風力發電機組的制作方法

本發明涉及風力發電技術領域，具體地講，涉及一種集成式風力發電機組。

背景技術：

隨著風力發電機組的不斷大型化，直驅機組發電機重量不斷增加，對于發電機前置式直驅機組而言，機頭重量不平衡要求塔筒的抗傾覆力矩的能力大大增加。另外，面臨風電電價不斷下降的趨勢，降低成本的壓力巨大。

目前，主流風力發電機組制造商制造的風力發電機組依然采用分散式布置方式。具體地講，如圖1所示，發電機1通過與底座2連接而安裝到機艙3的前部，用于發電機的散熱的換熱器4在機艙3內靠近機艙3的尾部設置，開關柜5、變頻柜6、液壓站7和機艙控制柜8設置在機艙3內，并且變頻柜6、液壓站7和機艙控制柜8位于底座2中，變流柜9、箱變10、主控柜11、泵站12和外部換熱器13設置在塔筒14的塔底。具體地，箱變10設置在塔底的負一層平臺，主控柜11和泵站12設置在塔底的一層平臺(塔筒門入口)，變流柜9設置在塔底的二層平臺。

現有技術中采用這樣的分散式布置方式，會導致電纜成本增高。具體地講，用于連接發電機1、變流柜9、箱變10的低壓動力電纜15較長，在經濟電流密度下所需的電纜直徑較粗；機艙控制柜7以及發電機的散熱系統需要400V低壓配電和控制信號傳輸，而配電需要從位于塔底的主控柜11中的低壓配電變壓器中引出，因此額外需要從塔底向機艙3引出400V配電電纜和控制電纜。

此外，采用這樣的分散式布置方式，會延長風場的建設周期，尤其是對于海上項目的風力發電機組吊裝作業，由于作業窗口期較短以及吊裝設備昂貴，會帶來較大的成本增加。具體地講，在吊裝時需要對塔底進行拼裝以及需要完成箱變、變流柜與主控柜之間的接線工作，不僅吊裝準備工作多，而且現場作業，柜體間繁瑣的接線工作，質量難以保證。此外，由于風力發電機組主要部件在吊裝前是分開的，無法組成一個完整的電系統及其控制系統，因此很多預調試工作無法進行，從而導致在吊裝完畢后，還需要進行大量的調試工作。

另外，由于風力發電機中各部件的耦合度高，箱變、變流柜、主控柜、發電機以及各部件對應的冷卻系統中的任一部件損壞，都有可能導致風力發電機故障停機。在潮濕地區(例如，沿湖、沿海、海上等)，風力發電機組停機不僅會帶來較大的經濟損失，而且對風力發電機組內部環境的溫濕度控制也十分不利。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種集成度高、成本低、抗傾覆性能高和高可靠性的風力發電機組。

