本實用新型涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種前置調(diào)速型同步風(fēng)電機組。

背景技術(shù)：

風(fēng)能作為一種儲量巨大的可再生清潔能源，越來越受到各國的重視。人類對風(fēng)能的利用，主要是利用風(fēng)力發(fā)電，最近幾十年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展可以分三個階段。

第一階段為定槳定速風(fēng)力發(fā)電機，其特點是：槳葉與輪轂固定連接，槳葉的迎風(fēng)角不隨風(fēng)速發(fā)生變化，依靠槳葉的氣動特性保持葉輪的轉(zhuǎn)速基本不變。定槳定速風(fēng)力發(fā)電機組具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、堅固耐用的優(yōu)點，但是效率低，對風(fēng)能的利用較差，當(dāng)風(fēng)速達到一定值時必須停機，這種發(fā)電機組將逐漸被淘汰。

第二階段為變槳變速風(fēng)力發(fā)電機組，其特點是：槳葉與輪轂之間通過軸承連接，變距調(diào)節(jié)方式是通過改變槳葉迎風(fēng)面與槳葉旋轉(zhuǎn)軸的夾角，從而影響槳葉的受力與阻力，保持大風(fēng)時風(fēng)力發(fā)電機輸出功率的穩(wěn)定。變槳變速風(fēng)力發(fā)電機組是目前風(fēng)力發(fā)電機組的主流，主要有帶增速齒輪機構(gòu)的雙饋異步發(fā)電機和變速恒頻直驅(qū)型發(fā)電機兩種形式，使整個系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運行。但這類機組在實際運行過程中應(yīng)對電網(wǎng)故障的能力明顯不足：在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，雙饋型機組轉(zhuǎn)子電路中暫態(tài)電壓和電流均會大幅增加；電流的迅速增加會導(dǎo)致變流器直流側(cè)電壓升高，過流和過壓會對變流器的電力電子器件構(gòu)成威脅，迫使得變流器退出運行。為應(yīng)對這一難題，雙饋機組采用低電壓穿越技術(shù)或者采用合理的勵磁控制算法。但這些措施加大了雙饋感應(yīng)發(fā)電機組的制造成本和控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且保護電路在電網(wǎng)電壓跌落期間不但不能發(fā)出對電壓起支撐作用的無功功率、還會從電網(wǎng)吸收無功功率，進一步阻礙了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。嚴重時這一問題還可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓無法恢復(fù)，致使系統(tǒng)崩潰。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組通過全功率變流器實現(xiàn)了發(fā)電機與電網(wǎng)之間隔離，具有較強的低電壓運行能力。但在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落等故障時，變流器直流側(cè)也存在著過壓和容量不足的問題，并且電流的波形較差。因此，第二階段的風(fēng)力發(fā)電機組在故障保護、對電網(wǎng)支撐能力、與電網(wǎng)互動等方面存在先天性弱點。

第三階段為友好型風(fēng)電技術(shù)，以前置無級調(diào)速為核心，采用恒速恒頻同步發(fā)電機技術(shù)，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速始終保持在同步轉(zhuǎn)速附近。第三階段的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以有效克服第一階段和第二階段風(fēng)電技術(shù)的不足，是風(fēng)力發(fā)電機組的未來發(fā)展方向。第三階段的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前處于起步階段，主要技術(shù)流派包括：液力變矩調(diào)速、電磁耦合調(diào)速、差動齒輪調(diào)速。德國Voith公司開發(fā)了基于液力變矩調(diào)速的Windrivet系統(tǒng)并投入使用，由于液力變矩器的傳動效率低，導(dǎo)致Windrive系統(tǒng)的傳動效率不高。利用電磁耦合器調(diào)速的方式目前正處于研究中，由于不可能消除滑差功率損耗和鐵損，這種調(diào)速方式的效率也不高。差動齒輪調(diào)速是三種調(diào)速方式中傳動效率最高的一種，其工作原理是利用運動合成，將兩個輸入運動合成為一個輸出運動?，F(xiàn)有的差動齒輪調(diào)速機構(gòu)為二自由度平面行星輪系，調(diào)速裝置驅(qū)動行星輪系的中心輪，葉輪通過增速箱驅(qū)動行星架，動力由內(nèi)齒圈輸出至發(fā)電機，這種方式有兩個不足之處：一是中心輪的轉(zhuǎn)速與行架的轉(zhuǎn)速變化相差較大，中心輪的轉(zhuǎn)速變化是行星架轉(zhuǎn)速變化的K+1倍，K為內(nèi)齒圈與中心輪的齒數(shù)比，這種轉(zhuǎn)速特性導(dǎo)致調(diào)速裝置的速度變化幅度大，響應(yīng)靈敏度不高；二是行星架和內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速相差小，增速效果不明顯，導(dǎo)致增速箱的增速比的值較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的：為克服現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不足，本實用新型提供一種傳動效率高，調(diào)速靈敏的友好型風(fēng)力發(fā)電機組。

