专利名称：兆瓦级半直驱动式风力发电机组的制作方法
技术领域：
本发明属于风力发电机组技术领域，特别涉及一种兆瓦级半直驱动式风力发电机组。
背景技术：
低速永磁风力发电机组是变速恒频风力发电机组的一种形式，它由风力机的驱动结构型式决定，由于电力电子技术的日益成熟，允许发电机在任何转速下发出不同频率的电，经电力电子器件整流后，再逆变上网。通常为了减少齿轮箱的故障率，降低维修成本，驱动链结构采用无齿轮箱或一级齿轮箱增速的低速永磁风力发电机结构，使机组的结构特性更好，满足机组长期可靠运行的要求。从理论上说直驱无齿轮箱结构可维护性最好，但所需发电机功率大，规模生产实施有难度，尤其对于大容量的风力发电机组更加难于实现。现有的兆瓦级风力发电机组包括风轮、主轴、增速箱及发电机，其增速箱为三级行星齿轮箱，发电机采用异步电机，变速箱安装在机舱底盘上，与发电机卧式安装，对中性差，且三级行星齿轮箱结构复杂，要求加工精度高，其输出转速高，速比为1∶50～1∶100，易漏油，故障率高；由于其体积大，占有的空间大，振动性较大，成本高。
现有的风力发电机组的变桨距结构主要有液压驱动传动变距、伺服电机传动变距两种形式。因液压系统出力大，变距机构紧凑，成本较低等优点，兆瓦级以下的机组多采用液压驱动变距机构；当机组功率超过1兆瓦以后，机组体积、扭矩相应增大，变距行程加长，若采用液压驱动执行变距动作易遇到推杆失稳，推力受限，漏油等缺点。为此兆瓦级以上的风力发电机多采用伺服电机传动变距。目前应用在大型风力发电机上的伺服电机变距传动形式都是以伺服电机作为源动机驱动三片桨叶独立变桨。电机及减速器固定装配在轮毂内，变距轴承内、外环分别与轮毂及桨叶固定装配。传动经由电机驱动减速器，减速器输出轴安装齿轮与带有内齿圈的变距轴承内环构成内齿圈传动系统，齿轮带动齿圈旋转完成变距调节动作。此传动机构因内齿圈传动不能自锁，要求减速器需具备自锁功能、加工变距轴承内环内齿较困难；且运动定位不准，造成系统控制精度不高。
另外大型风力发电机组的变速运行控制也有许多方法，通常由机械调速和电气调速两种方式，电气的调速方式是通过控制发电机的励磁磁场来实现，如磁阻调速、变滑差调速和转子励磁电流调速，实际应用时励磁电流调速最有效。但目前的风力发电机组都采用定子磁场定向矢量控制方法达到转子调速，其具有复杂的矢量解耦计算，控制实施复杂，控制目标效果不明显。
发明内容
为解决上述存在的问题，本发明提供一种兆瓦级半直驱动式风力发电机组。它是采用一级行星式增速齿轮箱配合低速永磁同步发电机，利用变速恒频装置调整转速，通过主控制器实现恒定功率输出的控制。
本发明包括风轮、变距装置、主轴、增速箱、联轴器、发电机、机舱底盘、偏航电机和控制系统，在机舱底盘上固定有偏航电机、发电机，发电机通过联轴器与增速箱连接，在增速箱的输出轴上安装刹车器，增速箱输入端通过主轴与风轮轮毂连接，风轮轮毂内安装有变距装置，机舱底盘两侧固定有侧壁，增速箱与机舱底盘的侧壁固定，增速箱为一级行星式增速齿轮箱，发电机为低速永磁三相同步发电机，控制系统分别与发电机、增速箱、风轮叶片、主轴相连。
本发明中的变距装置包括幅盘蜗轮、变距电机及蜗杆，幅盘蜗轮安装在风轮叶片上，位于轮毂端的端面，变距电机、蜗杆分别固定在轮毂上，变距电机输出轴与蜗杆伸出端位于同侧，之间通过链轮连接，蜗杆与幅盘蜗轮相啮合，以变距电机—链轮—蜗杆蜗轮—风轮叶片的传动流程实现风力发电机变距的传动。
本发明为加强机舱底盘侧壁强度，较少机舱底盘侧壁变形量，在机舱底盘侧壁上设有加强筋板。
本发明的控制系统包括变速恒频装置、参数及运行状态检测板、检测传感器、主控制器、监控显示运行控制器、发电运行控制器、发电机功率控制器和控制输出驱动模板，变速恒频装置分别与发电机、主控制器及电源连接，检测传感器通过参数及运行状态检测板与监控显示运行控制器连接，监控显示运行控制器通过发电运行控制器与发电机功率控制器连接，监控显示运行控制器和发电机功率控制器分别与主控制器连接，监控显示运行控制器、发电运行控制器及发电机功率控制器通过控制输出驱动模板与偏航电机、液压伺服电机及输出装置连接。检测传感器包括转速传感器、角度传感器和温度传感器。检测传感器的转速传感器分别与发电机、增速箱相连；角度传感器与叶片根部相连；温度传感器分别与主轴、发电机、增速箱相连。
