CN1427149A - 兆瓦级变速恒频风电机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机组系统，适合在兆瓦级变速恒频风力发电站使用，其结构由风轮、轮毂、变桨距装置、主轴轴承、偏航总成、主轴、机舱底盘、塔筒、增速箱、机舱、高速制动器、连轴器、双馈发电机、冷热循环系统、液压系统组成，利用风力机的风轮转子作为原动机，经过风轮传递给传动机构，经齿轮箱增速，带动可双向变流的发电机转子转动，并将发电机定子并入电网，向电网输送电力，完成风能—机械能—电能的转换，机组运行时，由控制系统完成全部监控和自动无人职守运行控制，提高了风力机的运行效率，从风中获得的能量可以比恒速风力机高20％以上；同时，使机组根据风速变速运行，吸收和缓解阵风能量对机组的冲击，大大提高风电机组的使用寿命。

Description

兆瓦级变速恒频风电机组

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组系统，适合在兆瓦级变速恒频风力发电站使用。

发明背景

目前，我国并网风电机组主要有两种机型，一种为定桨距失速型风电机组；另一种为变桨距功率调节型风电机组，且两种机型都已研制出600KW的样机，然而，第一种机型存在着捕风效率低的缺点，第二种机型虽然捕风效率比第一种机型高8-15％左右，但机组受到较强的阵风冲击，使机组风轮和传动系统，轮毂、主轴、齿轮箱及发电机等部件受到强烈的不均匀冲击和震动，因而使用寿命大为降低。

发明内容为解决以上风力发电机结构之不足，本发明目的提供一种兆瓦级变速恒频风电机组，利用风轮叶片变距机构、增速齿轮箱、双馈式交流发电机和变速变距恒频控制系统，使机组风轮以变速运行，可以在较宽的风速范围内保持最佳叶尖速比，从而大大提高了风力机的运行效率。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明兆瓦级变速恒频风电机组主要由图1所示的部件组成，它们是风轮桨叶1，轮毂2，变桨距装置3，主轴轴承4，偏航总成5，主轴6，机舱底盘7，塔筒8，增速箱9，机舱10，高速制动器11，连轴器12，双馈发电机13，同时设有冷热循环系统；液压系统；变速恒频控制系统，由上述主要部件构成了本发明的变速恒频发电机组，也就是常见的风能转换系统，它是利用风力机的风轮转子作为发电机的原动机，经过风轮传递给传动机构，经齿轮箱增速，带动可双向变流的发电机转子转动，并将发电机定子并入电网，向电网输送电力，完成风能——机械能——电能的转换，机组运行时，由控制系统完成全部监控和自动无人职守运行控制。

其联接是：前面为三支叶片组成的风轮，固定在支撑叶片的轮毂上，轮毂后面为变桨距装置，侧面为水平主轴轴承，主轴轴承联接主轴，下面装有偏航总成，主轴后面为增速箱，增速箱联接高速制动器，后面为连轴器，连轴器联接发电机，除桨叶之外，全部安装在机舱底盘上，机舱底盘通过偏航回转机构固定在垂直塔筒上。

下面对各部件详细介绍：

叶片：机组叶片为变速变距型叶片，它采用FX77系列翼型，叶片最大弦长为2.2m，叶尖弦长为0.62m，玻璃钢结构，根部由法兰连接，3只叶片分别由法兰盘连接到铸钢轮毂上，轮毂和叶片组成了风轮，当风力吹动叶片产生升力时，便带动了风轮旋转，风电机组的源动力由此产生。

变桨距机构：从图1、2所示，该装置由偏心盘14、关节轴承15、连杆16、推动轴17、回转轴承18、轮毂19、同步盘20、导向杆21、推动杆22、推动轴承23、推动油缸24、桨叶法兰盘25、风轮主轴26和键27组成，两个推动油缸安装在风轮主轴的两侧，并一端与推动轴承的外环连接，而推动轴承的内环与推动杆连接，推动轴承的内环有固定键，随风轮主轴一起转动，并在风轮主轴上面移动，推动杆的另一端与同步盘通过螺栓连接，同步盘安装在导向杆上，并在导向杆上面移动，导向杆固定配合在轮毂上，轮毂通过法兰盘与风轮主轴连接，并与风轮主轴一起转动，推动轴一端通过螺钉固定在同步盘上，另一端装在连杆孔内，连杆的另一端内孔与关节轴承连接，而关节轴承的另一端与偏心盘内孔连接，安装有桨叶的回转轴承通过螺栓固定在轮毂上。

