基于液压传动的并网型风力发电机组的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于液压传动的并网型风力发电机组，涉及风力发电领域，包括叶轮及与叶轮依次连接的第一联轴器、液力变速器、第二联轴器、永磁同步发电机和变速器，液力变速器包括壳体、能量传递单元、补油单元和控制器。本实用新型可以通过液压传动方式实现较大范围的变速恒频工况，减轻传动系统的转矩转速波动，降低传动系统的故障率，同时液压变速器将传统变量泵变量马达传动系统的功能进行了整合，极大的减轻了整个装置的体积和质量，提高能量利用率；在并网前通过检测发电机转速，由控制器控制变频器的调频工作，实现恒定电能输出，满足并网需求，使得风轮捕捉到最大风能。
【专利说明】
基于液压传动的并网型风力发电机组
技术领域
[0001]本实用新型属于液压传动领域，具体涉及一种基于液压传动的风力发电机组。
【背景技术】
[0002]随着风电机组大型化和海上风电的发展，工况和运行条件的改变使得风力机部件承受了更剧烈的转速和转矩波动，故障率增大。齿轮箱传动和直驱是风力发电机普遍采用的传动方式，尤其以齿轮箱传动为主。据统计，传动部件中的齿轮箱是发生故障频发的部分，其维修成本占风力机总维修成本的60 %以上。齿轮箱的传动比单一，由风速波动造成的载荷波动更为剧烈。
[0003]直驱式风力机虽然没有齿轮箱，但是为了提高低速发电机效率，一般采用大量增加发电机的极对数的方法，造成发电机体积大，重量高，不易吊装等问题。另外永磁式发电机的制造需要稀土这种稀有资源，成本很高，不宜大量推广。同时直驱式风力机一般采用低速永磁同步发电机，这种电机的转速和电网中的频率是刚性耦合的，风速的波动会向电机传递变化的能量，给风力机造成了高载荷和高冲击，难以以最优策略运行。
[0004]采用齿轮箱传动的风力机一般采用双馈异步发电机，通过调节发电机本身来使输出的频率与电网保持一致。但是变速控制中会发生抖动，这会使机械应力加剧，加大齿轮箱受到的冲击，增加故障率。多级增速机构的引入降低了机组效率，使大型机组的整体效率的下限降到26%左右，造成配套资源的极度浪费。
[0005]风力发电机要求变速恒频以实现对风能的最大化捕捉以及最优化运行，目前风电机组的变速运行主要通过变频器对电机的转速进行控制来实现，这导致风力机结构复杂，可靠性降低，而且变频设备造价昂贵，运行过程中会造成能量较多的损失。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种基于液压传动的并网型风力发电机组，该并网型风力发电机组以集成化的液力变速器代替多级增速齿轮箱，通过变频器调整后输出电压和电流后，实现并网控制，减小机舱整体重量体积，减轻传动系统发电过程中的转矩波动及冲击，使风力机更优化运行。
[0007]本实用新型是通过下述技术方案解决上述技术问题的:
[0008]—种基于液压传动的并网型风力发电机组，包括叶轮、第一联轴器、第二联轴器、液力变速器、永磁同步发电机和变频器，所述第一联轴器和所述第二联轴器分别设置在所述液力变速器的两端，所述叶轮通过所述第一联轴器与所述液力变速器可转动的连接，所述永磁同步发电机输入端通过所述第二联轴器与所述液力变速器可转动的连接，所述永磁同步发电机输出端与所述变频器连接；
[0009]所述液力变速器包括壳体、能量传递单元、补油单元和控制器，所述能量传递单元用于转速的传递，所述补油单元用于为所述能量传递单元补充液压油，所述控制器用于控制所述补油单元的补油量，所述能量传递单元置于所述壳体内；
[0010]所述能量传递单元包括配油轴、与所述配油轴一端端面依次连接的分流仓、导轮、涡轮和涡轮轴，所述配油轴、导轮、涡轮和涡轮轴均同轴设置，所述壳体对应所述配油轴的另一端设有开口，所述壳体对应所述涡轮轴的一端设有开口 ；
[0011]所述配油轴内部沿轴向设有进油管和出油管，所述出油管与所述分流仓连通，所述配油轴内部沿轴向设有多组排油装置，每组排油装置所在平面与所述配油轴的轴向垂直，每组排油装置包括均匀设置的多个柱塞，所述柱塞的腔体与所述进油管和所述出油管连通；
[0012]所述壳体靠近所述涡轮一端设有多组出油口，所述出油口与所述进油管的进油口通过循环管路连通，所述补油单元与所述循环管路连通。
[0013]优选地，所述出油管的排油口设有压力传感器，所述涡轮轴输出端设有转速传感器，所述控制器分别与所述转速传感器及压力传感器通过信号线连接，用于根据各传感器采集到的值来控制所述变频器调频工作，实现恒定电能输出。