本发明中主控制器的控制过程，按以下步骤进行1.复位；2.系统初始化，系统自检十分钟；3.系统故障标志；当系统出现故障时，系统辨别故障并进行处理；4.系统无故障，手动标志显示，进行手动操作及保护；
5.运行系统或停机；6.启动系统；7.风轮转速V＜2.5m/s时，小风待机；8.风轮转速V≥2.5m/s时，控制偏航电机；9.执行整流逆变恒频发电运行控制；10.变速功率优化控制；11.变距恒功率控制；12.当V＞25m/s时，大风待机；13.当有扭缆状态信号时，解缆控制；14.运行温度控制；15.返回。
本发明当风速在额定风速以下时，随着风速增加，同步永磁发电机电压升高，转速增大，功率也随着加大，为了获得最佳最优的风能利用系数，由变速恒频装置调整转速，匹配合适的尖速比，发电机对直流母线进行充电，经逆变后并网发电。当风速超过额定值时，利用变距装置限制风轮转矩的增加，与变速恒频装置控制相结合，实现恒定功率输出的控制。
本发明的有益效果增速箱采用一级齿轮箱结构，速比为1∶6～1∶9，密封要求低，不仅使传动系统传动平稳、受冲击载荷小，而且能有效降低齿轮箱故障率。发电机为低速永磁三相同步发电机，与直驱式的相比级数高，电磁损耗低，体积小、重量轻，工艺可行性好。增速箱与机舱底盘为卧式端面安装，高度可调，对中性好。采用齿轮箱与机舱底盘侧壁的安装形式，这种结构形式具有受力面大，局部压强较小，齿轮箱轴向窜动量小等优点，机舱底盘侧壁抵消了来自轮毂部分的绝大部分的外载荷，从而使得外负载对传动系统的影响减到最低，使得机组运行更加稳定、可靠；为加强机舱底盘侧壁的强度又兼顾工艺性；因此本发明中的主轴可以做的很短，其刚性可以很高，有利于提高传动系统的平稳性；主轴一端嵌入齿轮箱，另一端嵌入轮毂即可，故此中间不需主轴承定位。其变距装置结构简单，运行稳定性好，加工容易，结构强度高，抗冲击力大，蜗杆/轮传动机构具有自锁功能；可实现变距角度0.1度精确控制，满足兆瓦级风电机组变距控制的要求。采用链轮、蜗杆/轮二级传动形式，维护维修方便，系统控制精度高等特点；此外幅盘蜗轮较变距轴承内环内齿圈加工容易，不需多级减速器等环节，故成本较低。本发明能够实现恒定功率输出的控制。
图1是本发明的结构示意图，
图2是本发明的局部结构示意图，图3是图1俯视图，图4是图1左视图，图5是本发明的轴测图，图6是本发明中变距装置结构示意图，图7是图6的的B向视图，图8是图6的A-A视图，图9是变距装置的立体结构示意图，图10是本发明的控制系统结构框图，图11是图10中的变速恒频装置电路原理图，图12(a)是图11中DSP整流逆变恒频控制器电路原理图，图12(b)为图12(a)中的缓冲电路，图13(a)是图11的驱动接口电路原理图，图13(b)为图13(a)中的缓冲电路，图14是本发明主控制器的控制流程图；图中1.变速箱，2.刹车器，3.联轴器，4.发电机，5.控制系统，6.偏航电机，7.机舱底盘，8.塔架，9.轮毂，10.风轮叶片，11.变距电机，12.辐盘蜗轮，13.蜗杆，14.链轮，15.变距轴承，16.电机固定扶手，17.蜗杆固定扶手，18.风轮，19.电源。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步描述实施例如图1所示，本例的增速箱1采用一级行星式增速齿轮箱结构，速比为1∶8，电机选用功率为1兆瓦的低速永磁三相同步发电机。本发明包括风轮19、变距装置、主轴、机舱底盘7、偏航电机6、增速箱1、联轴器3、发电机4和控制系统5，风轮19包括风轮叶片10和轮毂9，风轮叶片10通过变距轴承15与轮毂9连接，轮毂9连接在变距轴承15的外环，风轮叶片10连接在变距轴承15的内环，在机舱底盘7上固定有偏航电机6、发电机4，发电机4通过联轴器3与增速箱1连接，在增速箱1的输出轴上安装刹车器2，，增速箱1输入端通过主轴与风轮轮毂9连接，轮毂9内安装有变距装置，机舱底盘7两侧固定有侧壁，在侧壁上设有加强筋板，目的是加强其强度，较少侧壁变形量，增速箱1通过其上的法兰与机舱底盘7的侧壁固定，可调整安装高度，对中性好，如图2～5所示；控制系统分别与发电机4、增速箱1、风轮叶片10、主轴相连。
