风力发电机组及用于更换其机舱内的设备的方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，具体地讲，涉及一种风力发电机组及用于更换其机舱内的设备的方法。

背景技术：

随着风力发电机组的不断大型化，直驱机组发电机重量不断增加，对于发电机前置式直驱机组而言，机头重量不平衡要求塔筒的抗倾覆力矩的能力大大增加。另外，面临风电电价不断下降的趋势，降低成本的压力巨大。

目前，主流风力发电机组制造商制造的风力发电机组依然采用分散式布置方式。具体地讲，如图1所示，发电机1通过与底座2连接而安装到机舱3的前部，用于发电机的散热的换热器4在机舱3内靠近机舱3的尾部设置，开关柜5、变频柜6、液压站7和机舱控制柜8设置在机舱3内，并且变频柜6、液压站7和机舱控制柜8位于底座2中，变流柜9、箱变10、主控柜11、泵站12和外部换热器13设置在塔筒14的塔底。具体地，箱变10设置在塔底的负一层平台，主控柜11和泵站12设置在塔底的一层平台(塔筒门入口)，变流柜9设置在塔底的二层平台。

采用这样的分散式布置方式存在如下缺陷：由于用于发电机1、变流柜9、箱变10之间进行连接的低压动力电缆15较长且额外需要从塔底向机舱3引出400V配电电缆和控制电缆而导致电缆成本增高；在吊装时需要对塔底进行拼装以及需要完成箱变、变流柜与主控柜之间的接线工作，且风力发电机组的主要组件在吊装前无法组成一个完整的电系统及其控制系统，因此很多预调试工作无法进行，从而导致在吊装完毕后，还需要进行大量的调试工作，延长风场的建设周期；目前通常通过设置在机舱底部的吊物孔来维修或更换机舱内的多种组件以及通过塔筒门来维修或更换位于塔底的多种组件，然而由于机舱底部的吊物孔和塔筒门尺寸的限制，仅能够更换风力机组内的体积较小的组件，当需要维修或更换体积较大的组件时，通常需要将风力发电机组完全拆卸开，这样不仅操作繁琐而且增加运维成本。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种能够提高可维修性、提高了集成度、降低成本、提高抗倾覆性能和可靠性的风力发电机组。

根据本发明的一方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组可包括塔筒、固定到塔筒上端的底座和固定连接到底座的机舱，机舱包括可机舱底部吊物孔和机舱顶部吊物孔，塔筒可形成有塔筒吊物孔，机舱可通过分隔平台分为下方的一层和上方的二层，分隔平台的一端固定到底座。

优选地，分隔平台可设置有天井。

优选地，所述风力发电机组还可包括设置在一层内的机舱一层平台行车和设置在二层内的机舱二层平台行车。

优选地，机舱底部吊物孔上可设置有可拆卸盖板。

优选地，可拆卸盖板中可设置有比机舱底部吊物孔小的吊物孔，所述吊物孔上可设置有活动盖板。

优选地，机舱顶部吊物孔上可设置有可拆卸机舱顶盖。

优选地，可拆卸机舱顶盖中可设置有比机舱顶部吊物孔小的孔，所述孔上可设置有活动盖板。

优选地，所述风力发电机组还可包括直升机平台，设置在可拆卸机舱顶盖上方。

优选地，底座上可设有位于二层的底座盖板门，底座盖板门位于塔筒吊物孔正上方。

优选地，天井可位于机舱底部吊物孔上方。

优选地，机舱底部吊物孔上可设置有可拆卸盖板，可拆卸盖板上可设置有活动盖板，天井可位于活动盖板正上方。

根据本发明的另一方面，提供一种用于更换如上所述的风力发电机组的机舱内的设备的方法，在更换一层的整台设备时，可通过机舱一层平台行车经由机舱底部吊物孔进行更换。

根据本发明的另一方面，提供一种用于更换如上所述的风力发电机组的机舱内的设备的方法，在更换二层的整台设备时，可经由机舱顶部吊物孔进行更换。

根据本发明的另一方面，提供一种用于更换如上所述的风力发电机组的机舱内的设备的方法，在更换一层设备的内部部件时，可通过机舱一层平台行车将整台设备移动到分隔平台的天井下方，通过机舱二层平台行车进行更换。