根據本發明的一方面，提供一種風力發電機組，變流柜和箱變可設置在所述風力發電機組的機艙內，在所述機艙內，塔筒的一側設有發電機，另一側設有變流柜和箱變。

優選地，箱變和變流柜可靠近風力發電機組的塔筒設置。

優選地，機艙可以至少分為兩層，箱變和變流柜可設置在不同層上。

優選地，機艙空間可分為上下兩層，箱變可設置在其中一層，變流柜可設置在另一層。

優選地，變流柜所在的層可位于箱變所在的層的上方。

優選地，用于對發電機進行冷卻的發電機換熱器與箱變可設置在同一層內，泵站和液壓站與變流柜可設置在同一層內。

優選地，泵站和液壓站中的至少一個可設置在集液裝置中。

優選地，液位傳感器可設置在集液裝置的靠近機艙尾部的一側。

優選地，箱變可比發電機換熱器更靠近塔筒。

優選地，變流柜可比泵站和液壓站更靠近塔筒。

優選地，變流柜可包括風力發電機組主控制器、低壓配電模塊和機側斷路器。

根據本發明的風力發電機組，將箱變和變流柜改為設置在機艙內，由此提高了風力發電機組的集成度。而且，由于變流柜和箱變位于塔筒的一側，發電機位于另一側，有助于實現載荷平衡，即機頭重心更加接近于塔筒中心，因此顯著降低了對塔筒及基礎的抗傾覆力矩的要求。此外，由于將箱變和變流柜設置在機艙內，簡化了布局和接線，簡化了現場作業，能夠降低成本和建設周期，而且便于控制風力發電機組內部環境的溫濕度。此外，根據本發明的風力發電機組，由于變流柜可被配置為具有高集成度的變流柜，因此減少了電控柜數量、簡化了布局和接線，縮短了低壓動力電纜以及配電電纜和控制電纜的長度，顯著降低了電纜成本，同時減小了空間占用。此外，根據本發明的風力發電機組采用冗余配置以及故障隔離等手段來盡最大可能確保機組運行而不停機，避免機組內部環境失去控制，提高了風力發電機組的可靠性。

附圖說明

通過下面結合附圖對實施例進行的描述，本發明的上述和其他目的和特點將會變得更加清楚，在附圖中：

圖1是示出了現有技術中的采用分散式布置方式的風力發電機組的示意圖；

圖2是示出了根據本發明的實施例的風力發電機組的布局的示意圖；

圖3是示出了根據本發明的實施例的風力發電機組的機艙的一層內的布局的示意圖；

圖4是示出了根據本發明的實施例的風力發電機組的機艙的二層內的布局的示意圖；

圖5A和圖5B是示出了根據本發明的實施例的風力發電機組的泵站和液壓站設置在集液裝置中的示意圖。

具體實施方式

現在，將參照附圖詳細地描述根據本發明的實施例，其示例在附圖中示出，其中，相同的標號始終表示相同的組件。

參照圖2，風力發電機組可包括：葉輪101，葉輪上101可設置有葉片(未示出)；發電機102，連接到葉輪101；機艙103，機艙103內可設置有箱變116和變流柜114；塔筒105，用于支撐葉輪103、發電機102和機艙103(葉輪輪轂、發電機和機艙統稱為機頭)。此外，機艙103的外部還可設置有用于風力發電機組的散熱的外部換熱器106，優選地，外部換熱器106可位于機艙103的頂部靠近發電機102的位置。在此，變流柜114用于將發電機發出的頻率和電壓均在變化的交流電，轉換為符合電網接入規范的電壓、頻率恒定，波形為正弦波的交流電；箱變116為用于風力發電機中的變壓器，可以為油式變壓器或干式變壓器，用來將來自變流柜的低壓電升壓后送往集電線路。

在本實施例中，機艙103可通過底座104連接到塔筒105，底座104可以為一個支撐結構件，底座104的一端可連接到塔筒105，用于將整個機頭的重力以及力矩傳遞給塔筒105。風力發電機組可以為直驅式風力發電機組，發電機102可以為外轉子空冷發電機，其中，發電機102可采用單軸承(未示出)，軸承安裝到內定子的軸承座中，軸承的動環與動軸固定，軸承的靜環與靜軸固定，靜軸與底座104連接，用于將發電機102及葉輪101的重力和力矩傳遞給底座104，動軸與葉輪101連接，用于將葉輪101捕獲風能后轉化來的彎矩傳遞給發電機外轉子用于發電，同時支撐葉輪101的重力以及抵消葉輪101帶來的力矩。

