专利名称：风力发电机组变速恒频装置的制作方法
风力发电机组变速恒频装置
本发明涉及风力发电机组，尤其涉及它的变速恒频装置。 龍絲
风力发电机组普遍采用变速运行方式，即在风速小时，风轮的转速低，风速高时，风 轮的转速也高，使叶片的尖速比始终保持在最佳的状态，这样就能最充分地利用风能，经 济性高。而大型风力发电机组要与电网连接，向电网供电，就需要采取特殊技术，使风机 在变速运行状态下，输出电能的频率却是恒定的，且为电网工作频率。
现在普遍采用的技术手段有如下两种
1. 双馈变速恒频技术
采用双馈感应式发电机，发电机定子与电网连接，发电机转子经双馈变频器变频后与 电网连接运行技术。变频器控制发电机的转子励磁频率，使发电机转子的机械旋转频率加 上励磁频率与电网电频率一致。因此可以调整转子励磁频率来使发电机转子变速运行而发 电机上网频率为工频。该技术由于只有转子部分的功率通过变频器，因此，变频器的容量 可以较小。但受变频器电压限制，可以实现的变速范围只有同步转速的-1/3 1/3之间。 另外，该技术对发电机的要求高，发电机转子需要滑环，而且发电机转子工作在变频器供 电模式下，转子绕组的绝缘需要特殊考虑，转子要承受高频脉冲电压和高的转速，适应电 网的能力还需要特殊措施加强。
2. 全功率变频上网技术
采用同步发电机，通过变频器与电网连接运行。发电机转子的转速可以在较宽的范围 内实现无级变速运行，发电机的输出电能通过全功率变频器后变成工频上网。该技术的优 点是可以在更宽的范围内实现风机的变速运行，适应电网能力比双馈变速技术强，缺点是 需要的变频器功率大，造价高。以上两种都是通过电磁变频来实现恒频，电磁变频装置的结构复杂，造价高，元器件 数量多，故障几率大，稳定性、可靠性较差。
再有，受变频器电压的限制，均需要变压器与电网连接，增加了机组的环节及成本。 而且，机组不能使用常规的工频同步发电机，电能品质差，谐波污染大，适应电网能力不 够。
鯽赠
本发明的目的是提供一种结构简单、造价低廉、稳定可靠、变速范围广、对电网无谐 波污染、适应电网能力加强的风力发电机组变速恒频装置。 本发明的技术解决方案是-
一种风力发电机组变速恒频装置，该装置包括行星齿轮变速器和转速调节装置；所述 行星齿轮变速器具有太阳轮、行星架、内齿圈，该内齿圈可旋转，构成三个同心旋转轴， 三个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置，即
所述内齿圈连捧发电机转子，太阳轮连接转速调节装置，行星架连接风轮；或 所述内齿圈连接发电机转子，太阳轮连接风轮，行星架连接转速调节装置；或 所述太阳轮连接发电机转子，行星架连接转速调节装置，内齿圈连接风轮；或 所述太阳轮连接发电机转子，行星架连接风轮，内齿圈连接转速调节装置；或 所述行星架连接发电机转子，太阳轮连接风轮，内齿圈连接转速调节装置；或 所述行星架连接发电机转子，太阳轮连接转速调节装置，内齿圈连接风轮。 所述转速调节装置包括力矩电动机及其变频器、风轮转速信号变送器、信号处理器； 力矩电动机的输出轴连接转速调节装置对应的行星齿轮变速器的旋转轴，风轮转速信号变 送器的输出端连接信号处理器的输入端，信号处理器的输出端连接变频器的输入端，变频 器的输出端连接力矩电动机。
所述转速调节装置也可包括直流力矩电动机及其调速器、风轮转速信号变送器、信号 处理器；直流力矩电动机的输出轴连接转速调节装置对应的行星齿轮变速器的旋转轴，风 轮转速信号变送器的输出端连接信号处理器的输入端，信号处理器的输出端连接调速器的 输入端，调速器的输出端连接直流力矩电动机。所述风轮设有增速装置，该增速装置的输出轴连接行星齿轮变速器。 所述增速装置可是行星齿轮增速装置，也可是普通齿轮增速装置。 本发明的有益技术效果
本发明在解决风力发电机组为了取得高的风能利用系数必须变速运行、而又需要恒频 上网的矛盾时，采用了特殊设计的三轴可旋转的行星齿轮变速箱，使用工频同步发电机与 电网连接，成功地实现了变速恒频运行，该行星齿轮变速箱是一种机械装置，造价低廉， 替代价格昂贵的变频器，大幅度降低了机组造价；该装置的结构简单，故障率低，运行安 全可靠；该装置的调速范围广，适应风速能力强，风能利用充分，机组经济性好；该装置 的传动效率高，机组自耗能显著降低；采用本装置的风力发电机组可以用工频同步发电 机，没有了谐波污染，使机组可以得到与常规火力发电站相同的电能品质，适应电网的能 力得到提高，而且可以省掉变压器。
