CN205744289U - 一种前置调速型同步风电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种前置调速型风力发电机组，由叶轮、增速箱、主动齿轮、从动齿轮、锥齿轮箱、调速装置、同步发电机等部件组成。其特征在于，利用运动合成原理调速，运动合成装置为空间锥齿轮机构，利用锥齿轮箱将调速装置的转速和经过增速的风轮转速进行运动合成，使同步发电机的转速保持在同步转速附近。本实用新型所述的风力发电机组具有传动效率高、调速灵敏、风能利用率高、恒速恒频的优点，属于具有发展前景的友好型风电机组。

Description

一种前置调速型同步风电机组

技术领域

本实用新型涉及风力发电领域，具体涉及一种前置调速型同步风电机组。

背景技术

风能作为一种储量巨大的可再生清洁能源，越来越受到各国的重视。人类对风能的利用，主要是利用风力发电，最近几十年来，风力发电技术得到了快速发展。

风力发电技术的发展可以分三个阶段。

第一阶段为定桨定速风力发电机，其特点是：桨叶与轮毂固定连接，桨叶的迎风角不随风速发生变化，依靠桨叶的气动特性保持叶轮的转速基本不变。定桨定速风力发电机组具有结构简单、成本低廉、坚固耐用的优点，但是效率低，对风能的利用较差，当风速达到一定值时必须停机，这种发电机组将逐渐被淘汰。

第二阶段为变桨变速风力发电机组，其特点是：桨叶与轮毂之间通过轴承连接，变距调节方式是通过改变桨叶迎风面与桨叶旋转轴的夹角，从而影响桨叶的受力与阻力，保持大风时风力发电机输出功率的稳定。变桨变速风力发电机组是目前风力发电机组的主流，主要有带增速齿轮机构的双馈异步发电机和变速恒频直驱型发电机两种形式，使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行。但这类机组在实际运行过程中应对电网故障的能力明显不足：在电网电压跌落的情况下，双馈型机组转子电路中暂态电压和电流均会大幅增加；电流的迅速增加会导致变流器直流侧电压升高，过流和过压会对变流器的电力电子器件构成威胁，迫使得变流器退出运行。为应对这一难题，双馈机组采用低电压穿越技术或者采用合理的励磁控制算法。但这些措施加大了双馈感应发电机组的制造成本和控制系统的复杂程度，而且保护电路在电网电压跌落期间不但不能发出对电压起支撑作用的无功功率、还会从电网吸收无功功率，进一步阻碍了电网电压的恢复。严重时这一问题还可能导致电网电压无法恢复，致使系统崩溃。直驱型风力发电机组通过全功率变流器实现了发电机与电网之间隔离，具有较强的低电压运行能力。但在电网发生电压跌落等故障时，变流器直流侧也存在着过压和容量不足的问题，并且电流的波形较差。因此，第二阶段的风力发电机组在故障保护、对电网支撑能力、与电网互动等方面存在先天性弱点。

第三阶段为友好型风电技术，以前置无级调速为核心，采用恒速恒频同步发电机技术，使发电机转速始终保持在同步转速附近。第三阶段的风力发电技术可以有效克服第一阶段和第二阶段风电技术的不足，是风力发电机组的未来发展方向。第三阶段的风力发电技术目前处于起步阶段，主要技术流派包括：液力变矩调速、电磁耦合调速、差动齿轮调速。德国Voith公司开发了基于液力变矩调速的Windrivet系统并投入使用，由于液力变矩器的传动效率低，导致Windrive系统的传动效率不高。利用电磁耦合器调速的方式目前正处于研究中，由于不可能消除滑差功率损耗和铁损，这种调速方式的效率也不高。差动齿轮调速是三种调速方式中传动效率最高的一种，其工作原理是利用运动合成，将两个输入运动合成为一个输出运动。现有的差动齿轮调速机构为二自由度平面行星轮系，调速装置驱动行星轮系的中心轮，叶轮通过增速箱驱动行星架，动力由内齿圈输出至发电机，这种方式有两个不足之处：一是中心轮的转速与行架的转速变化相差较大，中心轮的转速变化是行星架转速变化的K+1倍，K为内齿圈与中心轮的齿数比，这种转速特性导致调速装置的速度变化幅度大，响应灵敏度不高；二是行星架和内齿圈的转速相差小，增速效果不明显，导致增速箱的增速比的值较大。

