风力发电机组的变速恒频装置的制作方法
专利名称：风力发电机组的变速恒频装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用齿轮箱的风力发电机组，特别是涉及一种风力发电机组的 新型变速恒频装置。
背景技术：
风力发电机组普遍采用变速运行方式，即在风速小时，风轮的转速低，风速高 时，风轮的转速也高，这样可以使叶片的叶尖速比始终保持在最佳值，从而最充分的利 用风能，获得最佳风能利用率，经济性高。在向电网供电时，需要发电机产生的电流频 率与电网一致。现在采用的技术手段主要由如下两种 1.双馈变速恒频技术
采用双馈感应式发电机，发电机定子与电网连接，发电机转子经双馈变频器变频后 与电网连接。变频器控制发电机的励磁频率，使发电机转子的机械旋转频率加上励磁频 率与电网电频率一致。因此可以调整转子的励磁频率来使发电机在转子变速运行的情况 下产生工频电流。该技术由于只有转子部分的功率通过变频器，因此，变频器的容量较 小。但受变频器电压限制，可以实现的变速范围只有同步转速的-1/3 1/3之间。另外， 该技术对发电机的要求高，发电机的转子需要滑环，而且发电机工作在变频器供电模式 下，转子绕组的绝缘需要特殊考虑，转子要承受高频脉冲电压和高的转速，适合电网的 能力还需要特殊的措施加强。2.全功率变频技术
采用同步发电机，通过变频器与电网连接运行。发电机转子的转速可在较宽的范围 内实现无级变速运行，发电机的输出电能通过全功率变频器后变成工频上网。该技术的 优点是可以在更宽的范围内实现风机的变速运行，适应电网的能力比双馈变速技术强， 缺点是需要的变频器功率大，造价高。以上两种都是通过在电机部分使用变频器来实现恒频，即使双馈机组所需的变 频器容量也很大。而大容量的变频器造价高，故障几率大，稳定性、可靠性差。再有，机组不能使用常规的工频同步发电机，电能品质差，谐波污染大，适应 电网的能力不够。公开号CA2670013A1 (
公开日期20080529)的专利文献提出一种技术方案，
采用行星齿轮变速器进行无级调速，通过速度调节器调速可使输出转速在任意时刻都达 到发电机的同步转速。但该速度调节器采用液力控制装置，结构非常复杂，故障几率大，机组运行的 可靠性欠佳，也不便维护，尤其是，它的几何尺寸大，风机外壳的容积空间有限，不好 布置，不得不加大外壳尺寸，使得风机结构不紧揍，对于风场来说，每一台风力发电机 都配置一套液压系统，成本很高，经济性太差。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、造价低廉、稳定可靠、变速范围广、对电 网无谐波污染、适应电网能力强的风力发电机组变速恒频装置。本方案的技术解决方案是
一种风力发电机组的变速恒频装置，包括行星齿轮变速器和转速调节装置；所述行 星齿轮变速器包括太阳轮、行星架、内齿圈，其内齿圈可以旋转，构成三个旋转轴，三 个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置；所述转速调节装置采用电气 伺服系统，该系统包括力矩电动机及其变频器、信号处理器、信号采样器；所述力矩电 机连接行星齿轮变速器的一个旋转轴，所述信号采样器采取风轮或发电机的信号，由信 号处理器与设定值进行比较运算，向变频器输出控制信号，调整力矩电动机的转速，使 行星齿轮变速器的输出轴达到发电机同步转速。所述信号采样器采取风轮的转速信号，力矩电动机变速运行，使行星齿轮变速 器的输出轴达到发电机同步转速；力矩电动机是感应电动机。所述信号采样器采取发电机的功率信号，力矩电动机恒速速运行，使行星齿轮 变速器的输出轴达到发电机同步转速；力矩电动机是同步电动机或感应电动机。本发明的有益效果