下面结合实施例详细说明本发明。 W,月
图l是本风力发电机组变速恒频装置的原理图
图2是本调速轴的转速、扭矩、功率随着输入轴滑差s的无量纲变化曲线图
图3是本风力发电机组变速恒频装置的一个实例的结构示意图
图4是本转速调节装置的结构框图
具体实施例方式
本发明采用变频驱动调节齿轮箱的速比技术，可以有效地使风力发电机组变速恒频运 行。该技术的主要特点是采用三轴均可以旋转的行星齿轮传动级。众所周知齿轮箱的行 星传动级一般是内齿圈固定不动，行星架与太阳轮旋转来实现恒定速比的齿轮箱增速或减 速。
本发明是使内齿圈也可以旋转，因此该行星传动级就有三个同心旋转轴，如图l所 示，在变速恒频装置BS内，1轴为行星架X， 2轴为太阳轮T, 3轴为内齿圈N，根据其几何关 系有如下关系式
2R, = R2 +R3 M =I^LM 1^LM
式中R为旋转轴的半径；"为旋转轴的转速；M为旋转轴的力矩。
三个旋转轴可任意分别对应连接风轮L、发电机F的转子、力矩电动机D，该力矩电动机 D用工业变频器B'调速。例如，象图3所示，可以将1轴连接风轮L作为齿轮箱的输入轴，2轴 连接调速力矩电动机D，作为齿轮箱的调速轴，3轴连接工频同步发电机F的转子，作为齿 轮箱的输出轴。那么，根据上述关系式，通过改变2轴的转速可以使1轴的转速变化，而3 轴的转速恒定。其道理与双馈发电机组类似，相当于3轴为发电机的定子，l轴为发电机的 转子，2轴为变频器的励磁频率。为了便于理解，特进行以下计算分析
令"3=0即输出轴固定不动，则有以下关系式
R2
G3的物理意义为不考虑输出轴的情况下齿轮箱调速轴与输入轴的速比。 同理令o产O即输入轴固定不动，有下列关系式
H-Gl a)
浴3 仗2
^的物理意义为不考虑输入轴的情况下，齿轮箱的调速轴与输出轴的速比。负号为旋 转方向相反。
同理令"2=0即调速轴固定不动，有下列关系式
仏2R'=G, (3)
i R3
G2的物理意义为不考虑调速轴的情况下，齿轮箱的输出轴与输入轴的速比。 实际上，输出轴的转速为上述式(2)、式(3)两种情况的叠加。 因为3轴为输出轴，"3为工频，对两极发电机为3000rpm，对四极发电机为1500rpm。 规定输入轴的同步速和滑差为
" 因此可以用滑差S、输入功率P,、发电机工频"3来表示调节轴2轴及输出轴3轴的转速、
力矩、功率，有如1C关系 <formula>complex formula see original document page 7</formula>如果设定转差率S在1 0 -l区间突化，即输入轴转速在0 2Hc"n之间变化。则有调速 轴的转速随着S线性减小O，而且在S由O变为负值时，调速轴的反向逐渐加快旋转；
风轮的力矩一般是与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。可以设定下列
关系
<formula>complex formula see original document page 7</formula>因此调速轴的力矩的方向不变化，随着s的减小而成二次方关系增大。当S为-1时，力 矩最大。
调速轴的功率随着S的正负而变化，当S由1减小到0时，功率由0到4/27Pn再减小到0; 当S由0到-1变化时，功率的流向改变了，变为由调速轴输出一部分功率。 图2为调速轴的转速、力矩、功率随着输入轴滑差S的无量纲变化曲线图。 图2中系列1为"2/ (-G3*con)无量纲系数随着滑差S的无量纲变化曲线。 图2中系列2为(JM^)/Mn无量纲系数随着滑差S的无量纲变化曲线。图2中系列3为P3/Pn无量纲系数随着滑差s的无量纲变化曲线。 图2中系列4为co/con无量纲系数随着滑差s无量纲的变化曲线。
本发明采用工业变频器B带电动机D驱动调速轴。因此滑差S—直为正。适当调整齿轮 箱的设计参数可以使变频器B的功率约为机组的额定功率的1/10。
本发明必须使行星级的三个轴均可以选转。其中一个轴为输入轴，另一个轴为输出 轴，第三个轴为调速轴，调速轴采用变频器B带电动机D驱动。变频器B、电动机D均可以选 用常规的工业产品，结构简单，运行可靠，可以通过变频器B调整风轮L的转速和功率。