发明内容

本实用新型的目的：为克服现有风力发电技术的不足，本实用新型提供一种传动效率高，调速灵敏的友好型风力发电机组。

本实用新型采用的技术手段如下：利用运动合成原理，将叶轮的转速经过增速后与调速装置的转速合成，保证发电机的转速处于同步转速附近，运动合成采用空间行星锥齿轮机构，可以保证较高的传动效率和较快的调速响应速度；发电机采用同步电机，使发电系统在故障保护、电网支撑方面具有良好的能力。

本实用新型的内容：一种前置调速型同步风电机组，由叶轮（1）、增速箱（2）、主动齿轮（3）、从动齿轮（4）、锥齿轮箱壳体（5）、第一锥齿轮（6）、第二锥齿轮（7）、第三锥齿轮（8）、第四锥齿轮（9）、调速装置（10）、同步发电机（11）组成，其特征在于：叶轮（1）与增速箱（2）的输入轴固定连接；主动齿轮（3）与增速箱（2）的输出轴固定连接；从动齿轮（4）与锥齿轮箱壳体（5）固定连接，从动齿轮（4）与主动齿轮（3）保持啮合关系；锥齿轮箱壳体（5）内安装有第一锥齿轮（6）、第二锥齿轮（7）、第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）；第一锥齿轮（6）同时与第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）保持啮合关系，第二锥齿轮（7）同时与第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）保持啮合关系；第三锥齿轮（8）与调速装置（10）固定连接；第四锥齿轮（9）与同步发电机（11）固定连接；当风速低于额定风速时，通过改变调速装置（10）的转速，使同步发电机（11）的转速始终保持在同步转速附近；当风速大于或等于额定风速时，通过对叶轮（1）进行变桨操作使同步发电机（11）的转速维持在同步转速附近。

附图说明

图1为一种前置调速型同步风电机组的传动原理图。

具体实施方式

现以图1所示的传动原理图详细说明本实用新型的具体实施方式。

一种前置调速型同步风电机组，由叶轮（1）、增速箱（2）、主动齿轮（3）、从动齿轮（4）、锥齿轮箱壳体（5）、第一锥齿轮（6）、第二锥齿轮（7）、第三锥齿轮（8）、第四锥齿轮（9）、调速装置（10）、同步发电机（11）组成。

叶轮（1）与增速箱（2）的输入轴为固定连接关系，二者同步旋转。叶轮（1）为可变桨距叶轮，可通过变桨操作控制叶轮对风能的捕捉能力。

增速箱（2）的输出轴与主动齿轮（3）固定连接，二者同步旋转。叶轮（1）的动力经过增速箱（2）传递后，由主动齿轮（3）输出。

从动齿轮（4）与锥齿轮箱壳体（5）固定连接，二者同步旋转。从动齿轮（4）与主动齿轮（3）保持啮合关系。

锥齿轮箱壳体（5）内安装有第一锥齿轮（6）、第二锥齿轮（7）、第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）；第一锥齿轮（6）同时与第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）保持啮合关系，第二锥齿轮（7）同时与第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）保持啮合关系；所有锥齿轮都可以相对锥齿轮箱壳体（5）旋转，第一锥齿轮（6）和第二锥齿轮（7）二者的轴线重合，且相对于锥齿轮箱壳体（5）的旋转轴对称布置，第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）的旋转轴线与锥齿轮箱壳体（5）的旋转轴线重合。第一锥齿轮（6）和第二锥齿轮（7）均为行星式锥齿轮，二者的功能相同，根据结构和强度的需要，行星式锥齿轮可以设为两个或四个。

第三锥齿轮（8）与调速装置（10）固定连接，二者同步旋转。

第四锥齿轮（9）与同步发电机（11）固定相连，二者同步旋转。

本实用新型所述的同步发电机（11）的旋转速度由锥齿轮箱壳体（5）的转速和调速装置（10）的转速合成。调速装置（10）可以选择变频调速电机或变量液压马达等装置，从电网吸收能量驱动。

为便于描述，用n5、n8和n9分别表示锥齿轮箱壳体（5）、第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）的转速。由于第三锥齿轮（8）与调速装置（10）固连，第四锥齿轮（9）与同步发电机（11）固连，所以n8也是调速装置（10）的转速，n9也是同步发电机（11）的转速。

