一种无叶片大功率双馈型风力发电机组

1.本实用新型涉及一种风力发电机组，尤其是一种无叶片大功率双馈型风力发电机组，属于风力发电技术领域。


背景技术：

2.目前大功率水平轴风电机组均需叶片捕获风能以实现风能转化为机械能；而双馈型风电机组还均需风电齿轮箱实现增速，把较低的风轮转速提升到较高的双馈型发电机转子转速。这两个因素使得现有风电机组存在如下固有缺陷：
3.第一，以水平轴风电机组为例，每台风机一般均采用3只叶片，每只叶片长而重，长达数十米至百米，重达数吨至十几吨，运输困难、安装不便，尤其是超大功率风电机组，叶片更长更重，运输、安装、运维难度大、成本高，严重制约了风电机组向超大功率的发展。
4.第二，在切入风速和额定风速之间，为了实现最大功率点跟踪(mppt)，必须根据风速调节风轮转速，使其工作在最佳工作点上，控制复杂，同时使风电机组的旋转部件在实现 mppt过程中承受很高的机械应力，导致其寿命缩短。
5.第三，双馈型风力发电机是高速电机，必须采用齿轮箱实现增速。而现有风电齿轮箱为机械啮合式，需要复杂笨重的润滑注油冷却系统，故障率高、运行维护费用高，严重制约双馈型风力发电机组健康发展，尤其是向更大功率发展。