在下文中，將參照圖2至圖5進一步詳細地描述機艙的結構以及機艙內組件的布局。

如圖2所示，機艙103可通過分隔平臺107(也可稱作機艙二層平臺)分為一層108和二層109，靠近機艙103的底部還可設置有機艙一層平臺112。如圖2和圖3所示，箱變116和發電機換熱器117可設置在機艙一層平臺112上。如圖2和圖4所示，變流柜114、泵站115和液壓站118可設置在機艙二層平臺107上。變流柜114和箱變116的分層布置有利于實現高低壓分離，同時設置在機艙二層平臺107上的泵站115和液壓站118可遠離箱變116，以便于對泵站115和液壓站118進行維護。此外，為了減小對塔筒105的抗傾覆力矩的要求以及縮短低壓電纜119的長度，變流柜114、箱變116等較重以及需要低壓電纜119連接的組件可在機艙一二層平臺布置時優選地靠近塔筒105(具體地，靠近底座104)布置，優選地，箱變116可比發電機換熱器117更靠近塔筒105，變流柜114可比液壓站118和泵站115更靠近塔筒105。在此，泵站115可包括泵、三通閥以及加熱器等，用于給液冷系統提供動力，同時依據風力發電機組控制系統的指令實現控制流量、切換大小循環、以及加熱冷卻液等功能；液壓站118用于給風力發電機組內的液壓部件(例如偏航剎車系統、轉子剎車系統、液壓變槳系統等)提供動力及控制。圖3和圖4中的由點劃線構成的圓圈表示塔筒105的位置。

在本實施例中，機艙二層平臺107可以為板狀結構，并且可采用懸臂式布置形式，即，機艙二層平臺107的一端可固定于底座104上，另一端可懸空，優選地，為了增大機艙二層平臺107的結構強度，可在機艙二層平臺107下設置多根橫梁。此外，機艙二層平臺107的下方可安裝有機艙一層平臺行車110，用于吊裝箱變116和發電機換熱器117及其內部組件等以便于維護和更換。此外，靠近機艙103的頂部可安裝有機艙二層平臺行車111，用于吊裝箱變116、發電機換熱器117、變流柜114、泵站115和液壓站118及其內部組件等。此外，在機艙二層平臺的靠近機艙103的尾部的位置可設置有天井113，用于機艙二層平臺與機艙一層平臺之間的物資運送或者維護機艙一層平臺上的組件。可以理解的是，機艙103內設置的組件均可由固定到底座104的具有較強結構強度的鋼結構桁架(未示出)支撐。

此外，如圖5A和圖5B所示，泵站115和液壓站118還可設置在設置有液位傳感器120的集液裝置121中，用以收集泄漏的液體，以防止泵站115和液壓站118泄漏。由于為了防止設置在葉輪上的葉片打到塔筒，機艙會有一個傾角，因此優選地，液位傳感器120可安裝到集液裝置121的靠近機艙103的尾部的一側的低位點。當液位傳感器120檢測到泄漏液體時，可進行記錄并通知運維人員進行處理。

優選地，機艙103可設置有機艙底部吊物孔和機艙頂部吊物孔，以可采用從空中和海上兩種方式對風力發電機組內的組件進行維修或更換。

如圖2和圖3所示，機艙底部吊物孔可以為組合式吊物孔，其可采用可拆卸蓋板122和活動蓋板123嵌套的方式而形成，具體地講，機艙(具體地，機艙罩(機艙的外殼就是機艙罩))的底部可設置有第一吊物孔(機艙底部吊物孔)，其尺寸應能允許整臺箱變116從其通過。機艙底部吊物孔上可安裝有用于覆蓋其的可拆卸蓋板122，可拆卸蓋板122中可設置有第二吊物孔，第二吊物孔的位置可與天井113的位置相對應，并且第二吊物孔上可設置有活動蓋板123。可拆卸蓋板122的外部可采用流線型外形，以與周圍機艙罩的形狀相匹配，可拆卸蓋板122平時可固定不打開，并且可拆卸蓋板122與機艙罩之間的縫隙可使用機械密封膠進行密封。活動蓋板123平時可以開啟，用于直接從船只往機艙內運送物資或者將損壞部件從機艙內下放到船只。在對風力發電機組內的組件進行更換時，可使用機艙一層平臺行車通過機艙底部吊物孔進行物資的提升和下放作業。

