CN106988961B - 混合悬浮气隙调整型风机偏航系统 - Google Patents
混合悬浮气隙调整型风机偏航系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于大中型风电机组的混合悬浮气隙调整型风机偏航系统，包括机舱旋转体、复合塔架以及偏航驱动等三部分，可实现悬浮气隙和偏航负载转矩动态可调的偏航对风和侧偏保护。机舱旋转体包括机舱、机舱底座、永磁体带以及内齿调速圈构成，配合复合塔架和偏航驱动完成机舱悬浮和偏航对风。复合塔架包括悬浮支撑体和塔架两部分，悬浮支撑体内有定子环带，与永磁体环带对应排列，共同产生悬浮斥力实现机舱悬浮，同时为偏航驱动提供转矩励磁。偏航驱动包括偏航转盘、旋转中轴、主动轮以及传动轴轮，产生偏航转矩、变比驱动机舱偏航。本发明极大地降低机舱悬浮和偏航的机械约束，动态改变偏航转矩，提高机舱悬浮偏航稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合悬浮气隙调整型风机偏航系统，尤其是一种应用于大中型风电系统，可实现小功耗偏航对风以及侧偏保护的风能捕获装置，尤其可实现悬浮气隙可调的偏航负载转矩改变的偏航对风。
背景技术
风力发电作为一种新能源，已成为世界各国能源战略的重心。风机偏航系统是风电机组关键组件，可实现风机桨叶始终迎风以及超过额定功率时的侧偏保护，有效提高风电机组捕获功率以及风电机组安全稳定。
传统风力发电偏航系统一般采用多电机多齿轮耦合技术，传动比甚至可达10000以上，存在结构复杂、故障率高以及对风精度差问题，尤其是较大的摩擦损耗使得风机偏航功耗较大，影响风机有效的输出功率。发明专利200910161406.7披露了一种磁悬浮偏航装置，该装置采用磁悬浮驱动技术，极大降低了偏航故障率和维护费用，风机偏航是在机舱完全悬浮下实现的，极大降低了因机舱重力所致的摩擦转矩；但由于风机机舱往往运行在40m高塔架上，风机桨叶产生的倾覆力矩极易导致风机机舱重心偏移和倾覆，纵向摩擦依然较大，同时风机较大的机舱重量使得回转力矩较大，对磁悬浮偏航电机功率要求依然很大，但由于机舱悬浮和偏航电机共用气隙磁场，偏航电机最大电磁转矩受制于机舱悬浮气隙，常使风机无法实现大偏航负载波动下的偏航对风和侧偏保护。发明专利201410143297.7披露了一种机械耦合式磁悬浮风机偏航系统，该系统采用磁悬浮技术降低了因机舱摩擦所致的偏航功耗，结合机械耦合技术将风机捕获机械转矩直接分解辅助驱动偏航电机，极大降低了磁悬浮偏航电机所需的电磁转矩，部分解决了偏航电机转矩和悬浮气隙之间约束关系。但机舱悬浮和偏航电机气隙磁通共用问题依然存在，特别是风机偏航本质为偏航电机的大负载启动，较大起动电流极易导致机舱悬浮气隙波动，同时偏航过程风速的波动也极易导致偏航转速和气隙波动，甚至导致风机整体需要的震荡、失稳以及停机，严重影响风力发电系统的安全运行。