技术实现要素：

6.本实用新型的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本实用新型提供一种无需叶片、无需复杂的注油润滑冷却系统，无需进行最大功率点跟踪，无需解缆的大功率双馈型风力发电机组，因而可实现风电机组轻量化、小型化、低成本、高效率，提高系统运行性能和可靠性。
7.为了达到以上目的，本实用新型一种无叶片大功率双馈型风力发电机组，包括：风力气轮机、磁齿轮箱、双馈型风力发电机及其变流器系统、塔架。
8.所述风力气轮机包括：气流增速器、导气部件、工作部件、排气管和偏航部件。
9.所述气流增速器是一种喇叭状管道，其大端口为引气口，风从大端口吹入，其小端口与所述导气部件固定。
10.所述导气部件包括导气圆管、导气机构、喷嘴；所述导气机构包括导叶和转轴机构，所述转轴机构用于调节所述导叶的导向角以改变气流的大小；所述导叶、转轴机构、喷嘴安装在所述导气圆管内，所述导气圆管的入口端与所述气流增速器的小端口固定。
11.所述工作部件包括转轮、主轴、主轴轴承、工作圆管；所述转轮安装在所述工作圆管的中部；所述主轴与所述转轮固定，所述主轴的另一端通过发电机联轴器与双馈型风力发电机的转轴固定；所述主轴轴承套装在主轴外侧，安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，承担转轮重力及径向推力；所述转轮、主轴、主轴轴承、发电机联轴器、双馈型风力发电机转轴均保持同心；所述工作圆管的一端与所述导气圆管固定，另一端与所述排气管固
定。
12.所述排气管为开口的喇叭状排气管道，其小端口与所述工作部件的工作圆管固定，其大端口为排气口；
13.所述偏航部件包括：尾舵、偏航轴承；所述尾舵安装固定在所述排气管的后端，所述偏航轴承安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，其外圈与所述塔架固定，其内圈套装在所述主轴轴承的外侧，并与所述工作圆管固定。
14.进一步地，为了提高气流功率和便于制动，所述风力气轮机可加装增压制动器，所述增压制动器包括两个管道：第一管道和第二管道；所述第一管道的一端安装固定在所述排气管外部的前面，另一端安装固定在所述导气圆管外部的前面；第二管道的一端安装固定在所述排气管外部的后面，另一端安装固定在所述气流增速器外部的后面。
15.进一步地，对于更大功率风电机组，所述偏航部件可采用偏航系统，所述偏航系统包括偏航大齿圈、侧面轴承、偏航驱动装置、偏航制动器；所述偏航大齿圈与塔架用螺栓固定；所述偏航驱动装置包括偏航电机及其减速器、小齿轮，所述小齿轮与偏航大齿圈相啮合，所述偏航驱动装置通过螺栓紧固在所述工作部件的工作圆管上。当风向改变时，所述偏航驱动装置驱动所述工作圆管旋转，实现偏航对风。所述偏航系统是现有水平轴风电机组偏航系统的简化版，由于双馈型风力发电机垂直安装在塔架内，无需解缆，所以无需偏航计数器和扭缆保护装置。
16.所述磁齿轮箱由低速级磁齿轮、中速级磁齿轮和高速级磁齿轮共三级磁齿轮以及输入轴、输出轴组成；所述低速级磁齿轮、中速级磁齿轮和高速级磁齿轮均为同轴磁齿轮，所述同轴磁齿轮包括：外转子、内转子、调磁环和机壳。
17.所述磁齿轮箱的输入轴通过耦合器与所述风力气轮机的主轴连接；所述磁齿轮箱的输出轴通过发电机联轴器与所述双馈型风力发电机的转轴固定。
18.所述双馈型风力发电机及其变流器系统包括：双馈型风力发电机、变流器系统；所述双馈型风力发电机包括三相交流定子和转子，所述三相交流定子通过升压变压器与电网连接；所述变流器系统包括转子侧变流器、网侧变流器、双向直流变流器、储能设备。所述转子侧变流器用于调控所述双馈型风力发电机的转子励磁电流及转速，从而控制所述双馈型风力发电机的定子电压，使其与电网电压同幅值、同相位、同频率，实现并网；所述网侧变流器为双向变流器，其交流侧与所述双馈型风力发电机的定子相连，其直流侧一端与所述转子侧变流器的直流侧相连，另一端与所述双向直流变流器相连；所述转子侧变流器的交流侧与所述双馈型风力发电机转子相连；所述双向直流变流器的另一端与所述储能设备相连。
19.本实用新型的有益效果是：
20.1)因为无需长而重的叶片，从而可大大降低运输、安装以及整机制造成本，真正实现风电机组轻量化、小型化、低成本的目标；
21.2)采用与现有风能捕获完全不同的机制，通过气流增速装置，使风速增速，大大提高了风能捕获效率，其效率可达90％以上，远超传统风力机风能利用系数的贝茨极限59.3％，使得风电机组体积大大缩小，消除了超大功率风电机组的发展瓶颈；
22.3)由于风力发电机垂直安装在塔架内，无需解缆，控制更简便，发电效率更高。
23.4)无需进行最大功率点跟踪，控制简便、运行灵活、寿命更长。
24.5)采用磁齿轮箱取代机械啮合式风电齿轮箱，无需复杂笨重的注油冷却系统，可大大降低齿轮箱的运维成本，提高风电场的经济效益。
附图说明
25.图1为本实用新型结构示意图。
26.图2为本实用新型采用增压制动器的结构示意图。
27.图3为本实用新型采用增压制动器和偏航系统的结构示意图。
28.图4为本实用新型采用的磁齿轮箱结构示意图。
29.图5为本实用新型磁齿轮箱的同轴磁齿轮结构示意图。
30.图6为采用本实用新型的风力发电系统拓扑结构图。
31.其中，1-气流增速器；2-导气部件，21-导气圆管，22-导气机构，221-导叶，222-转轴机构，23-喷嘴；3-工作部件，31-转轮，32-主轴，33-主轴轴承，34-工作圆管；4-排气管；5-偏航部件，51-尾舵，52-偏航轴承，53-偏航系统；6-增压制动器，61-第一管道，62-第二管道； 7-塔架；8-磁齿轮箱，80-输入轴，81-低速级同轴磁齿轮，82-中速级同轴磁齿轮，83-高速级同轴磁齿轮，84-第一联轴器，85-第二联轴器，86-输出轴，811-外转子，812-内转子，813