本发明的速度控制器采用电气伺服系统，结构简单，可靠性高，成本低廉，几何尺 寸小，便于安装维护。在解决风力发电机组为提高风能利用系数，必须变速运行、又需要恒频上网的 矛盾时，采用了特殊设计的三轴可旋转的行星齿轮变速箱，使用工频同步发电机与电网 连接，成功实现了变速恒频运行。该行星齿轮变速器是一种机械装置，用于控制变速比 的变频器和力矩电动机容量都很小且为标准产品，因此整套系统结构简单，价格低廉。 该装置调速范围广，适应风速能力强，风能利用充分，机组经济效益好；该装置的传动 效率高，机组自耗能显著降低。采用本装置的风力发电机组可以用工频同步发电机，无 谐波污染，使机组可以得到与常规火力发电机组相同的电能品质，适应电网的能力得到 提高，而且可以省掉变压器。
下面结合附图进一步说明本发明。图1表示了风力发电机组简图2表示了一种力矩电动机恒速时风力发电机组调速流程框图； 图3表示了另一种力矩电动机变速时风力发电机组调速流程框图； 图4表示了感应力矩电动机矢量控制调速控制框图； 图5表示了同步力矩电动机转速调节装置控制系统组成的框图。
具体实施方案图1中风轮1与行星齿轮变速器4 (虚线框内部分)连在一起，行星齿轮变 速器4的两端分别连接调速刹车5和高速输出刹车3。力矩电动机6是对行星齿轮变速 器4进行调速的执行部件，力矩电动机6通过调速刹车5与行星齿轮变速箱4相连。行星齿轮变速器4通过高速输出刹车3与同步发电机2相连。本发明的特点是，转速调节采用电气伺服系统。该系统有如下两种结构 实例1
图2中虚线框内的部分为转速调节装置，包含信号采样器，信号处理器，电机 变频器及力矩电动机。转速调节装置通过调节变频器的输出频率，进而控制转速随之变 化的力矩电动机，来实现对行星齿轮变速器的控制。风速变化瞬间，力矩电动机转速不 变，因此风轮转速不变，但输入转矩的变化导致发电机输入功率发生变化。信号采样器 把发电机的功率信号输入信号处理器，信号处理器根据控制策略把功率信号与风机参数 信息进行对比，计算出需要调速的具体值，输出最优转速控制指令给电机变频器，使力 矩电动机在变频器控制下转动，从而改变行星齿轮变速器的传动比，最终使风轮转速发 生变化，风机运行达到新的平衡。最终实现在风速变化的情况下，行星齿轮变速器输出 的转速始终为同步电机的额定转速。此种调速方法使用的力矩电动机可以是同步电动 机，也可以是感应电动机。实例2
图3中虚线框内的部分为转速调节装置，包含信号采样器，信号处理器，电机 变频器及力矩电动机。转速调节装置通过调节变频器的输出频率，进而控制转速随之变 化的力矩电动机，来实现对行星齿轮变速器的控制。风速变化瞬间，力矩电动机的转速 发生变化，力矩电动机的转速变化导致风轮转速发生变化。信号采样器把风轮转速信号 输入信号处理器，信号处理器根据控制策略把转速信号与风机参数信息进行对比，计算 出需要调速的具体值，输出最优转矩控制指令给电机变频器，使力矩电动机在变频器控 制下转动，从而改变行星齿轮变速器的传动比，使风轮转速发生变化，风机运行达到新 的平衡。最终实现在风速变化的情况下，行星齿轮变速器输出的转速始终为同步电机的 额定转速。此种调速方法使用的力矩电动机为感应电动机。在上述实例中如果力矩电动机是感应电动机，可采用图4所示的矢量控制原 理，利用滑差频率控制方式的矢量控制能使感应力矩电机获得高控制性能。与V/f控制 相比矢量控制具有调速范围广，转矩可控，响应速度快，加减速特性好等优势。如果力 矩电动机是同步电动机，可采用图5所示的控制原理，同步力矩电动机控制简单，效率 比感应电动机高，但是只能应用在力矩电动机恒转速的情况下。
权利要求
1.一种风力发电机组的变速恒频装置，包括行星齿轮变速器和转速调节装置；所述 行星齿轮变速器包括太阳轮、行星架、内齿圈，其内齿圈可以旋转，构成三个旋转轴， 三个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置；其特征在于所述转速调 节装置采用电气伺服系统，该系统包括力矩电动机及其变频器、信号处理器、信号采样 器；所述力矩电动机连接行星齿轮变速器的一个旋转轴，所述信号采样器采取风轮或发 电机的信号，由信号处理器与设定值进行比较运算，向变频器输出控制信号，调整力矩 电动机的转速，使行星齿轮变速器的输出轴达到发电机同步转速。