本发明中的主轴可以做的很短，其刚性可以很高，有利于提高传动系统的平稳性；主轴一端嵌入变速箱1，另一端嵌入轮毂9即可，故此中间不需主轴承定位。
如图6～9所示，本例的变距装置包括幅盘蜗轮12、变距电机11及蜗杆13，幅盘蜗轮12安装在风轮叶片10上，位于风轮轮毂9端的端面，变距电机11、蜗杆13分别固定在轮毂9上，变距电机11输出轴与蜗杆13伸出端位于同侧，之间通过链轮14连接，蜗杆13与幅盘蜗轮12相啮合，以变距电机11-链轮14-蜗杆13-幅盘蜗轮12-风轮叶片10的传动流程实现风力发电机变距的传动。制造轮毂9时，在与变距电机11及蜗杆13安装的地方铸造出约30mm凸台，以便后续加工钻孔，用于定位变距电机11及蜗杆13；变距电机11通过电机固定扶手16安装在轮毂9相应的凸台上(见图6)；蜗杆13通过蜗杆固定扶手17安装在轮毂9相应的凸台上，蜗杆13与蜗杆固定扶手17之间采用滚动轴承连接。
当风力发电机组系统不执行风轮叶片10调节时，变距电机11不通电，整套变距机械系统处于自锁的平稳状态；当环境发生变化，风机系统执行变桨调节时，系统给变距电机11通电，变距电机11带动链轮14回转，链轮14依次带动蜗杆13、幅盘蜗轮12旋转，风轮叶片10随辐盘蜗轮12及变距轴承15内环一起旋转，执行变距动作。该变距装置可以实现变距角度0.1度精确控制。
如图10所示，本发明的控制系统包括变速恒频装置、参数及运行状态检测板、检测传感器、主控制器、监控显示运行控制器、发电运行控制器、发电机功率控制器和控制输出驱动模板，参数及运行状态检测板型号为6ES7-331和6ES7-324，主控制器采用型号6ES7314-6CF00-AB0的CPU模块实现；监控显示选用西门子可编程系列触摸屏，发电运行控制器型号为6ES7-315，发电机功率控制器型号选用6ES7-314C，控制输出驱动模板型号为S7-324；变速恒频装置分别与发电机、主控制器及电源连接，检测传感器通过参数及运行状态检测板与监控显示运行控制器连接，监控显示运行控制器通过发电运行控制器与发电机功率控制器连接，监控显示运行控制器和发电机功率控制器分别与主控制器连接，监控显示运行控制器、发电运行控制器及发电机功率控制器通过控制输出驱动模板与偏航冷却伺服电机、液压伺服电机及输出装置连接，输出装置为继电器。检测传感器中的风速风向传感器LE6安装在风轮轮毂9上，转速传感器XS2D12PA140C分别安装在发电机尾部、增速箱1的出口处，温度传感器Pt100分别安装在主轴、发电机4和增速箱1上，角度传感器P0600805A安装在风轮叶片10根部，加速度传感器TGS-2安装在机舱底盘上，增量式编码器10-1V631R048安装在发电机4的输出轴上，用于检测转速。参数和运行状态检测板与监控显示器进行光纤通信，主控制器分别与监控显示器、发电机功率控制器、变速恒频装置进行光纤通信，监控显示器、发电运行控制、发电机功率控制器通过控制输出驱动模板与偏航电机、液压伺服电机、输出装置进行光纤通信，液压伺服电机用于控制刹车器等的工作过程。
变速恒频装置电路如图11所示，包括驱动接口电路、DSP整流逆变恒频控制器、通讯模板、网侧变压器及IGBT模块，IGBT模块由12个IGBT开关组成，通讯模板型号为TCF-142-M，图中的IGBT模块与图13所示的驱动接口电路中的Jp对应管脚连接，驱动接口电路的管脚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与图12中的DSP整流逆变恒频控制器中的对应管脚连接，DSP整流逆变恒频控制器中的I/O口与通讯模板的口连接。
