兆瓦級半直驅動式風力發電機組的制作方法

專利名稱：兆瓦級半直驅動式風力發電機組的制作方法
技術領域：
本發明屬于風力發電機組技術領域，特別涉及一種兆瓦級半直驅動式風力發電機組。
背景技術：
低速永磁風力發電機組是變速恒頻風力發電機組的一種形式，它由風力機的驅動結構型式決定，由于電力電子技術的日益成熟，允許發電機在任何轉速下發出不同頻率的電，經電力電子器件整流后，再逆變上網。通常為了減少齒輪箱的故障率，降低維修成本，驅動鏈結構采用無齒輪箱或一級齒輪箱增速的低速永磁風力發電機結構，使機組的結構特性更好，滿足機組長期可靠運行的要求。從理論上說直驅無齒輪箱結構可維護性最好，但所需發電機功率大，規模生產實施有難度，尤其對于大容量的風力發電機組更加難于實現。現有的兆瓦級風力發電機組包括風輪、主軸、增速箱及發電機，其增速箱為三級行星齒輪箱，發電機采用異步電機，變速箱安裝在機艙底盤上，與發電機臥式安裝，對中性差，且三級行星齒輪箱結構復雜，要求加工精度高，其輸出轉速高，速比為1∶50～1∶100，易漏油，故障率高；由于其體積大，占有的空間大，振動性較大，成本高。
現有的風力發電機組的變槳距結構主要有液壓驅動傳動變距、伺服電機傳動變距兩種形式。因液壓系統出力大，變距機構緊湊，成本較低等優點，兆瓦級以下的機組多采用液壓驅動變距機構；當機組功率超過1兆瓦以后，機組體積、扭矩相應增大，變距行程加長，若采用液壓驅動執行變距動作易遇到推桿失穩，推力受限，漏油等缺點。為此兆瓦級以上的風力發電機多采用伺服電機傳動變距。目前應用在大型風力發電機上的伺服電機變距傳動形式都是以伺服電機作為源動機驅動三片槳葉獨立變槳。電機及減速器固定裝配在輪轂內，變距軸承內、外環分別與輪轂及槳葉固定裝配。傳動經由電機驅動減速器，減速器輸出軸安裝齒輪與帶有內齒圈的變距軸承內環構成內齒圈傳動系統，齒輪帶動齒圈旋轉完成變距調節動作。此傳動機構因內齒圈傳動不能自鎖，要求減速器需具備自鎖功能、加工變距軸承內環內齒較困難；且運動定位不準，造成系統控制精度不高。
另外大型風力發電機組的變速運行控制也有許多方法，通常由機械調速和電氣調速兩種方式，電氣的調速方式是通過控制發電機的勵磁磁場來實現，如磁阻調速、變滑差調速和轉子勵磁電流調速，實際應用時勵磁電流調速最有效。但目前的風力發電機組都采用定子磁場定向矢量控制方法達到轉子調速，其具有復雜的矢量解耦計算，控制實施復雜，控制目標效果不明顯。

發明內容
為解決上述存在的問題，本發明提供一種兆瓦級半直驅動式風力發電機組。它是采用一級行星式增速齒輪箱配合低速永磁同步發電機，利用變速恒頻裝置調整轉速，通過主控制器實現恒定功率輸出的控制。
本發明包括風輪、變距裝置、主軸、增速箱、聯軸器、發電機、機艙底盤、偏航電機和控制系統，在機艙底盤上固定有偏航電機、發電機，發電機通過聯軸器與增速箱連接，在增速箱的輸出軸上安裝剎車器，增速箱輸入端通過主軸與風輪輪轂連接，風輪輪轂內安裝有變距裝置，機艙底盤兩側固定有側壁，增速箱與機艙底盤的側壁固定，增速箱為一級行星式增速齒輪箱，發電機為低速永磁三相同步發電機，控制系統分別與發電機、增速箱、風輪葉片、主軸相連。