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，提供一种偏航电机气隙恒定、机舱悬浮气隙柔性可调的混合悬浮气隙可调型风机偏航系统。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：混合悬浮气隙调整型风机偏航系统，其特征包括机舱旋转体、复合塔架和偏航驱动三部分，动态调整悬浮气隙和偏航转矩，实现机舱偏航对风和侧偏保护。所述机舱旋转体为机舱、机舱底座、永磁体环带以及内齿调速圈刚性一体化结构，配合复合塔架和偏航驱动共同完成机舱悬浮和偏航对风。所述复合塔架由悬浮支撑体和塔架共同组成，用于支撑或悬浮机舱，所述悬浮支撑体包括外圆环带、定子环带、内圆环带，外圆环带，用于非悬浮状态下的机舱支撑以及零悬浮气隙下偏航引导，外圆环带上端面埋置对称排列的8个压力传感器，检测机舱对复合塔架压力，控制无悬浮气隙悬浮定子电流；定子环带上端内嵌定子绕组，分别由与永磁体环带相对应的电磁绕组串联而成，定子绕组由悬浮变流器供电，与永磁体环带一起协同变气隙悬浮机舱；内圆环带有三个轴中心线夹角120度对称排列的传动中轴，固定传动轴轮旋转位置，实现传动力矩固定变比传动；所述偏航驱动内嵌于悬浮支撑体中，由偏航转盘、偏航中轴、主动轮与传动轴轮共同组成，所述偏航转盘内嵌三相对称绕组，在定子绕组配合下产生偏航电磁转矩，并实现变比调整驱动机舱偏航。
所述机舱底座为设置在机舱底部且与机舱刚性连接的环形体，下端面为球柱式引导环带，与复合塔架外圆环带上引导柱槽，协同引导机舱偏航，支撑机舱；所述永磁体环带是由八对N极和S极交错排列的永磁体圆环带构成，安装在机舱底座内侧下端，与定子环带对应排列，并内侧刚性联接内齿调速圈，所述内齿调速圈和3个对称分布的传动轴轮机械耦合，永磁体环带和定子绕组环带间产生悬浮斥力，驱动内齿调速圈与传动轴轮轴向偏移，机舱完全悬浮，内齿调速齿圈和传动轴轮之间固定变比传递偏航转矩，驱动机舱旋转。
所述复合塔架为上端中空圆盘体的塔架支撑，和机舱底座对应协同支撑机舱；所述中空圆盘体为悬浮支撑体，上端面依次布置外圆环带、定子环带以及内圆环带，所述外圆环带内设有引导柱槽，柱槽内侧设置滚柱，减小零悬浮气隙下机舱偏航纵向摩擦；所述悬浮支撑体内部放置偏航驱动的偏航转盘，屏蔽外部磁场对偏航转矩磁通耦合。所述悬浮变流器是两相H桥变流器，定子悬浮电流由H桥变流器改变电流方向和大小，与永磁体环带产生大小和方向可调的电磁力，稳定悬浮机舱。
所述偏航转盘内嵌的三相对称绕组由三相双向PWM变流器供电，偏航转盘中心与偏航中轴刚性连接，确保偏航转矩气隙恒定；偏航中轴上端与主动轮刚性连接，通过主动轮与传动轴轮啮合以及经由内齿调速圈啮合，逐级传输偏航力矩。
本发明所带来的有益效果是：
1)本发明将机舱旋转体、复合塔架和偏航驱动纳为一体并有机耦合，有效降低了机舱悬浮气隙和偏航电磁转矩之间的约束关系，解决了风机小悬浮气隙无法偏航问题，极大降低悬浮功耗和偏航功耗，提高了风能利用率。
2)本发明可实现无悬浮气隙下的机舱旋转体偏航对风和侧偏保护，并经由悬浮电流方向和大小改变调控偏航负载转矩，特别是球柱环带和引导柱槽的引入，极大提高了风机风机偏航对风和侧偏保护的安全性和可靠性。
3)本发明将机舱偏航和偏航驱动有效解耦，减小了风速波动对偏航转速控制的影响，较快的偏航驱动响应速度可有效降低了机舱悬浮对偏航驱动的影响，极大降低了机舱偏航转速控制的难度。
附图说明
图1混合悬浮气隙调整型风机偏航系统基本结构图。
图2机舱旋转体仰视图。
图3机舱悬浮支撑体俯视图。
图4引导柱槽截面图。
图5两变流器控制示意图。
图6混合悬浮气隙调整型风机偏航系统控制机制图。
