专利名称：：无主轴半直驱永磁风力发电机组及其控制方法
技术领域：
：本发明涉及一种风力发电
技术领域：
的装置及其控制方法，具体是一种无主轴半直驱永磁风力发电机组及其控制方法。
背景技术：
：随着社会经济的迅猛发展，人们对能源的需求与日俱增，由此带来的环境污染也日趋加重。所以开发新型能源，绿色能源势在必行。合理利用无污染的风能，造福人类，已成为取得绿色能源的一条重要途径。利用风能发电，从上世纪八十年代兴起，经过二十年的发展，技术水平已经日趋成熟。M现有技术的检索发现，中国专利申请号为200710M0445.8，公开号为CN101016幼1的发明专利申请，记载了一种"兆瓦级半直驱动式风力发电机组",该技术包括风轮、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拥壁固定，增速箱为一级行星式增速齿轮箱，电机为低速永磁三相同歩发电机。但是该现有技术包含由主轴所产生的主轴钢性和主轴对中性和轴向的窜动问题，机组水平轴向的长度也会增加。采用无主轴式的，一级行星式增速齿轮箱，驱动一个大型低速永磁同步发电机发电。齿轮箱输入、输出端面的法兰式连接，可以避免因其齿轮箱固定于机舱底盘的倒壁，造成的机舱側壁与底盘接合处应力集中，且安装、固定较便捷。
发明内容本发明的目的在于针对现有风力机结构的不足，提供一种无主轴半直驱永磁风力发电机组及其控制方法，通过无主轴结构解决现有技术中主轴的钢性及对中性和轴向的窜动问题，通过控制系统的反馈回路确保功率输出稳定，提高风力的发电效率。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明涉及无主轴半直驱永磁风力发电机组包括齿轮箱、永磁同步发电机、叶轮、控制系统、并网逆变电路、壳体和塔架，其中叶轮与设置于壳体内的齿轮箱输入端相连接，永磁同步发电机的输入端与齿轮箱的输出端相连并同时设置于壳体内部，永磁同步发电机的输出端经由并网逆变电路后连接至电网，控制系统位于壳体内部永磁同步发电机的后方，控制系统分别连接并网逆变电路的控制端和永磁同步发电机的控制端以接收发电机状态信号并发送控制命令，壳体底部设置用于支撑的可转动的塔架；所述的发电机状态信号包括温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号、风速信号和风向信号；所述的控制命令包括停机命令、调桨命令、功率并网命令、偏航命令、冷却命令和润滑命令。所述的并网逆变电路包括整流桥和并网逆变控制模块，整流桥的输入端与永磁同步发电机的输出端连接，整流桥的控制端与控制系统相连接以传输功率输出信号，并网逆变控制模块的输入端与整流桥的输出端相连接，并网逆变控制模块的控制端与控制系统相连接以接收功率并网命令。所述的控制系统包括采样模块、驱动模块、主控制模块和显示模块，其中主控制模块的输出端与显示模块连接以输出和显示发电机状态信号，采样模块分别连接叶轮、齿轮箱、永磁同步发电机、并网逆变电路和壳体以采集发电机状态信号，釆样模块的输出端连接至主控制模块的输入端，驱动模块的输入端连接主控制模块，驱动模块分别连接叶轮、壳体和齿轮箱以实施控制命令。所述的主控制模块包括桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制单元和润滑控制单元，主控制模块根据接收到的温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号和风速信号和风向信号与储存于主控制模块内部的额定温度电平、额定转速电平、额定功率输出电平、额定振动电平和额定风速电平和额定风向电平分别进行比较运算，并根据比较运算的结果分别由桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制单元和润滑控制单元向调桨控制模块、并网逆变控制模块和机舱控制模块发送停机命令、调桨命令、功率并网命令、偏航命令、冷却命令和润滑命令。