CN201474863U - 一种变桨距变速风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变桨距变速风力发电机组，包括：采集风能的三桨叶风轮机，所述三桨叶风轮机的轮毂内安装变桨距装置，所述三桨叶风轮机的主轴连接增速箱，所述增速箱通过联轴器与具有同轴励磁机的同步发电机连接，所述变浆距装置、同步发电机连接PLC控制板；所述PLC控制板控制连接的变桨距装置调节桨叶角度；调节发电机的输出功率值。本实用新型机组采用变桨距控制器与功率控制器相结合，完成了对机组输出功率的优化，使机组运行在最佳状态，获得了最大风能利用率，提高了机组的发电效率。可吸收和释放瞬变风能，机组输出功率平滑、电能质量好、对传动机构载荷冲击小。变频器可靠性高、风机主控制器的循环运行速度快。

Description

一种变桨距变速风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及发电机，特别是指一种变桨距变速风力发电机组。

背景技术

目前我国并网型风力发电机组主要有两种类型：一种为定桨距定速恒频风力发电机组，它由风轮机、主轴、增速箱、鼠笼式三相异步发电机及控制系统组成。另一种为变桨距变速恒频风力发电机组，它有两种组成形式：第一种：由变桨距装置、风轮机、主轴、增速箱、双馈异步发电机、四象限双向变流器及控制系统组成。第二种：由变桨距装置、风轮机、主轴、永磁同步发电机、全功率单向变流器及控制系统组成。

定桨距定速恒频风力发电机组发电机运行在固定转速同步转速，根据空气动力理论此机组只在某一风速下风轮机运行在最佳叶尖速比，而风速是在很宽范围内变化的，所以风能利用率较低。由于机组不能变速，阵风或强风将对机组传动机构产生较大的冲击载荷，缩短了机组的使用寿命，并引起功率大幅波动。且该机组需从电网吸收无功，破坏了电网电能质量。

现变桨距变速恒频风力发电机组克服了定桨距定速恒频风力发电机组风能利用率低的缺点，但其变桨距装置采用液压方式，存在反应速度慢、液压密封件易损、液压油易渗漏的缺点。另第一种变桨距变速恒频风力发电机组中双馈异步发电机的滑环和碳刷易损、不可靠，四象限双向变流器控制复杂且稳定性差。第二种变桨距变速恒频风力发电机组没有增速箱，永磁同步发电机转速低、体积大、质量重，永磁材料昂贵且随时间的推移产生退磁，电机成本高、寿命短。

上述的变桨距变速恒频风力发电机组，存在液压变桨装置反应速度慢、液压油渗漏，发电机体积大、质量重、可靠性差、成本高、寿命短、控制复杂的缺点。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型在于提供一种变桨距变速风力发电机组，以解决上述变桨距变速恒频风力发电机组，存在液压变桨装置反应速度慢、液压油渗漏，发电机体积大、质量重、可靠性差、成本高、寿命短、控制复杂的缺点。

为解决上述问题，本实用新型提供一种变桨距变速风力发电机组，包括：采集风能的三桨叶风轮机，所述三桨叶风轮机的轮毂内安装变桨距装置，所述三桨叶风轮机的主轴连接增速箱，所述增速箱通过联轴器与具有同轴励磁机的同步发电机连接，所述变桨距装置、同步发电机连接PLC控制板；

所述PLC控制板包括：

参数状态检测模块，用于接收风速、风向数据、同步发电机转速和输出功率、桨距角数据；

所述参数状态检测模块将接收的数据发送至运行控制器；

所述运行控制器将发电机转速和桨距角数据发送至变桨距控制器，将风速、风向数据、发电机转速和输出功率数据发送至功率控制器；

所述变桨距控制器按照发电机转速运算出相应的桨距角，控制连接的变桨距装置调节桨叶角度；

所述功率控制器按照风速、风向数据、发电机转速和输出功率数据运算出调节的输出功率值，通过连接励磁模块调节同步发电机相应的励磁大小；

所述同步发电机在所述PLC控制板的控制下，将产生的电能通过变频器输送至电网。

优选的，所述PLC主板还包括：

输出开/关控制信号的控制装置驱动模块，所述控制装置驱动模块驱动与所述机架连接的偏航装置；驱动与发电机连接的冷却装置；驱动与齿轮箱连接的润滑冷却装置。

优选的，所述增速箱高速轴端还连接高速轴机械制动器。

优选的，所述增速箱包括：

连接所述主轴连接的行星架，行星架上有3个均布行星轮同时与太阳轮和内齿圈啮合，内齿圈固定在箱体上；行星轮将机械能传递给太阳轮，太阳轮通过花键将机械能传递给二级大齿轮；二级大齿轮与中间齿轮轴啮合，输出大齿轮安装在中间齿轮轴上，输出大齿轮与输出齿轮轴啮合，将机械能通过所述主轴输出至连接高速轴联轴器。

