專利名稱：兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組的制作方法
技術領域：
本發(fā)嗎涉及一種風力發(fā)電機組系統(tǒng)，適合在兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電站使用。
背景技術：
變速變槳型風力發(fā)電機組由于具有比失速型風力發(fā)電機組風能轉(zhuǎn)換率高、 機組功率與重量比小、運行噪音小、電能質(zhì)量好等優(yōu)點而成為當今風力發(fā)電機 組的主流技術。目前世界上采用變速變槳技術的大多是雙饋式變速恒頻機組。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用的是直驅(qū)式變速恒頻技術，主要特點是采用了風輪與發(fā)電機直 接耦合的傳動方式，發(fā)電機采用多級異步發(fā)電機，通過全功率的變頻裝置并網(wǎng)。
本發(fā)明提供的兆瓦級直接驅(qū)動變速恒頻風力發(fā)電機組與兆瓦級雙饋式變速 恒頻風力發(fā)電機組相比，由于其結(jié)構(gòu)中不含齒輪箱這一部件，因此，具有結(jié)構(gòu) 簡單、傳動效率高、發(fā)電效率高、維護成本低等優(yōu)點。此外，由于采用了永磁 多級同步發(fā)電機，此種發(fā)電機尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)電效率高、變速范圍寬、 無礪磁損耗，有效地提高了整個風力發(fā)電機組系統(tǒng)運行的可靠性和壽命。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的
本發(fā)明兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組主要由圖1所示的各部件 組成，它們是葉片(l)、輪轂(2)、變槳系統(tǒng)(3)、永磁多級同步發(fā)電機(4)、底座(5)、 機艙(6)、偏航系統(tǒng)(7)、液壓系統(tǒng)(8)、潤滑系統(tǒng)(9)、測風系統(tǒng)柳、塔架及變速恒 頻控制系統(tǒng)，上述部件共同構(gòu)成了兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組的 主要部件。由葉輪直接驅(qū)動永磁多級同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，永磁多級同步發(fā)電
機定子并入電網(wǎng)，通過逆變系統(tǒng)將風力發(fā)電機組發(fā)出的電送入電網(wǎng)，實現(xiàn)風能 —機械能一電能的轉(zhuǎn)換。風力發(fā)電機組控制采用微處理器，及時準確的獲取環(huán) 境外部所有信息，控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息，調(diào)整風力發(fā)電機組運行，保證風力 發(fā)電機組一直在優(yōu)化、安全的環(huán)境里運行。
其連接方式為前面三只葉片固定在輪轂上，變槳系統(tǒng)也固定在輪轂上。 在輪轂后方，發(fā)電機定子固定在底座上，發(fā)電機轉(zhuǎn)子與輪轂連接。底座內(nèi)部安 裝有液壓、潤滑系統(tǒng)，底座側(cè)面及底座下部安裝有偏航系統(tǒng)。測風系統(tǒng)安裝在 機艙罩上部，除葉片外，其他零部件都安裝在機艙內(nèi)，機艙由塔架支撐。
下面對各部件詳細介紹
葉片兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組采用變速變槳型葉片，葉 片材料為玻璃纖維增強樹脂，葉片安裝有雷電感應器，雷電流經(jīng)發(fā)電間隙削減 并通過塔架導入基礎，不會對機組造成損害。葉輪包括葉片、鑄造輪轂和葉片 的變槳系統(tǒng)。
變槳系統(tǒng)如圖2所示，兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組變槳系 統(tǒng)由以下童要零部件組成變槳軸承(l)、輪轂(2)、變槳控制柜(3)、變槳盤(4)、 變槳驅(qū)動支架(5)、變槳電機(6)、變槳驅(qū)動齒輪(7)、變槳減速器(8)、齒形帶(9)等。 整個變槳系統(tǒng)由變槳電機驅(qū)動，變槳電機通過鍵和變槳減速器聯(lián)結(jié)，變槳盤與 變槳軸承外圈聯(lián)結(jié)，變槳減速器的驅(qū)動輪將驅(qū)動力通過齒形帶^與齒形帶相連 的變槳盤最終傳遞給葉片。當風速超過額定風速時，變槳系統(tǒng)通過調(diào)整葉片角 將風機的輸出功率限制在額定功率，從而防止發(fā)電機和逆變系統(tǒng)過載。同時， 變槳系統(tǒng)根據(jù)運行控制系統(tǒng)記錄的風機輸出功率情況和葉片的槳距角重新調(diào)整 槳距角，結(jié){合變速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)額定功率的恒定輸出。這3個獨立的變槳機 構(gòu)也是風力發(fā)電機組的剎車系統(tǒng)，調(diào)整槳距角后，機組的轉(zhuǎn)速下降直到設備停
機。