本發明中的變距裝置包括幅盤蝸輪、變距電機及蝸桿，幅盤蝸輪安裝在風輪葉片上，位于輪轂端的端面，變距電機、蝸桿分別固定在輪轂上，變距電機輸出軸與蝸桿伸出端位于同側，之間通過鏈輪連接，蝸桿與幅盤蝸輪相嚙合，以變距電機—鏈輪—蝸桿蝸輪—風輪葉片的傳動流程實現風力發電機變距的傳動。
本發明為加強機艙底盤側壁強度，較少機艙底盤側壁變形量，在機艙底盤側壁上設有加強筋板。
本發明的控制系統包括變速恒頻裝置、參數及運行狀態檢測板、檢測傳感器、主控制器、監控顯示運行控制器、發電運行控制器、發電機功率控制器和控制輸出驅動模板，變速恒頻裝置分別與發電機、主控制器及電源連接，檢測傳感器通過參數及運行狀態檢測板與監控顯示運行控制器連接，監控顯示運行控制器通過發電運行控制器與發電機功率控制器連接，監控顯示運行控制器和發電機功率控制器分別與主控制器連接，監控顯示運行控制器、發電運行控制器及發電機功率控制器通過控制輸出驅動模板與偏航電機、液壓伺服電機及輸出裝置連接。檢測傳感器包括轉速傳感器、角度傳感器和溫度傳感器。檢測傳感器的轉速傳感器分別與發電機、增速箱相連；角度傳感器與葉片根部相連；溫度傳感器分別與主軸、發電機、增速箱相連。
本發明中主控制器的控制過程，按以下步驟進行1.復位；2.系統初始化，系統自檢十分鐘；3.系統故障標志；當系統出現故障時，系統辨別故障并進行處理；4.系統無故障，手動標志顯示，進行手動操作及保護；
5.運行系統或停機；6.啟動系統；7.風輪轉速V＜2.5m/s時，小風待機；8.風輪轉速V≥2.5m/s時，控制偏航電機；9.執行整流逆變恒頻發電運行控制；10.變速功率優化控制；11.變距恒功率控制；12.當V＞25m/s時，大風待機；13.當有扭纜狀態信號時，解纜控制；14.運行溫度控制；15.返回。
本發明當風速在額定風速以下時，隨著風速增加，同步永磁發電機電壓升高，轉速增大，功率也隨著加大，為了獲得最佳最優的風能利用系數，由變速恒頻裝置調整轉速，匹配合適的尖速比，發電機對直流母線進行充電，經逆變后并網發電。當風速超過額定值時，利用變距裝置限制風輪轉矩的增加，與變速恒頻裝置控制相結合，實現恒定功率輸出的控制。
本發明的有益效果增速箱采用一級齒輪箱結構，速比為1∶6～1∶9，密封要求低，不僅使傳動系統傳動平穩、受沖擊載荷小，而且能有效降低齒輪箱故障率。發電機為低速永磁三相同步發電機，與直驅式的相比級數高，電磁損耗低，體積小、重量輕，工藝可行性好。增速箱與機艙底盤為臥式端面安裝，高度可調，對中性好。采用齒輪箱與機艙底盤側壁的安裝形式，這種結構形式具有受力面大，局部壓強較小，齒輪箱軸向竄動量小等優點，機艙底盤側壁抵消了來自輪轂部分的絕大部分的外載荷，從而使得外負載對傳動系統的影響減到最低，使得機組運行更加穩定、可靠；為加強機艙底盤側壁的強度又兼顧工藝性；因此本發明中的主軸可以做的很短，其剛性可以很高，有利于提高傳動系統的平穩性；主軸一端嵌入齒輪箱，另一端嵌入輪轂即可，故此中間不需主軸承定位。其變距裝置結構簡單，運行穩定性好，加工容易，結構強度高，抗沖擊力大，蝸桿/輪傳動機構具有自鎖功能；可實現變距角度0.1度精確控制，滿足兆瓦級風電機組變距控制的要求。采用鏈輪、蝸桿/輪二級傳動形式，維護維修方便，系統控制精度高等特點；此外幅盤蝸輪較變距軸承內環內齒圈加工容易，不需多級減速器等環節，故成本較低。本發明能夠實現恒定功率輸出的控制。