根据本发明的另一方面，提供一种用于更换如上所述的风力发电机组的机舱内的设备的方法，在更换二层设备的内部部件时，可通过机舱二层平台行车经由分隔平台的天井和机舱底部吊物孔进行更换，或者经由机舱顶部吊物孔进行更换，或者经由塔筒吊物孔进行更换。

根据本发明的风力发电机组，通过机舱底部吊物孔、机舱顶部吊物孔和塔筒吊物孔，便于维修和更换机舱内的组件，提高了风力发电机组的可维修性。此外，根据本发明的风力发电机组，将箱变和变流柜改为设置在机舱内，由此提高了风力发电机组的集成度。而且，由于变流柜和箱变位于塔筒的一侧，发电机位于另一侧，有助于实现载荷平衡，因此显著降低了对塔筒的抗倾覆力矩要求。此外，由于将箱变和变流柜设置在机舱内，简化了布局和接线，简化了现场作业，能够降低成本和建设周期，而且便于控制风力发电机组内部环境的温湿度。此外，根据本发明的风力发电机组，由于变流柜可被配置为具有高集成度的变流柜，因此减少了电控柜数量、简化了布局和接线，缩短了低压动力电缆以及配电电缆和控制电缆的长度，显著降低了电缆成本，同时减小了空间占用。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：

图1是示出了现有技术中的采用分散式布置方式的风力发电机组的示意图；

图2是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的布局的示意图；

图3是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱的一层内的布局的示意图；

图4是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的机舱的二层内的布局的示意图；

图5、图6和图7是示出了根据本发明的实施例的风力发电机组的更换箱变的线圈的方法的示意图。

具体实施方式

现在，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。

参照图2，风力发电机组可包括：叶轮101，叶轮上101可设置有叶片(未示出)；发电机102，连接到叶轮101；机舱103，机舱103内可设置有箱变116和变流柜114；塔筒105，用于支撑叶轮103、发电机102和机舱103(叶轮轮毂、发电机和机舱统称为机头)。此外，机舱103的外部还可设置有用于风力发电机组的散热的外部换热器106，优选地，外部换热器106可位于机舱103的顶部靠近发电机102的位置。在此，变流柜114用于将发电机发出的频率和电压均在变化的交流电，转换为符合电网接入规范的电压恒定，频率为正弦波的交流电；箱变116为用于风力发电机中的变压器，有油式变压器与干式变压器之分，用来将来自变流柜的低压电升压后送往集电线路。

在本实施例中，机舱103可通过底座104连接到塔筒105，底座104可以为一个支撑结构件，底座104的一端可连接到塔筒105，用于将整个机头的重力以及力矩传递给塔筒105。风力发电机组可以为直驱式风力发电机组，发电机102可以为外转子空冷发电机，其中，发电机102可采用单轴承(未示出)，轴承安装到内定子的轴承座中，轴承的动环与动轴固定，轴承的静环与静轴固定，静轴与底座104连接，用于将发电机102及叶轮101的重力和力矩传递给底座104，动轴与叶轮101连接，用于将叶轮101捕获风能后转化来的弯矩传递给发电机外转子用于发电，同时支撑叶轮101的重力以及抵消叶轮101带来的力矩。