主轴：由单一主轴承和增速箱悬臂支撑，可承受风轮的冲力和扭矩，并将风轮的动力经主轴、传递给增速箱。

偏航系统：由塔架外齿圈，偏航减速机、啮合齿轮、扭缆传感器等组成，当风速的入射角与风轮旋转平面法线偏离5度以上时，机组必须进行对向控制，偏航系统与控制系统和风向检测环节相配合，完成系统的偏航控制，同时，当扭缆传感器动作时，偏航系统可带动整机舱旋转3圈，完成电缆的解绕控制。

机舱底盘：主要由机组的结构钢架，机舱支撑底板，如结构支撑、风轮支撑、主轴支撑等组成。可承受风正面压力、侧面压力及风轮转动引起的各部件结构动力的作用。

齿轮箱也为增速装置(如图5所示)：由风轮主轴28、空心轴29、行星齿轮30、中速轴大齿轮31、高速轴小齿轮32、刹车盘33、高速输出轴34、低速轴大齿轮35、中速轴小齿轮36、刹车钳37、低速轴38、低速轴大齿轮39、箱体40、内齿套41、太阳轮42、内齿轮43、减振器44、箱体支承架45、行星架46、锁紧盘47组成。风轮主轴前端为法兰式与轮毂用螺栓连接，风轮主轴的后端用锁紧盘与行星架无键连接，使主轴和行星架之间没有间隙，行星架随主轴一起转动，三个行星轮120°均布安装在行星架上，三个行星轮分别与太阳轮啮合，将动力传给太阳轮，太阳轮通过内齿套传给低速轴，内齿轮固定在箱体上，内齿轮和行星轴啮合；太阳轮通过内齿套与低速轴联接，低速轴上装有大齿轮，低速轴装在箱体上，与低速轴平行在箱体上还装有中速轴和高速轴，中速轴上有一小齿轮、一大齿轮，高速轴上装有一小齿轮，低速轴上的大齿轮与中速轴的小齿轮啮合，中速轴上的大齿轮与高速轴上的小齿轮啮合；高速输出轴上固定安装有刹车盘，在箱体的中部装有刹车钳；在箱体支承架上装有减振器，并于塔架座盘连接。

机舱总成：包括传动机构、变距机构、发电机、齿轮箱、液压系统、机舱冷热交换系统和机舱箱体等，风电机组的大部分零件置放在机舱中。它由60米高的塔架支撑，经受自然环境中各种风、雨、雪电的考验。

高速制动总成(高速轴机械闸)：主要由刹车片、卡盘闸电机和闸液压站组成，是风电机组最后一道安全屏障，当机组出现故障时，必须能使高速机械闸紧急动作，安全停机。

发电机：本发明采用的是绕线双馈式感应发电机，主要由定子、转子、集电环接线盒、轴承和机座等组成。它是将机械能转换为电能的装置，与其它交流异步发电机不同之处，是发电机转子与电控系统配合可以进行励磁电流调节，进行变速控制和发电机有功控制，也可以使转子发电，向电网馈送多余的电力。

冷热循环系统：主要由机舱排风系统、发电机冷却加热系统、液压油、加热系统、电控柜加热、冷却系统组成，目的是为保证风电机组关键零部件工作在设计的温度范围内，使机组更安全可靠的运行。

