本申请涉及风力发电机领域，具体地说，是涉及一种带有可变惯量蓄能飞轮的风力发电机组。
背景技术：
风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴量巨大，目前建造的风力发电站都是由大量的风力发电机组构成，每个风力发电组通过风轮将风的动能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能输出至电网中。然而，风场自然风的风力、风速非常不稳定，其风力、风速的大小都在时刻变化，尤其是当风场的风速过大时，其风速大于风力发电机组风轮的切出风速度，若不通过变桨距降低叶轮上捕捉的风能，会对风力发电机组造成损害，若进行变桨距调整，则会损失部分风能 ；有时风场的风速时快时慢，在风速较高时带动发电机组的风轮快速运转，但自然风的风速有可能随着风力和风向的变化突然减小，此时发电机组的风轮运转速度也会急剧下降，发电机组不能在高风速的情况下存储风能，导致风能利用率较低。
现有技术中，飞轮储能技术，风机传动系统将捕获的风能转化为机械能，由机械能通过发电机转化为电能，并将无法送出的电能驱动独立于风电机组之外的飞轮转动，再由电能转化为飞轮动能进行储存。虽然能起到储能的作用，但是因为上述过程有较多次的能量传递，即“机械能 - 电能 - 机械能”的过程，转化过程中不可避免的带来能量损失，同样会降低风能利用率。专利ZL201310314159.6带有储能飞轮的风力发电机组中公开了一种带有定惯量蓄能飞轮的风力发电机组技术方案，可在风场风速过高时通过引入蓄能飞轮，将一部分风能存储在飞轮上，在风速降低时释放飞轮动能回馈到风力发电机组主轴进行发电，在一定程度上提高了风力发电机组对风能的利用效率。然而，由于其蓄能飞轮的惯量恒定，在主轴传动链中突然引入或切除飞轮惯量时，可能导致较大的冲动和转速波动，飞轮在蓄能和放能的过程中也无法有效实现对主轴转速的合理调节。
因此，如何解决风场风速过高时弃风问题，和当风速持续上升时改变蓄能容量，并稳定主轴转速，不会导致主轴冲动和较大的转速波动，便成为亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明于为了解决上述问题，研制出了一种带有可变惯量蓄能飞轮的风力发电机组，以用来解决上述问题，其采用的技术方案为：一种带有可变惯量蓄能飞轮的风力发电机组，包括主轴，主轴承轴支座，飞轮离合器，致动器支座，致动器，叶轮，发电机和飞轮机构，所述叶轮安装在主轴的一端，主轴的另一侧与发电机连接，所述飞轮结构包括飞轮固定支座，飞轮滑动支座，包括配重块，配重块连接杆和配重块推杆，所述配重块、配重块连杆、配重块推杆周向均布于所述主轴轴线外侧，所述飞轮固定支座轴向固定、周向可转地安装于所述主轴中段外圆柱面上，所述飞轮滑动支座轴向可滑动、周向可转动地安装于所述主轴外圆柱面上，所述飞轮离合器安装在所述主轴中段外圆柱面上，所述飞轮离合器具有分离、半联动、联动三种状态，在所述飞轮固定支座和所述飞轮滑动支座上，沿所述主轴轴线周向均匀安装若干组飞轮配重机构，每组飞轮配重机构包括数量相同的配重块、配重块连杆以及配重块推杆。
优选的，所述配重块连杆一侧与飞轮固定支座铰接，另一侧与配重块铰接。
优选的，所述配重块推杆一侧与飞轮滑动支座铰接，另一侧与所述配重块或者配重块连杆铰接。
优选的，所述主轴轴承支座设置在靠近叶轮的主轴外圆柱面上。
优选的，所述飞轮离合器的一侧的主动部分固定安装在主轴上，与主轴同步转动，其另一侧的从动部分与所述飞轮固定支座连接。