当同步发电机（11）正常工作是时，n9就是同步发电机（11）的同步转速，其值为一个定值。由机械原理可知，三者的转速满足如下关系：n8+n9=2n5。

现分三个阶段描述本实用新型所述前置调速同步发电机组的工作过程。

第一阶段，低风速阶段。当风速较小时，叶轮处于最大风能捕捉状态，调整同步发电机的负载，使发电机输出功率较小。如果调速装置不参与工作，发电机的转速不能达到同步转速。在这一阶段，调速装置与发电机的旋转方向相反，它的转速用公式n8=2*n5-n9计算。在无风的情况下，调速装置与同步电机转向相反，转速等于发电机的同步转速，随着风速的逐渐增大，调速装置的转速逐渐变小。调速装置的速度变化范围为零到发电机的同步转速。发电机负载大小根据调速装置的驱动力矩的大小确定。

第二阶段，中等风速阶段。在这一阶段，调速装置退出运行，第三锥齿轮处于制动状态，锥齿轮箱壳体的转速保持为发电机同步转速的一半，并且发电机的输出功率小于额定功率，风速低于额定风速。当风速变化时，通过控制发电机负载，保持发电机的转速为同步转速，发电机的输出功率随风速的变化而变化。

第三阶段，风速大于等于额定风速阶段。当风速大于或等于额定风速时，为防止系统过载，应保证发电机输出功率不变。在这一阶段，调速装置退出运行，第三锥齿轮处于制动状态，当风速发生变化时，对叶轮进行变桨操作，以保持发电机输出功率为额定功率。

在这三个阶段中，第一阶段和第二阶段为最大风能捕捉状态，第三阶段为额定功率输出状态。

本实用新型所述的前置调速风力发电机组具有以下几个优势：第一，叶轮在中低风速处于最大风能捕捉状态，能有效提高风能利用率；第二，调速灵敏，调速装置转速变化率仅为锥齿轮箱壳体转速变化率的两倍，比其它机械式调速机构更加灵敏；第三，可以减小升速箱的升速比。当第三锥齿轮制动时，锥齿轮箱具有升速功能，发电机的转速为齿轮箱壳体转速的2倍，其升速比为2，因此这种结构可使升速箱的升速比减小一半；第四，传动效率高，由于两种运动直接合成，机械能不需要转化为其它形式的能量，因此传动效率比电磁耦合调速和液力变矩调速都高；第五，第三锥齿轮和第四锥齿轮的轴承寿命很长，由传动原理图可知，第三锥齿轮和第四锥齿轮受纯扭矩的作用，理论上轴承不受径向压力。在第二阶段和第三阶段工作时，锥齿轮箱的转速为发电机额定转速的一半，第四锥齿轮轴承内外圈的相对转速仅为发电机同步转速的一半，所以其轴承的寿命较长。

基于以上优点，本实用新型所述的前置调速风力发电机组在未来的风力发电设备中，具有良好的推广价值。

Claims (4)

1.一种前置调速型同步风电机组，由叶轮（1）、增速箱（2）、主动齿轮（3）、从动齿轮（4）、锥齿轮箱壳体（5）、第一锥齿轮（6）、第二锥齿轮（7）、第三锥齿轮（8）、第四锥齿轮（9）、调速装置（10）、同步发电机（11）组成，其特征在于：叶轮（1）与增速箱（2）的输入轴固定连接；主动齿轮（3）与增速箱（2）的输出轴固定连接；从动齿轮（4）与锥齿轮箱壳体（5）固定连接，从动齿轮（4）与主动齿轮（3）保持啮合关系；锥齿轮箱壳体（5）内安装有第一锥齿轮（6）、第二锥齿轮（7）、第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）；第一锥齿轮（6）同时与第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）保持啮合关系，第二锥齿轮（7）同时与第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）保持啮合关系；第三锥齿轮（8）与调速装置（10）固定连接；第四锥齿轮（9）与同步发电机（11）固定连接；当风速低于额定风速时，通过改变调速装置（10）的转速，使同步发电机（11）的转速始终保持在同步转速附近；当风速大于或等于额定风速时，通过对叶轮（1）进行变桨操作使同步发电机（11）的转速维持在同步转速附近。

2.根据权利要求1所述的一种前置调速型同步风电机组，其特征在于：第一锥齿轮（6）和第二锥齿轮（7）二者的轴线重合，且相对于锥齿轮箱壳体（5）的旋转轴线对称布置，它们都可以相对于锥齿轮箱壳体（5）转动。

3.根据权利要求1所述的一种前置调速型同步风电机组，其特征在于：第三锥齿轮（8）和第四锥齿轮（9）可以相对于锥齿轮箱壳体（5）旋转，第三锥齿轮（8）、第四锥齿轮（9）和锥齿轮箱壳体（5）三者的旋转轴线重合。

4.根据权利要求1所述的一种前置调速型同步风电机组，其特征在于：所述叶轮（1）为可变桨距叶轮。