CN109578211A - 发电机落地型t轴混合传动变桨变速风力发电机及控制法 - Google Patents

发电机落地型t轴混合传动变桨变速风力发电机及控制法 Download PDF

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陈雷
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姜立兵
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许增金
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李媛
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陈宏亮
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Abstract

发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机及控制法，该发电机组主要通过设置两台小型的增速箱，塔顶放置一台增速箱(4)和塔底放置一台增速箱(17)实现；该发电机组包括主轴（2）、塔顶增速箱（4）、竖直传动轴（11）、底段塔筒（16）和安装在塔底的塔底增速箱（17）；该设计发明改进电机结构，一种新型多相永磁电机在该发明被应用。模糊PID变桨距控制技术改变垂直轴风力发电机的桨距角来控制叶片攻角的变化，从而改善叶片的气动性能，达到提高风能利用率的目的。

Description

发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机及控制法
技术领域
本发明属于风力发电领域，该发明具体是一种T轴混合传动(发电机落地型)变桨变速风力发电机组。
背景技术
风力发电机工作装置通常都位于几十米高的塔筒顶端机舱内，其主要构成为风轮装置、主轴装置、增速箱装置、偏航装置、发电机装置及辅助装置，各部件通过水平主轴连接起来，其中发电机重量占据整个机舱重量1/4～1/2。过重的机舱重量导致塔筒直径、壁厚及连接尺寸加大，同时也导致塔筒固有频率下降，使之更接近风轮一阶频率及叶片的通过频率，会给风机的运转带来潜在危害，降低风力发电机风轮及机舱重量无疑是解决上述问题的最佳途径。
发明内容
发明目的：本发明提供一种发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机组，其目的是通过智能控制，将一种采用混合轴设计的风轮能量经由该传动系统将能量传至放置于地面的发电机以减轻机舱重量，或将功率用于驱动其它地面设备，同时将多相发电机应用在该风电系统中，增加系统冗余设计，提高设备运行安全性，降低设备的维护，以解决以往所存在的问题。
技术方案：本发明是按照以下技术方案实施的：
一种发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：该发电机组主要通过设置两台小型的增速箱，塔顶放置一台增速箱(4)和塔底放置一台增速箱(17)实现；
该发电机组包括主轴(2)、塔顶增速箱(4)、竖直传动轴(11)、底段塔筒(16)和安装在塔底的塔底增速箱(17)；
横向的主轴(2)末端悬臂端套装增速箱(4)，增速箱(4)的输出轴连接竖向的竖直传动轴(11)，竖直传动轴(11)与主轴(2)形成“T”型结构；竖直传动轴(11)的底部连接至底段塔筒(16)内的塔底增速箱(17)，该结构特点为将原来单一位于塔顶的大速比增速箱改变为两个尺寸速比均较小的两个小型增速箱，分别置于塔顶和塔底，增速同时，改变传动方向，降低塔顶增速箱体积，便于安装维护，实现了主轴混合传动，同时降低了机舱重量，高速端在塔底，塔底增速箱及发电机都便于维护。(塔顶增速箱(14)和塔底增速箱(17)为常规结构，这里主要强调水平转垂直传动整体结构，增速箱无特殊要求)。
主轴(2)通过主轴承座(3)支撑，主轴(2)和主轴承座(3)构成的主轴装置，主轴装置中的两个轴承座(3)，用钢管刚性焊接成一体，用来支撑主轴(2)；
增速箱(4)用弹性减振支座(7)支撑在机舱底盘上。
增速箱(4)外壳用销轴支撑在机舱底盘上。