在下文中，将参照图2至图4进一步详细地描述机舱的结构以及机舱内组件的布局。

如图2所示，机舱103可通过分隔平台107(也可称作机舱二层平台)分为一层108和二层109，分隔平台107的一端固定到底座104，靠近机舱103的底部还可设置有机舱一层平台112。如图2和图3所示，箱变116和发电机换热器117可设置在机舱一层平台112上。如图2和图4所示，采用冗余配置的两台变流柜114、包括采用冗余配置且并联运行的两台泵的泵站115和液压站118可设置在机舱二层平台107上。变流柜114和箱变116的分层布置有利于实现高低压分离，同时设置在机舱二层平台107上的泵站115和液压站118可远离箱变116，以便于对泵站115和液压站118进行维护。此外，为了减小对塔筒105的抗倾覆力矩的要求以及缩短低压电缆119的长度，变流柜114、箱变116等较重以及需要低压电缆119连接的组件可在机舱一二层平台布置时优选地靠近塔筒105(具体地，靠近底座104)布置，优选地，箱变116可比发电机换热器117更靠近塔筒105，变流柜114可比液压站118和泵站115更靠近塔筒105。在此，泵站115可包括泵、三通阀以及加热器等，用于给液冷系统提供动力，同时依据风机控制系统的指令实现控制流量、切换大小循环、以及加热冷却液等功能；液压站118用于给风机内的液压部件(例如偏航刹车系统、转子刹车系统、液压变桨系统等)提供动力及控制。图3和图4中的由点划线构成的圆圈表示塔筒105的位置。

在本实施例中，机舱二层平台107可以为板状结构，并且可采用悬臂式布置形式，即，机舱二层平台107的一端可固定于底座104上，另一端可悬空，优选地，为了增大机舱二层平台107的结构强度，可在机舱二层平台107下设置多根横梁。此外，机舱二层平台107的下方可安装有机舱一层平台行车110，用于吊装箱变116和发电机换热器117及其内部组件等以便于维护和更换。此外，靠近机舱103的顶部可安装有机舱二层平台行车111，用于吊装箱变116、发电机换热器117、变流柜114、泵站115和液压站118及其内部组件等。此外，在机舱二层平台的靠近机舱103的尾部的位置可设置有天井113，用于机舱二层平台与机舱一层平台之间的物资运送或者维护机舱一层平台上的组件。可以理解的是，机舱103内设置的组件均可由固定到底座104的具有较强结构强度的钢结构桁架(未示出)支撑。

优选地，机舱103可设置有机舱底部吊物孔和机舱顶部吊物孔，以可采用从空中和海上两种方式对风力发电机组内的组件进行维修或更换。

如图2和图3所示，机舱底部吊物孔可采用可拆卸盖板122和活动盖板123嵌套的方式而形成，具体地讲，机舱(具体地，机舱罩(机舱的外壳就是机舱罩))的底部可设置有机舱底部吊物孔，其尺寸应能允许整台箱变116从其通过。机舱底部吊物孔上可安装有用于覆盖其的可拆卸盖板122，优选地，可拆卸盖板122中可设置有比机舱底部吊物孔小的吊物孔，所述吊物孔的位置可与天井113的位置相对应，并且所述吊物孔上可设置有活动盖板123。可拆卸盖板122的外部可采用流线型外形，以与周围机舱罩的形状相匹配，可拆卸盖板122平时可固定不打开，并且可拆卸盖板122与机舱罩之间的缝隙可使用机械密封胶进行密封。活动盖板123平时可以开启，用于直接从船只往机舱内运送物资或者将损坏部件从机舱内下放到船只。在对风力发电机组内的组件进行更换时，可使用机舱一层平台行车通过机舱底部吊物孔进行物资的提升和下放作业。

机舱顶部吊物孔可设置在机舱的顶部且位于外部换热器106的后方。机舱顶部吊物孔上可设置有可拆卸机舱顶盖125，具体地讲，机舱罩顶部可设置有吊物孔，可拆卸机舱顶盖125可设置在该吊物孔上以覆盖该吊物孔。可拆卸机舱顶盖125与机舱罩之间的缝隙也可使用机械密封胶进行密封。可拆卸机舱顶盖125平时可固定不打开，当需要时，可移除可拆卸机舱顶盖125，用于对设置在机舱二层平台上的组件进行更换，或在极端情况下(例如，机舱内所有组件均损坏或调试样机的情况)，可完全拆卸机舱二层平台，更换机舱内的所有组件(图2中实线表示可拆卸机舱顶盖125安装在机舱123顶部的情形，虚线表示可拆卸机舱顶盖125被打开的情形)。为了便于与机舱顶部吊物孔相配合来更换机舱内的组件，机舱103的顶部外还可设置有直升机平台(未示出)，用于恶劣天气船只无法接近时的人员及物资运送，直升机平台可位于外部散换热器106的后方和可拆卸机舱顶盖125的上方，以允许工作人员通过直升机平台和机舱顶部吊物孔进入机舱二层。优选地，可拆卸机舱顶盖125中可形成有比机舱顶部吊物孔小的孔，该孔上可设置有活动盖板126，便于工作人员从直升机平台进入机舱的二层。直升机平台与可拆卸机舱顶盖125也可合二为一。