圖1是本發明的結構示意圖，
圖2是本發明的局部結構示意圖，圖3是圖1俯視圖，圖4是圖1左視圖，圖5是本發明的軸測圖，圖6是本發明中變距裝置結構示意圖，圖7是圖6的的B向視圖，圖8是圖6的A-A視圖，圖9是變距裝置的立體結構示意圖，圖10是本發明的控制系統結構框圖，圖11是圖10中的變速恒頻裝置電路原理圖，圖12(a)是圖11中DSP整流逆變恒頻控制器電路原理圖，圖12(b)為圖12(a)中的緩沖電路，圖13(a)是圖11的驅動接口電路原理圖，圖13(b)為圖13(a)中的緩沖電路，圖14是本發明主控制器的控制流程圖；圖中1.變速箱，2.剎車器，3.聯軸器，4.發電機，5.控制系統，6.偏航電機，7.機艙底盤，8.塔架，9.輪轂，10.風輪葉片，11.變距電機，12.輻盤蝸輪，13.蝸桿，14.鏈輪，15.變距軸承，16.電機固定扶手，17.蝸桿固定扶手，18.風輪，19.電源。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步描述實施例如圖1所示，本例的增速箱1采用一級行星式增速齒輪箱結構，速比為1∶8，電機選用功率為1兆瓦的低速永磁三相同步發電機。本發明包括風輪19、變距裝置、主軸、機艙底盤7、偏航電機6、增速箱1、聯軸器3、發電機4和控制系統5，風輪19包括風輪葉片10和輪轂9，風輪葉片10通過變距軸承15與輪轂9連接，輪轂9連接在變距軸承15的外環，風輪葉片10連接在變距軸承15的內環，在機艙底盤7上固定有偏航電機6、發電機4，發電機4通過聯軸器3與增速箱1連接，在增速箱1的輸出軸上安裝剎車器2，，增速箱1輸入端通過主軸與風輪輪轂9連接，輪轂9內安裝有變距裝置，機艙底盤7兩側固定有側壁，在側壁上設有加強筋板，目的是加強其強度，較少側壁變形量，增速箱1通過其上的法蘭與機艙底盤7的側壁固定，可調整安裝高度，對中性好，如圖2～5所示；控制系統分別與發電機4、增速箱1、風輪葉片10、主軸相連。
本發明中的主軸可以做的很短，其剛性可以很高，有利于提高傳動系統的平穩性；主軸一端嵌入變速箱1，另一端嵌入輪轂9即可，故此中間不需主軸承定位。
如圖6～9所示，本例的變距裝置包括幅盤蝸輪12、變距電機11及蝸桿13，幅盤蝸輪12安裝在風輪葉片10上，位于風輪輪轂9端的端面，變距電機11、蝸桿13分別固定在輪轂9上，變距電機11輸出軸與蝸桿13伸出端位于同側，之間通過鏈輪14連接，蝸桿13與幅盤蝸輪12相嚙合，以變距電機11-鏈輪14-蝸桿13-幅盤蝸輪12-風輪葉片10的傳動流程實現風力發電機變距的傳動。制造輪轂9時，在與變距電機11及蝸桿13安裝的地方鑄造出約30mm凸臺，以便后續加工鉆孔，用于定位變距電機11及蝸桿13；變距電機11通過電機固定扶手16安裝在輪轂9相應的凸臺上(見圖6)；蝸桿13通過蝸桿固定扶手17安裝在輪轂9相應的凸臺上，蝸桿13與蝸桿固定扶手17之間采用滾動軸承連接。
當風力發電機組系統不執行風輪葉片10調節時，變距電機11不通電，整套變距機械系統處于自鎖的平穩狀態；當環境發生變化，風機系統執行變槳調節時，系統給變距電機11通電，變距電機11帶動鏈輪14回轉，鏈輪14依次帶動蝸桿13、幅盤蝸輪12旋轉，風輪葉片10隨輻盤蝸輪12及變距軸承15內環一起旋轉，執行變距動作。該變距裝置可以實現變距角度0.1度精確控制。
