專利名稱：風力發電機組變速恒頻裝置的制作方法
風力發電機組變速恒頻裝置
本發明涉及風力發電機組，尤其涉及它的變速恒頻裝置。 龍絲
風力發電機組普遍采用變速運行方式，即在風速小時，風輪的轉速低，風速高時，風 輪的轉速也高，使葉片的尖速比始終保持在最佳的狀態，這樣就能最充分地利用風能，經 濟性高。而大型風力發電機組要與電網連接，向電網供電，就需要采取特殊技術，使風機 在變速運行狀態下，輸出電能的頻率卻是恒定的，且為電網工作頻率。
現在普遍采用的技術手段有如下兩種
1. 雙饋變速恒頻技術
采用雙饋感應式發電機，發電機定子與電網連接，發電機轉子經雙饋變頻器變頻后與 電網連接運行技術。變頻器控制發電機的轉子勵磁頻率，使發電機轉子的機械旋轉頻率加 上勵磁頻率與電網電頻率一致。因此可以調整轉子勵磁頻率來使發電機轉子變速運行而發 電機上網頻率為工頻。該技術由于只有轉子部分的功率通過變頻器，因此，變頻器的容量 可以較小。但受變頻器電壓限制，可以實現的變速范圍只有同步轉速的-1/3 1/3之間。 另外，該技術對發電機的要求高，發電機轉子需要滑環，而且發電機轉子工作在變頻器供 電模式下，轉子繞組的絕緣需要特殊考慮，轉子要承受高頻脈沖電壓和高的轉速，適應電 網的能力還需要特殊措施加強。
2. 全功率變頻上網技術
采用同步發電機，通過變頻器與電網連接運行。發電機轉子的轉速可以在較寬的范圍 內實現無級變速運行，發電機的輸出電能通過全功率變頻器后變成工頻上網。該技術的優 點是可以在更寬的范圍內實現風機的變速運行，適應電網能力比雙饋變速技術強，缺點是 需要的變頻器功率大，造價高。以上兩種都是通過電磁變頻來實現恒頻，電磁變頻裝置的結構復雜，造價高，元器件 數量多，故障幾率大，穩定性、可靠性較差。
再有，受變頻器電壓的限制，均需要變壓器與電網連接，增加了機組的環節及成本。 而且，機組不能使用常規的工頻同步發電機，電能品質差，諧波污染大，適應電網能力不 夠。
鯽贈
本發明的目的是提供一種結構簡單、造價低廉、穩定可靠、變速范圍廣、對電網無諧 波污染、適應電網能力加強的風力發電機組變速恒頻裝置。 本發明的技術解決方案是-
一種風力發電機組變速恒頻裝置，該裝置包括行星齒輪變速器和轉速調節裝置；所述 行星齒輪變速器具有太陽輪、行星架、內齒圈，該內齒圈可旋轉，構成三個同心旋轉軸， 三個軸分別任意對應連接風輪、發電機轉子、轉速調節裝置，即
所述內齒圈連捧發電機轉子，太陽輪連接轉速調節裝置，行星架連接風輪；或 所述內齒圈連接發電機轉子，太陽輪連接風輪，行星架連接轉速調節裝置；或 所述太陽輪連接發電機轉子，行星架連接轉速調節裝置，內齒圈連接風輪；或 所述太陽輪連接發電機轉子，行星架連接風輪，內齒圈連接轉速調節裝置；或 所述行星架連接發電機轉子，太陽輪連接風輪，內齒圈連接轉速調節裝置；或 所述行星架連接發電機轉子，太陽輪連接轉速調節裝置，內齒圈連接風輪。 所述轉速調節裝置包括力矩電動機及其變頻器、風輪轉速信號變送器、信號處理器； 力矩電動機的輸出軸連接轉速調節裝置對應的行星齒輪變速器的旋轉軸，風輪轉速信號變 送器的輸出端連接信號處理器的輸入端，信號處理器的輸出端連接變頻器的輸入端，變頻 器的輸出端連接力矩電動機。
