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具有自动调速装置的 风 力发电设备及其自动调速方法

阅读：1发布：2020-08-29

专利汇可以提供具有自动调速装置的风力发电设备及其自动调速方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种具有自动调速装置的风力发电设备，包括叶轮、主轴、增速齿轮箱、自动调速装置、发电机和塔架；所述自动调速装置包括变量泵、定量马达、测速单元、控制单元和油箱，所述变量泵由液压泵和一电液比例变量机构构成；所述变量泵的输入轴刚性联接所述增速齿轮箱的输出轴，所述定量马达的输出轴刚性联接发电机的主轴，所述液压泵和定量马达之间通过液压回路连接；所述控制单元通过测速单元和电液比例变量机构实现风力发电机组整机系统闭环控制。通过自动调速装置使风力发电设备的叶轮输出到发电机的转速可以稳定调节，驱动发电机相对恒速运转，而不需要通过变流设备就能够得到频率恒定而且与电网频率一致的电流。，下面是具有自动调速装置的风力发电设备及其自动调速方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有自动调速装置的风力发电设备，包括叶轮(1)、主轴(2)、增速齿轮箱(3)、自动调速装置(40)、发电机(5)和塔架(6)；其特征在于：
所述自动调速装置(40)包括变量泵(41)、定量马达(42)、测速单元(43)、控制单元(44)和油箱(48)，所述变量泵(41)由液压泵(411)和一电液比例变量机构(412)构成；
所述自动调速装置(40)安装在所述增速齿轮箱(3)和发电机(5)之间的主轴(2)上，所述变量泵(41)的输入轴刚性联接所述增速齿轮箱(3)的输出轴，所述定量马达(42)的输出轴刚性联接发电机(5)的主轴，所述液压泵(411)和定量马达(42)之间通过液压回路连接，所述液压回路中设有安全阀(45)和单向阀(46)；
所述控制单元(44)通过测速单元(43)和电液比例变量机构(412)实现风力发电机组整机系统闭环控制。
2.根据权利要求1所述具有自动调速装置的风力发电设备，其特征在于：所述测速单元(43)为转速传感器。
3.一种风力发电设备的自动调速方法，利用如权利要求1所述的具有自动调速装置的风力发电设备进行发电的过程是：风力发电设备工作中，叶轮(1)受风载驱动旋转，将风能转换成叶轮(1)旋转的机械能，叶轮(1)通过主轴(2)连接增速齿轮箱(3)，通过增速齿轮箱(3)驱动变量泵(41)工作，从而将机械能转换成液压能，变量泵(41)将被加压的工作液体通过液压回路输送到定量马达(42)，定量马达(42)将液压能转换成动能，并驱动发电机(5)发电，将动能转换成电能，实现最终的能量转换，即风能转换为电能；其特征在于：
上述发电过程中，自动调速装置(40)中的测速单元(43)实时监测并反馈定量马达(42)的输出转速，通过控制单元(44)控制电液比例变量机构(412)相应动作，调整变量泵(41)的变量柱塞的位置，进而调节变量泵(41)的输出流量，使液压泵(411)在变速风载的作用下得到稳定的输出流量，驱动定量马达(42)稳定恒速运转，使发电机(5)恒定运行，从而得到频率恒定的电流。
4.根据权利要求3所述风力发电设备的自动调速方法，其特征在于：如果液压回路中的压力超过了液压回路中安全阀(45)所设定的最高工作压力，则安全阀(45)自动溢流。

说明书全文

具有自动调速装置的风 力发电设备及其自动调速方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种风力发电系统，尤其涉及一种具有自动调速装置的风力发电系统。

背景技术

[0002] 风力发电是风能的主要利用形式，风力发电机组是将风能转化成电能的机电设备。由于风速最大值随时间的变化而不断在波动，而风力发电机组对风能的转换具有一个固有特性，即每个风速都对应着一个最优的功率接收器转速，在该转速产生最大功率转换。而最优转速又取决于风力发电机功率转换器的结构参数和几何特征。所以，风力发电机组以可变的输入转速运行，而该输入转速又要尽可能最佳地匹配相应的风速。不论是大型风力发电机组还是中小型风力发电机组，发电机所产生的电能最终还是要供用户使用。这样就要求发电设备所产生的电流必须是相对恒频恒压形式，或者采用各种处理方式将变化不定的电流转换成恒定的电流，实现并网或离网运行。

