一种上下风向同轴风力发电机组及其控制方法与流程

1.本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种上下风向同轴风力发电机组及其控制方法。


背景技术：

2.目前国内外主流风力发电机组特点主要以上风向、三叶片、直驱永磁发电机、双馈发电机或者半直驱永磁发电机为主。当风向发生改变时，机组主控系统根据设定条件及测风数据发出机组偏航指令使主机转动，执行叶轮对向来风，一般均以叶轮正对来风的上风向为偏航方向。
3.由于机组正前方的叶轮部分重量较大，支撑主机的塔架在机组运行和静止时均要受到很大的弯矩，并且弯矩的大小跟主机功率和叶轮直径有直接的关系。功率越大叶轮直径越大，塔架的强度、重量就越大，基础也就越大，成本也会越高。
4.为了克服三叶片上风向风力发电机组这种结构导致的技术限制，需要设计一种能够在功率增加但不明显增加成本的风力发电机组，实现高发电功率低材料成本的目的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，主要针对传统单叶轮风力发电机组随着功率加大塔架承受弯矩也加大，传动链受制造能力所限会遇到制造瓶颈无法满足强度要求的问题，提出了一种安全可靠的上下风向同轴风力发电机组及其控制方法，可以满足更大功率下只使用尺寸相对小的传动链、材料相对少的塔架和单一液压润滑系统，实现高发电功率低材料成本的目的。
6.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种上下风向同轴风力发电机组，包括上风向叶轮、机舱、下风向叶轮、偏航轴承和塔架，所述上风向叶轮安装在机舱的上风向侧传动链的输入端面，所述下风向叶轮安装在机舱的下风向侧传动链的输入端面，所述机舱通过偏航轴承安装在塔架的顶部；其中，所述上风向叶轮和下风向叶轮同轴布置，所述上风向叶轮直径与下风向叶轮直径不同，所述上风向叶轮运转速度与下风向叶轮运转速度也不同步，以减小流过上风向叶轮的风对下风向叶轮的影响，破坏上风向叶轮和下风向叶轮转动时产生的共振，在机舱的上风向侧传动链中，所述上风向叶轮经过齿轮箱增速驱动一台发电机发电，而在机舱的下风向侧传动链中，所述下风向叶轮也经过齿轮箱增速驱动一台发电机发电，两台发电机同时发电并经过两台变流器输出到变电站。
7.进一步，所述机舱为t形结构，所述上风向叶轮和下风向叶轮分别装于该机舱横向舱身两端。
8.进一步，还包括一个控制系统，用于分别控制两个叶轮的桨叶变桨角度，并根据风速变化、机舱及塔架振动情况调节两个叶轮叶片变桨角度以捕获最大风能的同时抑制振动，所述控制系统还控制机组根据风向变化执行偏航对风。
9.进一步，还包括一套液压润滑系统，两个叶轮共用一套液压润滑系统，通过电磁控
制阀及阀块分别控制两个齿轮箱的润滑、叶轮锁定和液压制动。
10.进一步，所述上风向叶轮和下风向叶轮为三叶片或者两叶片叶轮。
11.本发明也提供了上述上下风向同轴风力发电机组的控制方法，具体情况如下：
12.当风速达到上、下风向叶轮启动力矩后，两个叶轮会经过各自连接的齿轮箱增速驱动各自相应的发电机发电，当上风向叶轮在运行过程中振动超限，控制系统会控制下风向叶轮的叶片变桨以抑制上风向叶轮振动，如果振动仍然存在，则需要调节上风向叶轮的叶片变桨抑制振动；
13.当风向发生改变，控制系统会根据风向控制主机偏航系统动作执行偏航对风；
14.当系统检测到风速大于切除风速时，控制系统执行机组切除程序，上、下风向叶轮均执行顺桨动作。
15.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
16.1、t形结构的机舱设计，避免传统单叶轮风力发电机组随着功率加大机舱弯矩也同步加大的弊端，塔架受力更加良好。
17.2、采用上、下风向不同直径的叶轮，可以通过控制上、下风向叶轮叶片变桨减小整机振动值，进而控制塔架可能发生的涡激振动。
18.3、由于风能经过两个叶轮的两次利用，风速降低幅度更大，机组前后高低压区压差更大，在机组的单元区域内，理论风能利用率更高。
19.4、若是采用上、下风向两叶片形式叶轮，可以克服两叶片单叶轮的动态平衡差的缺点。
20.5、为上、下风向同轴风力发电机组技术研发提供参考。
附图说明
21.图1为上下风向同轴风力发电机组的侧视结构示意图。
22.图2为上下风向同轴风力发电机组的主视图(三叶片叶轮)。
23.图3为上下风向同轴风力发电机组的主视图(二叶片叶轮)。
具体实施方式
24.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
25.实施例1
26.参见图1和图2所示，本实施例提供一种上下风向同轴风力发电机组，包括上风向叶轮1、机舱2、下风向叶轮3、偏航轴承4、塔架5、一个控制系统(图中未画出)和一套液压润滑系统(图中未画出)。
27.所述机舱2通过偏航轴承安装在塔架5的顶部，所述机舱2为t形结构，其横向舱身两端分别为上风向侧传动链的输入端面和下风向侧传动链的输入端面，t形结构的机舱设计可以避免传统单叶轮风力发电机组随着功率加大机舱弯矩也同步加大的弊端，塔架5受力更加良好。
28.所述上风向叶轮1安装在机舱2的上风向侧传动链的输入端面，所述下风向叶轮安装在机舱2的下风向侧传动链的输入端面。上风向叶轮1和下风向叶轮3为同轴布置的三叶
片叶轮，上风向叶轮1直径与下风向叶轮3直径不同，上风向叶轮1运转速度与下风向叶轮3运转速度也不同步，可以减小流过上风向叶轮1的风对下风向叶轮3的影响，破坏上风向叶轮1和下风向叶轮3转动时产生的共振，同时由于风能经过两个叶轮的两次利用，风速降低幅度更大，机组前后高低压区压差更大，在机组的单元区域内，理论风能利用率更高。
29.在机舱2的上风向侧传动链中，上风向叶轮1经过齿轮箱增速驱动一台发电机发电，而在机舱2的下风向侧传动链中，下风向叶轮3也经过齿轮箱增速驱动一台发电机发电，两台发电机同时发电并经过两台变流器输出到变电站。
30.一个控制系统分别控制两个叶轮的桨叶变桨角度，并根据风速变化、机舱及塔架振动情况调节两个叶轮叶片变桨角度以捕获最大风能的同时抑制振动，所述控制系统还控制机组根据风向变化执行偏航对风。
31.两个叶轮共用一套液压润滑系统，通过电磁控制阀及阀块分别控制两个齿轮箱的润滑、叶轮锁定和液压制动。
32.当风速达到上、下风向叶轮1、3启动力矩后，两个叶轮会经过各自连接的齿轮箱增速驱动各自相应的发电机发电，当上风向叶轮1在运行过程中振动超限，控制系统会控制下风向叶轮3的叶片变桨以抑制上风向叶轮1振动，如果振动仍然存在，则需要调节上风向叶轮1的叶片变桨抑制振动；
33.当风向发生改变，控制系统会根据风向控制主机偏航系统动作执行偏航对风；
34.当系统检测到风速大于切除风速时，控制系统执行机组切除程序，上、下风向叶轮1、3均执行顺桨动作。
35.实施例2
36.参见图3所示，与实施例1不同的是本实施例所述上风向叶轮1和下风向叶轮3为同轴布置的二叶片叶轮。
37.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。