永磁多級同步發(fā)電機兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組發(fā)電機為 永磁多級同步發(fā)電機，永磁勵磁方式結(jié)構(gòu)簡單，由發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、動定軸 和其他附件組成。發(fā)電機定子由定子支架、鐵芯和繞組以及其他附件組成，定 子采用分l^槽，能更好的消除發(fā)電機的諧波影響，有效降低運行振動及噪聲。 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架和永磁磁極組成，直接與葉輪聯(lián)結(jié)并由葉輪驅(qū)動，永磁材料安 裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的磁軛上，由其建立磁場，將葉輪轉(zhuǎn)動的機械動能轉(zhuǎn)換為電能。 發(fā)電機風冷卻系統(tǒng)采用強迫風冷式，冷空氣通過風道直接吹到疊片上，采用這 種自調(diào)節(jié)系統(tǒng)而不使用冷卻風扇或泵，即使風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)失效冷卻系 統(tǒng)依然可以發(fā)揮作用
底座底座對風力發(fā)電機組上各零部件起到固定和支撐的作用，機組的重 要部件都^裝在底座上，底座采用整體鑄造而成，具有足夠的結(jié)構(gòu)強度性能， 能夠承受循環(huán)交變載荷的作用。
機艙總成機艙采用玻璃鋼材料，具有良好的防腐性能、降噪及保溫性能， 并且對雷擊具有一定的屏蔽作用。偏航系統(tǒng)、潤滑，液壓系統(tǒng)等都安裝在機艙 內(nèi)，機艙內(nèi)有寬敞的空間，方便運行維護人員操作。同時，還設計了電動提升 裝置，方便工具及備件的提升
液壓系統(tǒng)由于液壓泵站、電磁元件、蓄能器、聯(lián)結(jié)管路線等組成。用于 為偏航剎車4系統(tǒng)及轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)提供動力源。
潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)由潤滑泵、油分配器、潤滑小齒輪、潤滑管路線等組 成。主要用于偏航軸承滾道及齒面的潤滑。
塔架塔架采用圓錐形塔筒，支撐著機艙和葉輪，動態(tài)穩(wěn)定可靠。塔架內(nèi) 部裝有爬梯、安全繩和工作平臺。兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風電機組有不同
高度的塔架可供不同風區(qū)選擇。
控制系統(tǒng)兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組配備的控制系統(tǒng)以可 編程控制器為核心，控制電路是由PLC中心控制器及其功能擴展模塊組成。主 要實現(xiàn)風力發(fā)電機正常運行控制、機組的安全保護、故障檢測及處理、運行參 數(shù)的設定、數(shù)據(jù)記錄顯示以及人工操作，配備有多種通訊接口，能夠?qū)崿F(xiàn)就地 通訊和遠程通訊。
正常運行控制包括機組自動啟動，變流器并網(wǎng)，主要零部件除濕加熱，機 艙自動跟蹤i風向，液壓系統(tǒng)開停，散熱器開停，機艙扭纜和自動解纜，電容補 償和電容濾波投切以及低于切入風速時自動停機。
監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測電網(wǎng)的電壓、頻率，發(fā)電機輸出電流、功率、功率因數(shù)， 風速，風向，葉輪轉(zhuǎn)速，發(fā)電機轉(zhuǎn)速，液壓系統(tǒng)狀況，偏航系統(tǒng)狀況，風力發(fā) 電機組關鍵設備的溫度及戶外溫度等，控制器根據(jù)傳感器提供的信號控制風力 機組的可靠運行。
安全保護系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)(控制器)，獨立于控制器的緊急停 機鏈和個體硬件保護措施。微機保護涉及到風力機組整機及零部件的各個方面， 緊急停機鏈保護用于整機嚴重故障及人為需要時，個體硬件保護則主要用于發(fā) 電機和各電氣負載的保護。
電控系統(tǒng)的設計和實施結(jié)果能夠滿足風力發(fā)電機組無人值守、自動運行、 狀態(tài)控制及監(jiān)測的要求。 '
兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組發(fā)電系統(tǒng)通過變流裝置和變壓器 接入電網(wǎng)，其中變流系統(tǒng)主電路采用交一直一交結(jié)構(gòu)，將永磁同步風力發(fā)電機 發(fā)出的能量通過變壓器送入電網(wǎng)，
本發(fā)明的優(yōu)點兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組采用永磁多級同
步發(fā)電機，由葉輪直接驅(qū)動，機組可在不同的轉(zhuǎn)速段上運行，使發(fā)電機始終以
最優(yōu)的轉(zhuǎn)速運行，葉片最優(yōu)的吸收風能。使風能利用系數(shù)〉0.47，更好的提高 風力發(fā)電機組的性價比。同時，采用3個獨立的電動變槳機構(gòu)，變槳作用的力 通過齒形帶的免維護系統(tǒng)傳遞，有效控制葉輪轉(zhuǎn)速和風能吸收效率。