本实用新型机组采用变桨距控制器与功率控制器相结合①完成了对机组输出功率的优化，使机组运行在最佳状态，获得了最大风能利用率，提高了机组的发电效率，比定桨距定速恒频风力发电机组从风中获取的能量高出20％以上。②可吸收和释放瞬变风能，机组输出功率平滑、稳定、电能质量好、对传动机构载荷冲击小、可向电网输送无功。③带励磁机的同步发电机体积小、重量轻、可靠性高、控制简单。④全硬件交-直-交全功率变频器可靠性高、风机主控制器的循环运行速度快。

附图说明

图1为机组结构图；

图2为轮毂结构图；

图3增速箱结构图；

图4控制系统的结构图；

图5变频器的结构图。

具体实施方式

为清楚说明本实用新型中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。

本实用新型采用三桨叶风轮机、增速箱、带同轴励磁机的同步发电机、全功率变频器的结构形式，属变桨距变速恒频风力发电机组。如图1所示，包括风轮桨叶1、电驱动同步变桨距装置2、轮毂3、主轴轴承4、主轴5、增速箱6、高速轴机械制动器7、联轴器8、带同轴励磁机同步发电机9、偏航装置10、机架11、塔筒12和集偏航变桨距变速恒频等控制于一体的控制系统。

其连接是：前部为装有三桨叶的风轮机，风轮机轮毂内装有电驱动变桨距装置；风轮机与主轴前端法兰连接，主轴前端由主轴轴承及轴承座支撑，主轴后端直接与增速箱低速轴端连接；增速箱高速轴端连接高速轴机械制动器，再通过联轴器与带同轴励磁机同步发电机连接；以上部件除风轮机外均装在机舱内。机舱底部装有偏航机构，通过偏航轴承再与塔筒连接。一体化控制系统分别安装于轮毂、机舱和塔基塔筒内。

上述发电机组的包括以下优点：

①变桨距装置采用全翼展电驱动同步方式；②风水冷却循环模块；③集偏航制动、高速轴机械制动于一体的液压模块；④集偏航、变桨距、变速恒频等控制于一体的控制系统。

下面详细介绍各组成部件：

桨叶：机组桨叶为变速变距型桨叶，它采用DU/FFA-W3/NACA63-2系列翼型，叶片最大弦长为2.65m，材料玻璃纤维增强复合材料，基体材料为环氧玻璃纤维增强树脂GRE，根部由用T型结构预埋在桨叶中的螺杆同轮毂连接，轮毂和桨叶组成了风轮机，当气流经过桨叶表面时产生升力，驱动风轮机旋转，风电机组的源动力由此产生。

变桨距装置如图2所示：全翼展电驱动同步变桨距装置由3套独立的电驱动回路组成。包括回转轴承21、小齿轮22、减速箱23、电动机24、电机驱动器25、控制柜26、桨叶位置检测装置27、电池柜28及充电器29等。其连接是：电动机24与减速箱23连接，减速箱23通过小齿轮22与回转轴承内齿圈连接，三桨叶安装于回转轴承，回转轴承固定在轮毂上。电机驱动器控制电机转动，通过减速箱带动回转轴承转动，调整三桨叶的桨距角。控制系统根据运算给定一号桨叶的转动速度，控制二号、三号桨叶跟随一号桨叶的桨距角进行同步转动。在电网故障或安全链动作时电机驱动电源自动切换到蓄电池桨叶向大角度回转到92°，使机组处于安全状态。其特点是变桨反应速度快、同步性好。克服了液压变桨距装置反应速度慢，液压密封件易损、液压油渗漏的缺点。

