致在吊装完毕后，还需要进行大量的调试工作。

另外，由于风力发电机中各部件的耦合度高，箱变、变流柜、主控柜、发电机以及各部件对应的冷却系统中的任一部件损坏，都有可能导致风力发电机故障停机。在潮湿地区(例如，沿湖、沿海、海上等)，风力发电机组停机不仅会带来较大的经济损失，而且对风力发电机组内部环境的温湿度控制也十分不利。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种集成度高、成本低、抗倾覆性能高和高可靠性的风力发电机组。

根据本发明的一方面，提供一种风力发电机组，变流柜和箱变可设置在所述风力发电机组的机舱内，在所述机舱内，塔筒的一侧设有发电机，另一侧设有变流柜和箱变。

优选地，箱变和变流柜可靠近风力发电机组的塔筒设置。

优选地，机舱可以至少分为两层，箱变和变流柜可设置在不同层上。

优选地，机舱空间可分为上下两层，箱变可设置在其中一层，变流柜可设置在另一层。

优选地，变流柜所在的层可位于箱变所在的层的上方。

优选地，用于对发电机进行冷却的发电机换热器与箱变可设置在同一层内，泵站和液压站与变流柜可设置在同一层内。

优选地，泵站和液压站中的至少一个可设置在集液装置中。

优选地，液位传感器可设置在集液装置的靠近机舱尾部的一侧。

优选地，箱变可比发电机换热器更靠近塔筒。

优选地，变流柜可比泵站和液压站更靠近塔筒。

优选地，变流柜可包括风力发电机组主控制器、低压配电模块和机侧断路器。

根据本发明的风力发电机组，将箱变和变流柜改为设置在机舱内，由此提高了风力发电机组的集成度。而且，由于变流柜和箱变位于塔筒的一侧，发电机位于另一侧，有助于实现载荷平衡，即机头重心更加接近于塔筒中心，因此显著降低了对塔筒及基础的抗倾覆力矩的要求。此外，由于将箱变和变流柜设置在机舱内，简化了布局和接线，简化了现场作业，能够降低成本和建设周期，而且便于控制风力发电机组内部环境的温湿度。此外，根据本发明的风力发电机组，由于变流柜可被配置为具有高集成度的变流柜，因此减少了电控柜数量、简化了布局和接线，缩短了低压动力电缆以及配电电缆和控制电缆的长度，显著降低了电缆成本，同时减小了空间占用。此外，根据本发明的风力发电机组采用冗余配置以及故障隔离等手段来尽最大可能确保机组运行而不停机，避免机组内部环境失去控制，提高了风力发电机组的可靠性。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：

图1是示出了现有技术中的采用分散式布置方式的风力发电机组的示意图；

图2是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的布局的示意图；

图3是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱的一层内的布局的示意图；

图4是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱的二层内的布局的示意图；

图5A和图5B是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的泵站和液压站设置在集液装置中的示意图。

具体实施方式

现在，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。

参照图2，风力发电机组可包括：叶轮101，叶轮上101可设置有叶片(未示出)；发电机102，连接到叶轮101；机舱103，机舱103内可设置有箱变116和变流柜114；塔筒105，用于支撑叶轮103、发电机102和机舱103(叶轮轮毂、发电机和机舱统称为机头)。此外，机舱103的外部还可设置有用于风力发电机组的散热的外部换热器106，优选地，外部换热器106可位于机舱103的顶部靠近发电机102的位置。在此，变流柜114用于将发电机发出的频率和电压均在变化的交流电，转换为符合电网接入规范的电压、频率恒定，波形为正弦波的交流电；箱变116为用于风力发电机中的变压器，可以为油式变压器或干式变压器，用来将来自变流柜的低压电升压后送往集电线路。

在本实施例中，机舱103可通过底座104连接到塔筒105，底座104可以为一个支撑结构件，底座104的一端可连接到塔筒105，用于将整个机头的重力以及力矩传递给塔筒105。风力发电机组可以为直驱式风力发电机组，发电机102可以为外转子空冷发电机，其中，发电机102可采用单轴承(未示出)，轴承安装到内定子的轴承座中，轴承的动环与动轴固定，轴承的静环与静轴固定，静轴与底座104连接，用于将发电机102及叶轮101的重力和力矩传递给底座104，动轴与叶轮101连接，用于将叶轮101捕获风能后转化来的弯矩传递给发电机外转子用于发电，同时支撑叶轮101的重力以及抵消叶轮101带来的力矩。