此外，为了在风速较大不便使用机舱底部吊物孔的情况下运送物资，如图2所示，塔筒105内可设置有塔筒吊物孔121。塔筒105的底部可设置有塔筒门(未示出)，底座104的底部在与塔筒吊物孔121对应的位置可设置有人梯孔，用于人员从塔筒105进入底座104。此外，底座104上还可设置有底座盖板门124，所述底座盖板门124位于所述塔筒吊物孔121正上方，用于人员从底座104进入机舱二层平台。机舱二层平台与机舱一层平台之间可设置有楼梯(具体地，楼梯可设置在天井处)，用于人员在机舱一二层平台之间往返。由于塔筒尺寸的限制，塔筒吊物孔121通常小于机舱底部吊物孔，因此塔筒吊物孔121通常用于体积相对小的组件的更换或维修。在对风力发电机组内的组件进行更换时，可使用机舱二层平台行车111通过塔筒吊物孔121进行物资的提升和下放作业。

此外，在本实施例中，变流柜114除了包括机侧滤波器、功率处理模块、网侧滤波器、网侧断路器和变流器控制器之外，变流柜114还可包括用于控制风力发电机组的正常运行的风力发电机组主控制器以及于为风力发电机组内的用电组件配电的低压配电模块。可选地，变流柜114还可包括机侧断路器，用于控制发电机的连接或断开。

为了便于理解根据本发明的实施例的机舱内的组件的更换方法，在下文中，将以体积较大且重量较重的设置在机舱103的一层108内的箱变和设置在机舱103的二层109内的变流柜及其内部组件的更换方法为例进行详细的描述。

1、更换箱变的方法

当设置在机舱103的一层108内的整台箱变出现故障无法使用时，可按照如下步骤进行更换：(1)拆除机舱一层平台112上的两台发电机换热器117的冷却液管道、电缆以及固定螺栓；(2)使用机舱一层平台行车110将机舱一层平台112上的一台发电机换热器117移动到机舱二层平台107的天井113下方；(3)使用机舱二层平台行车111提升发电机换热器117，使其通过机舱二层平台107的天井113并将其放置到机舱二层平台107上；(4)按照步骤(1)至步骤(3)，将机舱一层平台112上的另一台发电机换热器117放置到机舱二层平台107上；(5)移除覆盖机舱底部吊物孔的可拆卸盖板122；(6)拆除箱变116的冷却液管道、电缆以及固定螺栓；(7)使用机舱一层平台行车110将箱变116移动到机舱底部吊物孔处，从机舱底部吊物孔将箱变116下放到下方的船只上；(8)使用机舱一层平台行车110将新箱变通过机舱底部吊物孔提升到机舱一层平台112并移动到原位置；(9)安装好机舱底部吊物孔的可拆卸盖板122；(10)连接好箱变的冷却液管道、电缆，并对固定螺栓打好力矩；(11)使用机舱二层平台行车111移动机舱二层平台107上的一台发电机换热器117并使其通过机舱二层平台107的天井113下放到机舱一层平台112上；(12)使用机舱一层平台行车110将发电机换热器117移动到原位置；(13)按步骤(11)和步骤(12)，将机舱二层平台107上的另一台发电机换热器117移动移动到原位置；(14)连接好两台发电机换热器117的冷却液管道、电缆，并对固定螺栓打好力矩。