主轴由单一主轴承和增速箱悬臂支撑，承担了支撑轮毂处传递过来的各种负载，并将扭矩传递给增速箱，将轴向推力、气动弯矩传递给机舱、塔架。

增速箱主要由图3所示的行星架31、内齿圈32、行星轮33、太阳轮34、二级大齿轮35、中间齿轮轴36、输出大齿轮37、输出齿轮轴38、前箱体39、后箱体310组成；主轴前端为法兰通过螺栓与轮毂连接，主轴后端通过胀紧套与增速箱实现过盈连接；风轮机将风能转换为机械能后通过主轴传递给行星架，行星架上有3个均布行星轮同时与太阳轮和内齿圈啮合，内齿圈固定在箱体上；行星轮将机械能传递给太阳轮，太阳轮通过花键将机械能传递给二级大齿轮；二级大齿轮与中间齿轮轴啮合，输出大齿轮安装在中间齿轮轴上，输出大齿轮与输出齿轮轴啮合，将机械能通过高速轴联轴器传递给发电机。

高速轴机械制动器及联轴器主要由高速轴制动器、与齿轮箱高速轴固定在一起的刹车盘、刹车位置传感器、刹车片磨损传感器、液压站以及管路附件组成。高速轴机械制动器是机组的第二套刹车系统，当机组出现故障时，通过高速轴制动器使机组处于安全状态。联轴器主要的作用是连接增速箱高速输出轴和发电机输入轴，将机械能传递给发电机。联轴器强度高，承载能力大，许用瞬时最大转矩为许用长期转矩的三倍以上，解决了风力发电机组传动轴系可能发生的瞬时尖峰载荷。另外其弹性高，阻尼大，具有足够的减振能力，将冲击和振动产生的振幅降低到发电机输入允许的范围内；具有足够的补偿性，解决了两轴连接的位移偏差。

带同轴励磁机的同步发电机由定子、转子、励磁机、轴承、机座等组成。它将机械能转换为电能，其特点是在发电机尾部装有同轴励磁机，无碳刷、滑环等部件。通过控制系统的功率控制器控制励磁机的励磁，从而改变主机转子的励磁，达到改变输出功率及转速的目的。

偏航装置：由带内齿圈的单列四点支撑球轴承、偏航减速机、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15°以上时，机组将进行自动对风，偏航装置与控制系统和风向标相配合，完成系统的偏航控制，同时，当扭缆传感器动作时，偏航装置将带动机舱旋转完成电缆的解绕。

增速箱润滑冷却装置主要是由润滑泵、双精度过滤器、冷却风扇、压力开关、温度传感器、管路附件所组成，目的是为保证风电机组增速箱工作在设计的温度范围内以及保障增速箱润滑油的清洁度，从而使机组更安全可靠的长久运行。

液压装置用于提高各个装置的液压动力。

发电机冷却装置主要是由水泵、过滤器、冷却风扇、压力开关、温度传感器、管路附件所组成，目的是为保证风电机组发电机工作在设计的温度范围内，从而使机组更安全可靠的长久运行。

机架：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。

控制系统如图4所示：集偏航、变桨距、变速恒频等控制于一体的控制系统采用一个主控制器及分散的I/O模块，解决了多控制器通讯接口兼容性存在的问题，提高了控制的可靠性。该控制系统包括风轮机电驱动变桨距控制、桨叶位置检测装置、变桨距回转轴承润滑控制、传动链状态检测、齿轮箱润滑冷却控制、齿轮箱状态检测、同步发电机励磁控制、发电机冷却控制、发电机状态检测、交-直-交全功率变频器、运行控制器、变桨距控制器、功率控制器、偏航及高速轴机械制动控制、液压控制、控制柜加热及散热控制、电网及气象参数检测、独立的安全链路。运行控制器根据检测系统输入的气象参数、电网参数、风轮机、齿轮箱、发电机的运行参数以及控制系统的状态参数进行实时分析及控制。

在控制系统中，由运行控制器控制各个模块工作，参数、状态检测模块用于接收风速风向装置、变桨距装置、增速器、同步发电机、互感器、变频器等参数，并将参数发送至运行控制器，对于桨距调节，运行控制器将参数发送至变桨距控制器，对于变速调节，运行控制器将参数发送至功率控制器。

在额定功率以下，变桨距控制器不起作用，此时桨距角处于最小，功率控制器根据风速的大小改变发电机的运行转速及输出功率，使风轮机运行在最佳叶尖速比，最大限度地吸收风能；在额定功率以上，变桨距控制器根据风速改变桨距角，将多余风能丢失，避免了机组输入能量的过载，功率控制器控制机组输出稳定的额定功率。

