风力发电机组的冷却系统和风力发电机组的制作方法

1.本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种风力发电机组的冷却系统和风力发电机组。


背景技术：

2.兆瓦级风力发电机的变流器和变压器为大功率电力电子器件，在工作时会产生大量的热量，随着风机容量的不断加大，变流器和变压器的发热量也不断提高，热流密度不断提高，必须配备冷却系统才能满足变流器和变压器的正常运行。
3.目前，海上风力发电机组的变流器置于塔筒内侧，并采用冷却系统散热。大多陆上风力发电机组的变流器置于塔筒内侧而变压器置于塔筒外侧。如果海上风力发电机组也将变压器设置在塔筒外，则会增加外平台空间，导致安装困难且维护不便，并且变压器整体(包含元器件)的防腐等级需提高，设计和加工成本增加。考虑以上问题，海上风力发电机组的变压器置于塔筒内。
4.当海上风力发电机组的变压器置于塔筒内时，由于机组容量大，风冷变压器无法正常工作，所以需要对变压器配置单独的水冷系统。
5.如果对变压器配备单独的水冷系统，则需要增加配置水冷柜、水冷主机、管路和散热器等部件，导致设计实现困难，占用空间，安装和维护复杂，成本增加等问题。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的在于提供一种占用空间少且节约成本的风力发电机组的冷却系统和风力发电机组。
7.本发明的另一目的在于提供一种可减少管路连接的风力发电机组的冷却系统和风力发电机组。
8.根据本发明的一方面，一种风力发电机组的冷却系统可包括：水泵，所述水泵具有进水口和出水口，所述水泵的出水口通过第一支路与所述变流器的进水口连接并通过第二支路与所述变压器的进水口连接，所述第一支路和所述第二支路并联；三通阀，所述变压器和所述变流器的出水口通过第三支路与所述三通阀的第一接口连接并通过第四支路与所述三通阀的第二接口连接，所述第三支路和所述第四支路并联，所述三通阀的第三接口与所述水泵的所述进水口连接；散热器，所述散热器设置在所述第四支路上。
9.可选地，所述风力发电机组还可包括发电机和整机环控，所述水泵的出水口通过第五支路与所述发电机的进水口连接，并通过第六支路与所述整机环控的进水口连接，所述第一支路、所述第二支路、所述第五支路和所述第六支路并联。
10.可选地，所述风力发电机组的冷却系统还可包括设置在所述水泵的所述出水口侧的第一阀块，所述第一阀块内设置有流道且具有进水口和出水口，所述水泵的所述出水口连接到所述第一阀块的所述进水口，所述第一阀块的所述出水口分别与所述第一支路和所述第二支路的起始端连接。
11.可选地，所述第一阀块内可集成有加热器，以用于对所述流道内的冷却介质进行加热。
12.可选地，所述风力发电机组的冷却系统还可包括设置在所述水泵的所述进水口侧的第二阀块，所述第二阀块内设置有流道且具有进水口和出水口，所述三通阀的所述第一接口、所述第二接口和所述第三接口设置在所述第二阀块内，所述第三支路和所述第四支路的末端分别与所述第二阀块的所述进水口连接，并通过所述第二阀块内的流道分别与所述三通阀的所述第一接口和所述第二接口连接，所述第二阀块的所述出水口与所述水泵的所述进水口连接。
13.可选地，所述第二阀块内可集成有过滤器，所述过滤器设置在所述三通阀的所述第三接口与所述第二阀块的所述出水口之间。
14.可选地，所述风力发电机组的冷却系统还可包括脱气罐，所述脱气罐的一端与设置在所述第二阀块上的接口连接，所述接口与所述第二阀块的流道连通，所述脱气罐的另一端通过球阀连接到排气阀。
15.可选地，所述风力发电机组的冷却系统还可包括一对膨胀灌，所述一对膨胀灌通过所述球阀连接到所述脱气罐的所述另一端。
16.可选地，所述第一支路和所述第二支路中的一者上设置有节流阀。