图中1.风机桨叶，2.发电机轴，3.发电机，4.机舱旋转体，5.风速风向仪，6.机舱底座，7.球柱式引导环带，8.永磁体环带，9.内齿调速圈，10.传动轴轮，11.主动轮，12.偏航中轴，13.传动中轴，14.压力传感器，15.引导柱槽，16.定子环带，17.三相绕组，18.偏航转盘，19.外圆环带，20.塔架，21.柱状滚子，22.H桥变流器，23.双向PWM变流器，23.内圆环带。
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。
本发明所公布的悬浮气隙调整型风机偏航系统，包括机舱旋转体4、复合塔架和偏航驱动三位一体结构。其中机舱旋转体4包括风机桨叶1、发电机轴2、发电机3、风速风向仪5、机舱底座6、球柱式引导环带7、永磁体环带8、内齿调速圈9；复合塔架包括悬浮支撑体19、定子环带16、传动中轴13、压力传感器14、引导柱槽15、塔架20、柱状滚子21；偏航驱动包括传动轴轮10、主动轮11、偏航中轴12、三相对称绕组17、偏航转盘18。
本发明公布的混合悬浮气隙调整型风机偏航系统工作机制如图5所示，机舱偏航是在机舱旋转体、复合塔架和偏航驱动共同工作下完成，复合塔架定子绕组16和机舱旋转体永磁体环8产生悬浮斥力，驱动机舱悬浮，内齿调速圈9与传动轴轮10发生轴向位移，机舱悬浮，此时偏航转盘18通入三相交流电，偏航转盘18旋转驱动偏航。风机机舱偏航可分为系统初始化、数据采集计算、偏航判断、悬浮准备、机舱悬浮、机舱偏航、机舱降落和结束，实现机舱变气隙悬浮偏航对风和侧偏保护。
1)数据采集。DSP28035实时采集风速、偏航角度θ、偏航转速ω、悬浮气隙δ、机舱旋转体压力F，接收来自于机舱风电机组控制传输的发电机输出功率Pw；
2)偏航判断。风机偏航主要实现风机正面迎风，或者对发电机进行侧偏保护，确保发电机输出功率小于其额定功率，偏航条件包括偏航角度θ和发电机输出功率Pw.。当风速风向仪5检测偏航角度θ＞θmin最小偏航角度，或者发电机输出功率Pw>PN风电机组额定功率，风机满足偏航条件；
3)悬浮准备。由于机舱旋转体较大的质量，悬浮速度、悬浮状态以及偏航速度等严重影响风电系统安全性，为此机舱悬浮前必需进行悬浮和偏航准备。根据采集的偏航角度以及压力传感器14分别计算风机偏航负载转矩和机舱旋转体的悬浮力，给出定子绕组16悬浮电流。结合偏航负载转矩以及定子绕组悬浮电流，计算机舱偏航三相电流，藉此判断风机偏航状态，无悬浮气隙下偏航还是机舱悬浮下偏航。
4)机舱悬浮。机舱悬浮包括无悬浮气隙和固定悬浮气隙δref等两种悬浮状态。其中无悬浮气隙状态主要用于降低机舱旋转体压力所致摩擦损耗，调整悬浮电流用于调控偏航负载转矩，H桥变流器22向定子绕组16通电，电流调控是基于机舱旋转体压力闭环控制而实现的，定子绕组16中的悬浮电流与永磁体环带8协同产生悬浮斥力，改变机舱旋转体偏航负载转矩；固定悬浮气隙机舱悬浮是基于固定悬浮气隙δref的闭环控制而实现的，H桥变流器22通入定子绕组16的悬浮电流，定子绕组16和机舱旋转体中永磁体环带8产生悬浮斥力，起浮机舱旋转体，内齿调速圈9与传动轴轮10发生轴向位移，机舱旋转体逐步脱离复合塔架支撑，悬浮气隙δ逐步逼近固定悬浮气隙δref，直至满足条件|δ-δref|≤δmin，其中δmin为最小气隙偏差。