此外，当箱变的组件(例如线圈)出现故障时，可按照如下步骤进行更换(如图5至图7所示15)：(1)按照如上所述的更换箱变的方法的步骤(1)至步骤(4)，将机舱一层平台112上的两台发电机换热器117放置到机舱二层平台107上；(2)拆除箱变116的冷却液管道、电缆以及固定螺栓；(3)使用机舱一层平台行车110将箱变116移动到机舱二层平台107的天井113下方；(4)使用机舱二层平台行车110进行箱变的故障的线圈的更换；(5)完成线圈更换后，使用机舱一层平台行车110将箱变116移动到原位置；(6)连接好箱变的冷却液管道、电缆，并对固定螺栓打好力矩；(7)按照如上所述的更换箱变的方法的步骤(11)至步骤(14)连接好两台发电机换热器117。

在本实施例中，使用机舱二层平台行车进行故障的线圈的更换的步骤可包括：(a)打开箱变的门拆卸故障的线圈，使用机舱二层平台行车111将故障的线圈移动到底座盖板门124处；(b)打开底座盖板门124，使用机舱二层平台行车111将故障的线圈通过塔筒吊物孔121下放到塔底；(c)使用机舱二层平台行车111将新的线圈从塔底提升到机舱103，关上底座盖板门124；(d)使用机舱二层平台行车111将新的线圈移动到箱变位置处，将新的线圈安入箱变内，关闭箱变的门。虽然本实施例中以示例的形式描述了故障的线圈可通过塔筒吊物孔121更换，但根据线圈的尺寸，更换故障的线圈的步骤并不仅限于此，例如，故障的线圈还可通过机舱顶部吊物孔被吊出来完成更换，故障的线圈也可通过机舱底部吊物孔上的活动盖板123吊出来进行更换。

应理解的是，以上虽然描述了箱变可通过机舱一层平台行车(110)经由机舱底部吊物孔进行更换，但根据需要，设置在机舱103的一层108内的其他设备(例如，发电机换热器)也可通过机舱一层平台行车(110)经由机舱底部吊物孔进行更换。类似地，设置在机舱103的一层108内的其他设备(例如，发电机换热器)的内部组件也可按照与以上所述的更换箱变的线圈的方法相似的方法进行更换。

2、更换变流柜的方法

当设置在机舱103的二层109内的整台变流柜出现故障时，可按照如下步骤进行更换：(1)拆除故障变流柜114的冷却液管道、电缆以及固定螺栓；(2)移除直升机平台下方的可拆卸机舱顶盖125；(3)使用外部吊机(例如，吊装船上的吊机或者地面上履带吊的吊机)来吊走整台故障变流柜；(4)使用外部吊机将一台新变流柜提升到机舱103的顶部；(5)通过打开的可拆卸机舱顶盖125将变流柜放置到原来的位置；(6)连接好变流柜的冷却液管道、电缆，并对固定螺栓打好力矩。

此外，当变流柜的内部模块出现故障时，可按照如下步骤进行更换：(1)打开变流柜114的柜门，拆除损坏的内部模块，关上变流柜114的柜门；(2)使用机舱二层平台行车111进行变流柜114的内部模块的更换；(3)打开变流柜114的柜门，安装上新模块，关闭变流柜114的柜门，其中，由于变流柜的内部模块的体积相对小，因此在本实施例中使用机舱二层平台行车更换变流柜的内部模块可通过以下三种方式完成。

第一种方式可包括：(a)使用机舱二层平台行车111将损坏的内部模块移动到机舱二层平台107的天井113位置处；(b)打开机舱底部吊物孔上的活动盖板123，控制机舱二层平台行车111将损坏模块下放到下方的海面上的运维船上或者地面上(陆地风机的情况)；(c)使用机舱二层平台行车111将新模块提升到机舱103，关上机舱底部吊物孔上的活动盖板123；(d)使用机舱二层平台行车111将新模块提升到机舱二层平台107并移动到变流柜114的位置处。

