機械耦合式磁懸浮風機偏航系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種應用于大中型風電機組的機械耦合式磁懸浮風力偏航系統，包括行星齒輪、錐形齒輪、電磁離合器、垂直懸浮繞組、水平懸浮繞組、偏航電機。風機偏航機械轉矩和偏航電機電磁轉矩通過行星齒輪太陽輪和齒圈完成轉矩耦合，并由行星齒輪行星架作用于風機機艙驅動偏航。風機偏航機械轉矩是由電磁離合器和錐形齒輪以固定變比形式取自于發電機前側的風力渦輪機轉矩，已改偏航功率完全取自發電機后側電功率的傳統；偏航電機電磁轉矩是在機艙懸浮下由雙向PWM變流器轉速控制實現；機艙懸浮是在水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組共同控制實現，其中水平懸浮繞組平衡機艙重力，垂直懸浮繞組抑制風機傾覆力矩所致的機艙中心偏移；所述風機機艙偏航因風機偏航機械轉矩變化可工作在電動和再生制動發電模式，分別控制雙向變流器于逆變和整流狀態，完成能量雙向流動。本實用新型減少了偏航功率能量轉換環節，大幅降低了偏航功耗，提高了風能利用率。
【專利說明】機械耦合式磁懸浮風機偏航系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種機械耦合式磁懸浮風機偏航系統，尤其是一種應用于大中型風電系統實現機艙精確對風的偏航系統。
【背景技術】
[0002]風電機組偏航系統可使風機風輪始終迎風，提高風電機組風能利用率，對確保風電機組安全穩定運行具有關鍵作用。目前，大中型風電偏航系統普遍采用多電機驅動，偏航功耗大，故障率高，制約了大型風電、尤其是海上風電的發展，究其原因是海上風電的安裝和維護需要大型船舶和直升飛機的輔助，高偏航故障率導致風電成本升高。發明專利200910161406.7披露一種磁懸浮偏航裝置，該裝置采用磁懸浮驅動技術極大降低了偏航故障率和維護費用，在機艙穩定懸浮下進行機艙偏航，降低了因機艙重力所致的摩擦轉矩；但由于風機傾覆轉矩使得偏航電機中心偏移，偏航電機與塔架間的摩擦力矩依然存在，且偏航功耗較大，尤其需要說明的是其偏航電機功率完全來自發電機發電功率，較大的偏航功耗限制了風能利用率的進一步提高。
【發明內容】
[0003]本發明的技術任務是針對上述技術中存在的不足，提供一種基于機艙完全懸浮下的偏航電機轉矩和風機偏航轉矩機械耦合的新型風力偏航系統。
[0004]本發明解決上述技術問題采用的技術方案為:風電機組偏航系統包括行星齒輪、錐形齒輪、電磁離合器、懸浮繞組、偏航電機。偏航電機吸收了軸/徑向電機特點，經由水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組共同作用實現機艙完全懸浮，并由雙向PWM變流器控制定子繞組8供電產生偏航電機轉矩，其中水平懸浮繞組10用于平衡機艙重力，垂直懸浮繞組9用于抑制風機傾覆力矩所致機艙中心偏移問題，減小機艙偏航電機中心偏移所致摩擦轉矩。
[0005]所述風機偏航轉矩為經由電磁離合器2和錐形齒輪3固定比例，取自發電機前側的風機機械轉矩，具有隨偏航對風誤差減小而增大的特點，并在偏航角度為零時轉矩值最大。
[0006]所述行星齒輪15主要完成風機偏航轉矩和偏航電機轉矩機械耦合，共同驅動機艙偏航。其中，太陽輪5和風機高速機械軸間存在固定轉矩變比的錐形齒輪傳動體系，通過電磁離合器完成轉矩耦合；而齒圈5和偏航電機定子8機械聯接，實現風機轉矩和偏航電機轉矩機械耦合，共同經由行星架4驅動機艙偏航，行星架和機艙機械聯接成一體。
[0007]所述懸浮繞組，包括水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組兩部分，分別通過對應斬波器實現懸浮控制，而斬波器硬件拓撲及控制策略已為成熟技術，在此不作贅述。