在下文中，将参照图2至图5进一步详细地描述机舱的结构以及机舱内组件的布局。

如图2所示，机舱103可通过分隔平台107(也可称作机舱二层平台)分为一层108和二层109，靠近机舱103的底部还可设置有机舱一层平台112。如图2和图3所示，箱变116和发电机换热器117可设置在机舱一层平台112上。如图2和图4所示，变流柜114、泵站115和液压站118可设置在机舱二层平台107上。变流柜114和箱变116的分层布置有利于实现高低压分离，同时设置在机舱二层平台107上的泵站115和液压站118可远离箱变116，以便于对泵站115和液压站118进行维护。此外，为了减小对塔筒105的抗倾覆力矩的要求以及缩短低压电缆119的长度，变流柜114、箱变116等较重以及需要低压电缆119连接的组件可在机舱一二层平台布置时优选地靠近塔筒105(具体地，靠近底座104)布置，优选地，箱变116可比发电机换热器117更靠近塔筒105，变流柜114可比液压站118和泵站115更靠近塔筒105。在此，泵站115可包括泵、三通阀以及加热器等，用于给液冷系统提供动力，同时依据风力发电机组控制系统的指令实现控制流量、切换大小循环、以及加热冷却液等功能；液压站118用于给风力发电机组内的液压部件(例如偏航刹车系统、转子刹车系统、液压变桨系统等)提供动力及控制。图3和图4中的由点划线构成的圆圈表示塔筒105的位置。

在本实施例中，机舱二层平台107可以为板状结构，并且可采用悬臂式布置形式，即，机舱二层平台107的一端可固定于底座104上，另一端可悬空，优选地，为了增大机舱二层平台107的结构强度，可在机舱二层平台107下设置多根横梁。此外，机舱二层平台107的下方可安装有机舱一层平台行车110，用于吊装箱变116和发电机换热器117及其内部组件等以便于维护和更换。此外，靠近机舱103的顶部可安装有机舱二层平台行车111，用于吊装箱变116、发电机换热器117、变流柜114、泵站115和液压站118及其内部组件等。此外，在机舱二层平台的靠近机舱103的尾部的位置可设置有天井113，用于机舱二层平台与机舱一层平台之间的物资运送或者维护机舱一层平台上的组件。可以理解的是，机舱103内设置的组件均可由固定到底座104的具有较强结构强度的钢结构桁架(未示出)支撑。

此外，如图5A和图5B所示，泵站115和液压站118还可设置在设置有液位传感器120的集液装置121中，用以收集泄漏的液体，以防止泵站115和液压站118泄漏。由于为了防止设置在叶轮上的叶片打到塔筒，机舱会有一个倾角，因此优选地，液位传感器120可安装到集液装置121的靠近机舱103的尾部的一侧的低位点。当液位传感器120检测到泄漏液体时，可进行记录并通知运维人员进行处理。

优选地，机舱103可设置有机舱底部吊物孔和机舱顶部吊物孔，以可采用从空中和海上两种方式对风力发电机组内的组件进行维修或更换。

如图2和图3所示，机舱底部吊物孔可以为组合式吊物孔，其可采用可拆卸盖板122和活动盖板123嵌套的方式而形成，具体地讲，机舱(具体地，机舱罩(机舱的外壳就是机舱罩))的底部可设置有第一吊物孔(机舱底部吊物孔)，其尺寸应能允许整台箱变116从其通过。机舱底部吊物孔上可安装有用于覆盖其的可拆卸盖板122，可拆卸盖板122中可设置有第二吊物孔，第二吊物孔的位置可与天井113的位置相对应，并且第二吊物孔上可设置有活动盖板123。可拆卸盖板122的外部可采用流线型外形，以与周围机舱罩的形状相匹配，可拆卸盖板122平时可固定不打开，并且可拆卸盖板122与机舱罩之间的缝隙可使用机械密封胶进行密封。活动盖板123平时可以开启，用于直接从船只往机舱内运送物资或者将损坏部件从机舱内下放到船只。在对风力发电机组内的组件进行更换时，可使用机舱一层平台行车通过机舱底部吊物孔进行物资的提升和下放作业。