传动轴(11)自上而下分为多段，增速箱(4)的输出轴通过挠性联轴器(9)连接至最上端的传动轴(11)，相邻的两段传动轴(11)之间通过挠性联轴器(13)连接。
竖直传动轴(11)设置在塔筒(15)内，塔筒(15)分为多段，每个竖直传动轴(11)对应一段塔筒(15)，竖直传动轴(11)通过塔筒(15)上下两端的传动轴轴承(10)支撑。
塔底增速箱(17)连接至放置于塔底的发电机(18)。
塔底的发电机(18)连接变频器(19)。
该发电机(18)为9相永磁风力发电机，它是一种多冗余度无刷永磁电机，发电机(18)整体结构为单定子铁芯(01)和单转子铁芯结构，单转子设置在单定子内，转子采用永磁磁极(03)，相对于有刷电机，该电机为无刷永磁电机，消除换向装置对电机稳定性带来的影响。(这里主要对比有刷交流电机)，定子绕组(02)设置在单定子铁芯(01)槽内侧，定子绕组(02)采用九相绕组设计，每三相绕组并绕成一套独立绕组，整机绕组由三套定子绕组(02)组合而成；此三套绕组按一定空间角度，每套绕组空间间隔20度隔离放置，每套单独绕组均可独立运行发电，正常工作时三套绕组联合发电。
利用上述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机所实施的控制方法，其特征在于：
该方法采用模糊控制与PID控制相结合的复合变桨距控制策略对额定风速之上的风电机组恒功率阶段进行变桨距控制，按照控制结构分为模糊前馈控制和模糊自适应PID控制；模糊自适应PID控制实现风电机组最大功率跟踪控制；当风速低于额定风速时，通过调节变流器控制发电机转矩保持风能利用系数最大值，从而提高风电机组功率；当风速超过额定风速时，改变桨距角限制风轮转速，使风电机组的输出功率稳定在额定值附近；模糊前馈控制根据风速扰动输出前馈桨距角βf，对被控量所受的扰动进行补偿；前馈桨距角与模糊自适应PID控制的桨距角βu运算后的桨距角给定值βr发送给变桨执行机构，控制变桨驱动电机，实现风电机组的变桨控制。
优点效果：
一种T轴混合传动(发电机落地型)变桨变速风力发电机组，⑴模糊控制与PID控制相结合的复合变桨距控制策略对额定风速之上的风电机组恒功率阶段进行变桨距控制，变桨距控制框图如图3所示。按照控制结构可分为模糊前馈控制和模糊自适应PID控制。模糊自适应PID控制实现风电机组最大功率跟踪控制。当风速低于额定风速时，通过调节变流器控制发电机转矩保持风能利用系数最大值，从而提高风电机组功率；当风速超过额定风速时，改变桨距角限制风轮转速，使风电机组的输出功率稳定在额定值附近。模糊前馈控制根据风速扰动输出前馈桨距角βf，对被控量所受的扰动进行补偿。前馈桨距角与模糊自适应PID控制的桨距角βu运算后的桨距角给定值βr发送给变桨执行机构，控制变桨驱动电机，实现风电机组的变桨控制。
⑵风力发电机功率输出端设备落地布置，设计的传动机构通过主轴——塔顶增速——转向——竖直轴传动——落地——塔底二次增速——发电机(或其它地面装置)这样一系列传动路线，如图1所示。水平主轴装置采用双轴承支撑；增速箱被挑在主轴末端，其输出轴转为竖直方向；塔筒内数段传动轴将功率传至塔底；塔底经过二次增速及转向后输出给发电机或其它动力装置。将塔顶风轮获得的风功率传至地面。
⑶该发明电机具体设计为9相永磁风力发电机，它是一种多冗余度无刷永磁电机，主要技术特点：电机整体结构为单定子和单转子铁芯结构，转子采用永磁磁极无换向装置，定子绕组采用九相绕组设计，每三相绕组并绕成一套独立绕组，整机绕组由三套定子绕组组合而成；此三套绕组按一定空间角度隔离放置，每套单独绕组均可独立运行发电，正常工作时三套绕组联合发电。它能保证在正常工作的时候相邻绕组不影响彼此发电，在一套绕组或者两套绕组发生故障损坏的时候发电机仍然能够给负载提供电能。当电机某相绕组发生故障的时候，通过切除故障绕组对应的三相绕组，仍然可以实现风电机组连续运行。
同时机舱重量的降低又可以允许增高塔筒，使得风力发电机能在更宽广的风速下运转。而降低机舱重量的措施之一就是将发电机及增速箱等设备移至地面，通过较长的传动轴将风轮的转动能量传至地面。同时，放置于地面的发电机及增速箱等设备也便于维护。同时，为了降低系统运行维护费用，提高风力发电机冗余，该设计发明改进电机结构，一种新型多相永磁电机在该发明被应用。模糊PID变桨距控制技术改变垂直轴风力发电机的桨距角来控制叶片攻角的变化，从而改善叶片的气动性能，达到提高风能利用率的目的。
附图说明