液压系统：液压系统主要由液压泵站、控制阀集成块、电液比例阀集成块、液压油缸、蓄能器、连接管路线和闸阀等组成，用于桨叶变距控制、高速轴圆盘刹车和偏航闸的液压锁紧。

控制系统：组成框图见图6，组成有：检测系统52、风轮转子48、传动机构49、双馈发电机定子51、转子50、转差励磁变频电源53和脉宽调制逆变电源55等主要部件。监测系统的传感器是将信号转换成控制器可接收的标准信号，数字信号0～24V，模拟信号4-20mA，送入计算机检测系统45，进行信号处理采样，系统的核心控制器由三部分组成，运行控制器57、变桨距控制器58和变速控制器59，这些控制器的输出直接由控制输出驱动模板60，进行放大分别推动机组的不同功能的伺服电机，由偏航、冷却等伺服电机装置61、液压伺服机构62和机电控制装置63按控制要求动作。变速控制器主电路详见图6，主要有转差励磁变频器、脉宽调制逆变器、直流母线、K1、K2、K3控制接触器、滤波器等组成。其中转差励磁变频器、直流母线和脉宽调制逆变器构成四象限变流器主电路，主电路中直流母线两侧电路的拓扑结构基本相同，主要由IGBT逆变/整流桥和驱动电路组成，他们之间由直流母线电容电阻连接，母线电压视发电机定子和转子发出电压而定，发电机转子发出的电压一般低于定子的电压，当转子向电网馈电时，电路必须采用斩波升压实现逆变上网，本电路在电网侧脉宽调制逆变电源出口接入电感和电容L1、L2、L3、C1、C2、C3，与IGBT脉宽调制相结合，实现转子低电压发电并网能量回馈。同时，这些电容和电感也成为正弦波滤波器的一部分。

2.变速恒频控制原理

本发明机组的变速恒频实现方法采用的是，(如图7所示)双馈发电机方案，既在转子侧接入交—直—交四象限双向变频器，利用转差励磁变频器给双馈电机转子输入低频的励磁电流，采用磁场定向矢量控制技术，通过转子励磁电流的调频、调相和调幅控制，实现发电机的变速、恒频、恒压和功率调节，其控制策略原理框图见图7，控制系统调节有三条主线：(一)以风轮转速优化控制为目标，形成闭环控制环节；由智能模块给出目标转速，并与实际转速相减，得偏差值进入框图5-框图9-框图11进行矢量控制的坐标变换，再进入转差励磁I_rq电流闭环调节，由调节器5对励磁电流信号I_rqi进行比例微分调节，信号输出经电阻换成电压信号，最后叠加成PWM调制输出波，由转子电流输出检测进入坐标变换17，将电流送入比较节点B5，形成励磁电流闭环负反馈调节控制，励磁电流的变化引起转速变化经转速测试环节进入比较节点B1，形成转速的闭环控制；(二)以功率优化控制为目标而形成的2路闭环控制，功率优化包括有功功率的调节和功率因数的调节(本发明为间接调节无功)智能控制模块给出有功功率给定，与实际的有功功率相减后，得到转速偏差，进入调节器2，与另一路经除法器6的转矩分量进入加法器相加之和乘比例因子K_m2，再进入加法器10，由经坐标变换后，作为励磁电流的幅值变化量，由调节器5组成的调节闭环反馈调节系统完成PWM波的调制输出；(三)根据系统的功率特性和风速的特性来确定桨距位置目标和桨距速度调节目标为给定的闭环调节系统，给定与实际桨距位置和速度相减得到偏差信号分别进入H^∞调节器30和PID调节器36，调节信号输出分别驱动液压执行机构，其桨距的位置检测信号作为反馈信号，完成桨距角的目标跟踪控制。

本发明的优点：提高了风力机的运行效率，从风中获得的能量可以比恒速风力机高20％以上；同时，使机组根据风速变速运行，吸收和缓解阵风能量对机组的冲击，从而大大提高风电机组的使用寿命。