17.可选地，所述第一支路、所述第二支路、所述第五支路和所述第六支路中的任意三者上设置有节流阀。
18.可选地，所述风力发电机组的冷却系统包括并联设置的两个所述水泵，所述两个水泵中的每个集成有压力传感器和排气阀。
19.可选地，当从所述变压器和所述变流器的所述出水口流出的冷却介质的温度小于等于第一阈值时，接通所述三通阀的所述第一接口并断开所述第二接口；当所述冷却介质的温度高于所述第一阈值且小于等于第二阈值时，同时接通所述三通阀的所述第一接口和所述第二接口；当所述冷却介质的温度高于所述第二阈值时，断开所述三通阀的所述第一接口并接通所述第二接口，其中，所述第一阈值小于所述第二阈值。
20.可选地，所述变流器内可设置有用于固定所述风力发电机组的冷却系统的固定装置，所述固定装置包括固定到所述变流器的框架的底座和固定到所述底座的支架，所述水泵设置在所述底座上，所述第一阀块、所述第二阀块和所述膨胀灌固定在所述支架上，所述水泵和所述第一阀块设置在所述支架的一侧，所述膨胀灌和所述第二阀块设置在所述支架的另一侧，所述膨胀灌设置为高于所述第二阀块。
21.根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如上所述的风力发电机组的冷却系统。
22.根据本发明的冷却系统，可采用一套冷却系统同时对变流器和变压器进行冷却，仅需将变流器中冷却系统的冷却支路与变压器直接连接即可进行冷却。与需要对变流器和变压器进行分别冷却相比，可减少一套冷却系统，因此可节约管路、配件和空间等，并可减少设计、安装和维护成本。
23.另外，如果需要，还可同时对发电机和整机环控进行冷却。因此，与需要对变流器、变压器、发电机和整机环控进行分别冷却相比，可减少三套冷却系统，因此设计、安装及维护成本可大幅减小。
24.根据本发明的实施例的冷却系统，采用第一阀块和第二阀块来代替管路焊接，可减少管路连接，可解决管路焊接带来漏水等问题，增加系统可靠性。
25.根据本发明的冷却系统，通过在第二阀块内设置过滤器，可防止冷却介质在快速流动中冲刷脱落的刚性颗粒以及冷却介质中夹杂的杂质进入到水泵内部造成水泵损坏或进入冷却系统内部导致冷却系统堵塞。
附图说明
26.图1是根据本发明的实施例的风力发电机组的冷却系统的一个实施例的示意图；
27.图2是根据本发明的实施例的风力发电机组的冷却系统的另一实施例的示意图；
28.图3是根据本发明的实施例的风力发电机组的冷却系统的布置形式的示意图。
29.在附图中，10为水泵，11为进水口，12为出水口，13为压力传感器，14为排气阀，15为单向阀，16为截止阀，21为第一支路，22为第二支路，23为第三支路，24为第四支路，25为第五支路，26为第六支路，30为三通阀，31为第一接口，32为第二接口，33为第三接口，40为散热器，50为节流阀，60为第一阀块，61为流道，62为进水口，63为出水口，64为加热器，65为压力表，66为温度传感器，67为安全阀，70为第二阀块，71为流道，72为进水口，73为出水口，74为接口，75为过滤器，76为压力传感器，81为脱气罐，82为球阀，83为排气阀，90为膨胀灌，o为补水口，1为底座，2为支架。
具体实施方式
30.以下，将参照图1至图3详细描述根据本发明的实施例的风力发电机组的冷却系统。
31.在一个示例中，风力发电机组可包括变流器和变压器，根据本发明的实施例的冷却系统可同时对变流器和变压器进行冷却。
32.应理解的是，图1和图2中的箭头方向表示冷却介质的流向，其中，冷却介质可以为冷却水，但不限于此，以下，为了方便描述，将使用冷却水作为冷却介质的示例。另外，应理解的是，以下描述的变流器和变压器的进水口指的是变流器和变压器内部的水冷环路的入水口，变流器和变压器的出水口指的是变流器和变压器内部的水冷环路的出水口。另外，本发明不对变流器和变压器的内部水冷环路进行限定，只限定变流器和变压器外部的冷却系统。