所述的釆样模块包括温度传感单元、转速传感单元、电压电流传感单元、振动传感单元、风速风向传感单元和调桨信号采样单元，其中温度传感单元分别与齿轮箱、永磁同步发电机以及整流桥连接并采集温度信号，转速传感单元与永磁同步发电机连接并釆集转速信号，电压电流传感单元与整流桥相连接并采集功率输出信号，振动传感单元与壳体连接并采集振动信号，风速风向传感单元与壳体顶部连接并采集壳体接受到的风速信号和风向信号，桨距角度传感单元与叶轮的叶片根部连接并采集叶片角度信号。所述的驱动模块包括调桨电机、偏航电机和润滑泵，其中调桨电机设置于叶轮上，调桨电机的输入端连接主控制模块的输出端以接收调桨命令，偏航电机设置于塔架，偏航电机的输入端连接主控制模块的输出端以接收偏航命令，润滑泵设置于齿轮箱上，润滑泵的输入端连接主控制模块的输出端以接收润滑命令。本发明涉及的如所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组的控制方法具体包括以下步骤①主控制模块开机自检，运行初始化进程；②传感采样模块开始采样并将温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号、风速信号和风向信号传输至主控制模块，主控制模块收到后与储存于其内部的额定温度电平、额定振动电平、额定风速电平和额定风向电平分别进行比较运算；③主控制模块根据比较运算结果进行故障判断-1)当振动信号大于额定振动电平或转速信号大于额定转速电平则发出停机命令；2)当风速信号大于额定风速电平则发出大风停机命令；3)当温度信号大于额定温度电平则发出高温停机命令；4)当上述判断均通过则启动发电机开始并网发电。④进入正常运行模式，主控制模块启动桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制和润滑控制单元，本装置开始向电网输电；同时由转速传感单元和电压电流传感单元向主控制模块发送转速信号和功率输出信号，随后由主控制模块进行比较运算1)当转速信号小于额定转速电平时，主控制模块根据转速信号、功率输出信号、风速信号和风向信号，通过改变输出功率调节永磁发电机转速，寻找系统当前最佳功率点；2)当叶轮转速的增大使得转速信号大于额定转速电平或功率输出信号大于额定功率电平时，主控制模块通过调桨控制模块控制调桨电机启动工作，调桨电机调整叶轮的桨距角以降低叶轮转速，使得永磁发电机的转速和并网逆变模块的输出保持稳定，实现稳定功率控制。所述的桨距角控制单元具体是利用调桨电机和偏航电机实现目标转速和目标功率的桨角PID控制。当风速大于额定风速13米浙时开始改变桨距角，桨距角的改变值与风速的对应关系如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>所述的并网功率跟踪控制单元进行如下操作-1)保证并网电压的启动过程，这个过程逆变器输出的功率保证发电机输出电压大于设定的并网电压，此时不考虑最佳尖速比的风能吸收；2)满足并网电压后的功率跟踪，这个过程进行发电机转速的调节，吸收最大风能。结合风速、桨距角、发电机输出电压、发电机转速信息，采用基于爬山搜索的改进算法计算新的输出的功率。所述的温度控制单元将收到的温度信号与储存于主控制模块内部的额定温度电平进行比较，当温度信号大于额定温度电平时则由主控制器发出停机命令。所述的润滑控制单元在一定润滑时间间隔内发出润滑命令至机舱控制模块以执行润滑动作，该润滑时间储存于主控制模块内。本发明通过对叶轮和永磁发电机进行反馈回路控制，使得最终输出至电网的功率恒定；采用无主轴和联轴器结构，从根本上解决了目前技术中对主轴的钢性及对中性和轴向窜动的要求；机组水平轴向的长度大大縮减，节约了空间，减轻了整机重量。图1本发明的整体结构图2为实施例中控制系统示意图。具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括叶轮1、齿轮箱2、永磁同步发电机3、壳体4、控制系统5、并网逆变电路6和塔架7，其中叶轮1与设置于壳体4内的齿轮箱2输入端相连接，永磁同步发电机3的输入端与齿轮箱2的输出端相连并同时设置于壳体4内部，永磁同步发电机3的输出端经由并网逆变电路6后连接至电网，控制系统5位于壳体内部永磁同步发电机3的后方，控制系统5分别连接并网逆变电路6的控制端和永磁同步发电机3的控制端以接收发电机状态信号并发送控制命令，壳体4底部设置用于支撑的可转动的塔架7;所述叶轮1为三叶片式叶轮，其工作转速为10转/分钟~~20转/分钟。