附图说明

图1为兆瓦级变速恒频风电机组的总体结构图；

图2为兆瓦级变速恒频风电机组变桨距结构原理图；

图3为兆瓦级变速恒频风电机组变桨距结构侧投影图；

图4为兆瓦级变速恒频风电机组变桨距结构正投影图；

图5为兆瓦级变速恒频风电机组齿轮箱增速装置结构图；

图6为兆瓦级变速恒频风电机组控制器方框图；

图7为兆瓦级变速恒频风电机组变速变距控制实现原理图。

具体实施方式

本发明的风电机组采用了双馈异步发电机和先进的电力电子IGBT控制技术相结合，实现风电机组变速运行状态下最优化能量输出，风电机组发电量的大小除了平均风速和风轮面积的影响以外，主要因素取决于其在不同风速条件下的效率水平。根据空气动力学原理，只有面对风轮叶片翼形的迎角符合叶片的设计时才能获得最佳的效率水平。实际上随着风速和相对于风轮圆周速度由面对风轮的正面气流和侧面气流重合后产生气流角度的不断变化，使传统的定转速风电机组只能在一个风速条件下获得其最佳能量。可变速风力机从原理上打破了前述的限制，实现了机组不受风速约束的全新概念。对于工作范围以内的任何风速，机组均可在极其稳定的高效率状态下运行发电。变速技术的另一主要特征，使它具有使阵风力矩尖峰值变平缓的能力，对于能导致电压波动和损伤传动机构的瞬变力矩，通过风轮转速的增加而得以减弱，同时将阵风能量以转动惯量的形式“贮存”起来，当风速下降时，在控制系统电力电子装置的调控下，将风轮加速时贮存的能量释放出来，以电能的形式重新送入电网。在这里，风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲的作用，保证了风力机内部能量传动部件随应力变化的平稳性，防止破坏性机构应力的产生。因此，在随机变化的风力场中，变速运行的风力发电机比传统的定速运行的风力发电机运转的更加平稳，系统更加可靠；机组彩变距机构进行全翼展变桨距动态功率调节，确保额定风速点以上稳定的额定功率输出，在微风和额定风速下保持叶片上的空气去  处于最佳状态，提高微风发电效率，减小峰值负荷给叶片材料造成的磨损，获得提高整机发电效率和增加安全保护功能的双重效果，变桨距控制系统通过调整叶片角度，可以在很宽的风速范围内运行发电，这和定桨距失速运行的风轮结构所存在的起动风速、额定风速高，额定风速点以上功率丢失的情况相比，显示出技术和经济上的强大优势。另外变距控制可以大大降低风电机组的气动载荷，对超过额定风速运行时的功率调节可以降低风轮所受正面压力和动应力。出现极限风速时，叶片按系统充可以旋转到侧风位，实现软刹车，避免大风给叶轮及整个机组造成损坏；机组将发电系统可变速运行和全翼展变桨距功率调节有机结合，采用先进的计算机智能控制，在获得自身最佳运行特性的同时，可以确保向电网馈送优质电能，利用智能控制技术，可根据风速变化与功率输出和负速与转速的函数关系，优化风力机的转速及功率输出，结合变速变桨距功率调节可以获得高效、平稳的功率输出，这一特性对有限的电网容量下联接更大比例的风电设备具有现实意义。另外，利用磁场定向控制，通过双馈控制，可使发电系统具有同步发电机上网所具有的全部特性。该系统不仅向电网输送有功电能，而且可以通过控制输出电流、电压的相位关系，实现对电网的无功补偿，不必象异步机上网那样必须采用专门的无功率补偿措施。该系统对抑制谐波，改善电网品质，提高电网稳定性及实现电力系统的经济运行都有积极作用。

本机组比定桨距失速型机组提高风能捕获效率20％以上，比恒速变桨距机组的传动机构、风轮等的抗冲击、抗振动性能更好，可提高使用效率5％左右，同时，本机组采用的变速恒频方案，比其它的方案技术性能更好，电控系统成本下降30％左右。

Claims (10)

1、一种兆瓦级变速恒频风电机组，其特征在于该风电机组由风轮桨叶1，轮毂2，变桨距装置3，主轴轴承4，偏航总成5，主轴6，机舱底盘7，塔筒8，增速箱9，机舱10，高速制动器11，连轴器12，双馈发电机13组成，同时设有冷热循环系统；液压系统；变速恒频控制系统，其联接是前面为三支叶片的风轮，固定在支撑叶片的轮毂上，轮毂后面为变桨距装置，侧面为水平主轴轴承，主轴轴承上联接主轴，侧面装有偏航总成，主轴后面为增速箱，增速箱联接高速制动器，后面为连轴器，连轴器联接双馈发电机，除桨叶之外，全部装在机舱内，固定在工盘上，机舱由60m高的塔筒支持。

2、按权利要求1所述的风电机组，其特征在于机组叶片为变速变距型叶片，它采用FX77系列翼型，叶片最大弦长为2.2m，叶尖弦长为0.62m，玻璃钢结构，根部由法兰连接，3只叶片分别由法兰盘连接到铸钢轮毂上，轮毂和叶片组成了风轮，当风力吹动叶片产生升力时，便带动了风轮旋转，风电机组的源动力由此产生。