机舱顶部吊物孔可设置在机舱的顶部且位于外部换热器106的后方。机舱顶部吊物孔上可设置有可拆卸机舱顶盖125，具体地讲，机舱罩顶部可设置有吊物孔，可拆卸机舱顶盖125可设置在该吊物孔上以覆盖该吊物孔。可拆卸机舱顶盖125与机舱罩之间的缝隙也可使用机械密封胶进行密封。可拆卸机舱顶盖125平时可固定不打开，当需要时，可移除可拆卸机舱顶盖125，用于对设置在机舱二层平台上的组件进行更换，或在极端情况下(例如，机舱内所有组件均损坏或升级样机的情况)，可完全拆卸机舱二层平台，更换机舱内的所有组件(图2中实线表示可拆卸机舱顶盖125安装在机舱103顶部的情形，虚线表示可拆卸机舱顶盖125被打开的情形)。为了便于与机舱顶部吊物孔相配合来更换机舱内的组件，机舱103的顶部外还可设置有直升机平台(未示出)，用于恶劣天气船只无法接近时的人员及物资运送，直升机平台可位于外部散换热器106的后方和可拆卸机舱顶盖125的上方，以允许工作人员通过直升机平台和机舱顶部吊物孔进入机舱二层。优选地，可拆卸机舱顶盖125中可设置有相对小的孔，该孔上可设置有活动盖板126，便于工作人员从直升机平台进入机舱的二层。直升机平台与可拆卸机舱顶盖125也可合二为一。

此外，为了在风速较大不便使用机舱底部吊物孔的情况下运送物资，如图2所示，塔筒105内可设置有塔筒吊物孔121。塔筒105的底部可设置有塔筒门(未示出)，底座104的底部在与塔筒吊物孔121对应的位置可设置有人梯孔，用于人员从塔筒105进入底座104。此外，底座104上还可设置有底座盖板门124，用于人员从底座104进入机舱二层平台。机舱二层平台与机舱一层平台之间可设置有楼梯(具体地，楼梯可设置在天井处)，用于人员在机舱一二层平台之间往返。由于塔筒尺寸的限制，塔筒吊物孔121通常小于机舱底部吊物孔，因此塔筒吊物孔121通常用于体积相对小的组件的更换或维修。在对风力发电机组内的组件进行更换时，可使用机舱二层平台行车111通过塔筒吊物孔121进行物资的提升和下放作业。

在本实施例中，变流柜114可被配置为两台硬件配置完全相同的变流柜，以提高通用性并减少备件种类，并且两台变流柜114可在机舱二层平台107上成左右对称布置，液压站115和泵站118可分别设置在变流柜114后方，但不限于此。变流柜114可以不止两台，例如，可以为三台、四台或更多台。优选地，变流柜114除了包括机侧滤波器、功率处理模块、网侧滤波器、网侧断路器和变流器控制器之外，变流柜114还可包括用于控制整个风力发电机组的正常运行的风力发电机组主控制器以及为风力发电机组内的用电组件配电的低压配电模块(例如400V低压配电变压器)。可选地，变流柜114还可包括机侧断路器，用于控制发电机的连接或断开。虽然本实施例中示出了变流柜114包括如上所述的多种组件，但不限于此，例如，变流柜114还可包括用于控制发电机换热器117的变频控制模块。

如上所述的两台变流柜可被配置为：当风力发电机组运行时，两台变流柜中的一台被配置为主柜，两台的变流柜中的另一台被配置为从柜，主柜里的风力发电机组主控制器负责风力发电机组的运行、控制及监视，从柜里的风力发电机组主控制器作为备份运行，并保持与主柜里的风力发电机组主控制器通信；当两台变流柜中有一台发生故障时，如果发生故障的变流柜是从柜，主柜会立即将其切除出去，如果发生故障的变流柜是主柜，那么另一台变流柜自动成为主柜，接管风力发电机组的控制权，并将发生故障的变流柜切除出去。在将故障的变流柜切除出去之后，风力发电机组可降容运行(即，风力发电机组不按照额定设计功率运行，而是在调低最高发电功率的情况下运行)，同时进行记录并通知运维人员安排维护计划。在变流柜包括四台硬件配置完全相同的变流柜的情况下，四台变流柜可类似地被配置为：当一台损坏时，实现3/4容量降容运行；当两台变流柜故障时，实现1/2容量降容运行；当三台变流柜故障时，实现1/4容量降容运行。变流柜的这种配置还可使得不同容量的机组共享同样的变流柜，提高通用性，有助于提高机组可靠性，同时还可降低成本。