优选的，当所述飞轮离合器为分离状态下，飞轮机构完全不随所述主轴转动；当所述飞轮离合器为半联动状态下，飞轮机构与所述主轴进行异步转动；当所述飞轮离合器为联动状态下，飞轮机构与所述主轴进行同步转动。
优选的，所述致动器一侧固定安装在所述致动器支座上，另一侧与所述飞轮滑动支座轴向连接。
本发明所述的一种带有可变惯量蓄能飞轮的风力发电机组，其有益效果为：在主轴中突然引入或切除飞轮机构惯量时，可实现飞轮机构在蓄能和放能的过程中对主轴转速的合理调节，风速较高时，引入飞轮机构的过程中不会导致主轴冲动和较大的转速波动；
其次，当风速持续上升时，通过合理增大飞轮机构的转动惯量，可在保持主轴转速稳定的前提下，逐步提高飞轮机构的蓄能容量，将过量风能存储到飞轮机构上，且飞轮机构的惯量可在一定范围内实现无级调整。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的左视图；
图3为本发明的主视图；
图4为飞轮机构最小惯量状态结构示意图；
图5为飞轮机构最大惯量状态结构示意图；
图6为飞轮机构切入后主轴转速与转动惯量示意图；
图7为飞轮机构切入后主轴转速与利于风能示意图；
其中，1-主轴，2-主轴承轴支座，3-飞轮离合器，4-飞轮固定支座，5-飞轮滑动支座，6-致动器支座，7-配重块，8-配重块连接杆，9-配重块推杆，10-致动器，11-叶轮，12-发电机。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一， 结合附图1-3，一种带有可变惯量蓄能飞轮的风力发电机组，包括主轴1，主轴承轴支座2，飞轮离合器3，致动器支座6，致动器10，叶轮11，发电机12和飞轮机构，所述叶轮11安装在主轴1的一端，通过叶轮将风能转化为主轴转动动能；主轴1的另一侧与发电机12连接，所述飞轮结构包括飞轮固定支座4，飞轮滑动支座5，包括配重块7，配重块连接杆8和配重块推杆9，所述配重块7、配重块连杆8、配重块推杆9周向均布于所述主轴1轴线外侧，
所述致动器10一侧固定安装在所述致动器支座6上，另一侧与所述飞轮滑动支座5轴向连接，且不对其周向转动产生约束，在所述致动器10的作用下，所述飞轮滑动支座5可产生轴向位移；所述主轴轴承支座2设置在靠近叶轮11的主轴1外圆柱面上，即所述主轴1靠近叶轮一侧外圆柱面穿过所述主轴轴承支座2，主轴轴承支座2为主轴1提供固定的转动支撑，另一侧可与发电机连接，将动能最终转化为电能。
所述配重块推杆9在所述飞轮滑动支座5的推动下，带动所述配重块连杆8绕其与所述飞轮固定支座4铰接点转动，进一步带动所述配重块7径向和轴向位置的改变，从而改变飞轮配重机构以及飞轮机构的转动惯量。
实施例二，结合附图1和附图4-5，所述飞轮固定支座4轴向固定、周向可转地安装于所述主轴1中段外圆柱面上，即所述飞轮固定支座4安装在所述主轴1中段外圆柱面上，可与所述主轴1之间相对转动，飞轮固定支座4一侧与所述飞轮离合器3的从动部分固定连接，另一侧受到所述主轴1轴向限位，不可产生轴向位移，所述飞轮滑动支座5轴向可滑动、周向可转动地安装于所述主轴1外圆柱面上，可与所述主轴1之间相对转动和滑动。
所述飞轮离合器3安装在所述主轴1中段外圆柱面上，在所述飞轮固定支座4和所述飞轮滑动支座5上，沿所述主轴1轴线周向均匀安装若干组飞轮配重机构，每组飞轮配重机构包括数量相同的配重块7、配重块连杆8以及配重块推杆9，所述配重块7一侧与所述配重块连杆8铰接，所述配重块连杆8一侧与飞轮固定支座4铰接，另一侧与配重块7铰接，所述配重块推杆9一侧与飞轮滑动支座5铰接，另一侧铰与所述配重块7或者配重块连杆8铰接。