圖1為兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組總體結(jié)構(gòu)圖 圖2為兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)示意圖 圖3為兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)原理圖
具體實施例方式
本發(fā)明的風電機組采用了直驅(qū)永磁同步發(fā)電機和由PLC中心控制器及其功 能擴展模塊構(gòu)成，實現(xiàn)風電機組變速運行狀態(tài)下最優(yōu)化能量輸出，風電機組發(fā) 電量的大小除了平均風速和風輪面積的影響以外，主要因素取決于其在不同風 速條件下的效率水平。根據(jù)空氣動力學原理，只有面對風輪葉片翼形的迎角符 合葉片的設計時才能獲得最佳的效率水平。實際上隨著風速和相對于風輪圓周 率速度由面對風輪的正面氣流和側(cè)面氣流重合后產(chǎn)生氣流角度的不斷變化，使 傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)速風電機組只能在一個風速條件下獲得最佳能量?？勺兯亠L機從原 理上打破了前述的限制，實現(xiàn)了機組不受風速約束的全新概念。對于工作范圍 以內(nèi)的任何風速，機組均可在及其穩(wěn)定的高效率狀態(tài)下運行發(fā)電。變速技術的 另一主要特征，使它具有使陣風力矩尖峰值變平緩的能力，對于能導致電壓波 動和損傷傳動機構(gòu)的瞬變力矩，通過風輪轉(zhuǎn)速的增加而得以減弱，同時將陣風 能量以傳動慣量的形式"貯存"起來，當風速下降時，在控制系統(tǒng)電力電子裝 置的調(diào)控下，將風輪加速時儲存的能量釋放出來，以電能的形式重新送入電網(wǎng)。 在這里，風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到緩沖的作用，保證了風力機內(nèi)部能量傳動部件隨應力變化的平穩(wěn)性，防止破壞性機構(gòu)應力的產(chǎn)生。因此， 在隨機變化的風力場中，變速運行的風力發(fā)電機比傳統(tǒng)的定速運行的風力發(fā)電 機運轉(zhuǎn)的更加平穩(wěn)，系統(tǒng)更加可靠；機組采用變槳距機構(gòu)進行功率調(diào)節(jié)，以確 保額定風速點以上穩(wěn)定的額定功率輸出，在微風和額定風速下保持葉片上的空 氣處于最佳狀態(tài)，提高微風發(fā)電效率，減下峰值負荷給葉片材料造成的磨損， 獲得提高整機發(fā)電效率和增加安全保護功能的雙重效果，變漿距控制系統(tǒng)通過 調(diào)整葉片角度，可以在很寬的風速范圍內(nèi)運行發(fā)電，這和定漿距失速運行的風 輪結(jié)構(gòu)所存在的起動風速、額定風速高，額定風速點以上功率丟失的情況相比， 顯示出技術和經(jīng)濟上的強大優(yōu)勢。另外變漿控制可以大大降低風力發(fā)電機組的 氣動載荷，對超過額定風速運行時的功率調(diào)節(jié)可以降低風輪所受正面壓力和動 應力。出現(xiàn)極速風速時，葉片按系統(tǒng)控制可以旋轉(zhuǎn)到側(cè)風位。實現(xiàn)軟剎車，避 免大風給葉輪及整個機組造成損壞；機組將發(fā)電系統(tǒng)可變速運行和電動變漿距 功率調(diào)節(jié)有機結(jié)合，采用先進的計算機智能控制，在獲得自身最佳運行特性的 同功率輸出和負速與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關系，優(yōu)化風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速及功率輸出， 結(jié)合變速變漿距功率調(diào)節(jié)可以獲得高效、平穩(wěn)的功率輸出，這一特性對有限的 電網(wǎng)容量下聯(lián)接更大比率的風電設備具有現(xiàn)實意義。該系統(tǒng)對抑制諧波，改善 電網(wǎng)品質(zhì)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性及實現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行都有積極作用。
另外永磁同步風力發(fā)電機通過六相不可控整流，有效減少或抑制了電機側(cè) 的諧波轉(zhuǎn)矩脈動，同時對電機繞組幾乎沒有du/dt的影響。，變流裝置主回路采 用多重化并聯(lián)技術，提高了系統(tǒng)容量(小容量功率器件可用在大容量系統(tǒng)中)、 減少了輸出電流諧波。中間斬波升壓是三重斬波升壓，起到了穩(wěn)壓和升壓作用， 適應了風機的最大風能捕獲策略。
直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)變流裝置是全功率變流裝置，變流裝置與各種
電網(wǎng)的兼容性好，具有更寬范圍內(nèi)的無功功率調(diào)節(jié)能力和對電網(wǎng)電壓的支撐能 力。同時，變流裝置先進的控制策略和特殊設計的制動單元使風機系統(tǒng)具有很