所述轉速調節裝置也可包括直流力矩電動機及其調速器、風輪轉速信號變送器、信號 處理器；直流力矩電動機的輸出軸連接轉速調節裝置對應的行星齒輪變速器的旋轉軸，風 輪轉速信號變送器的輸出端連接信號處理器的輸入端，信號處理器的輸出端連接調速器的 輸入端，調速器的輸出端連接直流力矩電動機。所述風輪設有增速裝置，該增速裝置的輸出軸連接行星齒輪變速器。 所述增速裝置可是行星齒輪增速裝置，也可是普通齒輪增速裝置。 本發明的有益技術效果
本發明在解決風力發電機組為了取得高的風能利用系數必須變速運行、而又需要恒頻 上網的矛盾時，采用了特殊設計的三軸可旋轉的行星齒輪變速箱，使用工頻同步發電機與 電網連接，成功地實現了變速恒頻運行，該行星齒輪變速箱是一種機械裝置，造價低廉， 替代價格昂貴的變頻器，大幅度降低了機組造價；該裝置的結構簡單，故障率低，運行安 全可靠；該裝置的調速范圍廣，適應風速能力強，風能利用充分，機組經濟性好；該裝置 的傳動效率高，機組自耗能顯著降低；采用本裝置的風力發電機組可以用工頻同步發電 機，沒有了諧波污染，使機組可以得到與常規火力發電站相同的電能品質，適應電網的能 力得到提高，而且可以省掉變壓器。
下面結合實施例詳細說明本發明。 W,月
圖l是本風力發電機組變速恒頻裝置的原理圖
圖2是本調速軸的轉速、扭矩、功率隨著輸入軸滑差s的無量綱變化曲線圖
圖3是本風力發電機組變速恒頻裝置的一個實例的結構示意圖
圖4是本轉速調節裝置的結構框圖
具體實施例方式
本發明采用變頻驅動調節齒輪箱的速比技術，可以有效地使風力發電機組變速恒頻運 行。該技術的主要特點是采用三軸均可以旋轉的行星齒輪傳動級。眾所周知齒輪箱的行 星傳動級一般是內齒圈固定不動，行星架與太陽輪旋轉來實現恒定速比的齒輪箱增速或減 速。
本發明是使內齒圈也可以旋轉，因此該行星傳動級就有三個同心旋轉軸，如圖l所 示，在變速恒頻裝置BS內，1軸為行星架X， 2軸為太陽輪T, 3軸為內齒圈N，根據其幾何關 系有如下關系式
2R, = R2 +R3 M =I^LM 1^LM
式中R為旋轉軸的半徑；"為旋轉軸的轉速；M為旋轉軸的力矩。
三個旋轉軸可任意分別對應連接風輪L、發電機F的轉子、力矩電動機D，該力矩電動機 D用工業變頻器B'調速。例如，象圖3所示，可以將1軸連接風輪L作為齒輪箱的輸入軸，2軸 連接調速力矩電動機D，作為齒輪箱的調速軸，3軸連接工頻同步發電機F的轉子，作為齒 輪箱的輸出軸。那么，根據上述關系式，通過改變2軸的轉速可以使1軸的轉速變化，而3 軸的轉速恒定。其道理與雙饋發電機組類似，相當于3軸為發電機的定子，l軸為發電機的 轉子，2軸為變頻器的勵磁頻率。為了便于理解，特進行以下計算分析
令"3=0即輸出軸固定不動，則有以下關系式
R2
G3的物理意義為不考慮輸出軸的情況下齒輪箱調速軸與輸入軸的速比。 同理令o產O即輸入軸固定不動，有下列關系式
H-Gl a)
浴3 仗2
^的物理意義為不考慮輸入軸的情況下，齒輪箱的調速軸與輸出軸的速比。負號為旋 轉方向相反。
同理令"2=0即調速軸固定不動，有下列關系式
仏2R'=G, (3)
i R3
G2的物理意義為不考慮調速軸的情況下，齒輪箱的輸出軸與輸入軸的速比。 實際上，輸出軸的轉速為上述式(2)、式(3)兩種情況的疊加。 因為3軸為輸出軸，"3為工頻，對兩極發電機為3000rpm，對四極發電機為1500rpm。 規定輸入軸的同步速和滑差為