本发明中主控制器的控制过程，按以下步骤进行，如图14所示1.复位；2.系统初始化，系统自检十分钟；3.系统故障标志；判断系统是否存在故障，若存在进行故障辨别与处理；4.系统无故障，进行手动标志显示判断，若有手动标志则进行手操作及保护；5.若无手动标志，判断系统是否运行(或停机)，若需要运行(或停机)则进行系统状态判别；6.若不需要运行(或停机)则启动系统；7.判断风速当风速V＜2.5m/s时，小风待机；8.风速V≥2.5m/s时，控制偏航电机；9.执行整流逆变恒频发电运行控制；10.变速功率优化控制；11.变距恒功率控制；12.当V＞25m/s时，大风待机；13.当有扭缆状态信号时，解缆控制；14.运行温度控制；15.返回。
权利要求
1.一种兆瓦级半直驱动式风力发电机组，包括风轮、变距装置、主轴、增速箱、联轴器、发电机、机舱底盘、偏航电机和控制系统，在机舱底盘上固定有偏航电机、发电机，其特征在于增速箱与机舱底盘的侧壁固定，增速箱为一级行星式增速齿轮箱，电机为低速永磁三相同步发电机。
2.根据权利要求1所述的兆瓦级半直驱动式风力发电机组，其特征在于所述的变距装置包括幅盘蜗轮、变距电机及蜗杆，幅盘蜗轮安装在风轮叶片上，位于风轮轮毂端的端面，变距电机、蜗杆分别固定在风轮轮毂上，变距电机输出轴与蜗杆伸出端位于同侧，之间通过链轮连接，蜗杆与幅盘蜗轮相啮合，形成变距电机-链轮-蜗杆蜗轮-风轮叶片的传动流程。
3.根据权利要求1所述的兆瓦级半直驱动式风力发电机组，其特征在于所述的传输带为链轮或钢制齿形带。
4.根据权利要求1所述的兆瓦级半直驱动式风力发电机组，其特征在于所述的控制系统包括变速恒频装置、参数及运行状态检测板、检测传感器、主控制器、监控显示运行控制器、发电运行控制器、发电机功率控制器和控制输出驱动模板，变速恒频装置分别与发电机、主控制器及电源连接，检测传感器通过参数及运行状态检测板与监控显示运行控制器连接，监控显示运行控制器通过发电运行控制器与发电机功率控制器连接，监控显示运行控制器和发电机功率控制器分别与主控制器连接，监控显示运行控制器、发电运行控制器及发电机功率控制器通过控制输出驱动模板与偏航电机、液压伺服电机及输出装置连接。
5.根据权利要求1所述的兆瓦级半直驱动式风力发电机组，其特征在于所述的控制系统的控制过程，按以下步骤执行(1)复位；(2)系统初始化，系统自检十分钟；(3)系统故障标志；当系统出现故障时，辨别系统故障并进行处理；(4)系统无故障，手动标志显示，进行手动操作及保护；(5)运行系统或停机；(6)启动系统；(7)风轮转速V＜2.5m/s时，小风待机；(8)风轮转速V≥2.5m/s时，控制偏航电机；(9)执行整流逆变恒频发电运行控制；(10)变速功率优化控制；(11)变距恒功率控制；(12)当V＞25m/s时，大风待机；(13)当有扭缆状态信号时，解缆控制；(14)运行温度控制；(15)返回。
全文摘要
一种兆瓦级半直驱动式风力发电机组，属于风力发电机组技术领域。其结构包括风轮、变距装置、主轴、增速箱、联轴器、发电机、机舱底盘、偏航电机和控制系统，在机舱底盘上固定有偏航电机、发电机，增速箱与机舱底盘的侧壁固定，增速箱为一级行星式增速齿轮箱，电机为低速永磁三相同步发电机。本发明不仅使传动系统传动平稳、受冲击载荷小，密封要求低，而且能有效降低齿轮箱故障率，机组运行稳定、可靠。安装时高度可调，对中性好。其变距装置结构简单，运行稳定性好，加工容易，结构强度高，抗冲击力大，蜗杆/轮传动机构具有自锁功能；可实现变距角度0.1度精确控制，满足兆瓦级风电机组变距控制的要求，能够实现恒定功率输出的控制。
文档编号F03D7/04GK101016881SQ20071001044
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月15日 优先权日2007年2月15日
发明者姚兴佳, 潘建, 刘颖明, 王晓东, 李科, 王超 申请人:沈阳工业大学