5)机舱偏航。机舱偏航存在无悬浮气隙下机舱偏航和固定悬浮气隙下偏航，根据偏航目的又可分为偏航对风和侧偏保护两种。无悬浮气隙下偏航是基于压力传感器14获取复合塔架压力，动态调控偏航负载转矩，偏航转盘18三相对称绕组17电流是基于偏航转盘转速闭环控制实现的，机舱旋转体4在球柱式引导环带7和引导柱槽15引导下旋转偏航；固定悬浮气隙下机舱偏航，是H桥变流器22和双向PWM变流器23协同控制电流完成，机舱悬浮稳定后，起动双向PWM变流器23向三相对称绕组17通入三相对称交流电，三相对称绕组17在定子环带16励磁作用下，偏航转盘18产生电磁转矩，电磁转矩由偏航中轴12传递至主动轮11，主动轮11则与传动轴轮10啮合，进而驱动内齿调速圈9，最终驱动机舱旋转体偏航对风或侧偏保护，由此完成偏航转盘18的高转速小力矩到机舱旋转体上的低转速大转矩的高效转化，最终实现机舱偏航对风或侧风保护。
6)机舱降落。当风速风向仪5检测到偏航角度θ≤θmin或Pw＝PN，机舱偏航结束，双向PWM变流器23首先停止向三相对称绕组17供电，接着调控H桥变流器22电流，使机舱悬浮气隙或复合塔架压力逐步减小至0，最终由悬浮支撑体19支撑机舱，机舱偏航结束。
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 (1)
1.一种应用于大中型风电机组的混合悬浮气隙调整型风机偏航系统，其特征是包括机舱旋转体、复合塔架和偏航驱动三部分，动态调整悬浮气隙和偏航转矩，实现机舱偏航对风和侧偏保护；所述机舱旋转体为机舱、机舱底座、永磁体环带以及内齿调速圈刚性一体化结构，配合复合塔架和偏航驱动共同完成机舱悬浮和偏航对风；所述复合塔架由悬浮支撑体和塔架共同组成，用于支撑或悬浮机舱，所述悬浮支撑体包括外圆环带、定子环带、内圆环带，用于非悬浮状态下的机舱支撑以及零悬浮气隙下偏航引导，外圆环带上端面埋置对称排列的8个压力传感器，检测机舱对复合塔架压力，控制无悬浮气隙悬浮定子电流；定子环带上端内嵌定子绕组，分别由与永磁体环带相对应的电磁绕组串联而成，定子绕组由悬浮变流器供电，与永磁体环带一起协同变气隙悬浮机舱；内圆环带有三个轴中心线夹角120度对称排列的传动中轴，固定传动轴轮旋转位置，实现传动力矩固定变比传动；所述偏航驱动内嵌于悬浮支撑体中，由偏航转盘、偏航中轴、主动轮与传动轴轮共同组成，所述偏航转盘内嵌三相对称绕组，在定子绕组配合下产生偏航电磁转矩，并实现变比调整驱动机舱偏航；
所述机舱底座为设置在机舱底部且与机舱刚性连接的环形体，下端面为球柱式引导环带，与复合塔架外圆环带上引导柱槽，协同引导机舱偏航，支撑机舱；所述永磁体环带是由八对N极和S极交错排列的永磁体圆环带构成，安装在机舱底座内侧下端，与定子环带对应排列，并内侧刚性联接内齿调速圈，所述内齿调速圈和3个对称分布的传动轴轮机械耦合，永磁体环带和定子绕组环带间产生悬浮斥力，驱动内齿调速圈与传动轴轮轴向偏移，机舱完全悬浮，内齿调速齿圈和传动轴轮之间固定变比传递偏航转矩，驱动机舱旋转；