所述永磁同步发电机3为低速稀土永磁同步发电机，其额定转速为150转/分钟。如图2所示，本实施例臓的并网逆变电路6包括整流桥和并网逆变控制模块，整流桥的输入端与永磁同步发电机3的输出端连接，整流桥的控制端与控制系统5相连接以传输功率输出信号,并网逆变控制模块的输入端与整流桥的输出端相连接，并网逆变控制模块的控制端与控制系统5相连接以接收功率并网命令。所述的发电机状态信号包括温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号、风速信号和风向信号；所述的控制命令包括停机命令、调桨命令、功率并网命令、偏航命令、冷却命令和润滑命令。所述的控制系统5包括釆样模块、驱动模块、主控制模块和显示模块，其中主控制模块的输出端与显示模块连接以输出和显示发电机状态信号，采样模块分别连接叶轮l、齿轮箱2、永磁同步发电机3、并网逆变电路6和壳体4以采集发电机状态信号，采样模块的输出端连接至主控制模块的输入端，驱动模块的输入端连接主控制模块，驱动模块分别连接叶轮1、壳体4和齿轮箱2以实施控制^^令。所述的主控制模块包括桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制单元和润滑控制单元，主控制模块根据接收到的温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号和风速信号和风向信号与储存于主控制模块内部的额定温度电平、额定转速电平、额定功率输出电平、额定振动电平和额定风速电平和额定风向电平分别进行比较运算，并根据比较运算的结果分别由桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制单元和润滑控制单元向调桨控制模块、并网逆变控制模块和机舱控制模块发送停机命令、调桨命令、功率并网命令、偏航命令、冷却命令和润滑命令。所述的釆样模块包括温度传感单元、转速传感单元、电压电流传感单元、振动传感单元、风速风向传感单元和调桨信号采样单元，其中温度传感单元分别与齿轮箱2、永磁同步发电机3以及整流桥连接并釆集温度信号，转速传感单元与永磁同步发电机3连接并釆集转速信号，电压电流传感单元与整流桥相连接并采集功率输出信号，振动传感单元与壳体4连接并釆集振动信号，风速风向传感单元与壳体4顶部连接并采集壳体4接受到的风速信号和风向信号,桨距角度传感单元与叶轮1的叶片根部连接并采集叶片角度信号。所述的驱动模块包括调桨电机、偏航电机和润滑泵，其中调桨电机设置于叶轮1上，调桨电机的输入端连接主控制模块的输出端以接收调桨命令，偏航电机设置于塔架7,偏航电机的输入端连接主控制模块的输出端以接收偏航命令，润滑泵设置于齿轮箱2上，润滑泵的输入端连接主控制模块的输出端以接收润滑命令。所述无主轴半直驱永磁风力发电机组的控制方法具体实施步骤如下①主控制模块开机自检，运行初始化进程；②传感釆样模块开始釆样并将温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号、风速信号和风向信号传输至主控制模块，主控制模块收到后与储存于其内部的额定温度电平、额定振动电平、额定风速电平和额定风向电平分别进行比较运算；③主控制模块根据比较运算结果进行故障判断1)当振动信号大于额定振动电平或转速信号大于额定,电平则发出停机命令；2)当风速信号大于额定风速电平则发出大风停机命令；3)当温度信号大于额定温度电平则发出高温停机命令；4)当上述判断均通过则启动发电机开始并网发电。④进入正常运行模式，主控制模块启动桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制和润滑控制单元，本装置开始向电网输电；同时由转速传感单元和电压电流传感单元向主控制模块发送转速信号和功率输出信号，随后由主控制模块进行比较运算1)当转速信号小于额定转速电平时，主控制模块根据转速信号、功率输出信号、风速信号和风向信号，通过改变输出功率调节永磁发电机转速，寻找系统当前最佳功率点；2)当叶轮1转速的增大使得转速信号大于额定转速电平或功率输出信号大于额定功率电平时，主控制模块通过调桨控制模块控制调桨电机启动工作，调桨电机调整叶轮1的桨距角以降低叶轮1转速，使得永磁发电机的转速和并网逆变模块的输出保持稳定，实现稳定功率控制。