[0014]优选地，所述排油装置共有40组，每组排油装置包括9个柱塞，每个柱塞的腔体均通过第一单向阀与所述进油管连通，每个柱塞的腔体均通过第二单向阀和所述出油管连通，所述第一单向阀和所述第二单向阀方向相反，所述40组排油装置以等间距设置在所述配油轴上，靠近所述分流仓的一组排油装置为第一组排油装置，与所述第一组排油装置相邻的为第二组排油装置，所述第一组排油装置围绕所述配油轴沿逆时针方向转动9度，即为与其相邻的第二组排油装置的设置方向，以此类推，前一组排油装置围绕所述配油轴沿逆时针方向转动9度即为其后一组排油装置的设置方向。
[0015]优选地，所述循环管路上依次设有冷却器和过滤器，所述冷却器邻近所述出油口，所述补油单元设置在所述过滤器和所述进油口之间。
[0016]优选地，所述补油单元包括第一补油单元和第二补油单元，所述第一补油单元包括第一单向阀、液压栗和第一过滤器，所述第一单向阀的一端与所述循环管路连接，所述第一单向阀的另一端依次连接液压栗和第一过滤器，所述液压栗还连接电动机，所述电动机与所述控制器通过信号线连接，所述第二补油单元包括第二单向阀和第二过滤器，所述第二单向阀的一端与所述循环管路连接，所述第二单向阀的另一端与所述第二过滤器连接。
[0017]优选地，所述循环管路上靠近所述进油口设有溢流阀。
[0018]优选地，控制器为PLC(可编程逻辑控制器)。
[0019]与现有技术相比，本实用新型具有以下优势:
[0020]I)可以控制风力机以稳定状态运行，液压系统的加入减轻了传动系统的转矩转速波动，完全代替了齿轮箱，降低传动系统的故障率，提高能量利用率，向电网输入适合的电能，减少调频环节，便于并网运行。
[0021 ] 2)传动系统分级少，液压传动系统中极大的减少了传动部件间的直接接触，将传统变量栗变量马达传动系统的功能进行了整合，对能量传递的效率更高。
[0022]3)本系统省去了齿轮箱，并且可以使用更普通的发电机，节约成本，提高了可靠性;液压部分的集成化和简化，缩短了油路，减少了能量损失，减轻了变速器整体体积和重量。
[0023]4)在并网前通过检测发电机转速，由控制器控制变频器的调频工作，实现恒定电能输出，满足并网需求，使得风轮捕捉到最大风能。
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型实施例的基于液压传动的并网型风力发电机组的结构示意图；
[0025]图2为一组排油装置沿配油轴的径向切面示意图；
[0026]图3为单个柱塞处传感器和单向阀的布置示意图。
【具体实施方式】
[0027]为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
[0028]本实用新型提供了一种基于液压传动的风力发电机组，具体如图1至图3所示，
[0029]包括叶轮1、第一联轴器2和第二联轴器12、液力变速器、永磁同步发电机13和变频器35，第一联轴器2和第二联轴器12分别设置在液力变速器的两端，叶轮I通过第一联轴器2与液力变速器可转动的连接，永磁同步发电机13输入端通过第二联轴器12与液力变速器可转动的连接，永磁同步发电机13输出端与变频器35连接；，本实施例中控制器24为PLC。
[0030]液力变速器包括壳体3、能量传递模块、补油模块和控制器24;
[0031]能量传递单元用于转速的传递，包括配油轴4、与配油轴4一端端面依次连接的分流仓8、导轮9、涡轮10和涡轮轴11，配油轴4、导轮9、涡轮10和涡轮轴11均同轴设置，壳体3对应配油轴4的另一端设有开口，壳体3对应涡轮轴11的一端设有开口。
[0032]配油轴4内部沿轴向设有进油管5和出油管6，出油管6与分流仓8连通，配油轴4内部沿轴向设有多组排油装置，每组排油装置所在平面与配油轴4的轴向垂直，每组排油装置包括均匀设置的多个柱塞14，柱塞14的腔体与进油管5和出油管6连通，柱塞14的柱塞杆在液压油的作用下与壳体3起伏形状的内壁相抵接，叶轮I带动配油轴4转动，配油轴4带动柱塞14做伸缩运动，使柱塞14将液压油从进油管5吸入腔体或将腔体内的液压油压出至出油管6，出油管6将多个柱塞14往复运动压出的液压油一起由排油口7压入分流仓8，分流仓8通过多组孔口将液压油传递到导轮9的叶片上，液压油经过导轮9上叶片的导向作用改变了方向，导轮9将改变方向后的液压油以一定方向打到涡轮10的叶片上，驱动涡轮10转动，并将转速由涡轮轴11输出。