3、按权利要求1所述的风电机组，其特征在于所述变桨距装置由偏心盘、关节轴承、连杆、推动轴、回转轴承、轮毂、同步盘、导向杆、推动杆、推动轴承、推动油缸、桨叶法兰盘、风轮主轴和键组成，两个推动油缸安装在风轮主轴的两侧，并一端与推动轴承的外环连接，而推动轴承的内环与推动杆连接，推动轴承的内环固定有键，随主轴一起转动，并在风轮主轴上面移动，推动杆的另一端与同步盘通过螺栓连接，同步盘安装在导向杆上，并在导向杆上面移动，导向杆固定配合在轮毂上，风轮主轴前端法兰盘与轮毂连接，推动轴一端固定在同步盘上，另一端装在连杆孔内，连杆的另一端内孔与关节轴承连接，而关节轴承的另一端与偏心盘内孔连接，安装有桨叶的回转轴承固定在轮毂上。

4、按权利要求1所述的风电机组，其特征在于偏航系统由塔架外齿圈，偏航减速机、啮合齿轮、扭缆传感器组成，当风速的入射角与风轮旋转面法线偏离5度以上时，机组必须进行对向控制，偏航系统与控制系统和风向检测环节相配合，完成系统的偏航控制，同时，当扭缆传感器动作时，偏航系统可带动整个机舱旋转3圈，完成电缆的解绕控制。

5、按权利要求1所述的风电机组，其特征在于所述增速齿轮箱由行星机构和平行轴机构两部分构成，风轮主轴用锁紧盘与行星架无键联接，三个行星轮120°均布安装在行星架上，三个行星轮分别与太阳轮啮合，内齿轮固定在箱体上，内齿轮和行星轴啮合，太阳轮通过内齿套同低速轴联接，与低速轴平行在箱体上还装有中速轴和高速输出轴，低速轴上的大齿轮同中速轴上的小齿轮啮合，中速轴上的大齿轮同高速输出轴上的小齿轮啮合。

6、按权利要求1所述的风电机组，其特征在于机舱底盘包括传动机构、变距机构、发电机、齿轮箱、液压系统、机舱冷热交换系统和机舱箱体等，风电机组的大部分零件置放在机舱中它由塔架支撑。

7、按权利要求1所述的风电机组，其特征在于发电机采用的是绕线双馈式感应发电机，主要由定子、转子、接线盒、轴承和机座等组成，它是将机械能转换为电能的装置，与其它交流异步发电机不同之处，是发电机转子与电控系统配合可以进行励磁电流调节，进行变速控制和发电机有功控制，也可以使转子发电，向电网馈送多余的电力。

8、按权利要求1所述的风电机组，其特征在于冷热循环系统主要由机舱排风系统、发电机除湿、冷却系统、液压油冷却系统、电柜加热、冷却系统组成，目的是为保证风电机组关键零件工作在设计的温度内，使机组更安全可靠的运行。

9、按权利要求1所述的风电机组，其特征在于液压系统主要由液压泵站、控制阀集成块、电液比例阀集成块、液压油缸、蓄能器、连接管路线和闸阀等组成，用于桨叶变距控制、高速轴圆盘刹车和偏航闸的液压锁紧。

10.按权利要求1所述的风电机组，其特征在于控制系统组成由检测系统52、风轮转子48、传动机构49、双馈发电机定子51、转子50、转差励磁变频电源53和脉宽调制逆变电源55等主要部件，监测系统的传感器是将信号转换成控制器可接收的标准信号，数字信号0～24V，模拟信号4-20mA，送入计算机检测系统45，进行信号处理采样，系统的核心控制器由三部分组成，运行控制器57、变桨距控制器58和变速控制器59，这些控制器的输出直接由控制输出驱动模板60，进行放大分别推动机组的不同功能的伺服电机，由偏航、冷却等伺服电机装置61、液压伺服机构62和机电控制装置63按控制要求动作，变速控制器主电路，主要有转差励磁变频器、脉宽调制逆变器、直流母线、K1、K2、K3控制接触器、滤波器等组成，其中转差励磁变频器、直流母线和脉宽调制逆变器构成四象限变流器主电路，主电路中直流母线两侧电路的拓扑结构相同，主要由IGBT逆变/整流桥和驱动电路组成，他们之间由直流母线电容电阻连接，母线电压视发电机定子和转子发出电压而定，发电机转子发出的电压一般低于定子的电压，但转子向电网馈电时，电路必须采用斩波升压实现逆变上网，本电路在电网侧脉宽调制逆变器出口接入电感和电容L1、L2、L3、C1、C2、C3，与IGBT脉宽调制相结合，实现转子低电压发电并网和能量回馈，同时，这些电容和电感也成为正弦波滤波器的一部分。

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