功率控制器通过改变发电机的转速还可将瞬变的风能转换为动能储存在风轮机上，保证了机组输出功率的平滑性和稳定性。在变速过程中，功率控制器根据风速的大小改变发电机的输出功率及运行转速，功率控制器根据风速调节发电机转速，通过发电机转速调节相应的输出功率，当发电机转速高时，通过调节励磁模块提高输出功率；当发电机转速降低时，通过调节励磁模块降低输出功率。

上述的控制系统由一个PLC进行控制管理、采用分散的I/O模块进行数据采集及控制输出。

变频器组成，如图5所示。它由整流器、直流母线滤波器、直流母线过压保护器、IGBT、电网侧滤波器、脉宽调制器、锁相环、三角波发生器、电网检测电路、熔断器等组成。将发电机输出的电压和频率均在变化的电能逆变成与电网一致的固定的电压和频率的电能，变频器根据直流母线电压的高低进行逆变功率大小的输出。该变频器采用全硬件电路，消除了采用控制器进行逆变发生的软故障，提高了变频器的可靠性。风机主控制器只需对变频器的工作状态进行检测诊断，发出逆变使能信号，因此减轻了风机主控制器的工作任务，加快了风机主控制器的循环运行速度。

因此变桨距控制器与功率控制器相结合完成了对机组输出功率的优化，使机组在较宽的风速下运行在最佳状态，获得了高的风能利用率，提高了机组的发电效率。

本实用新型机组采用变桨距控制器与功率控制器相结合①完成了对机组输出功率的优化，使机组运行在最佳状态，获得了最大风能利用率，提高了机组的发电效率，比定桨距定速恒频风力发电机组从风中获取的能量高出20％以上。②可吸收和释放瞬变风能，机组输出功率平滑、稳定、电能质量好、对传动机构载荷冲击小、可向电网输送无功。③带励磁机的同步发电机体积小、重量轻、可靠性高、控制简单。④全硬件交-直-交全功率变频器可靠性高、风机主控制器的循环运行速度快。

对于本实用新型各个实施例中所阐述的发电机组，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变桨距变速风力发电机组，其特征在于，包括：采集风能的三桨叶风轮机，所述三桨叶风轮机的轮毂内安装变桨距装置，所述三桨叶风轮机的主轴连接增速箱，所述增速箱通过联轴器与具有同轴励磁机的同步发电机连接，所述变桨距装置、同步发电机连接PLC控制板；

所述PLC控制板包括：

参数状态检测模块，用于接收风速、风向数据、同步发电机转速和输出功率、桨距角数据；

所述参数状态检测模块将接收的数据发送至运行控制器；

所述运行控制器将发电机转速和桨距角数据发送至变桨距控制器，将风速、风向数据、发电机转速和输出功率数据发送至功率控制器；

所述变桨距控制器按照发电机转速运算出相应的桨距角，控制连接的变桨距装置调节桨叶角度；

所述功率控制器按照风速、风向数据、发电机转速和输出功率数据运算出调节的输出功率值，通过连接励磁模块调节同步发电机相应的励磁大小；

所述同步发电机在所述PLC控制板的控制下，将产生的电能通过变频器输送至电网。

2.根据权利要求所述的变桨距变速风力发电机组，其特征在于，所述PLC主板还包括：

输出开/关控制信号的控制装置驱动模块，所述控制装置驱动模块驱动与所述风轮机连接的偏航装置；驱动与发电机连接的润滑冷装置。

3.根据权利要求所述的变桨距变速风力发电机组，其特征在于，所述增速箱高速轴端还连接高速轴机械制动器。

4.根据权利要求所述的变桨距变速风力发电机组，其特征在于，所述增速箱包括：

连接所述主轴连接的行星架，行星架上有3个均布行星轮同时与太阳轮和内齿圈啮合，内齿圈固定在箱体上；行星轮将机械能传递给太阳轮，太阳轮通过花键将机械能传递给二级大齿轮；二级大齿轮与中间齿轮轴啮合，输出大齿轮安装在中间齿轮轴上，输出大齿轮与输出齿轮轴啮合，将机械能通过所述主轴输出至连接高速轴联轴器。

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