33.如图1所示，根据本发明的实施例的冷却系统可包括：水泵10，水泵10具有进水口11和出水口12，水泵10的出水口12通过第一支路21与变流器的进水口连接并通过第二支路22与变压器的进水口连接，第一支路21和第二支路22并联；三通阀30，变流器和变压器的出水口通过第三支路23与三通阀30的第一接口31连接并通过第四支路24与三通阀30的第二接口32连接，第三支路23和第四支路24并联，三通阀30的第三接口33与水泵10的进水口11连接；散热器40，散热器40设置在第四支路24上。
34.具体地，如图1所示，冷却水从水泵10的出水口12流出后通过第一支路21和第二支路22分别经过变流器和变压器的进水口进入到变流器和变压器的内部，对变流器和变压器进行冷却后从变流器和变压器的出水口流出。
35.变流器和变压器的出水口通过第三支路23和第四支路24分别与三通阀30的第一
接口31和第二接口32连接。根据本发明的实施例，第一支路21和第二支路22可以是从主管路分支并且彼此并联的支路。如图1和图2中所示，第一支路21和第二支路22可以在通过变流器和变压器后汇合到主管路，以节约管路设计。第三支路23和第四支路24可以是从主管路分支并且彼此并联的支路。然而，本发明不限于此，第一支路21和第二支路22也可以不汇合到主管路，而是直接形成第三支路23和第四支路24。
36.根据本发明的实施例，可根据从变压器和变流器的出水口流出的冷却水的温度，通过利用三通阀30调整流经第四支路24上的散热器40的冷却水的比例，来调节再次流入变压器和变流器中的冷却水的温度。例如，当从变压器和变流器的出水口流出的冷却水的温度小于等于第一阈值而无需对冷却水进行散热时，可接通三通阀30的第一接口31并断开第二接口32，此时冷却水不通过第四支路24流经散热器40，而是直接通过第三支路23进入三通阀30的第一接口31并通过三通阀30的第三接口33返回到水泵10的进水口11。另外，当冷却水的温度高于第一阈值但小于或等于第二阈值(大于第一阈值)时，可同时接通第一接口31和第二接口32，此时，冷却水的一部分不流经散热器40而是通过第三支路23直接进入三通阀30的第一接口31，冷却水的另一部分通过第四支路24流经散热器40进行散热后进入三通阀30的第二接口32。另外，当冷却水的温度高于第二阈值时，可断开三通阀30的第一接口31并接通第二接口32，此时，冷却水全部通过第四支路24流经散热器40后进入三通阀30的第二接口32。根据本发明的实施例，三通阀30可以为电动三通阀。然而，本发明不限于此，三通阀30也可以为手动三通阀。
37.如上所述，由于冷却系统的水泵10的出水口12可通过并联的第一支路21和第二支路22分别与变流器和变压器的进水口连接，因此根据本发明的实施例的冷却系统可同时对变流器和变压器进行冷却。
38.另外，根据本发明的实施例，为了控制进入变流器和变压器中的冷却水的流量，可在第一支路21和第二支路22中的一者上设置节流阀50。例如，如图1所示，可在第二支路22上设置节流阀50。然而，本发明不限于此，节流阀50也可以设置在第一支路21上。
39.根据本发明的实施例，冷却系统还可包括设置在水泵10的出水口12侧的第一阀块60。如图3所示，第一阀块60呈六方体形状，并可利用铝材料形成，然而本发明不限于此。第一阀块60内可分布有流道61，以供冷却水流动，第一阀块60可具有与流道61连通的进水口62和出水口63。如图1所示，第一阀块60的进水口62与水泵10的出水口12连接，第一阀块60的出水口63可分别与第一支路21和第二支路22的起始端连接。