另外，由于风轮L的转速一般较低，约为10 20rpm^右，需要先将其增速，尽量縮小 与发电机转子的转速差。因此，本发明对风轮L设置了增速器ZS，该增速器ZS共有三级， 前两级是常规行星传动级，其内齿圈是固定不动的，第三级是平齿轮传动级，实现增速器 ZS与变速恒频装置BS的过渡连接。风轮L连接增速器ZS的一级行星架，作为输入轴，经三 级增速后，带动变速恒频装置BS的行星架X，传动内齿圈N，内齿圈N通过联轴器带动工频 同步发电机F的转子。增速器ZS与变速恒频装置BS可以布置在同一箱体内，使结构紧凑。 力矩电动机D的输出轴从常规增速器ZS的平齿轮中间穿入，与突速恒频装置BS的太阳轮T连 接，作为调速轴。力矩电动机D通过工业变频器B供电运行，进行调速，实现同步发电机转 子恒速运行，其频率为工频。
当然，增速器ZS也可全部采用普通平齿轮增速。增速级数也可根据实际需要灵活设计。
参见图4:调速恒频过程是由调节系统自动控制的，由信号变送器S将风轮转速信号转
换成电信号，送入信号处理器C处理，信号处理器C向变频器B输出控制信号，变频器B改变
电源频率，从而改变力矩电动机D的转速。
当然，调速装置也可采用直流电动机及其相应的调速器，对调速轴调速。 以上仅是本发明的一个实例。实际上，根据齿轮箱及机组的结构设计，输入轴、输出
轴、调速轴可以选择行星架X、太阳轮T、内齿圈N中的任一个，其原理都是一样的，都能
实现输出轴的恒速运行。
权利要求
1.一种风力发电机组变速恒频装置，其特征在于该装置包括行星齿轮变速器和转速调节装置；所述行星齿轮变速器具有太阳轮、行星架、内齿圈，该内齿圈可旋转，构成三个同心旋转轴，三个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置，即所述内齿圈连接发电机转子，太阳轮连接转速调节装置，行星架连接风轮；或所述内齿圈连接发电机转子，太阳轮连接风轮，行星架连接转速调节装置；或所述太阳轮连接发电机转子，行星架连接转速调节装置，内齿圈连接风轮；或所述太阳轮连接发电机转子，行星架连接风轮，内齿圈连接转速调节装置；或所述行星架连接发电机转子，太阳轮连接风轮，内齿圈连接转速调节装置；或所述行星架连接发电机转子，太阳轮连接转速调节装置，内齿圈连接风轮。
2. 根据权利要求l所述的风力发电机组变速恒频装置，其特征在于所述转速调节装 置包括力矩电动机及其变频器、风轮转速信号变送器、信号处理器；力矩电动机的输出轴 连接转速调节装置对应的行星齿轮变速器的旋转轴，风轮转速信号变送器的输出端连接信 号处理器的输入端，信号处理器的输出端连接变频器的输入端，变频器的输出端连接力矩 电动机。
3. 根据权利要求l所述的风力发电机组变速恒频装置，其特征在于所述转速调节装 置包括直流力矩电动机及其调速器、风轮转速信号变送器、信号处理器；直流力矩电动机 的输出轴连接转速调节装置对应的行星齿轮变速器的旋转轴，风轮转速信号变送器的输出 端连接信号处理器的输入端，信号处理器的输出端连接调速器的输入端，调速器的输出端 连接直流力矩电动机。
4. 根据权利要求l所述的风力发电机组变速恒频装置，其特征在于所述风轮设有增 速装置，该增速装置的输出轴连接行星齿轮变速器。
5. 根据权利要求4所述的风力发电机组变速恒频装置，其特征在于所述增速装置是 行星齿轮增速装置。
6. 根据权利要求4所述的风力发电机组变速恒频装置，其特征在于所述增速装置是 普通齿轮增速装置。
7. 根据权利要求4所述的风力发电机组变速恒频装置，其特征在于所述增速装置与 转速调节装置是同箱结构或分箱结构。
全文摘要
本发明公开一种风力发电机组变速恒频装置，包括行星齿轮变速器和转速调节装置；行星齿轮变速器具有太阳轮、行星架、内齿圈，该内齿圈可旋转，构成三个同心旋转轴，三个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置；转速调节装置是直流电机调速装置或交流电机变频调速装置，风轮设有增速装置。它是机械装置，造价低廉，替代价格昂贵的变频器，大幅度降低了机组造价；结构简单，故障率低，运行安全可靠；调速范围广，适应风速能力强，风能利用充分，机组经济性好；传动效率高，机组自耗能显著降低；采用本装置的风力发电机组可用工频同步发电机，没有谐波污染，使机组可得到与常规火力发电站相同的电能品质，适应电网的能力得到提高，而且可省掉变压器。
文档编号H02P9/04GK101344073SQ20081004565
公开日2009年1月14日 申请日期2008年7月24日 优先权日2008年7月24日
发明者健 成, 兵 王, 王为民, 王建录, 莫尔兵, 良 邓 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司