[0003] 为了解决风力发电机所产生电压的不稳定问题，目前主要的技术方案是在变桨距系统的基础上采用增速齿轮箱-双馈发电机系统和直驱-变频器系统。变桨距调速系统能够通过调节桨叶的迎风角，来调整作用在风轮叶片上的扭矩和功率。目前的变桨距调速功能只能在一定的条件下调整，但多变的风速随时出现，使得变桨距调速相对风速的变化要滞后一些。增速齿轮箱-双馈发电机系统总效率不高，平均无故障运行时间短，频率不稳定，不能保证电的正常品质。变频器又不可避免电网上的高次谐波负荷和显著的无功功率的产生，而且变频器成本相对较高，体积偏大，给生产、安装、维修带来一定的不便。

[0004] 对于大型风力发电机组，其主要是安装于大型风场实现大功率并网发电；对于中小型风力发电机来说，其主要市场对象是单个用户，主要目的是满足单个家庭或者岛屿用户的用电需求，提供廉价清洁能源。

[0005] 目前，市场上的风力发电机组价格比较贵，结构复杂，特别是其中的变流器成本较高，在一定程度上抑制了风力发电设备的发展和普及。这就有必要研究一种结构简单紧凑、性能好、成本低，而且能够自动调速的风力发电设备的调速装置。因此，研发一种风能利用率高、系统动态特性好，能够实现自动调速，而且整机结构简单、体积较小、成本较低的风力发电设备的调速装置，具有潜在的市场前景和发展空间。

发明内容

[0006] 针对上述现有技术，本发明提供一种具有自动调速装置的风力发电设备，通过自动调速装置使风力发电设备的叶轮输出到发电机的转速可以实现稳定调节，驱动发电机相对恒速运转，而不需要通过变流设备就能够得到频率恒定而且与电网频率一致的电流。本发明具有自动调速装置的风力发电设备不但能减少风力发电设备所用的零部件，大大降低整机成本，提高机组可靠性，而且体积小，控制简便，系统动态性能好，可维护性好，其中的调速装置能作为大型并网风力发电机组的调速装置，也适用于中小型发电设备，能较好的适应不同风力发电场。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明具有自动调速装置的风力发电设备予以实现的技术方案是：包括叶轮、主轴、增速齿轮箱、自动调速装置、发电机和塔架；所述自动调速装置包括变量泵、定量马达、测速单元、控制单元和油箱，所述变量泵由液压泵和一电液比例变量机构构成；所述自动调速装置安装在所述增速齿轮箱和发电机之间的主轴上，所述变量泵的输入轴刚性联接所述增速齿轮箱的输出轴，所述定量马达的输出轴刚性联接发电机的主轴，所述液压泵和定量马达之间通过液压回路连接，所述液压回路中设有安全阀和单向阀；所述控制单元通过测速单元和电液比例变量机构实现风力发电机组整机系统闭环控制。

[0008] 本发明风力发电设备的自动调速方法是利用上述具有自动调速装置的风力发电设备，其发电过程是：风力发电设备工作中，叶轮受风载驱动旋转，将风能转换成叶轮旋转的机械能，叶轮通过主轴连接增速齿轮箱，通过增速齿轮箱驱动变量泵工作，从而将机械能转换成液压能，变量泵将被加压的工作液体通过液压回路输送到定量马达，定量马达将液压能转换成动能，并驱动发电机发电，将动能转换成电能，实现最终的能量转换，即风能转换为电能；上述发电过程中，自动调速装置中的测速单元实时监测并反馈定量马达的输出转速，通过控制单元控制电液比例变量机构相应动作，调整变量泵的变量柱塞的位置，进而调节变量泵的输出流量，使液压泵在变速风载的作用下得到稳定的输出流量，驱动定量马达稳定恒速运转，使发电机恒定运行，从而得到频率恒定的电流。

[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0010] (1)由于本发明中的控制单元是通过测速单元和变量泵的电液比例变量机构实现风力发电装置整机运行状态闭环控制，从而可以提高系统控制的可靠性和操作的简便性，提高电能稳定性，得到的电流可以直接并网或者供用户使用；

[0011] (2)本发明发电设备能够将变化的风能转换成稳定的电能，无论是大、中、小型风力发电设备均不需要变流器，从发电机输出的电流就是相对稳定的恒频电流，由于是利用变量泵41-定量马达42作为调速执行单元，其结构简单而且容易实现自动控制、动态性能好、可靠性高、成本低，可以减轻用户的经济负担，充分发挥风力发电的优势效益，实现一次能源到二次能源的高效率转换。