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调磁环，815-外壳；9-发电机联轴器；10-双馈型风力发电机，101-双馈型风力发电机定子， 102-双馈型风力发电机转子；11-双馈型风力发电机变流器系统；111-网侧变流器，112-转子侧变流器，113-双向直流变流器，116-储能设备；12-发电机平台；16-耦合器
具体实施方式
32.下面结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。
33.如图1所示，本实用新型一种无叶片大功率双馈型风力发电机组，包括：风力气轮机、磁齿轮箱8、双馈型风力发电机10及其变流器系统11、塔架7、发电机平台12，双馈型风力发电机10安装在发电机平台12上。
34.如图1所示，风力气轮机包括：气流增速器1、导气部件2、工作部件3、排气管4、偏航部件5。
35.气流增速器1是一种喇叭状管道，其大端口为引气口，风从大端口吹入，其小端口与导气部件2固定。
36.导气部件2包括导气圆管21、导气机构22、喷嘴23；导气机构22包括导叶221、转轴机构222，转轴机构222用于调节导叶221的导向角以改变气流的大小；导叶221、转轴机构 222、喷嘴23安装在导气圆管21内，导气圆管21的入口端与气流增速器1的小端口固定。
37.导气机构22的工作过程是：当风速在切入风速和额定风速之间时，转轴机构222调节导叶221使其导向角为零。当风速大于额定风速后，则使转轴机构222调节导叶221的导向角逐渐增大至适当值，使捕获的风功率恒等于额定功率值；当风速超过切出风速时，则使转轴机构222调节导叶221直至关闭，阻断气流流入工作部件3。
38.工作部件3包括转轮31、主轴32、主轴轴承33、工作圆管34；转轮31安装在工作圆管 34的中部；主轴32与转轮31固定，主轴32的另一端通过发电机联轴器9与双馈型风力发电机10的转轴固定；主轴轴承33套装在主轴32外侧，安装在工作圆管34与塔架7的结合处，承担转轮31的重力及径向推力；转轮31、主轴32、主轴轴承33、发电机联轴器9、双馈型风力发电
机10的转轴均保持同心；工作圆管34的一端与导气圆管21固定，另一端与排气管4固定。
39.排气管4为开口的喇叭状排气管道，其小端口与工作部件3的工作圆管34固定，其大端口为排气口；
40.偏航部件5包括：尾舵51、偏航轴承52；尾舵51安装固定在排气管4的后端，偏航轴承52安装在工作圆管34与塔架7的结合处，其外圈与塔架7固定，其内圈套装在主轴轴承 33的外侧，并与工作圆管34固定。
41.如图2所示，为了提高气流功率和便于制动，风力气轮机可加装增压制动器6，增压制动器6包括两个管道：第一管道61和第二管道62；第一管道61的一端安装固定在排气管4 外部的前面，另一端安装固定在导气圆管21外部的前面；第二管道62的一端安装固定在排气管4外部的后面，另一端安装固定在气流增速器1外部的后面。
42.正常工作时，即风速在切入风速和切出风速之间时，增压制动器6通过第一管道61和第二管道62将转轮31排出的气流回引至气流增速器1，起增压作用；当转轮31需要快速制动时，导气部件2的转轴机构222控制导叶221，阻断气流流入，气流将流过增压制动器6的第二管道62，反方向喷射转轮31，使转轮31快速停转。
43.如图3所示，对于更大功率风电机组，偏航部件可采用偏航系统53，包括偏航大齿圈、侧面轴承、偏航驱动装置、偏航制动器；偏航大齿圈与塔架7用螺栓固定；偏航驱动装置包括偏航电机及其减速器、小齿轮，小齿轮与偏航大齿圈相啮合，偏航驱动装置通过螺栓紧固在工作部件3的工作圆管34上。当风向改变时，偏航驱动装置驱动工作圆管34，进而带动整个风力气轮机旋转，实现偏航对风。偏航系统53是现有水平轴风电机组偏航系统的简化版，本实用新型由于双馈型风力发电机10垂直安装在塔架7内，无需解缆，所以无需偏航计数器和扭缆保护装置。
44.如图4所示，磁齿轮箱8实现增速功能，由低速级磁齿轮81、中速级磁齿轮82和高速级磁齿轮83共三级磁齿轮以及输入轴80、输出轴86组成，低速级磁齿轮81通过第一联轴器84与中速级磁齿轮82连接，中速级磁齿轮82通过第二联轴器85与高速级磁齿轮83连接。
45.低速级磁齿轮81、中速级磁齿轮82和高速级磁齿轮83均为同轴磁齿轮。以低速级磁齿轮81为例，如图5所示，低速级磁齿轮81包括：外转子811、内转子812、调磁环813和机壳815。
46.如图1-图4所示，磁齿轮箱8的输入轴80通过耦合器16与风力气轮机的主轴32连接，其输出轴86通过发电机联轴器9与双馈型风力发电机10的转轴固定。
47.如图6所示，双馈型风力发电机10包括三相交流定子101和转子102，其中，三相交流定子101通过升压变压器与电网连接；双馈型风力发电机变流器系统11包括网侧变流器111、转子侧变流器112、双向直流变流器113、储能设备116。转子侧变流器112用于调控双馈型风力发电机10的转子励磁电流及转速，从而控制双馈型风力发电机10的定子电压，使其与电网电压同幅值、同相位、同频率，实现并网；网侧变流器111为双向变流器，其交流侧与双馈型风力发电机的定子101相连，其直流侧一端与转子侧变流器112的直流侧相连，另一端与双向直流变流器113相连；转子侧变流器112的交流侧与双馈型风力发电机转子102相连；双向直流变流器113的另一端与储能设备116相连。在机组起励时，储能设备116通过双向直流变流器113升压，通过转子侧变流器112给双馈型风力发电机转子102提供励磁电流；在机组恒功率输出期间，多余功率经网侧变流器111、双向直流变流器113给储能设备 116
充电，储存能量；在电网电压跌落期间，网侧变流器111直流侧电压升高，此时控制双向直流变流器113给储能设备116充电，储存能量，实现低电压穿越。
48.由此可见，本实用新型采用无叶片的风力气轮机、磁齿轮箱、双馈型风力发电机，风能捕获效率高，无需长而重的叶片，无需笨重的注油润滑冷却系统，无需进行最大功率点跟踪，无需解缆，可大大缩小整机体积、减轻重量、提高发电效率，从而大大降低运输、安装、运行维护以及整机成本，真正实现大型风力发电机组轻量化、小型化、低成本、高效益的目标，可消除超大功率风电机组的发展瓶颈。