好的低電壓穿越能力(LVRT Capability),以適應電網(wǎng)故障狀態(tài)，在一定時間 內(nèi)保持與電網(wǎng)的聯(lián)接和不脫網(wǎng)。
權利要求
1. 兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組，包括葉片(1)、輪轂(2)、變槳系統(tǒng)(3)、永磁多級同步發(fā)電機(4)、底座(5)、機艙(6)、偏航系統(tǒng)(7)、液壓系統(tǒng)(8)、潤滑系統(tǒng)(9)，測風系統(tǒng)(10)、塔架(11)及變速恒頻控制系統(tǒng)等各部件。其特征在于永磁多級同步發(fā)電機可由葉輪直接驅(qū)動，風力發(fā)電機組可以在不同的風速段上運行。其聯(lián)結(jié)是前面三只葉片固定在輪轂上，變槳系統(tǒng)也固定在輪轂上。在輪轂后方，永磁多級同步發(fā)電機定子固定在底座上，永磁多級同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子與輪轂連接。底座內(nèi)部安裝有液壓、潤滑系統(tǒng)，底座側(cè)面及下部安裝有偏航系統(tǒng)。測風系統(tǒng)安裝在機艙罩上部，除葉片外，其他零部件都安裝在機艙內(nèi)，機艙由塔架支撐。
2、 按照權利要求l所述的兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組，其特 征在于3個葉片上安轉(zhuǎn)有獨立的電動變槳機構(gòu)，由變槳軸承、輪轂、變槳控制 柜、變槳盤、變槳驅(qū)動支架、變槳電機、變槳驅(qū)動齒輪、變槳減速器、齒形帶 等組成。變槳電機通過鍵和變槳減速器聯(lián)結(jié)，變槳減速器與變槳驅(qū)動齒輪通過 內(nèi)外花鍵連接，變槳減速器固定在變槳驅(qū)動支架上。齒形帶固定在變槳盤上， 同時與變槳驅(qū)動輪嚙合。變槳盤、變槳驅(qū)動支架、變槳軸承全部固定在輪轂上。 變槳電機驅(qū)動與變槳減速器輸出軸相連接的變槳驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，同時帶動與齒 形帶連接的變槳盤轉(zhuǎn)動，從而帶動變槳軸承外圈及葉片轉(zhuǎn)動。
3、 按照權利要求1所述的兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組，其特 征在于永磁多級同步發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)為外轉(zhuǎn)子多級低速同步永磁電機，采用變 速變槳的功率調(diào)節(jié)方式，可以使風力發(fā)電機組在不同的轉(zhuǎn)速段上運行，葉片最 優(yōu)的吸收風能，發(fā)電機以最優(yōu)的轉(zhuǎn)速運行。
4、 按權利要求1所述的兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組，其特征 在于其電氣控制系統(tǒng)由低壓電氣柜、電容柜、控制柜、變流柜、機艙控制柜、三套變槳柜、傳感器和連接電纜等組成。
5、按權利要求1所述的兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組，其特征 在于其變流裝置是全功率變流裝置，采用六相不可控整流，主回路采用多重化 并聯(lián)技術，中間斬波升壓是三重斬波升壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兆瓦級直驅(qū)式變速變槳恒頻風力發(fā)電機組，其結(jié)構(gòu)由葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、永磁多級同步發(fā)電機、底座、機艙、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)，測風系統(tǒng)、塔架及變速恒頻控制系統(tǒng)等各部件組成。由葉輪直接驅(qū)動永磁多級同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，永磁同步發(fā)電機定子通過逆變系統(tǒng)將風力發(fā)電機組輸出的電能送入電網(wǎng)，實現(xiàn)風能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換。風力發(fā)電機組控制采用微處理器，及時準確的獲取環(huán)境外部所有信息，控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息，調(diào)整風力發(fā)電機組運行，保證風力發(fā)電機組一直在優(yōu)化、安全的環(huán)境里運行。同時，也可以實現(xiàn)風力發(fā)電機組在不同風速段運行，使風能利用系數(shù)＞0.47，更好的提高風力發(fā)電機組的性價比。
文檔編號H02P9/04GK101207360SQ20061017133
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月19日 優(yōu)先權日2006年12月19日
發(fā)明者鑫 唐, 寧巧珍, 尉艷梅, 巖 李, 鋒 薛 申請人:新疆金風科技股份有限公司