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的变速恒频装置，其特征在于所述信号采 样器采取风轮的转速信号，力矩电动机变速运行，使行星齿轮变速器的输出轴达到发电 机同步转速。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组的变速恒频装置，其特征在于所述力矩电 动机是感应电动机。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组的变速恒频装置，其特征在于所述信号采 样器采取发电机的功率信号，力矩电动机恒速运行，使行星齿轮变速器的输出轴达到发 电机同步转速。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组的变速恒频装置，其特征在于，所述力矩电动 机是同步电动机或感应电动机。
全文摘要
一种风力发电机组的变速恒频装置，包括行星齿轮变速器和转速调节装置；行星齿轮变速器包括太阳轮、行星架、内齿圈，该内齿圈可以旋转，构成三个旋转轴，三个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置；转速调节装置采用电气伺服系统，该系统包括力矩电动机及其变频器、信号处理器及信号采样器；力矩电动机连接行星齿轮变速器的一个旋转轴，信号采样器采取风轮或发电机的信号，由信号处理器与设定值进行比较运算，向变频器输出控制信号，调整力矩电动机的转速，使行星齿轮变速器的输出轴达到发电机同步转速。它结构简单、造价低廉、稳定可靠、变速范围广、对电网无谐波污染、适应电网能力强的风力发电机组变速恒频装置。
文档编号H02K7/18GK102013762SQ20101060258
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者成健, 李飞, 王为民, 王兵, 王建录, 莫尔兵, 邓良, 郑大周 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司
技术领域：
本发明涉及一种应用齿轮箱的风力发电机组，特别是涉及一种风力发电机组的 新型变速恒频装置。
背景技术：
风力发电机组普遍采用变速运行方式，即在风速小时，风轮的转速低，风速高 时，风轮的转速也高，这样可以使叶片的叶尖速比始终保持在最佳值，从而最充分的利 用风能，获得最佳风能利用率，经济性高。在向电网供电时，需要发电机产生的电流频 率与电网一致。现在采用的技术手段主要由如下两种 1.双馈变速恒频技术
采用双馈感应式发电机，发电机定子与电网连接，发电机转子经双馈变频器变频后 与电网连接。变频器控制发电机的励磁频率，使发电机转子的机械旋转频率加上励磁频 率与电网电频率一致。因此可以调整转子的励磁频率来使发电机在转子变速运行的情况 下产生工频电流。该技术由于只有转子部分的功率通过变频器，因此，变频器的容量较 小。但受变频器电压限制，可以实现的变速范围只有同步转速的-1/3 1/3之间。另外， 该技术对发电机的要求高，发电机的转子需要滑环，而且发电机工作在变频器供电模式 下，转子绕组的绝缘需要特殊考虑，转子要承受高频脉冲电压和高的转速，适合电网的 能力还需要特殊的措施加强。2.全功率变频技术
采用同步发电机，通过变频器与电网连接运行。发电机转子的转速可在较宽的范围 内实现无级变速运行，发电机的输出电能通过全功率变频器后变成工频上网。该技术的 优点是可以在更宽的范围内实现风机的变速运行，适应电网的能力比双馈变速技术强， 缺点是需要的变频器功率大，造价高。以上两种都是通过在电机部分使用变频器来实现恒频，即使双馈机组所需的变 频器容量也很大。而大容量的变频器造价高，故障几率大，稳定性、可靠性差。再有，机组不能使用常规的工频同步发电机，电能品质差，谐波污染大，适应 电网的能力不够。公开号CA2670013A1 (
公开日期20080529)的专利文献提出一种技术方案，