[0033]本实施例中，排油装置共有40组，每组排油装置包括9个柱塞14，每个柱塞14的腔体均通过第一单向阀33与进油管5连通，每个柱塞14的腔体均通过第二单向阀34和出油管6连通，第一单向阀33和第二单向阀34方向相反，每个柱塞14均在顶端设有滑动滚珠并用卡簧固定，柱塞14腔体外侧设有密封件，40组排油装置以等间距设置在配油轴4上，靠近分流仓8的一组排油装置为第一组排油装置，与第一组排油装置相邻的为第二组排油装置，与第二组排油装置相邻的为第三组排油装置，以此类推直到第四十组排油装置，第四十组排油装置靠近进油口 17;其中，第一组排油装置围绕配油轴4沿逆时针方向转动9度，即为与其相邻的第二组排油装置的设置方向，第二组排油装置围绕配油轴4沿逆时针方向转动9度，SP为与其相邻的第三组排油装置的设置方向，以此类推，前一组排油装置围绕配油轴4沿逆时针方向转动9度即为其后一组排油装置的设置方向，这样的设置方式使得所有柱塞交错排布，使液压能均匀产生，同时使能量传递的效果更均衡。
[0034]壳体3靠近涡轮10—端设有多组出油口，出油口与进油管5的进油口17通过循环管路连通26，补油单元与循环管路26连通，变速器利用补油单元通过循环管路26给进油管5补充液压油。
[0035]为了对从出油管6出来的液压油进行降温和去除杂质，循环管路26上依次设有冷却器15和过滤器16，液压油经过涡轮10后，经液力变速器的多组出油口进入循环管路26，通过冷却器15和过滤器16，冷却器15邻近出油口，经配油轴4前端进油口 17进入进油管5，完成一次循环；同时补油单元设置在过滤器16和进油口 17之间，在补油单元和进油口 17之间还设置有溢流阀25，通过溢流阀25整个油路进行泄压。
[0036]为了更加精确的控制补油单元的补油量及排油装置的排油量，本实施例在在出油管6的排油口 7设有压力传感器28，涡轮轴11输出端设有转速传感器29;控制器24分别与转速传感器29及压力传感器28通过信号线连接，用于根据各传感器的采集到的转速、压力等值，和预先设定值进行分析比较，实时调节变频器调频工作，实现电能的恒定输出。。
[0037]补油单元包括第一补油单元和第二补油单元，第一补油单元包括第一单向阀18、液压栗19和第一过滤器21，第一单向阀18的一端与循环管路26连接，第一单向阀18的另一端依次连接液压栗19和第一过滤器21，液压栗19还连接电动机20，电动机20与控制器24通过信号线连接，第二补油单元包括第二单向阀22和第二过滤器23，第二单向阀22的一端与循环管路26连接，第二单向阀22的另一端与第二过滤器23连接。
[0038]第一补油单元的补油过程为，压力传感器28实时检测排油口7的压力值，并将压力值传递给控制器24，当压力低于额定值时，控制器24控制电动机20转动，液压栗19在电动机20的带动下，将液压油从油箱抽出，并依次经过过滤器21、液压栗19和第一单向阀18进入循环管路26，并通过进油口 17进入配油轴4的进油管5，完成补油；同时液压油也可在风力机转动情况下通过过滤器23和单向阀22进入循环管路26，并通过进油口 17进入配油轴4的进油管5，完成补油；当压力值高于额定值时，溢流阀25打开泄压。
[0039]本实用新型提供的基于液压传动的并网型风力发电机组工作过程如下:
[0040]风力机叶轮I捕获风能，并转换成机械能，通过第一联轴器2将能量传递给液力变速器的配油轴4，带动配油轴4转动，从而使得配油轴4带动各柱塞14做伸缩运动，使柱塞14将液压油从进油管5吸入腔体或将腔体内的液压油压出至出油管6，出油管6将多个柱塞14往复运动压出的液压油一起由排油口 7压入分流仓8，分流仓8通过多组孔口将液压油打在导轮9的叶片上;液压油经过导轮9上叶片的导向作用，以一定方向打在涡轮10的叶片上，驱动涡轮10以一定速度转动;控制器24采集转速传感器信号，控制变频器调频工作，将恒定的电能输入电网中液压油经过涡轮10后，经液力变速器壳体3后部的多组出油口进入循环管路26，通过冷却器15和过滤器16，经配油轴4前端进油口 17进入进油管5，完成一次循环；
[0041]液压油从油箱经过第一滤器21、液压栗19和第一单向阀18从进油口17进入进油管5，可以完成补油；同时液压油也可在风力机转动情况下通过第二滤器23和第二单向阀22进入进油管5完成补油。