[0012] (3)本发明中的液压元件能够起到缓冲作用，延长平均无故障周期、延长风力发电设备的平均寿命。附图说明

[0013] 图1是本发明具有自动调速装置的风力发电系统的安装示意图；

[0014] 图2是本发明风力发电设备的自动调速方法的控制方框图；

[0015] 图3是具有自动调速装置的风力发电系统的结构示意图。

[0016] 图中：

[0017] 1——叶轮 2——主轴 3——增速齿轮箱[0018] 40——自动调速装置 5——发电机 6——塔架

[0019] 41——变量泵 411——液压泵 412——电液比例变量机构[0020] 42——定量马达 43——测速单元 44——控制单元

[0021] 45——安全阀 46——单向阀 47——油箱

具体实施方式

[0022] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

[0023] 如图1所示，本发明一种具有自动调速装置的风力发电设备，包括叶轮1、主轴2、增速齿轮箱3、自动调速装置40、发电机5和塔架6；所述自动调速装置40包括变量泵41、定量马达42、测速单元43、控制单元44和油箱48，所述变量泵41由液压泵411和一电液比例变量机构412构成，所述测速单元43为转速传感器；所述自动调速装置40安装在所述增速齿轮箱3和发电机5之间的主轴2上，所述变量泵41的输入轴刚性联接所述增速齿轮箱3的输出轴，所述定量马达42的输出轴刚性联接发电机5的主轴，所述液压泵411和定量马达42之间通过液压回路连接，考虑到自动调速装置中的变量泵41和定量马达42的正常运行，所述液压回路中设有安全阀45和单向阀46；所述控制单元44通过测速单元43和电液比例变量机构412实现风力发电机组整机系统闭环控制。由于高压工作液体在近距离内不需要考虑输送管道的布局问题，而且变量泵41和定量马达42之间的位置没有严格要求，只需要考虑增速齿轮箱3和变量泵41、定量马达42和发电机5轴心之间的同轴问题；故也不用考虑增速齿轮箱3输出轴和发电机5输入轴的对心问题，则安装本发明的风力发电设备可以有两种布局方案，如图1所示，将自动调速装置40和原有的发电设备直接放在塔架6顶端的机舱中，这样可以缩短高压工作液体的输送管道，在塔架6顶端即输出电流。当然，也可以通过延长液压回路的管道，将定量马达42和发电设备移至地面，在地面工作区域得到电流，这样可以在很大程度上减轻了风力发电设备的结构尺寸和重量，在降低制造困难的同时，大大的降低了设备的制造成本。

[0024] 利用上述具有自动调速装置的风力发电设备进行发电的过程是：风力发电设备工作中，叶轮1受风载驱动旋转，将风能转换成叶轮1旋转的机械能，叶轮1通过主轴2连接增速齿轮箱3，通过增速齿轮箱3驱动变量泵41工作，从而将机械能转换成液压能，变量泵41将被加压的工作液体通过液压回路输送到定量马达42，定量马达42将液压能转换成动能，并驱动发电机5发电，将动能转换成电能，实现最终的能量转换，即风能转换为电能；上述发电过程中，自动调速装置40中的测速单元43实时监测并反馈定量马达42的输出转速，通过控制单元44控制电液比例变量机构412相应动作，调整变量泵41的变量柱塞的位置，进而调节变量泵41的输出流量，使液压泵411在变速风载的作用下得到稳定的输出流量，驱动定量马达42稳定恒速运转，使发电机5恒定运行，从而得到频率恒定的电流。在发电系统的工作过程中如果液压回路中的压力过高，超过了安全阀46所设定的最高工作压力，则安全阀46自动溢流，以保证液压回路中各设备的安全。

[0025] 本发明中，由于控制单元44是通过测速单元43和电液比例变量机构412实现风力发电机组整机系统闭环控制，从而提高了系统控制的可靠性和操作的简便性，提高电流稳定性，最终得到的电流可以直接并网或者供用电器使用。

[0026] 经仿真验证，本发明系统动态性能好，速度控制效果良好，结构简单控制方便，可靠性和互换性好，有效地保证了在变速风载的作用下得到相对稳定的电机转速，实现发电机高效运行，同时也提高了电流的稳定性。

[0027] 尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

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