如圖10所示，本發明的控制系統包括變速恒頻裝置、參數及運行狀態檢測板、檢測傳感器、主控制器、監控顯示運行控制器、發電運行控制器、發電機功率控制器和控制輸出驅動模板，參數及運行狀態檢測板型號為6ES7-331和6ES7-324，主控制器采用型號6ES7314-6CF00-AB0的CPU模塊實現；監控顯示選用西門子可編程系列觸摸屏，發電運行控制器型號為6ES7-315，發電機功率控制器型號選用6ES7-314C，控制輸出驅動模板型號為S7-324；變速恒頻裝置分別與發電機、主控制器及電源連接，檢測傳感器通過參數及運行狀態檢測板與監控顯示運行控制器連接，監控顯示運行控制器通過發電運行控制器與發電機功率控制器連接，監控顯示運行控制器和發電機功率控制器分別與主控制器連接，監控顯示運行控制器、發電運行控制器及發電機功率控制器通過控制輸出驅動模板與偏航冷卻伺服電機、液壓伺服電機及輸出裝置連接，輸出裝置為繼電器。檢測傳感器中的風速風向傳感器LE6安裝在風輪輪轂9上，轉速傳感器XS2D12PA140C分別安裝在發電機尾部、增速箱1的出口處，溫度傳感器Pt100分別安裝在主軸、發電機4和增速箱1上，角度傳感器P0600805A安裝在風輪葉片10根部，加速度傳感器TGS-2安裝在機艙底盤上，增量式編碼器10-1V631R048安裝在發電機4的輸出軸上，用于檢測轉速。參數和運行狀態檢測板與監控顯示器進行光纖通信，主控制器分別與監控顯示器、發電機功率控制器、變速恒頻裝置進行光纖通信，監控顯示器、發電運行控制、發電機功率控制器通過控制輸出驅動模板與偏航電機、液壓伺服電機、輸出裝置進行光纖通信，液壓伺服電機用于控制剎車器等的工作過程。
變速恒頻裝置電路如圖11所示，包括驅動接口電路、DSP整流逆變恒頻控制器、通訊模板、網側變壓器及IGBT模塊，IGBT模塊由12個IGBT開關組成，通訊模板型號為TCF-142-M，圖中的IGBT模塊與圖13所示的驅動接口電路中的Jp對應管腳連接，驅動接口電路的管腳SizeD、SizeC、I2、I1、TMEP、Vbus、Vbc、Vab、U1+、U1-、V1+、V1-、W1+、W1-、U-、U+、V-、V+、W-、W+、BRK、TRIPRST、CHGRELAY、FAN、OC、OV與圖12中的DSP整流逆變恒頻控制器中的對應管腳連接，DSP整流逆變恒頻控制器中的I/O口與通訊模板的口連接。
本發明中主控制器的控制過程，按以下步驟進行，如圖14所示1.復位；2.系統初始化，系統自檢十分鐘；3.系統故障標志；判斷系統是否存在故障，若存在進行故障辨別與處理；4.系統無故障，進行手動標志顯示判斷，若有手動標志則進行手操作及保護；5.若無手動標志，判斷系統是否運行(或停機)，若需要運行(或停機)則進行系統狀態判別；6.若不需要運行(或停機)則啟動系統；7.判斷風速當風速V＜2.5m/s時，小風待機；8.風速V≥2.5m/s時，控制偏航電機；9.執行整流逆變恒頻發電運行控制；10.變速功率優化控制；11.變距恒功率控制；12.當V＞25m/s時，大風待機；13.當有扭纜狀態信號時，解纜控制；14.運行溫度控制；15.返回。