" 因此可以用滑差S、輸入功率P,、發電機工頻"3來表示調節軸2軸及輸出軸3軸的轉速、
力矩、功率，有如1C關系 <formula>complex formula see original document page 7</formula>如果設定轉差率S在1 0 -l區間突化，即輸入軸轉速在0 2Hc"n之間變化。則有調速 軸的轉速隨著S線性減小O，而且在S由O變為負值時，調速軸的反向逐漸加快旋轉；
風輪的力矩一般是與轉速的平方成正比，功率與轉速的三次方成正比。可以設定下列
關系
<formula>complex formula see original document page 7</formula>因此調速軸的力矩的方向不變化，隨著s的減小而成二次方關系增大。當S為-1時，力 矩最大。
調速軸的功率隨著S的正負而變化，當S由1減小到0時，功率由0到4/27Pn再減小到0; 當S由0到-1變化時，功率的流向改變了，變為由調速軸輸出一部分功率。 圖2為調速軸的轉速、力矩、功率隨著輸入軸滑差S的無量綱變化曲線圖。 圖2中系列1為"2/ (-G3*con)無量綱系數隨著滑差S的無量綱變化曲線。 圖2中系列2為(JM^)/Mn無量綱系數隨著滑差S的無量綱變化曲線。圖2中系列3為P3/Pn無量綱系數隨著滑差s的無量綱變化曲線。 圖2中系列4為co/con無量綱系數隨著滑差s無量綱的變化曲線。
本發明采用工業變頻器B帶電動機D驅動調速軸。因此滑差S—直為正。適當調整齒輪 箱的設計參數可以使變頻器B的功率約為機組的額定功率的1/10。
本發明必須使行星級的三個軸均可以選轉。其中一個軸為輸入軸，另一個軸為輸出 軸，第三個軸為調速軸，調速軸采用變頻器B帶電動機D驅動。變頻器B、電動機D均可以選 用常規的工業產品，結構簡單，運行可靠，可以通過變頻器B調整風輪L的轉速和功率。
另外，由于風輪L的轉速一般較低，約為10 20rpm^右，需要先將其增速，盡量縮小 與發電機轉子的轉速差。因此，本發明對風輪L設置了增速器ZS，該增速器ZS共有三級， 前兩級是常規行星傳動級，其內齒圈是固定不動的，第三級是平齒輪傳動級，實現增速器 ZS與變速恒頻裝置BS的過渡連接。風輪L連接增速器ZS的一級行星架，作為輸入軸，經三 級增速后，帶動變速恒頻裝置BS的行星架X，傳動內齒圈N，內齒圈N通過聯軸器帶動工頻 同步發電機F的轉子。增速器ZS與變速恒頻裝置BS可以布置在同一箱體內，使結構緊湊。 力矩電動機D的輸出軸從常規增速器ZS的平齒輪中間穿入，與突速恒頻裝置BS的太陽輪T連 接，作為調速軸。力矩電動機D通過工業變頻器B供電運行，進行調速，實現同步發電機轉 子恒速運行，其頻率為工頻。
當然，增速器ZS也可全部采用普通平齒輪增速。增速級數也可根據實際需要靈活設計。
參見圖4:調速恒頻過程是由調節系統自動控制的，由信號變送器S將風輪轉速信號轉
換成電信號，送入信號處理器C處理，信號處理器C向變頻器B輸出控制信號，變頻器B改變
電源頻率，從而改變力矩電動機D的轉速。
當然，調速裝置也可采用直流電動機及其相應的調速器，對調速軸調速。 以上僅是本發明的一個實例。實際上，根據齒輪箱及機組的結構設計，輸入軸、輸出