機艙頂部吊物孔可設置在機艙的頂部且位于外部換熱器106的后方。機艙頂部吊物孔上可設置有可拆卸機艙頂蓋125，具體地講，機艙罩頂部可設置有吊物孔，可拆卸機艙頂蓋125可設置在該吊物孔上以覆蓋該吊物孔。可拆卸機艙頂蓋125與機艙罩之間的縫隙也可使用機械密封膠進行密封。可拆卸機艙頂蓋125平時可固定不打開，當需要時，可移除可拆卸機艙頂蓋125，用于對設置在機艙二層平臺上的組件進行更換，或在極端情況下(例如，機艙內所有組件均損壞或升級樣機的情況)，可完全拆卸機艙二層平臺，更換機艙內的所有組件(圖2中實線表示可拆卸機艙頂蓋125安裝在機艙103頂部的情形，虛線表示可拆卸機艙頂蓋125被打開的情形)。為了便于與機艙頂部吊物孔相配合來更換機艙內的組件，機艙103的頂部外還可設置有直升機平臺(未示出)，用于惡劣天氣船只無法接近時的人員及物資運送，直升機平臺可位于外部散換熱器106的后方和可拆卸機艙頂蓋125的上方，以允許工作人員通過直升機平臺和機艙頂部吊物孔進入機艙二層。優選地，可拆卸機艙頂蓋125中可設置有相對小的孔，該孔上可設置有活動蓋板126，便于工作人員從直升機平臺進入機艙的二層。直升機平臺與可拆卸機艙頂蓋125也可合二為一。

此外，為了在風速較大不便使用機艙底部吊物孔的情況下運送物資，如圖2所示，塔筒105內可設置有塔筒吊物孔121。塔筒105的底部可設置有塔筒門(未示出)，底座104的底部在與塔筒吊物孔121對應的位置可設置有人梯孔，用于人員從塔筒105進入底座104。此外，底座104上還可設置有底座蓋板門124，用于人員從底座104進入機艙二層平臺。機艙二層平臺與機艙一層平臺之間可設置有樓梯(具體地，樓梯可設置在天井處)，用于人員在機艙一二層平臺之間往返。由于塔筒尺寸的限制，塔筒吊物孔121通常小于機艙底部吊物孔，因此塔筒吊物孔121通常用于體積相對小的組件的更換或維修。在對風力發電機組內的組件進行更換時，可使用機艙二層平臺行車111通過塔筒吊物孔121進行物資的提升和下放作業。

在本實施例中，變流柜114可被配置為兩臺硬件配置完全相同的變流柜，以提高通用性并減少備件種類，并且兩臺變流柜114可在機艙二層平臺107上成左右對稱布置，液壓站115和泵站118可分別設置在變流柜114后方，但不限于此。變流柜114可以不止兩臺，例如，可以為三臺、四臺或更多臺。優選地，變流柜114除了包括機側濾波器、功率處理模塊、網側濾波器、網側斷路器和變流器控制器之外，變流柜114還可包括用于控制整個風力發電機組的正常運行的風力發電機組主控制器以及為風力發電機組內的用電組件配電的低壓配電模塊(例如400V低壓配電變壓器)。可選地，變流柜114還可包括機側斷路器，用于控制發電機的連接或斷開。雖然本實施例中示出了變流柜114包括如上所述的多種組件，但不限于此，例如，變流柜114還可包括用于控制發電機換熱器117的變頻控制模塊。

如上所述的兩臺變流柜可被配置為：當風力發電機組運行時，兩臺變流柜中的一臺被配置為主柜，兩臺的變流柜中的另一臺被配置為從柜，主柜里的風力發電機組主控制器負責風力發電機組的運行、控制及監視，從柜里的風力發電機組主控制器作為備份運行，并保持與主柜里的風力發電機組主控制器通信；當兩臺變流柜中有一臺發生故障時，如果發生故障的變流柜是從柜，主柜會立即將其切除出去，如果發生故障的變流柜是主柜，那么另一臺變流柜自動成為主柜，接管風力發電機組的控制權，并將發生故障的變流柜切除出去。在將故障的變流柜切除出去之后，風力發電機組可降容運行(即，風力發電機組不按照額定設計功率運行，而是在調低最高發電功率的情況下運行)，同時進行記錄并通知運維人員安排維護計劃。在變流柜包括四臺硬件配置完全相同的變流柜的情況下，四臺變流柜可類似地被配置為：當一臺損壞時，實現3/4容量降容運行；當兩臺變流柜故障時，實現1/2容量降容運行；當三臺變流柜故障時，實現1/4容量降容運行。變流柜的這種配置還可使得不同容量的機組共享同樣的變流柜，提高通用性，有助于提高機組可靠性，同時還可降低成本。