采用行星齿轮变速器进行无级调速，通过速度调节器调速可使输出转速在任意时刻都达 到发电机的同步转速。但该速度调节器采用液力控制装置，结构非常复杂，故障几率大，机组运行的 可靠性欠佳，也不便维护，尤其是，它的几何尺寸大，风机外壳的容积空间有限，不好 布置，不得不加大外壳尺寸，使得风机结构不紧揍，对于风场来说，每一台风力发电机 都配置一套液压系统，成本很高，经济性太差。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、造价低廉、稳定可靠、变速范围广、对电 网无谐波污染、适应电网能力强的风力发电机组变速恒频装置。本方案的技术解决方案是
一种风力发电机组的变速恒频装置，包括行星齿轮变速器和转速调节装置；所述行 星齿轮变速器包括太阳轮、行星架、内齿圈，其内齿圈可以旋转，构成三个旋转轴，三 个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置；所述转速调节装置采用电气 伺服系统，该系统包括力矩电动机及其变频器、信号处理器、信号采样器；所述力矩电 机连接行星齿轮变速器的一个旋转轴，所述信号采样器采取风轮或发电机的信号，由信 号处理器与设定值进行比较运算，向变频器输出控制信号，调整力矩电动机的转速，使 行星齿轮变速器的输出轴达到发电机同步转速。所述信号采样器采取风轮的转速信号，力矩电动机变速运行，使行星齿轮变速 器的输出轴达到发电机同步转速；力矩电动机是感应电动机。所述信号采样器采取发电机的功率信号，力矩电动机恒速速运行，使行星齿轮 变速器的输出轴达到发电机同步转速；力矩电动机是同步电动机或感应电动机。本发明的有益效果
本发明的速度控制器采用电气伺服系统，结构简单，可靠性高，成本低廉，几何尺 寸小，便于安装维护。在解决风力发电机组为提高风能利用系数，必须变速运行、又需要恒频上网的 矛盾时，采用了特殊设计的三轴可旋转的行星齿轮变速箱，使用工频同步发电机与电网 连接，成功实现了变速恒频运行。该行星齿轮变速器是一种机械装置，用于控制变速比 的变频器和力矩电动机容量都很小且为标准产品，因此整套系统结构简单，价格低廉。 该装置调速范围广，适应风速能力强，风能利用充分，机组经济效益好；该装置的传动 效率高，机组自耗能显著降低。采用本装置的风力发电机组可以用工频同步发电机，无 谐波污染，使机组可以得到与常规火力发电机组相同的电能品质，适应电网的能力得到 提高，而且可以省掉变压器。
下面结合附图进一步说明本发明。图1表示了风力发电机组简图2表示了一种力矩电动机恒速时风力发电机组调速流程框图； 图3表示了另一种力矩电动机变速时风力发电机组调速流程框图； 图4表示了感应力矩电动机矢量控制调速控制框图； 图5表示了同步力矩电动机转速调节装置控制系统组成的框图。
具体实施方案图1中风轮1与行星齿轮变速器4 (虚线框内部分)连在一起，行星齿轮变 速器4的两端分别连接调速刹车5和高速输出刹车3。力矩电动机6是对行星齿轮变速 器4进行调速的执行部件，力矩电动机6通过调速刹车5与行星齿轮变速箱4相连。行星齿轮变速器4通过高速输出刹车3与同步发电机2相连。本发明的特点是，转速调节采用电气伺服系统。该系统有如下两种结构 实例1
图2中虚线框内的部分为转速调节装置，包含信号采样器，信号处理器，电机 变频器及力矩电动机。转速调节装置通过调节变频器的输出频率，进而控制转速随之变 化的力矩电动机，来实现对行星齿轮变速器的控制。风速变化瞬间，力矩电动机转速不 变，因此风轮转速不变，但输入转矩的变化导致发电机输入功率发生变化。信号采样器 把发电机的功率信号输入信号处理器，信号处理器根据控制策略把功率信号与风机参数 信息进行对比，计算出需要调速的具体值，输出最优转速控制指令给电机变频器，使力 矩电动机在变频器控制下转动，从而改变行星齿轮变速器的传动比，最终使风轮转速发 生变化，风机运行达到新的平衡。最终实现在风速变化的情况下，行星齿轮变速器输出 的转速始终为同步电机的额定转速。此种调速方法使用的力矩电动机可以是同步电动 机，也可以是感应电动机。实例2
