CN1880756A - 自由发电定频稳压输出的风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种自由发电定频稳压输出的风力发电机。它由充气风叶的风轮，输入输出轴互相垂直的升速器，两立式而轴串速的发电机，在启动风速和切除风速之间不对发电机的电压频率，功率限制的，并能定频稳压输往电网的风力发电机，偏航系统采用直线电机推转的方式，发电机安稳地固在其室内，发电机室(塔桶)固定在塔架上，无须停机解决电缆缠绕问题。塔架下部安装有逆变器串和升压输送电力的变压器，从而形成风力带动风轮转动，风轮带动齿箱将速度升到发电机同步转速，发出电力送入三相桥式整流器，整流后，直流又送入逆变器串，逆变后的50H交流对应送到变压器，变压器二次保持稳定电压，并送入电网。发电机启动风速和切除风速段内，自由运行，不受限制，其输出高出之电压，分段逆变输进变压器对应的绕组，不再浪费风力能源。

Description

自由发电定频稳压输出的风力发电机

技术领域  本发明专利涉及的是自由发电稳压定频输出的风力发电机。

背景技术  风能的利用已有数千年历史，至少在三千年前的商代，便就有了帆船，唐代“乘风破浪今有时，直挂风帆济沧海”的诗句是风能利用的真实写照，是对风能利用的崇尚，赞美和自豪。除了“风帆行舟”之外，还有提水灌溉，碾米磨粉等等，至从蒸气机的出现，世界开始工业化之后，人们为了追求速度和便捷，对风能的利用和研究没有先前的热情和投入，转而大规模使用一次性的矿物燃烧能源。随着矿业能源渐近枯竭，以及人类逐步认识到大规模使用燃烧能源对人类赖以生存的地球环境的危害是对人类自身生存的挑战。人们为了持续长足的发展与生存，不得不重操旧业，再度热中于洁净的风力能源。有专家估计，开发利用总的风能的1％，已足够世界能源所需。随着我国现代化的进程加快，眼前已出现能源供不应求。据专家按现有发展速度及能源开发进展情况，预计20年后，其能源缺口在所需能源的50％左右，为此，开避新的电力能源领域是必须认真对待的当务之急。风力能源是洁净的再生能源，取之不尽用之不竭，被选为新的能源，首当其冲。上个世纪80年代，世界先进国家的定浆距风力发电机组投入商业应用，90年代变浆距风力发电机问世，随后定浆距变速、变浆距变速、同步风力发电机相继问世，但这些发电机的技术仍在逐步提高，到目前为止仍还有不少方面不尽人意，仍然存在以下几个方面的问题和缺憾：

1、升速器和发电机同时挤在一密闭的铁壳内极不利于电器及转动的零部件的散热，影响机组的效能的发挥，必须增加一套制冷冷却系统，帮助散热方能满足其正常运行；

2、发电机随偏航系统一同转动，必须设置一套电缆缠绕情况的监视系统，电缆缠绕到一定程度，必须停机整理电缆，否则将会出现事故，而被迫停机；

3、其变速发电，同一发电机上两种不同磁极对数的绕组所形成的大小两种功率的发电机，功率偏差太大，不利于过渡切换，低风速时，风能利用低；

4、基于一定要维持输变电变压器一次的标准值电压，保持发电机的频率、功率、电压的恒定，束缚限制了获取风能的能力，而人为地丢弃一定程度的即刻到手的风力能源；

5、为了维持发电机的定频、恒功率，稳压输出，采用增加变浆距，或扰流器风叶等机械装置，不但限制了能源的获取，还增加控制系统的复杂性；

6、抗击湍流振动对风机产生疲劳寿命伤害能力差，其原因是齿箱、发电机固定在转动圆盘上，其本身就是振源，加之湍流作用易引起振动；

7、叶片采用刚性复合材料质量大，其液压变浆距装置加工难度大，叶片长，表面要求高，怕碰损、运输、安装困难且价高，整套风轮占总投入的20％-30％，不利于大功率风机的开发及风机的成本下降。从而影响风力发电的推广应用。

发明内容  本发明的目的在于克服上述诸多缺憾，提供一种自由发电稳压定频输出的风力发电机组。如图1所示由风轮、升速器、偏航系统、发电系统、输变电系统、发电室、塔架、监视控制系统、刹车系统构成的发电机组，其特征在于，风轮的风叶采用较软的复合材料外壳，内充入高压气体的方案，升速器采用两级行星，一级伞齿轮调向，使输入输出轴互相垂直的方式，偏航系统采用直线电机推动方式，发电系统采用两台变速发电机立式布置，其轴串联运行，发电时对发电机输出电压、频率、功率不作任何限制，任其自由运行，只想方设法保证机组工作在最佳状态，发电机装于发电室内，发电室装于塔架顶上。上部安装大发电机，中部安装小发电机，下部安装发电监视控制柜、整流器柜、发电室与塔架由数枚螺栓紧固，塔架底部安装逆变器和电力变压器，下面就各系统分别阐述如下：