图1为本发明整机结构示意图，图2为9相永磁电机结构示意图，图3为模糊自适应PID变桨距控制框图。
图1中，标号1―风轮 2―主轴 3―主轴承座 4―增速箱 5―空心轴 6―锁紧盘联轴器 7―减振支座 8―偏航轴承 9―挠性联轴器 10―传动轴轴承 11―传动轴 12―顶部塔筒 13―挠性联轴器 14—塔筒连接螺栓 15—中间塔筒 16—底段塔筒 17—塔底增速箱18—发电机 19—变频器。
图2中，标号1―发电机铁芯 2―发电机定子绕组 3―发电机转子永磁 4―转子铁芯
具体实施方式
一种发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：该发电机组主要通过设置两台小型的增速箱，塔顶放置一台增速箱(4)和塔底放置一台增速箱(17)实现；
该发电机组包括主轴(2)、塔顶增速箱(4)、竖直传动轴(11)、底段塔筒(16)和安装在塔底的塔底增速箱(17)；
横向的主轴(2)末端悬臂端套装增速箱(4)，增速箱(4)的输出轴连接竖向的竖直传动轴(11)，竖直传动轴(11)与主轴(2)形成“T”型结构；竖直传动轴(11)的底部连接至底段塔筒(16)内的塔底增速箱(17)，该结构特点为将原来单一位于塔顶的大速比增速箱改变为两个尺寸速比均较小的两个小型增速箱，分别置于塔顶和塔底，增速同时，改变传动方向，降低塔顶增速箱体积，便于安装维护，实现了主轴混合传动，同时降低了机舱重量，高速端在塔底，塔底增速箱及发电机都便于维护。(塔顶增速箱(14)和塔底增速箱(17)为常规结构，这里主要强调水平转垂直传动整体结构，增速箱无特殊要求)。
增速箱(4)外壳用销轴支撑在机舱底盘上。
传动轴(11)自上而下分为多段，增速箱(4)的输出轴通过挠性联轴器(9)连接至最上端的传动轴(11)，相邻的两段传动轴(11)之间通过挠性联轴器(13)连接。
竖直传动轴(11)设置在塔筒(15)内，塔筒(15)分为多段，每个竖直传动轴(11)对应一段塔筒(15)，竖直传动轴(11)通过塔筒(15)上下两端的传动轴轴承(10)支撑。
塔底增速箱(17)连接至放置于塔底的发电机(18)。
塔底的发电机(18)连接变频器(19)。
该发电机(18)为9相永磁风力发电机，它是一种多冗余度无刷永磁电机，发电机(18)整体结构为单定子铁芯(01)和单转子铁芯结构，单转子设置在单定子内，转子采用永磁磁极(03)，相对于有刷电机，该电机为无刷永磁电机，消除换向装置对电机稳定性带来的影响。(这里主要对比有刷交流电机)，定子绕组(02)设置在单定子铁芯(01)槽内侧，定子绕组(02)采用九相绕组设计，每三相绕组并绕成一套独立绕组，整机绕组由三套定子绕组(02)组合而成；此三套绕组按一定空间角度，每套绕组空间间隔20度隔离放置，每套单独绕组均可独立运行发电，正常工作时三套绕组联合发电。
利用上述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机所实施的控制方法，其特征在于：
该方法采用模糊控制与PID控制相结合的复合变桨距控制策略对额定风速之上的风电机组恒功率阶段进行变桨距控制，按照控制结构分为模糊前馈控制和模糊自适应PID控制；模糊自适应PID控制实现风电机组最大功率跟踪控制；当风速低于额定风速时，通过调节变流器控制发电机转矩保持风能利用系数最大值，从而提高风电机组功率；当风速超过额定风速时，改变桨距角限制风轮转速，使风电机组的输出功率稳定在额定值附近；模糊前馈控制根据风速扰动输出前馈桨距角βf，对被控量所受的扰动进行补偿；前馈桨距角与模糊自适应PID控制的桨距角βu运算后的桨距角给定值βr发送给变桨执行机构，控制变桨驱动电机，实现风电机组的变桨控制。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。