所述的桨距角控制单元具体是利用调桨电机和偏航电机实现目标转速和目标功率的桨角PID控制。当风速大于额定风速13米/秒时开始改变桨距角，桨距角的改变值与风速的对应关系如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>所述的并网功率跟踪控制单元进行如下操作1)保证并网电压的启动过程，这个过程逆变器输出的功率保证发电机输出电压大于设定的并网电压，此时不考虑最佳尖速比的风能吸收；2)满足并网电压后的功率跟踪，这个过程进行发电机转速的调节，吸收最大风能。结合风速、桨距角、发电机输出电压、发电机转速信息，釆用基于爬山搜索的改进算法计算新的输出的功率。所述的温度控制单元将收到的温度信号与储存于主控制模块内部的额定温度电平进行比较，当温度信号大于额定温度电平时则由主控制器发出停机命令。所述的润滑控制单元在一定润滑时间间隔内发出润滑命令至机舱控制模块以执行润滑动作，该润滑时间储存于主控制模块内。权利要求1、一种无主轴半直驱永磁风力发电机组，其特征在于，包括齿轮箱、永磁同步发电机、叶轮、控制系统、并网逆变电路、壳体和塔架，其中叶轮与设置于壳体内的齿轮箱输入端相连接，永磁同步发电机的输入端与齿轮箱的输出端相连并同时设置于壳体内部，永磁同步发电机的输出端经由并网逆变电路后连接至电网，控制系统位于壳体内部永磁同步发电机的后方，控制系统分别连接并网逆变电路的控制端和永磁同步发电机的控制端以接收发电机状态信号并发送控制命令，壳体底部设置用于支撑的可转动的塔架；所述的发电机状态信号包括温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号、风速信号和风向信号；所述的控制命令包括停机命令、调桨命令、功率并网命令、偏航命令、冷却命令和润滑命令。2、根据权利要求1所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组，其特征是，所述的并网逆变电路包括整流桥和并网逆变控制模块，整流桥的输入端与永磁同步发电机的输出端连接，整流桥的控制端与控制系统相连接以传输功率输出信号，并网逆变控制模块的输入端与整流桥的输出端相连接，并网逆变控制模块的控制端与控制系统相连接以接收功率并网命令。3、根据权利要求1所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组，其特征是，所述的控制系统包括釆样模块、驱动模块、主控制模块和显示模块，其中主控制模块的输出端与显示模块连接以输出和显示发电机状态信号，采样模块分别连接叶轮、齿轮箱、永磁同歩发电机、并网逆变电路和壳体以釆集发电机状态信号，采样模块的输出端连接至主控制模块的输入端，驱动模块的输入端连接主控制模块，驱动模块分别连接叶轮、壳体和齿轮箱以实施控制命令。4、根据权利要求3所述的无主轴半直W^磁风力发电机组，其特征是，所述的主控制模块包括桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制单元和润滑控制单元，主控制模块根据接收到的温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号和风速信号和风向信号与储存于主控制模块内部的额定温度电平、额定转速电平、额定功率输出电平、额定振动电平和额定风速电平和额定风向电平分别进行比较运算，并根据比较运算的结果分别由桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制单元和润滑控制单元向调桨控制模块、并网逆变控制模块和机舱控制模块发送停机命令、调桨命令、功率并网命令、偏航命令、冷却命令和润滑命令。