本實用新型采用的技術(shù)手段如下：利用運動合成原理，將葉輪的轉(zhuǎn)速經(jīng)過增速后與調(diào)速裝置的轉(zhuǎn)速合成，保證發(fā)電機的轉(zhuǎn)速處于同步轉(zhuǎn)速附近，運動合成采用空間行星錐齒輪機構(gòu)，可以保證較高的傳動效率和較快的調(diào)速響應(yīng)速度；發(fā)電機采用同步電機，使發(fā)電系統(tǒng)在故障保護、電網(wǎng)支撐方面具有良好的能力。

本實用新型的內(nèi)容：一種前置調(diào)速型同步風(fēng)電機組，由葉輪（1）、增速箱（2）、主動齒輪（3）、從動齒輪（4）、錐齒輪箱殼體（5）、第一錐齒輪（6）、第二錐齒輪（7）、第三錐齒輪（8）、第四錐齒輪（9）、調(diào)速裝置（10）、同步發(fā)電機（11）組成，其特征在于：葉輪（1）與增速箱（2）的輸入軸固定連接；主動齒輪（3）與增速箱（2）的輸出軸固定連接；從動齒輪（4）與錐齒輪箱殼體（5）固定連接，從動齒輪（4）與主動齒輪（3）保持嚙合關(guān)系；錐齒輪箱殼體（5）內(nèi)安裝有第一錐齒輪（6）、第二錐齒輪（7）、第三錐齒輪（8）和第四錐齒輪（9）；第一錐齒輪（6）同時與第三錐齒輪（8）和第四錐齒輪（9）保持嚙合關(guān)系，第二錐齒輪（7）同時與第三錐齒輪（8）和第四錐齒輪（9）保持嚙合關(guān)系；第三錐齒輪（8）與調(diào)速裝置（10）固定連接；第四錐齒輪（9）與同步發(fā)電機（11）固定連接；當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，通過改變調(diào)速裝置（10）的轉(zhuǎn)速，使同步發(fā)電機（11）的轉(zhuǎn)速始終保持在同步轉(zhuǎn)速附近；當(dāng)風(fēng)速大于或等于額定風(fēng)速時，通過對葉輪（1）進行變槳操作使同步發(fā)電機（11）的轉(zhuǎn)速維持在同步轉(zhuǎn)速附近。

附圖說明

圖1為一種前置調(diào)速型同步風(fēng)電機組的傳動原理圖。

具體實施方式

現(xiàn)以圖1所示的傳動原理圖詳細說明本實用新型的具體實施方式。

一種前置調(diào)速型同步風(fēng)電機組，由葉輪（1）、增速箱（2）、主動齒輪（3）、從動齒輪（4）、錐齒輪箱殼體（5）、第一錐齒輪（6）、第二錐齒輪（7）、第三錐齒輪（8）、第四錐齒輪（9）、調(diào)速裝置（10）、同步發(fā)電機（11）組成。

葉輪（1）與增速箱（2）的輸入軸為固定連接關(guān)系，二者同步旋轉(zhuǎn)。葉輪（1）為可變槳距葉輪，可通過變槳操作控制葉輪對風(fēng)能的捕捉能力。

增速箱（2）的輸出軸與主動齒輪（3）固定連接，二者同步旋轉(zhuǎn)。葉輪（1）的動力經(jīng)過增速箱（2）傳遞后，由主動齒輪（3）輸出。

從動齒輪（4）與錐齒輪箱殼體（5）固定連接，二者同步旋轉(zhuǎn)。從動齒輪（4）與主動齒輪（3）保持嚙合關(guān)系。

錐齒輪箱殼體（5）內(nèi)安裝有第一錐齒輪（6）、第二錐齒輪（7）、第三錐齒輪（8）和第四錐齒輪（9）；第一錐齒輪（6）同時與第三錐齒輪（8）和第四錐齒輪（9）保持嚙合關(guān)系，第二錐齒輪（7）同時與第三錐齒輪（8）和第四錐齒輪（9）保持嚙合關(guān)系；所有錐齒輪都可以相對錐齒輪箱殼體（5）旋轉(zhuǎn)，第一錐齒輪（6）和第二錐齒輪（7）二者的軸線重合，且相對于錐齒輪箱殼體（5）的旋轉(zhuǎn)軸對稱布置，第三錐齒輪（8）和第四錐齒輪（9）的旋轉(zhuǎn)軸線與錐齒輪箱殼體（5）的旋轉(zhuǎn)軸線重合。第一錐齒輪（6）和第二錐齒輪（7）均為行星式錐齒輪，二者的功能相同，根據(jù)結(jié)構(gòu)和強度的需要，行星式錐齒輪可以設(shè)為兩個或四個。