与变流柜类似，泵站也可采用两台硬件配置完全相同的泵并联运行。可选地，两台泵可根据机组运行时所需冷却量而同时运行或交替运行。详细地讲，当风力发电机组运行所需冷却容量较高(例如，大于单台泵运行时所能提供的最大冷却容量)时，两台泵同时运行；当风力发电机组运行所需冷却容量较低(例如，小于单台泵运行时所能提供的最大冷却容量)时，两台泵交替运行，以延长泵使用寿命，避免单台泵长时间运行。当两台泵中的一台发生故障时，泵两端的阀门可被关闭，从而故障泵被切除出去。在故障泵被切除出去之后，风力发电机组可降容运行，同时进行记录并通知运维人员安排维护计划。类似地，泵站的泵也可以不止两台，例如，可以为三台或者四台或更多台。此外，泵站可设置在减震底座(未示出)上，以降低泵站的振动对机组的影响。

根据本发明的风力发电机组，箱变和变流柜可起到配重的作用，可实现塔筒两侧的载荷平衡，即使机头的重心更加接近于塔筒中心，由此能够降低对塔筒及基础的抗倾覆力矩要求。而且，通过使箱变和变流柜靠近塔筒设置，可以减小对塔筒产生的力矩。即，通过调节箱变和变流柜相对塔筒(底座)的位置，可以适当地调节整体载荷。

此外，根据本发明的风力发电机组，由于变流柜可被配置为具有高集成度的变流柜，可省略原先设置在机舱内的开关柜、机舱控制柜、变频柜，还可以省略原先设置在塔筒底部的主控柜，因此减少了电控柜数量、简化了布局和接线。此外，由于变流柜和箱变被集成到机舱内，缩短了低压动力电缆以及配电电缆和控制电缆的长度，显著降低了电缆成本，同时减小了空间占用，而且便于控制风力发电机组内部环境的温湿度。具体地讲，由于风力发电机组主控制器和低压配电模块已集成到变流柜，并且变流柜位于机舱中，所以不再需要机舱控制柜进行控制信号的中转和机舱内组件的配电，可直接由集成到变流柜中的风力发电机组主控制器来控制原来由机舱控制柜控制的机舱内的组件以及使用变流柜中的低压配电模块统一对风力发电机组内的用电设备进行配电，可大幅减小配电电缆和控制电缆的长度，从而降低电缆成本。

此外，集液装置和液位传感器的设置可降低泵站或液压站的泄漏对风力发电机组的影响。

此外，根据本发明的风力发电机组采用冗余配置以及故障隔离等手段来尽最大可能确保风力发电机机组运行而不停机，避免风力发电机机组内部环境失去控制，提高风力发电机组的可靠性。

此外，根据本发明的风力发电机组，可在工厂内完成风力发电机组内的大部分的接线工作，有助于风力发电机组质量的控制。详细地讲，可在工厂内(对于机舱和发电机均在工厂内组装完毕的情形)或者在地面拼装后(针对机舱与发电机分开运输，然后在吊装前才把发电机和机舱在地面上或船上拼装好)对风力发电机进行预调试，从而大大改善调试工程师的工作环境，并且可在预调试期间解决大部分问题，从而显著缩短调试工程师用于对高空风力发电机进行调试的时间。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本发明所属技术领域中具有公知常识者在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种的修改和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。

Claims (11)

1.一种风力发电机组，其特征在于，变流柜(114)和箱变(116)设置在所述风力发电机组的机舱(103)内，在所述机舱(103)内，塔筒(105)的一侧设有发电机，另一侧设有所述变流柜(114)和所述箱变(116)。

2.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述箱变(116)和所述变流柜(114)靠近所述风力发电机组的所述塔筒(105)设置。

3.如权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于，所述机舱(103)至少分为两层，所述箱变(116)和所述变流柜(114)设置在不同层上。

4.如权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于，所述机舱(103)空间分为上下两层(108、109)，所述箱变(116)设置在其中一层，所述变流柜(114)设置在另一层。

5.如权利要求3或4所述的风力发电机组，其特征在于，所述变流柜(114)所在的层位于所述箱变(116)所在的层的上方。

6.如权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，用于对发电机进行冷却的发电机换热器(117)与所述箱变(116)设置在同一层内，泵站(115)和液压站(118)与所述变流柜(114)设置在同一层内。

7.如权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，所述泵站(115)和所述液压站(118)中的至少一个设置在集液装置(121)中。

8.如权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，液位传感器(120)设置在所述集液装置(121)的靠近所述机舱(103)尾部的一侧。

9.如权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，所述箱变(116)比所述发电机换热器(117)更靠近所述塔筒(105)。

10.如权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，所述变流柜(114)比所述泵站(115)和所述液压站(118)更靠近所述塔筒(105)。

11.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述变流柜(114)包括风力发电机组主控制器、低压配电模块和机侧断路器。