[0008]所述偏航定子三相繞組放置及繞制技術為發明專利200910161406.7中
【發明內容】
。鑒于本發明特殊偏航運行機制，偏航電機(應具有發電和電動兩種工作模式)定子電流采用雙向PWM變流器(具有整流和逆變雙重功能)控制。受外界風能隨機性影響，偏航風機轉矩具有波動性特點，偏航電機需補充或吸收部分波動轉矩確保偏航轉速恒定，為此，偏航電機可分別工作在電動模式、再生制動式發電模式以及停止模式等三種工作模式。
[0009]所述本發明塔架結構(圖3)采用立式塔架12、水平懸浮支架16和垂直懸浮支架15組成。立式塔架用于支撐行星齒輪及機艙；水平懸浮支架和垂直懸浮支架為硅鋼片材質組成鐵芯結構，并分別放置水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組。
[0010]本發明所帶來的有益效果是:1)本發明借助水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組實現了風機機艙兩自由度完全懸浮，其中水平懸浮平衡機艙重力；垂直懸浮抑制風機傾覆力矩所致機艙徑向偏移，大幅降低摩擦轉矩和風機偏航功耗。2)本發明借助于行星齒輪實現了風機偏航轉矩和偏航電機轉矩機械耦合，偏航電機工作在電動、再生制動式發電以及停止等三種工作模式，實現機機艙被動偏航和主動偏航完美統一，大幅降低了偏航功耗，提高了風能利用率。3)本發明偏航轉矩部分來自風機機械轉矩，減少了能量轉換環節，提高了風能利用率；且偏航電機功耗隨機艙對風偏航角減小而減小，偏航目標達到判定可通過偏航電機功率計算比較確定。該方法可有效消除傳統偏航控制完全依賴風向傳感器所致偏航控制精度不高問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1本發明實例一偏航系統結構示意圖。
[0012]圖2本發明實例二行星齒輪機械耦合結構示意圖。
[0013]圖3本發明實例三風機塔架結構示意圖。
[0014]圖4本發明實例四機械耦合式磁懸浮偏航系統控制方案原理圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0016]如圖1、圖2和圖3如示，本發明所公布的機械耦合式磁懸浮偏航系統，包括塔架結構(圖3，水平懸浮支架16、垂直懸浮支架15以及塔架12)、機艙1、行星齒輪17 (太陽輪5、行星架4以及齒圈6組成)、機械耦合結構(電磁離合器2和錐形齒輪3組成)、塔架上安裝有垂直懸浮繞組9和水平懸浮繞組10組成的磁懸浮機構以及行星齒輪齒圈6上安裝有定子繞組8共同組成。
[0017]如圖4所示，本發明公布的機械耦合式磁懸浮偏航系統控制方案。風力發電系統為成熟技術，不受本發明保護。雙向PWM變流器20、垂直懸浮繞組斬波器18以及水平懸浮繞組斬波器19分別與發電系統直流母線耦合，通過變流器20、18和19實現機艙懸浮和機艙偏航；雙向PWM變流器主要任務為機艙勻速偏航，采用基于定子磁鏈定向和定子電流d軸分量id=0的軸/徑向磁場解耦策略，實現機艙懸浮與偏航解耦控制；為降低偏航對發電機輸出電能質量的影響，雙向PWM變流器可工作在逆變和整流兩狀態，并經由偏航轉速跟蹤控制(圖4中基于轉速控制和電流跟蹤控制器的雙閉環控制)完成電能雙向流動，確保機艙穩定偏航。18和19斬波器為成熟技術，在此不做贅述。
[0018]本發明專利系統工作包括機艙懸浮、機艙偏航以及機艙降落等3個步驟。