第三錐齒輪（8）與調(diào)速裝置（10）固定連接，二者同步旋轉(zhuǎn)。

第四錐齒輪（9）與同步發(fā)電機（11）固定相連，二者同步旋轉(zhuǎn)。

本實用新型所述的同步發(fā)電機（11）的旋轉(zhuǎn)速度由錐齒輪箱殼體（5）的轉(zhuǎn)速和調(diào)速裝置（10）的轉(zhuǎn)速合成。調(diào)速裝置（10）可以選擇變頻調(diào)速電機或變量液壓馬達等裝置，從電網(wǎng)吸收能量驅(qū)動。

為便于描述，用n5、n8和n9分別表示錐齒輪箱殼體（5）、第三錐齒輪（8）和第四錐齒輪（9）的轉(zhuǎn)速。由于第三錐齒輪（8）與調(diào)速裝置（10）固連，第四錐齒輪（9）與同步發(fā)電機（11）固連，所以n8也是調(diào)速裝置（10）的轉(zhuǎn)速，n9也是同步發(fā)電機（11）的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)同步發(fā)電機（11）正常工作是時，n9就是同步發(fā)電機（11）的同步轉(zhuǎn)速，其值為一個定值。由機械原理可知，三者的轉(zhuǎn)速滿足如下關(guān)系：n8+n9=2n5。

現(xiàn)分三個階段描述本實用新型所述前置調(diào)速同步發(fā)電機組的工作過程。

第一階段，低風(fēng)速階段。當(dāng)風(fēng)速較小時，葉輪處于最大風(fēng)能捕捉狀態(tài)，調(diào)整同步發(fā)電機的負載，使發(fā)電機輸出功率較小。如果調(diào)速裝置不參與工作，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不能達到同步轉(zhuǎn)速。在這一階段，調(diào)速裝置與發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，它的轉(zhuǎn)速用公式n8=2*n5-n9計算。在無風(fēng)的情況下，調(diào)速裝置與同步電機轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速等于發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速，隨著風(fēng)速的逐漸增大，調(diào)速裝置的轉(zhuǎn)速逐漸變小。調(diào)速裝置的速度變化范圍為零到發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速。發(fā)電機負載大小根據(jù)調(diào)速裝置的驅(qū)動力矩的大小確定。

第二階段，中等風(fēng)速階段。在這一階段，調(diào)速裝置退出運行，第三錐齒輪處于制動狀態(tài)，錐齒輪箱殼體的轉(zhuǎn)速保持為發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速的一半，并且發(fā)電機的輸出功率小于額定功率，風(fēng)速低于額定風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速變化時，通過控制發(fā)電機負載，保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，發(fā)電機的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化。

第三階段，風(fēng)速大于等于額定風(fēng)速階段。當(dāng)風(fēng)速大于或等于額定風(fēng)速時，為防止系統(tǒng)過載，應(yīng)保證發(fā)電機輸出功率不變。在這一階段，調(diào)速裝置退出運行，第三錐齒輪處于制動狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，對葉輪進行變槳操作，以保持發(fā)電機輸出功率為額定功率。

在這三個階段中，第一階段和第二階段為最大風(fēng)能捕捉狀態(tài)，第三階段為額定功率輸出狀態(tài)。

本實用新型所述的前置調(diào)速風(fēng)力發(fā)電機組具有以下幾個優(yōu)勢：第一，葉輪在中低風(fēng)速處于最大風(fēng)能捕捉狀態(tài)，能有效提高風(fēng)能利用率；第二，調(diào)速靈敏，調(diào)速裝置轉(zhuǎn)速變化率僅為錐齒輪箱殼體轉(zhuǎn)速變化率的兩倍，比其它機械式調(diào)速機構(gòu)更加靈敏；第三，可以減小升速箱的升速比。當(dāng)?shù)谌F齒輪制動時，錐齒輪箱具有升速功能，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為齒輪箱殼體轉(zhuǎn)速的2倍，其升速比為2，因此這種結(jié)構(gòu)可使升速箱的升速比減小一半；第四，傳動效率高，由于兩種運動直接合成，機械能不需要轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，因此傳動效率比電磁耦合調(diào)速和液力變矩調(diào)速都高；第五，第三錐齒輪和第四錐齒輪的軸承壽命很長，由傳動原理圖可知，第三錐齒輪和第四錐齒輪受純扭矩的作用，理論上軸承不受徑向壓力。在第二階段和第三階段工作時，錐齒輪箱的轉(zhuǎn)速為發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速的一半，第四錐齒輪軸承內(nèi)外圈的相對轉(zhuǎn)速僅為發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速的一半，所以其軸承的壽命較長。

基于以上優(yōu)點，本實用新型所述的前置調(diào)速風(fēng)力發(fā)電機組在未來的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，具有良好的推廣價值。