本发明设计实现主要分为八个部分：水平主轴装置、塔顶增速箱(4)、联轴器(9)、垂直传动轴(11)、塔底增速箱(17)、发电机及其控制器(18)、变桨机构、偏航控制机构，具体见附图1。主轴装置中的两个轴承座(3)，用来支撑主轴(2)；主轴(2)末端悬臂端套装一个增速箱(4)，这样做的好处是齿轮箱(4)随主轴(2)可自由摇摆晃动，但并不影响箱内齿轮的啮合。齿轮箱(4)输入轴为空心轴(5)，主轴(2)末端穿过空心轴(5)，在端头处用锁紧盘式联轴器(6)将主轴(2)与空心轴(5)锁紧连接成一体，增速箱(4)用弹性减振支座(7)支撑在机舱底盘上。增速箱(4)将主轴(2)输入的转速增加到适当值，并经其中的锥齿轮将输出轴方向转向沿塔筒(12)中心向下，转速的增加值使得分段直到塔底的传动轴(11)转速不至于过高造成自身振动及晃动，又不会引起与塔筒(12)、(15)、(16)的共振。为防止套装的增速箱(4)绕主轴(2)转动，增速箱(4)外壳用销轴支撑在机舱底盘上。增速箱(4)输出轴端是一个挠性联轴器(9)，它把增速箱(4)输出轴与塔筒(12)中的传动轴(11)挠性的连接在一起，可补偿由于增速箱(4)和塔筒(12)的晃动及变形引起的轴线不对中。由于塔筒较高，需要有几段塔筒(15)，每节塔筒中都有一段传动轴(11)，被该段塔筒两端的传动轴轴承(10)支撑，各节塔筒(15)用塔筒连接螺栓(14)连接在一起后，彼此轴头用用挠性联轴器(13)连接起来。在底段塔筒(16)的最底端或者任意高度位置，安装塔底增速箱(17)进行二次增速，使转速达到多相发电机(18)，根据负载变化，发电机(18)输出相应功率。多相发电机(18)被应用。另外，根据本发明情况，也可以把输出轴引致塔筒外，带动塔筒外的发电机等动力装置。该机械装置将增速箱分成塔顶增速箱(4)和塔底增速箱(17)，进行二次增速，其中塔顶增速箱将主轴(2)转速增至适当转速。
风力发电机功率输出端设备落地布置，设计的传动机构通过主轴——塔顶增速——转向——竖直轴传动——落地——塔底二次增速——发电机(或其它地面装置)这样一系列传动路线，如图1所示。水平主轴装置采用双轴承支撑；增速箱被挑在主轴末端，其输出轴转为竖直方向；塔筒内数段传动轴将功率传至塔底；塔底经过二次增速及转向后输出给发电机或其它动力装置。将塔顶风轮获得的风功率传至地面。
该发明电机具体设计为9相永磁风力发电机，它是一种多冗余度无刷永磁电机，主要技术特点：电机整体结构为单定子和单转子铁芯结构，转子采用永磁磁极无换向装置，定子绕组采用九相绕组设计，每三相绕组并绕成一套独立绕组，整机绕组由三套定子绕组组合而成；此三套绕组按一定空间角度隔离放置，每套单独绕组均可独立运行发电，正常工作时三套绕组联合发电。它能保证在正常工作的时候相邻绕组不影响彼此发电，在一套绕组或者两套绕组发生故障损坏的时候发电机仍然能够给负载提供电能。当电机某相绕组发生故障的时候，通过切除故障绕组对应的三相绕组，仍然可以实现风电机组连续运行。
本发明属于风力发电领域，该发明具体是一种T轴混合传动(发电机落地型)变桨变速风力发电机组，
(1)传统风机为水平轴旋转模式，该模式风能利用率较低，垂直轴电机设计复杂，目前还难于解决核心设计问题，本发明提出混合T型轴是将水平和垂直相结合，风力发电机功率输出端设备落地布置，桨叶到变桨机构设计为水平轴运动，一种传动机构通过水平主轴装置采用双轴承支撑；增速箱被挑在主轴末端，其输出轴转为竖直方向；塔筒内数段传动轴将功率传至塔底；塔底经过二次增速及转向后输出给发电机或其它动力装置，从而实现风机从水平到垂直改变，提高风机效率。
(2)模糊自适应PID复合变桨距控制策略对混合Γ型轴风力发电机实现精确控制，模糊自适应PID控制可实现风电机组最大功率跟踪控制。当风速低于额定风速时，通过调节变流器控制发电机转矩保持风能利用系数最大值，从而提高风电机组功率；当风速超过额定风速时，改变桨距角限制风轮转速，使风电机组的输出功率稳定在额定值附近。模糊前馈控制根据风速扰动输出前馈桨距角βf，对被控量所受的扰动进行补偿。前馈桨距角与模糊自适应PID控制的桨距角βu运算后的桨距角给定值βr发送给变桨执行机构，控制变桨驱动电机，实现风电机组的变桨控制。
(3)一种新型多相永磁风力发电机被应用该设计方案中，主要是解决风机的冗余度控制等技术问题，提供了发电机冗余度的设计原则及设计方法。其技术方案要点是：整体结构为单定子和单转子铁芯结构，转子采用高效能永磁磁极，定子绕组采用九相绕组设计，每三相绕组并绕成一套独立绕组，整机绕组由三套定子绕组组合而成；此三套绕组按一定空间角度隔离放置，每套单独绕组均可独立运行发电，正常工作时三套绕组联合发电，保证在正常工作的时候相邻绕组不影响彼此发电，此电机同时具有同步电机的特点，在一套绕组或者两套绕组发生故障损坏的时候发电机仍然能够给负载提供电能。当电机某相绕组发生故障的时候，通过切除故障绕组对应的三相绕组，仍然可以实现风电机组连续运行。