第二种方式可包括：(a)使用机舱二层平台行车111将损坏模块移动到底座盖板门124处；(b)打开底座盖板门124，使用机舱二层平台行车111将损坏模块通过塔筒吊物孔121下放到塔底；(c)使用机舱二层平台行车111将新模块从塔底提升到机舱103，关上底座盖板门124；(d)使用机舱二层平台行车111将新模块提升到机舱二层平台107并移动到变流柜114的位置处。

第三种方式可包括：(a)使用机舱二层平台行车111将损坏模块移动到可拆卸机舱顶盖125上的活动盖板126处；(b)打开可拆卸机舱顶盖125上的活动盖板126，使用外部吊机(如放置到直升机平台上的可移动吊机)将损坏模块提升到直升机平台上；(c)使用外部吊机将直升机平台上运来的新模块下放到机舱二层平台107，关上可拆卸机舱顶盖125上的活动盖板126；(d)使用机舱二层平台行车111将新模块移动到变流柜114的位置处。

应理解的是，以上虽然描述了变流柜可经由机舱顶部吊物孔进行更换，但根据需要，设置在机舱103的二层109内的其他设备(例如，泵站、液压站)也可经由机舱顶部吊物孔进行更换。类似地，设置在机舱103的二层109内的其他设备(例如，泵站、液压站)的内部组件也可按照与以上所述的更换变流柜的内部模块的方法相似的方法进行更换。

此外，在本实施例中，根据所需更换的设备的尺寸，如上所述的更换变流柜的内部模块的方法也可用于更换风力发电机组内的多种其他设备(例如，箱变、泵站、液压站等)。

虽然以上以示例的方式描述了箱变和变流柜及其内部组件的更换方法，但是可根据实际需要来选择机舱底部吊物孔、塔筒吊物孔、机舱顶部吊物孔、形成在可拆卸盖板中的吊物孔以及形成在可拆卸机舱顶盖中的孔进行组件的更换，具体地，可通过塔筒吊物孔或形成在可拆卸盖板中的吊物孔或形成在可拆卸机舱顶盖中的孔来更换体积较小的组件，可通过机舱底部吊物孔和机舱顶部吊物孔来更换体积较大的组件。

根据本发明的风力发电机组，通过机舱内设置的机舱一层平台行车、机舱二层平台行车、机舱底部吊物孔、机舱顶部吊物孔和塔筒吊物孔相互配合使用，便于维修和更换机舱内的组件，提高了风力发电机组的可维修性。

此外，根据本发明的风力发电机组，箱变和变流柜可起到配重的作用，可实现塔筒两侧的载荷平衡，由此能够降低对塔筒及基础的抗倾覆力矩要求。而且，通过使箱变和变流柜靠近塔筒设置，可以减小对塔筒产生的力矩。即，通过调节箱变和变流柜相对塔筒(底座)的位置，可以适当地调节整体载荷。

此外，根据本发明的风力发电机组，由于变流柜可被配置为具有高集成度的变流柜，可省略原先设置在机舱内的开关柜、机舱控制柜、变频柜，还可以省略原先设置在塔筒底部的主控柜，因此减少了电控柜数量、简化了布局和接线。而且，由于变流柜和箱变被集成到机舱内，缩短了低压动力电缆以及配电电缆和控制电缆的长度，显著降低了电缆成本，同时减小了空间占用，而且便于控制风力发电机组内部环境的温湿度。

此外，根据本发明的风力发电机组，可在工厂内完成风力发电机组内的大部分的接线工作，有助于风力发电机组质量的控制。详细地讲，可在工厂内(对于机舱和发电机均在工厂内组装完毕的情形)或者在地面拼装后(针对机舱与发电机分开运输，然后在吊装前才把发电机和机舱在地面上或船上拼装好)对风力发电机进行预调试，从而大大改善调试工程师的工作环境，并且可在预调试期间解决大部分问题，从而显著缩短调试工程师用于对高空风力发电机进行调试的时间。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本发明所属技术领域中具有公知常识者在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种的修改和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。