權利要求
1.一種兆瓦級半直驅動式風力發電機組，包括風輪、變距裝置、主軸、增速箱、聯軸器、發電機、機艙底盤、偏航電機和控制系統，在機艙底盤上固定有偏航電機、發電機，其特征在于增速箱與機艙底盤的側壁固定，增速箱為一級行星式增速齒輪箱，電機為低速永磁三相同步發電機。
2.根據權利要求1所述的兆瓦級半直驅動式風力發電機組，其特征在于所述的變距裝置包括幅盤蝸輪、變距電機及蝸桿，幅盤蝸輪安裝在風輪葉片上，位于風輪輪轂端的端面，變距電機、蝸桿分別固定在風輪輪轂上，變距電機輸出軸與蝸桿伸出端位于同側，之間通過鏈輪連接，蝸桿與幅盤蝸輪相嚙合，形成變距電機-鏈輪-蝸桿蝸輪-風輪葉片的傳動流程。
3.根據權利要求1所述的兆瓦級半直驅動式風力發電機組，其特征在于所述的傳輸帶為鏈輪或鋼制齒形帶。
4.根據權利要求1所述的兆瓦級半直驅動式風力發電機組，其特征在于所述的控制系統包括變速恒頻裝置、參數及運行狀態檢測板、檢測傳感器、主控制器、監控顯示運行控制器、發電運行控制器、發電機功率控制器和控制輸出驅動模板，變速恒頻裝置分別與發電機、主控制器及電源連接，檢測傳感器通過參數及運行狀態檢測板與監控顯示運行控制器連接，監控顯示運行控制器通過發電運行控制器與發電機功率控制器連接，監控顯示運行控制器和發電機功率控制器分別與主控制器連接，監控顯示運行控制器、發電運行控制器及發電機功率控制器通過控制輸出驅動模板與偏航電機、液壓伺服電機及輸出裝置連接。
5.根據權利要求1所述的兆瓦級半直驅動式風力發電機組，其特征在于所述的控制系統的控制過程，按以下步驟執行(1)復位；(2)系統初始化，系統自檢十分鐘；(3)系統故障標志；當系統出現故障時，辨別系統故障并進行處理；(4)系統無故障，手動標志顯示，進行手動操作及保護；(5)運行系統或停機；(6)啟動系統；(7)風輪轉速V＜2.5m/s時，小風待機；(8)風輪轉速V≥2.5m/s時，控制偏航電機；(9)執行整流逆變恒頻發電運行控制；(10)變速功率優化控制；(11)變距恒功率控制；(12)當V＞25m/s時，大風待機；(13)當有扭纜狀態信號時，解纜控制；(14)運行溫度控制；(15)返回。
全文摘要
一種兆瓦級半直驅動式風力發電機組，屬于風力發電機組技術領域。其結構包括風輪、變距裝置、主軸、增速箱、聯軸器、發電機、機艙底盤、偏航電機和控制系統，在機艙底盤上固定有偏航電機、發電機，增速箱與機艙底盤的側壁固定，增速箱為一級行星式增速齒輪箱，電機為低速永磁三相同步發電機。本發明不僅使傳動系統傳動平穩、受沖擊載荷小，密封要求低，而且能有效降低齒輪箱故障率，機組運行穩定、可靠。安裝時高度可調，對中性好。其變距裝置結構簡單，運行穩定性好，加工容易，結構強度高，抗沖擊力大，蝸桿/輪傳動機構具有自鎖功能；可實現變距角度0.1度精確控制，滿足兆瓦級風電機組變距控制的要求，能夠實現恒定功率輸出的控制。
文檔編號F03D7/04GK101016881SQ20071001044
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月15日 優先權日2007年2月15日
發明者姚興佳, 潘建, 劉穎明, 王曉東, 李科, 王超 申請人:沈陽工業大學