軸、調速軸可以選擇行星架X、太陽輪T、內齒圈N中的任一個，其原理都是一樣的，都能
實現輸出軸的恒速運行。
權利要求
1.一種風力發電機組變速恒頻裝置，其特征在于該裝置包括行星齒輪變速器和轉速調節裝置；所述行星齒輪變速器具有太陽輪、行星架、內齒圈，該內齒圈可旋轉，構成三個同心旋轉軸，三個軸分別任意對應連接風輪、發電機轉子、轉速調節裝置，即所述內齒圈連接發電機轉子，太陽輪連接轉速調節裝置，行星架連接風輪；或所述內齒圈連接發電機轉子，太陽輪連接風輪，行星架連接轉速調節裝置；或所述太陽輪連接發電機轉子，行星架連接轉速調節裝置，內齒圈連接風輪；或所述太陽輪連接發電機轉子，行星架連接風輪，內齒圈連接轉速調節裝置；或所述行星架連接發電機轉子，太陽輪連接風輪，內齒圈連接轉速調節裝置；或所述行星架連接發電機轉子，太陽輪連接轉速調節裝置，內齒圈連接風輪。
2. 根據權利要求l所述的風力發電機組變速恒頻裝置，其特征在于所述轉速調節裝 置包括力矩電動機及其變頻器、風輪轉速信號變送器、信號處理器；力矩電動機的輸出軸 連接轉速調節裝置對應的行星齒輪變速器的旋轉軸，風輪轉速信號變送器的輸出端連接信 號處理器的輸入端，信號處理器的輸出端連接變頻器的輸入端，變頻器的輸出端連接力矩 電動機。
3. 根據權利要求l所述的風力發電機組變速恒頻裝置，其特征在于所述轉速調節裝 置包括直流力矩電動機及其調速器、風輪轉速信號變送器、信號處理器；直流力矩電動機 的輸出軸連接轉速調節裝置對應的行星齒輪變速器的旋轉軸，風輪轉速信號變送器的輸出 端連接信號處理器的輸入端，信號處理器的輸出端連接調速器的輸入端，調速器的輸出端 連接直流力矩電動機。
4. 根據權利要求l所述的風力發電機組變速恒頻裝置，其特征在于所述風輪設有增 速裝置，該增速裝置的輸出軸連接行星齒輪變速器。
5. 根據權利要求4所述的風力發電機組變速恒頻裝置，其特征在于所述增速裝置是 行星齒輪增速裝置。
6. 根據權利要求4所述的風力發電機組變速恒頻裝置，其特征在于所述增速裝置是 普通齒輪增速裝置。
7. 根據權利要求4所述的風力發電機組變速恒頻裝置，其特征在于所述增速裝置與 轉速調節裝置是同箱結構或分箱結構。
全文摘要
本發明公開一種風力發電機組變速恒頻裝置，包括行星齒輪變速器和轉速調節裝置；行星齒輪變速器具有太陽輪、行星架、內齒圈，該內齒圈可旋轉，構成三個同心旋轉軸，三個軸分別任意對應連接風輪、發電機轉子、轉速調節裝置；轉速調節裝置是直流電機調速裝置或交流電機變頻調速裝置，風輪設有增速裝置。它是機械裝置，造價低廉，替代價格昂貴的變頻器，大幅度降低了機組造價；結構簡單，故障率低，運行安全可靠；調速范圍廣，適應風速能力強，風能利用充分，機組經濟性好；傳動效率高，機組自耗能顯著降低；采用本裝置的風力發電機組可用工頻同步發電機，沒有諧波污染，使機組可得到與常規火力發電站相同的電能品質，適應電網的能力得到提高，而且可省掉變壓器。
文檔編號H02P9/04GK101344073SQ20081004565
公開日2009年1月14日 申請日期2008年7月24日 優先權日2008年7月24日
發明者健 成, 兵 王, 王為民, 王建錄, 莫爾兵, 良 鄧 申請人:東方電氣集團東方汽輪機有限公司