40.根据第一阀块60所要实现的功能，第一阀块60内可设置多个流道61，多个流道61中的任意流道之间可根据所要实现的功能而连通。也就是说，第一阀块60可将多个流道61集成在一起而用作冷却介质流通的管道。根据本发明的实施例，通过利用第一阀块60来代替复杂的管路焊接，可减少复杂管路之间的焊接导致的泄漏点增多，从而解决复杂管路焊接带来的漏水等问题，增加系统可靠性。
41.根据本发明的实施例，第一阀块60内可集成有加热器64。在以下两种情况下需要利用加热器64对冷却水进行加热：当风力发电机组处于严寒地带时，因温度过低可能造成变流器和变压器无法正常工作或不工作，此时需要将变流器和变压器恢复至工作温度；另外，当温度过低时，在升温过程中还需要对变流器和变压器进行除湿。
42.另外，根据本发明的实施例，第一阀块60内还可集成有压力表65、温度传感器66和
安全阀67。例如，可在第一阀块60内设置用于容纳压力表65、温度传感器66和安全阀67的腔室，压力表65、温度传感器66和安全阀67设置在各自的腔室内并与流道61连接，以实现各自的功能。根据本发明的实施例，压力表65可实时反馈冷却系统的工作压力。温度传感器66可实时采集冷却水的温度数据，从而中央控制器可根据温度数据对冷却系统进行控制。另外，安全阀67可在冷却系统内的压力升高超过规定值时向外部排放气体，从而防止冷却系统压力过高，导致系统损坏。根据本发明的实施例，压力表65和安全阀67可通过球阀连接到管路中，当压力表65和安全阀67损坏时，可通过关闭球阀而容易地更换压力表65和安全阀67。另外，虽然在图1中沿着冷却水的流动方向按顺序设置压力表65、加热器64、温度传感器66和安全阀67，但压力表65、加热器64、温度传感器66和安全阀67的设置顺序不限于此，而是可进行任意调整。
43.另外，根据本发明的实施例的冷却系统还可包括设置在水泵10的进水口11侧的第二阀块70。如图3所示，第二阀块70呈六方体形状，并可利用铝材料形成，然而本发明不限于此。第二阀块70内可分布有流道71，以供冷却水流动，并且第二阀块70上可设置有进水口72和出水口73。根据第二阀块70所要实现的功能，第二阀块70内可设置多个流道71，多个流道71中的任意流道之间可根据所要实现的功能而连通。也就是说，第二阀块70可将多个流道71集成在一起而用作冷却介质流通的管道。根据本发明的实施例，通过利用第二阀块70来代替复杂的管路焊接，可减少复杂管路之间的焊接导致的泄漏点增多，从而解决复杂管路焊接带来的漏水等问题，增加系统可靠性。
44.另外，如图1和图3所示，三通阀30的至少一部分设置在第二阀块70内。具体地，如图1所示，三通阀30的第一接口31、第二接口32和第三接口33可设置在第二阀块70内。第三支路23和第四支路24的末端分别与第二阀块70的进水口72连接，冷却水通过第二阀块70的进水口72进入第二阀块70内之后，可通过流道71与三通阀30的第一接口31和第二接口32连接。第二阀块70的出水口73可与水泵10的进水口11连接。
45.如图1所示，过滤器75可集成在第二阀块70内。具体地，过滤器75可设置在三通阀30的第三接口33侧，进一步地，过滤器75设置在三通阀30的第三接口33与第二阀块70的出水口73之间。过滤器75可防止冷却介质在快速流动中冲刷脱落的刚性颗粒进入水泵10等的内部，造成水泵10等损坏或冷却系统堵塞。可选地，可采用精度≤150μm的过滤器(该过滤器可将尺寸大于150μm的颗粒过滤掉)。另外，根据本发明的实施例，冷却系统的补水口o可通过球阀连接到过滤器75，因此进入冷却系统中的冷却水可在经过过滤器75过滤后进入冷却系统。
46.根据本发明的实施例，第二阀块70内还可集成有压力传感器76，以实时采集冷却系统内的压力数据。虽然图1中示出了压力传感器76设置在过滤器75的下游处，但本发明不限于此。