5、根据权利要求3所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组，其特征是，所述的采样模块包括温度传感单元、转速传感单元、电压电流传感单元、振动传感单元、风速风向传感单元和调桨信号采样单元，其中温度传感单元分别与齿轮箱、永磁同步发电机以及整流桥连接并采集温度信号，转速传感单元与永磁同步发电机连接并采集转速信号，电压电流传感单元与整流桥相连接并釆集功率输出信号，振动传感单元与壳体连接并采集振动信号，风速风向传感单元与壳体顶部连接并采集壳体接受到的风速信号和风向信号，桨距角度传感单元与叶轮的叶片根部连接并采集叶片角度信号。6、根据权利要求3所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组，其特征是，所述的驱动模块包括调桨电机、偏航电机和润滑泵，其中调桨电机设置于叶轮上，调桨电机的输入端连接主控制模块的输出端以接收调桨命令，偏航电机设置于塔架，偏航电机的输入端连接主控制模块的输出端以接收偏航命令，润滑泵设置于齿轮箱上，润滑泵的输入端连接主控制模块的输出端以接收润滑命令。7、一种根据权利要求l所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤①主控制模块开机自检，运行初始化进程；②传感采样模块开始采样并将温度信号、转速信号、功率输出信号、振动信号、风速信号和风向信号传输至主控制模块，主控制模块收到后与储存于其内部的额定温度电平、额定振动电平、额定风速电平和额定风向电平分别进行比较运算；③主控制模块根据比较运算结果进行故障判断④进入正常运行模式，主控制模块启动桨距角控制单元、并网功率跟踪控制单元、温度控制和润滑控制单元，本装置开始向电网输电；同时由转速传感单元和电压电流传感单元向主控制模块发送转速信号和功率输出信号，随后由主控制模块进行比较运算。8、根据权利要求7所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组的控制方法，其特征是，第③步中所述的故障判断包括以下步骤1)当振动信号大于额定振动电平或转速信号大于额定转速电平则发出停机命令；2)当风速信号大于额定风速电平则发出大风停机命令；3)当温度信号大于额定温度电平则发出高温停机命令；4)当上述判断均通过则启动发电机开始并网发电。9、根据权利要求7所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组的控制方法，其，是，第④步中所述的随后由主控制模块进行比较运算具体为1)当转速信号小于额定转速电平时，主控制模块根据转速信号、功率输出信号、风速信号和风向信号，通过改变输出功率调节永磁发电机转速，寻找系统当前最佳功率点；2)当叶轮转速的增大使得转速信号大于额定转速电平或功率输出信号大于额定功率电平时，主控制模块通过调桨控制模块控制调桨电机启动工作，调桨电机调整叶轮的桨距角以降低叶轮转速，使得永磁发电机的转速和并网逆变模块的输出保持稳定，实现稳定功率控制。10、根据权利要求7所述的无主轴半直驱永磁风力发电机组的控制方法，其特征是，第④步中所述的桨距角控制单元具体是利用调桨电机和偏航电机实现目标转速和目标功率的桨角PID控制，当风速大于额定风速13米淋时开始改变桨距角。全文摘要一种风力发电
技术领域：
的无主轴半直驱永磁风力发电机组，包括齿轮箱、永磁同步发电机、叶轮、控制系统、并网逆变电路、壳体和塔架，其中叶轮与设置于壳体内的齿轮箱输入端相连接，永磁同步发电机的输入端与齿轮箱的输出端相连并同时设置于壳体内部，永磁同步发电机的输出端经由并网逆变电路后连接至电网，控制系统位于壳体内部永磁同步发电机的后方，控制系统分别连接并网逆变电路的控制端和永磁同步发电机的控制端以接收发电机状态信号并发送控制命令，壳体底部设置用于支撑的可转动的塔架。本发明采用无主轴和联轴器结构，从根本上解决了目前技术中对主轴的钢性及对中性和轴向窜动的要求；机组水平轴向的长度大大缩减，节约了空间，减轻了整机重量。文档编号F03D9/00GK101355254SQ20081004278公开日2009年1月28日申请日期2008年9月11日优先权日2008年9月11日发明者何雪松,锋李,程广宇,贾大江,赵智刚申请人:上海致远绿色能源有限公司