所述复合塔架为上端中空圆盘体的塔架支撑，和机舱底座对应协同支撑机舱；所述中空圆盘体为悬浮支撑体，上端面依次布置外圆环带、定子环带以及内圆环带，所述外圆环带内设有引导柱槽，柱槽内侧设置滚柱，减小零悬浮气隙下机舱偏航纵向摩擦；所述悬浮支撑体内部放置偏航驱动的偏航转盘，屏蔽外部磁场对偏航转矩磁通耦合；所述悬浮变流器是两相H桥变流器，定子悬浮电流由H桥变流器改变电流方向和大小，与永磁体环带产生大小和方向可调的电磁力，稳定悬浮机舱；所述偏航转盘内嵌的三相对称绕组由三相双向PWM变流器供电，偏航转盘中心与偏航中轴刚性连接，确保偏航转矩气隙恒定；偏航中轴上端与主动轮刚性连接，通过主动轮与传动轴轮啮合以及经由内齿调速圈啮合，逐级传输偏航力矩；
所述混合悬浮气隙调整型风机偏航系统的工作模式及控制方法包括数据采集、偏航判断、悬浮准备、机舱悬浮、机舱偏航、机舱降落，实现机舱变气隙悬浮偏航对风和侧偏保护：
1）数据采集，实时采集风速、偏航角度、偏航转速、悬浮气隙、机舱旋转体压力F，
接收来自机舱风电机组控制传输的发电机输出功率P w；
2）偏航判断，风机偏航主要实现风机正面迎风，或者对发电机进行侧偏保护，偏航条件
包括偏航角度和发电机输出功率P w，当风速风向仪检测θ>θ min最小偏航角度，或者发电机
输出功率P w>P N风电机组额定功率，风机满足偏航条件；
3）悬浮准备，根据采集的偏航角度以及压力传感器分别计算风机偏航负载转矩和机舱旋转体的悬浮力，给出定子绕组悬浮电流，结合偏航负载转矩以及定子绕组悬浮电流，计算机舱偏航三相电流，藉此判断风机偏航状态，无悬浮气隙下偏航还是机舱悬浮下偏航；
4）机舱悬浮，机舱悬浮包括无悬浮气隙和固定悬浮气隙两种悬浮状态，无悬浮气
隙状态主要用于降低机舱旋转体压力所致摩擦损耗，调整悬浮电流用于调控偏航负载转
矩，H桥变流器向定子绕组通电，电流调控是基于机舱旋转体压力闭环控制而实现的，定子
绕组中的悬浮电流与永磁体环带协同产生悬浮斥力，改变机舱旋转体偏航负载转矩；固定
悬浮气隙机舱悬浮是基于固定悬浮气隙的闭环控制而实现的，H桥变流器通入定子绕组的
悬浮电流，定子绕组和机舱旋转体中永磁体环带产生悬浮斥力，起浮机舱旋转体，内齿调速
圈与传动轴轮发生轴向位移，机舱旋转体逐步脱离复合塔架支撑，悬浮气隙逐步逼近固
定悬浮气隙，直至满足条件，其中为最小气隙偏差；
5）机舱偏航，机舱偏航存在无悬浮气隙下机舱偏航和固定悬浮气隙下偏航，根据偏航目的分为偏航对风和侧偏保护两种，无悬浮气隙下偏航是基于压力传感器获取复合塔架压力，动态调控偏航负载转矩，偏航转盘三相对称绕组电流是基于偏航转盘转速闭环控制实现的，机舱旋转体在球柱式引导环带和引导柱槽引导下旋转偏航；固定悬浮气隙下机舱偏航，是H桥变流器和双向PWM变流器协同控制电流完成，机舱悬浮稳定后，起动双向PWM变流器向三相对称绕组通入三相对称交流电，三相对称绕组在定子环带励磁作用下，偏航转盘产生电磁转矩，电磁转矩由偏航中轴传递至主动轮，主动轮则与传动轴轮啮合，进而驱动内齿调速圈，最终驱动机舱旋转体偏航对风或侧偏保护，由此完成偏航转盘的高转速小力矩到机舱旋转体上的低转速大转矩的高效转化，最终实现机舱偏航对风或侧风保护；
6）机舱降落，当风速风向仪检测到偏航角度或P w=P N，机舱偏航结束，双向PWM
变流器首先停止向三相对称绕组供电，接着调控H桥变流器电流，使机舱悬浮气隙或复合塔
架压力逐步减小至0，最终由悬浮支撑体支撑机舱，机舱偏航结束。
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