47.根据本发明的实施例，如图1和图3所示，冷却系统还可包括脱气罐81，脱气罐81的至少一部分可设置在第二阀块70内。如图1所示，脱气罐81的一端与设置在第二阀块70上的一个接口74连接，由于该接口74与第二阀块70的流道71连通，因此脱气罐81可与第二阀块70的流道71连通。脱气罐81的另一端可通过球阀82连接到排气阀83。脱气罐81和排气阀83可用于排出冷却系统内的多余气体，例如在冷却系统启动后将因冷却水的流动而存留在冷却系统中的多余气体排出。另外，根据本发明的实施例，由于脱气罐81的另一端可通过球阀
82连接到排气阀83，因此当脱气罐81损坏时，可通过关闭球阀82来容易地更换脱气罐81，而无需在排出冷却系统内的全部冷却水后再更换脱气罐81。
48.另外，如图1和图3所示，根据本发明的实施例的冷却系统还可包括一对膨胀灌90，一对膨胀灌90通过球阀82连接到脱气罐81的另一端。根据本发明的实施例，膨胀灌90在冷却系统中起到压力缓冲作用，通过释放冷却水而使冷却系统的压力保持平衡。根据本发明的实施例，膨胀灌90可设置在冷却系统的任意位置，而不限于图1中示出的位置。当膨胀灌90通过球阀82、脱气罐81与第二阀块70的流道71连通时，可使整个冷却系统的设计更加紧凑。另外，如图3所示，排气阀83可设置在膨胀灌90的顶部，但本发明不限于此，排气阀83可设置在其它任意位置，只要其与脱气罐81连通即可。
49.根据本发明的实施例，如图1和图3所示，水泵10可包括并联设置的两个水泵10。可选地，水泵10可以为磁驱动型式垂直多级离心泵，然而本发明不限于此。根据本发明的实施例，两个水泵10中的每个可集成有压力传感器13和排气阀14，以对水泵10进行压力检测，判断水泵是否发生故障。根据本发明的实施例，当冷却系统在低功率运行时，两个水泵10可单泵交替运行，延长水泵10的使用寿命；当冷却系统在高功率运行时，两个水泵10可同时运行，以提高冷却效果。可根据风力发电机组的功率来选择需要运行的水泵10数量。例如，对于8mw的风力发电机组，需要两个水泵同时运行，对于4mw的风力发电机组，可以使用单个水泵。
50.根据本发明的实施例，单向阀15可安装在每个水泵10的出水口12与第一阀块60之间，以防止冷却水逆流。另外，根据本发明的实施例，截止阀16可安装在每个水泵10的进水口11与第二阀块70之间，以在水泵10损坏时方便更换水泵10。
51.图2是根据本发明的实施例的风力发电机组的冷却系统的另一实施例的示意图。在本发明的另一实施例中，风力发电机组除了包括变流器和变压器之外，还可包括发电机和整机环控，并且根据本发明的实施例的冷却系统还可同时对发电机和整机环控进行冷却。
52.根据本发明的实施例，如图2所示，水泵10的出水口12还分别通过第五支路25和第六支路26与发电机和整机环控的进水口连接。具体地，水泵10的出水口12通过第五支路25与发电机的进水口连接，并通过第六支路26与整机环控的进水口连接，其中，第五支路25和第六支路26与第一支路21和第二支路22并联。根据本发明的实施例，可在第一支路21、第二支路22、第五支路25和第六支路26中的任意三者上设置节流阀，以控制进入变流器、变压器、发电机和整机环控中的冷却水的流量。具体地，可根据中央控制器中设置的允许通过变压器、发电机、整机环控的流速，利用节流阀来控制第二支路22、第五支路25和第六支路26上的流量。虽然图2中示出了在第二支路22、第五支路25和第六支路26上设置节流阀50，但本发明不限于此。
53.另外，根据本发明的实施例，第五支路25和第六支路26与第一阀块60的两个接口连接，并且这两个接口可与第一阀块60的流道61连通。
54.图2中示出的实施例的冷却系统的其它结构与图1中示出的实施例的冷却系统的结构相同，因此为了避免冗余，将省略重复的描述。