综上，模糊与PID控制相结合控制方法，首次应用在混合Γ型轴风机，精度高，响应速度快，适用于解决这种复杂控制系统，有利于提高风电机组功率输出和稳定性。水平主轴(2),通过增速箱(4)及挠性联轴器(9)，实现风机水平旋转到垂直运动的变换。基于模糊控制的主动偏航控制被应用在复杂传动系统中。塔顶增速箱将输出轴头转向沿塔筒轴线，其方式不仅限于锥齿轮及蜗轮蜗杆。

Claims (8)

1.一种发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：该发电机组主要通过设置两台小型的增速箱，塔顶放置一台增速箱(4)和塔底放置一台增速箱(17)实现；
该发电机组包括主轴(2)、塔顶增速箱(4)、竖直传动轴(11)、底段塔筒(16)和安装在塔底的塔底增速箱(17)；
横向的主轴(2)末端悬臂端套装增速箱(4)，增速箱(4)的输出轴连接竖向的竖直传动轴(11)，竖直传动轴(11)与主轴(2)形成“T”型结构；竖直传动轴(11)的底部连接至底段塔筒(16)内的塔底增速箱(17)。
2.根据权利要求1所述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：增速箱(4)外壳用销轴支撑在机舱底盘上。
3.根据权利要求1所述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：传动轴(11)自上而下分为多段，增速箱(4)的输出轴通过挠性联轴器(9)连接至最上端的传动轴(11)，相邻的两段传动轴(11)之间通过挠性联轴器(13)连接。
4.根据权利要求3所述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：竖直传动轴(11)设置在塔筒(15)内，塔筒(15)分为多段，每个竖直传动轴(11)对应一段塔筒(15)，竖直传动轴(11)通过塔筒(15)上下两端的传动轴轴承(10)支撑。
5.根据权利要求3所述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：塔底增速箱(17)连接至放置于塔底的发电机(18)。
6.根据权利要求5所述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：塔底的发电机(18)连接变频器(19)。
7.根据权利要求5或6所述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机，其特征在于：该发电机(18)为9相永磁风力发电机，它是一种多冗余度无刷永磁电机，发电机(18)整体结构为单定子铁芯(01)和单转子铁芯结构，单转子设置在单定子内，转子采用永磁磁极(03)，相对于有刷电机，该电机为无刷永磁电机，消除换向装置对电机稳定性带来的影响。(这里主要对比有刷交流电机)，定子绕组(02)设置在单定子铁芯(01)槽内侧，定子绕组(02)采用九相绕组设计，每三相绕组并绕成一套独立绕组，整机绕组由三套定子绕组(02)组合而成；此三套绕组按一定空间角度，每套绕组空间间隔20度隔离放置，每套单独绕组均独立运行发电，正常工作时三套绕组联合发电。
8.利用权利要求1所述的发电机落地型T轴混合传动变桨变速风力发电机所实施的控制方法，其特征在于：
该方法采用模糊控制与PID控制相结合的复合变桨距控制策略对额定风速之上的风电机组恒功率阶段进行变桨距控制，按照控制结构分为模糊前馈控制和模糊自适应PID控制；模糊自适应PID控制实现风电机组最大功率跟踪控制；当风速低于额定风速时，通过调节变流器控制发电机转矩保持风能利用系数最大值，从而提高风电机组功率；当风速超过额定风速时，改变桨距角限制风轮转速，使风电机组的输出功率稳定在额定值附近；模糊前馈控制根据风速扰动输出前馈桨距角βf，对被控量所受的扰动进行补偿；前馈桨距角与模糊自适应PID控制的桨距角βu运算后的桨距角给定值βr发送给变桨执行机构，控制变桨驱动电机，实现风电机组的变桨控制。
CN201811079163.8A 2018-09-17 2018-09-17 发电机落地型t轴混合传动变桨变速风力发电机及控制法 Pending CN109578211A (zh)

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