当叶轮迎风风速V较低时，所述飞轮离合器3分离，即飞轮机构处于切除状态，此时叶轮驱动的总转动惯量J为叶轮转动惯量J叶轮和等效主轴转动惯量J主轴之和，其中，所述等效主轴转动惯量J主轴包含所述主轴1、所述飞轮离合器3的主动部分、所述致动器10、所述致动器支座6以及与所述主轴1连接的齿轮箱和电机等部分的综合转动惯量，即J=J0=J叶轮+J主轴。
飞轮机构转动惯量J飞轮为可变惯量。当所述飞轮滑动支座5最远离所述飞轮固定支座4，即所述飞轮滑动支座5轴向位移为最小xmin时，所述配重块7质心径向位移为最小rmin，此时飞轮机构转动惯量J飞轮最小；当所述飞轮滑动支座5最接近所述飞轮固定支座4，即所述飞轮滑动支座5轴向位移为最大xmax时，所述配重块7质心径向位移为最大rmax，此时飞轮机构转动惯量J飞轮最大。
实施例三，结合附图1和附图6-7，所述飞轮离合器3的一侧的主动部分固定安装在主轴1上，与主轴1同步转动，其另一侧的从动部分与所述飞轮固定支座4连接，可与飞轮机构同步转动；所述飞轮离合器3具有分离、半联动、联动状态，当所述飞轮离合器3为分离状态下，所述主轴1和所述飞轮固定支座4完全断开，此时飞轮机构完全不随所述主轴1转动；当所述飞轮离合器3为半联动状态下，所述主轴1传递部分转矩至飞轮机构，此时飞轮机构与所述主轴1进行异步转动；当所述飞轮离合器3为联动状态下，飞轮机构与所述主轴1进行同步转动。
当叶轮迎风风速V达到最大不利风速V1时，所述主轴1转速达到最大转速ωmax，此时所利用的风能为K=K1=J0·ωmax2/2；所述飞轮离合器3开始半联动，逐步引入飞轮机构最小转动惯量min（J飞轮），直至所述飞轮离合器3完全达到联动状态后，飞轮机构最小转动惯量min（J飞轮）完全引入传动系统，此时叶轮驱动的总转动惯量J=J1=J叶轮+J主轴+min（J飞轮）。在此过程中，由于叶轮驱动的总转动惯量J逐步增大，所述主轴1的转速基本维持稳定，利用的风能持续增大。当叶轮迎风风速V继续增大时，继续增大飞轮机构的转动惯量J飞轮，进一步提高飞轮机构的蓄能容量（叶轮驱动的总转动惯量J最大可达到J=J2=J叶轮+J主轴+max（J飞轮）），并继续保持所述主轴1转速稳定。
蓄能飞轮机构的惯量可在一定范围内实现无级调整，当风速过高需要引入飞轮机构时，可先将飞轮机构惯量调整至最小惯量，同时，所述飞轮离合器初以半联动状态引入飞轮机构，使飞轮机构与所述主轴保持异步转动；随风速逐步提高，所述飞轮离合器逐步从半联动状态向联动状态过渡，最终使得飞轮机构与所述主轴保持同步转动。在此过程中，由于叶轮带动的转动惯量（叶轮、主轴和飞轮机构的总惯量）是逐步增大的，因此，在引入飞轮机构的过程中不会导致主轴冲动和较大的转速波动；进一步地，当风速持续上升时，通过合理增大飞轮机构的转动惯量，可在保持主轴转速稳定的前提下，逐步提高飞轮机构的蓄能容量，将过量风能存储到飞轮机构上，直至达到飞轮机构的蓄能容量上限；同理，当风速降低时，合理减小飞轮机构的转动惯量，可在保持主轴转速稳定的前提下，将飞轮机构动能释放到主轴上。当风速持续降低到一定程度后，可通过飞轮离合器逐步切除飞轮机构，来维持主轴转速。
本发明所述的一种带有可变惯量蓄能飞轮的风力发电机组，其有益效果为：在主轴中突然引入或切除飞轮机构惯量时，可实现飞轮机构在蓄能和放能的过程中对主轴转速的合理调节，风速较高时，引入飞轮机构的过程中不会导致主轴冲动和较大的转速波动；
其次，当风速持续上升时，通过合理增大飞轮机构的转动惯量，可在保持主轴转速稳定的前提下，逐步提高飞轮机构的蓄能容量，将过量风能存储到飞轮机构上，且飞轮机构的惯量可在一定范围内实现无级调整。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。