55.如上所述，根据本发明的实施例，由于冷却系统的水泵10的出水口12可分别通过第一支路21、第二支路22、第五支路25和第六支路26与变压器、变流器、发电机和整机环控
的进水口连接，因此根据本发明的实施例的冷却系统可同时对变压器、变流器、发电机和整机环控进行冷却。
56.图3是根据本发明的实施例的风力发电机组的冷却系统的布置形式的示意图。根据本发明的实施例的冷却系统可设置在变流器内部，然而本发明不限于此。如图3所示，可设置用于固定冷却系统的固定装置，该固定装置可包括底座1和支架2。底座1可与变流器的框架固定连接(例如，可通过螺栓与变流器的框架固定连接)，支架2可与底座1固定连接(例如，可通过螺栓与底座1固定连接)，设置成如图3所示的倒“t”型。其中，底座1和支架2都可利用方钢焊接而成，但本发明不限于此。
57.水泵10可固定在底座1上，另外，第一阀块60，第二阀块70和膨胀灌90可设置在支架2上。具体地，水泵10和第一阀块60可设置在支架2的同一侧上，水泵10的出水口通过止回阀15与第一阀块60连接。第二阀块70和膨胀灌90可设置在支架2的另一侧上，且膨胀灌90设置在第二阀块70的上侧。另外，脱气罐81与设置在膨胀灌90顶部的排气阀83连接，例如，图3中靠里面的膨胀灌90顶部的排气阀83为自动排气阀，靠外面的膨胀灌90顶部的排气阀83为手动排气阀。此外，脱气罐81和三通阀30的一部分(与管路有关的部分)集成在第二阀块70中，另一部分可暴露于外部，以减小第二阀块70的体积。另外，虽然在图3中未示出，但散热器40也可根据其在冷却系统中与其它部件的连接关系在适当位置设置在支架2上。通过对冷却系统进行上述布局和集成，可节约空间。
58.虽然以上参照图3描述了根据本发明的冷却系统的具体布局，然而，本发明不限于此，可根据图1和图2中示出的冷却系统中的各个部件之间的连接关系，对冷却系统中的各个部件进行排布。
59.根据本发明的另一实施例，还可提供包括以上描述的冷却系统的风力发电机组。由于海上风力发电机组的变流器和变压器都采用水冷系统，因此以上描述的冷却系统尤其适合于海上风力发电机组。然而，本发明不限于此，上述冷却系统也可应用于变流器和变压器都采用水冷系统的陆上风力发电机组。
60.根据本发明的冷却系统，可采用一套冷却系统同时对变流器和变压器进行冷却，仅需将变流器中冷却系统的冷却支路与变压器直接连接即可进行冷却。与需要对变流器和变压器进行分别冷却相比，可减少一套冷却系统，因此可节约管路、配件和空间等，并可减少设计、安装和维护成本。
61.另外，如果需要，还可同时对发电机和整机环控进行冷却。因此，与需要对变流器、变压器、发电机和整机环控进行分别冷却相比，可减少三套冷却系统，因此设计、安装及维护成本可大幅减小。
62.另外，可在与变流器、变压器、发电机和整机环控连接的支路中的任意三个支路上设置节流阀，从而可方便地控制对变流器、变压器、发电机和整机环控进行冷却的冷却水的流量。
63.根据本发明的实施例的冷却系统采用第一阀块和第二阀块来代替管路焊接，可减少管路连接，可解决管路焊接带来漏水等问题，增加系统可靠性。另外，通过在第一阀块内增加安全阀，可解决系统压损过大、加热器开关器件损害导致系统压力过大。
64.根据本发明的实施例的冷却系统，通过在第二阀块内设置过滤器，可防止冷却介质在快速流动中冲刷脱落的刚性颗粒，以及冷却介质中夹杂的杂质进入到水泵内部造成水
泵损坏或进入冷却系统内部导致冷却系统堵塞。
65.根据本发明的实施例的冷却系统，脱气罐通过球阀连接到排气阀，因此当脱气罐损坏时可容易地更换脱气罐而无需将冷却水全部排放后再更换脱气罐。另外，根据本发明的实施例的冷却系统，水泵可集成压力传感器和排气阀，以对水泵进行实时压力检测，判断水泵是否发生故障。
66.虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。