與變流柜類似，泵站也可采用兩臺硬件配置完全相同的泵并聯運行。可選地，兩臺泵可根據機組運行時所需冷卻量而同時運行或交替運行。詳細地講，當風力發電機組運行所需冷卻容量較高(例如，大于單臺泵運行時所能提供的最大冷卻容量)時，兩臺泵同時運行；當風力發電機組運行所需冷卻容量較低(例如，小于單臺泵運行時所能提供的最大冷卻容量)時，兩臺泵交替運行，以延長泵使用壽命，避免單臺泵長時間運行。當兩臺泵中的一臺發生故障時，泵兩端的閥門可被關閉，從而故障泵被切除出去。在故障泵被切除出去之后，風力發電機組可降容運行，同時進行記錄并通知運維人員安排維護計劃。類似地，泵站的泵也可以不止兩臺，例如，可以為三臺或者四臺或更多臺。此外，泵站可設置在減震底座(未示出)上，以降低泵站的振動對機組的影響。

根據本發明的風力發電機組，箱變和變流柜可起到配重的作用，可實現塔筒兩側的載荷平衡，即使機頭的重心更加接近于塔筒中心，由此能夠降低對塔筒及基礎的抗傾覆力矩要求。而且，通過使箱變和變流柜靠近塔筒設置，可以減小對塔筒產生的力矩。即，通過調節箱變和變流柜相對塔筒(底座)的位置，可以適當地調節整體載荷。

此外，根據本發明的風力發電機組，由于變流柜可被配置為具有高集成度的變流柜，可省略原先設置在機艙內的開關柜、機艙控制柜、變頻柜，還可以省略原先設置在塔筒底部的主控柜，因此減少了電控柜數量、簡化了布局和接線。此外，由于變流柜和箱變被集成到機艙內，縮短了低壓動力電纜以及配電電纜和控制電纜的長度，顯著降低了電纜成本，同時減小了空間占用，而且便于控制風力發電機組內部環境的溫濕度。具體地講，由于風力發電機組主控制器和低壓配電模塊已集成到變流柜，并且變流柜位于機艙中，所以不再需要機艙控制柜進行控制信號的中轉和機艙內組件的配電，可直接由集成到變流柜中的風力發電機組主控制器來控制原來由機艙控制柜控制的機艙內的組件以及使用變流柜中的低壓配電模塊統一對風力發電機組內的用電設備進行配電，可大幅減小配電電纜和控制電纜的長度，從而降低電纜成本。

此外，集液裝置和液位傳感器的設置可降低泵站或液壓站的泄漏對風力發電機組的影響。

此外，根據本發明的風力發電機組采用冗余配置以及故障隔離等手段來盡最大可能確保風力發電機機組運行而不停機，避免風力發電機機組內部環境失去控制，提高風力發電機組的可靠性。

此外，根據本發明的風力發電機組，可在工廠內完成風力發電機組內的大部分的接線工作，有助于風力發電機組質量的控制。詳細地講，可在工廠內(對于機艙和發電機均在工廠內組裝完畢的情形)或者在地面拼裝后(針對機艙與發電機分開運輸，然后在吊裝前才把發電機和機艙在地面上或船上拼裝好)對風力發電機進行預調試，從而大大改善調試工程師的工作環境，并且可在預調試期間解決大部分問題，從而顯著縮短調試工程師用于對高空風力發電機進行調試的時間。

雖然上面已經詳細描述了本發明的示例性實施例，但本發明所屬技術領域中具有公知常識者在不脫離本發明的精神和范圍內，可對本發明的實施例做出各種的修改和變型。但是應當理解，在本領域技術人員看來，這些修改和變形仍將落入權利要求所限定的本發明的示例性實施例的精神和范圍內。