图3中虚线框内的部分为转速调节装置，包含信号采样器，信号处理器，电机 变频器及力矩电动机。转速调节装置通过调节变频器的输出频率，进而控制转速随之变 化的力矩电动机，来实现对行星齿轮变速器的控制。风速变化瞬间，力矩电动机的转速 发生变化，力矩电动机的转速变化导致风轮转速发生变化。信号采样器把风轮转速信号 输入信号处理器，信号处理器根据控制策略把转速信号与风机参数信息进行对比，计算 出需要调速的具体值，输出最优转矩控制指令给电机变频器，使力矩电动机在变频器控 制下转动，从而改变行星齿轮变速器的传动比，使风轮转速发生变化，风机运行达到新 的平衡。最终实现在风速变化的情况下，行星齿轮变速器输出的转速始终为同步电机的 额定转速。此种调速方法使用的力矩电动机为感应电动机。在上述实例中如果力矩电动机是感应电动机，可采用图4所示的矢量控制原 理，利用滑差频率控制方式的矢量控制能使感应力矩电机获得高控制性能。与V/f控制 相比矢量控制具有调速范围广，转矩可控，响应速度快，加减速特性好等优势。如果力 矩电动机是同步电动机，可采用图5所示的控制原理，同步力矩电动机控制简单，效率 比感应电动机高，但是只能应用在力矩电动机恒转速的情况下。
权利要求
1.一种风力发电机组的变速恒频装置，包括行星齿轮变速器和转速调节装置；所述 行星齿轮变速器包括太阳轮、行星架、内齿圈，其内齿圈可以旋转，构成三个旋转轴， 三个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置；其特征在于所述转速调 节装置采用电气伺服系统，该系统包括力矩电动机及其变频器、信号处理器、信号采样 器；所述力矩电动机连接行星齿轮变速器的一个旋转轴，所述信号采样器采取风轮或发 电机的信号，由信号处理器与设定值进行比较运算，向变频器输出控制信号，调整力矩 电动机的转速，使行星齿轮变速器的输出轴达到发电机同步转速。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的变速恒频装置，其特征在于所述信号采 样器采取风轮的转速信号，力矩电动机变速运行，使行星齿轮变速器的输出轴达到发电 机同步转速。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组的变速恒频装置，其特征在于所述力矩电 动机是感应电动机。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组的变速恒频装置，其特征在于所述信号采 样器采取发电机的功率信号，力矩电动机恒速运行，使行星齿轮变速器的输出轴达到发 电机同步转速。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组的变速恒频装置，其特征在于，所述力矩电动 机是同步电动机或感应电动机。
全文摘要
一种风力发电机组的变速恒频装置，包括行星齿轮变速器和转速调节装置；行星齿轮变速器包括太阳轮、行星架、内齿圈，该内齿圈可以旋转，构成三个旋转轴，三个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置；转速调节装置采用电气伺服系统，该系统包括力矩电动机及其变频器、信号处理器及信号采样器；力矩电动机连接行星齿轮变速器的一个旋转轴，信号采样器采取风轮或发电机的信号，由信号处理器与设定值进行比较运算，向变频器输出控制信号，调整力矩电动机的转速，使行星齿轮变速器的输出轴达到发电机同步转速。它结构简单、造价低廉、稳定可靠、变速范围广、对电网无谐波污染、适应电网能力强的风力发电机组变速恒频装置。
文档编号H02K7/18GK102013762SQ20101060258
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者成健, 李飞, 王为民, 王兵, 王建录, 莫尔兵, 邓良, 郑大周 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司
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