[0019]機艙懸浮，當機艙安裝的風向傳感器11檢測到風向改變時，垂直懸浮繞組9通電，抑制傾覆轉矩所致的機艙中心偏移問題，實現機艙與塔架σ間距恒定，確保塔架和行星齒輪中心具中，減小徑向摩擦；進而水平懸浮繞組10供電，機艙懸浮啟動，平衡機艙重力，最終將機艙穩定懸浮于氣隙《，從而有效降低因機艙重力所致的摩擦力矩。
[0020]機艙偏航,機艙穩定懸浮后，電磁離合器2通電,發電機前端風機機械轉矩(Tff)通過電磁離合器和錐形齒輪3的固定變比5完成轉矩分解，其中部分轉矩用作為風機偏航轉
矩(?);此時通過偏航電機定子8通電，經由圖4雙向PWM變流器控制偏航轉矩，確保機
倉以恒定轉速偏航。在風速較小或者機艙偏航角較大時，風機偏航轉矩不足以獨立完成風機機艙偏航，偏航電機工作在電動模式，雙向PWM變流器運行在逆變模式，此時差額轉矩部分由偏航電機電磁轉矩輔助，Trf >° ;隨著偏航角度減小，風機偏航轉矩足以穩定實
現偏航機艙恒定轉速時，偏航電機電磁轉矩I =0，此時偏航電機和雙向PWM變流器均工
作在停止模式，由于風能隨機性問題，此工作模式僅為暫態過程；隨著對風精度進一步升高，風機偏航轉矩逐步增大，此轉矩除滿足風機偏航轉矩需要外還有剩余時，偏航電機將工作在再生制動回饋模式，為實現偏航轉速恒定，多余電能部分將通過雙向PWM變流器整流
回饋至風力發電機直流側，此時雙向變流器工作在整流模式，偏航電機電磁轉矩I <*M旦
保持不變。針對風向傳感器信號易干擾且測量精度不高等問題，采用基于機艙偏航
功耗的爬山法完成偏航目標的判定工作，具體原理如下:當偏航角度時，起動偏航
目標判定程序，首先由！Lr判定當前偏航工作模式，當& >0時偏航工作在電動模式，計算
偏航電機功率^ =Kf-，當最小時即為偏航控制目標達到；當& <0時偏航電機工
作在再生制動模式，偏航電機功率<0,當其值最小即再生回饋功率最大時，即偏航角度達到控制要求，偏航結束。
[0021]機艙降落，將電磁離合器和偏航電機定子停止供電，水平懸浮繞組逐步減小供電電流，使機艙穩定懸浮降落直至懸浮氣隙為*W，此時垂直懸浮繞組和水平懸浮繞組斷電，從而完成了機艙偏航全部過程。
[0022] 上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【權利要求】
1.一種應用于大中型風電機組的機械耦合式磁懸浮偏航系統，其特征是，包括行星齒輪、水平懸浮繞組、垂直懸浮繞組以及定子繞組，所述行星齒輪的三個轉矩輸入/輸出軸:太陽輪、齒圈和行星架分別與錐形齒輪、偏航電機定子繞組以及風機機艙相連；所述錐形齒輪經由電磁離合器以固定變比獲取部分風力渦輪機轉矩作為風機偏航機械轉矩；所述偏航電機定子繞組通過雙向PWM變流器和風力發電機直流側相連，所述水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組經由斬波器和風力發電機直流側相連。
2.如權利要求1所述的機械耦合式磁懸浮偏航系統，其特征是，所述電磁離合器經由變流器和發電機直流側相連，以確保電磁離合器有效吸合和斷開。
3.如權利要求1所述的機械耦合式磁懸浮偏航系統，其特征是，所述雙向變流器設置有電流傳感器。
4.如權利要求1所述的機械耦合式磁懸浮偏航系統，其特征是，所述偏航電機設有電機角速度傳感器以及氣隙傳感器。
5.如權利要求1所述的機械耦合式磁懸浮偏航系統，其特征是，所述水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組分別設置于塔架的水平和垂直支撐上。
【文檔編號】F03D9/00GK203783812SQ201420173070
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】褚曉廣, 蔡彬, 孔英, 丁文龍 申請人:曲阜師范大學, 褚曉廣