[0042]以上所述及实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种基于液压传动的并网型风力发电机组，其特征在于，包括叶轮(I)、第一联轴器(2)、第二联轴器(12)、液力变速器、永磁同步发电机(13)和变频器(35)，所述第一联轴器(2)和所述第二联轴器(12)分别设置在所述液力变速器的两端，所述叶轮(I)通过所述第一联轴器(2)与所述液力变速器可转动的连接，所述永磁同步发电机(13)输入端通过所述第二联轴器(12)与所述液力变速器可转动的连接，所述永磁同步发电机(13)输出端与所述变频器(35)连接； 所述液力变速器包括壳体(3)、能量传递单元、补油单元和控制器(24)，所述控制器(24)用于控制所述补油单元的补油量，所述能量传递单元置于所述壳体(3)内； 所述能量传递单元包括配油轴(4)、与所述配油轴(4) 一端端面依次连接的分流仓(8)、导轮(9)、涡轮(10)和涡轮轴(11)，所述配油轴(4)、导轮(9)、涡轮(10)和涡轮轴(11)均同轴设置，所述壳体(3)对应所述配油轴(4)的另一端设有开口，所述壳体(3)对应所述涡轮轴(11)的一端设有开口； 所述配油轴(4)内部沿轴向设有进油管(5)和出油管(6)，所述出油管(6)与所述分流仓(8)连通，所述配油轴(4)内部沿轴向设有多组排油装置，每组排油装置所在平面与所述配油轴(4)的轴向垂直，每组排油装置包括均匀设置的多个柱塞(14)，所述柱塞(14)的腔体与所述进油管(5)和所述出油管(6)连通； 所述壳体(3)靠近所述涡轮(10)—端设有多组出油口，所述出油口与所述进油管(5)的进油口(17)通过循环管路(26)连通，所述补油单元与所述循环管路(26)连通。2.根据权利要求1所述的并网型风力发电机组，其特征在于，所述出油管(6)的排油口(7)设有压力传感器(28)，所述涡轮轴(11)输出端设有转速传感器(29)，所述控制器(24)与所述转速传感器(29)及压力传感器(28)通过信号线连接，用于根据各传感器采集到的值来控制所述变频器(35)调频工作。3.根据权利要求2所述的并网型风力发电机组，其特征在于，所述排油装置共有40组，每组排油装置包括9个柱塞(14)，每个柱塞(14)的腔体均通过第一单向阀(33)与所述进油管(5)连通，每个柱塞(14)的腔体均通过第二单向阀(34)和所述出油管(6)连通，所述第一单向阀(33)和所述第二单向阀(34)方向相反，所述40组排油装置以等间距设置在所述配油轴(4)上，靠近所述分流仓(8)的一组排油装置为第一组排油装置，与所述第一组排油装置相邻的为第二组排油装置，所述第一组排油装置围绕所述配油轴(4)沿逆时针方向转动9度，即为与其相邻的第二组排油装置的设置方向，以此类推，前一组排油装置围绕所述配油轴(4)沿逆时针方向转动9度即为其后一组排油装置的设置方向。4.根据权利要求1所述的并网型风力发电机组，其特征在于，所述循环管路(26)上依次设有冷却器(15)和过滤器(16)，所述冷却器(15)邻近所述出油口，所述补油单元设置在所述过滤器(16)和所述进油口(17)之间。5.根据权利要求1所述的并网型风力发电机组，其特征在于，所述补油单元包括第一补油单元和第二补油单元，所述第一补油单元包括第一单向阀(18)、液压栗(19)和第一过滤器(21)，所述第一单向阀(18)的一端与所述循环管路(26)连接，所述第一单向阀(18)的另一端依次连接液压栗(19)和第一过滤器(21)，所述液压栗(19)还连接电动机(20)，所述电动机(20)与所述控制器(24)通过信号线连接，所述第二补油单元包括第二单向阀(22)和第二过滤器(23)，所述第二单向阀(22)的一端与所述循环管路(26)连接，所述第二单向阀(22)的另一端与所述第二过滤器(23)连接。6.根据权利要求1所述的并网型风力发电机组，其特征在于，所述循环管路(26)上靠近所述进油口( 17)设有溢流阀(25)。7.根据权利要求1所述的并网型风力发电机组，其特征在于，控制器(24)为PLC。
【文档编号】F03D15/10GK205478114SQ201620293131
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月3日
【发明人】岑海堂, 李 东, 邓宇星, 杨红艳, 付昆
【申请人】内蒙古工业大学