风轮，风轮是由风叶、封口、汽泵、轮毂、卡环法兰组成，风叶是由高强度复合材料的帘布与橡胶经一定温度硫化，按照设计好的规格尺寸在高压力模具中产生，与汽车轮胎功能相似的，其内有互相隔开的气室，经卡环法兰封口与轮毂紧压在一起时，各分开的气室内可分别充入高压气体，使叶片强度增加，其强度由式：δ＝∑S_hP+δ_K·S_K……(1)，δ——叶片强度，P——充气压力，δ_K——选用材料许用应力，∑S_h——气室截面积之和，S_K——壳胎截面积，由此可以看出，由气体压力P与该受力截面∑S_h的乘积与壳胎材料的强度及其截面积的乘积的和构成强硬的整体，以抗击F＝1/2ρCrSV²……(2)所形成的最大破坏力：F——叶片最大受力，ρ——空气密度，Cr——总的气动系数，S——叶片投影到旋转面的面积，等于平均弦长×浆叶长度，V——最大的风速，设计计算时风速一般按50年一遇的灾害风力，其值根据地区不同，取值不同，有取60m/s，也有取70m/s。现有技术是由复合材料制成的梁，然后外缚簿复合材料板，其内充填木材或塑料，成为叶片，充填物只起到簿壳不被强风作用下变型的作用，而对整体强度，它起的作用甚微，相反，它增大了叶轮的质量，大的转动惯量占用一定的风能效率。而空气的质量较现有充填物质量要小得多，其增加的强度取决于空气压力，较充填木材及其它材料的强度要大的多。

升速器，如图所示是在原两级行星轴和一级平行轴园柱齿轮转动齿轮箱的基础上改进而成的，是将原来末级输出的圆柱齿轮改为锥形伞齿轮，为了整机的平衡，保持风轮、齿箱的重心位于三组底脚固定螺栓为顶点的三角形内，并尽量靠近中心，以保持风机的运行平衡，而增加一级平行轴圆柱齿轮做为最后一级的输出轴，虽然效率有所下降，但却可产生意想不到的有益效果。其一，增大速比范围，有利于大功率风力机的应用。其二，发电机可以牢固的固定在塔架上，只要保证输出轴轴心，发电机轴心和塔桶中心在一条直线上，则风轮、齿箱在偏航系统的推动下，将围绕发电机轴心转动，将省去一套电缆监视系统，不再为电缆缠绕问题而烦心，减少因电缆经常移动形成的疲劳损坏而造成的停机事故，不会再出现正在发电时，必须停机整理电缆的不应出现的耽误发电时间的事情。其三，齿箱和发电机可从密闭的铁壳中解放出来，各自的散热将得到大大改善，齿箱只需从底部高速齿轮附近的热油泵入上部的油箱中冷却，然后靠自重，注入齿箱淋洒在上部轴承或齿轮上即可，发电机无须再选密闭式，采用开放式，依靠塔架桶形成的烟窗效应形成风流，吹去发电时所产生的热量足矣。省去复杂的制冷系统，齿箱、发电机从密室内解放出来也方便了机组的维护与检修。由于减少的密室及发电机重量，有利于偏航系统的启动和刹车。其四，由于发电机能得益于安稳地固在塔桶中，免遭因湍流而形成的振动之苦，齿箱底脚增设硬质胶垫，再加上风轮叶片是软复合材料内充气体对湍流产生的振动将起到缓冲作用，将会使机组整体振动有所下降，从而延长机组的使用寿命。其不足之处，伞齿轮转动效率低于圆柱齿轮，现有技术中，小伞齿轮一般为单端出轴，其受力状况近似悬壁梁。为此小伞齿轮易损坏，本方案将小伞齿轮也两端出轴并有轴承支承，可改变其悬臂梁似的受力状态，但由于小伞齿轮齿数远小于大伞齿轮齿数，易受磨损，为此，将其视为易损件，并设计方便更换的结构。便于一定时日更换。齿箱上设有冷却油箱，和微型油泵、泵、油箱、齿箱由油管连接，中间有电磁阀门控制，以保证该冷却时冷却，不该冷却的就停止冷却。偏航系统系统采用环型平面滑动，采用直线电机推动转盘，承载风轮齿箱的转盘在固定环型面上滑动，固定盘固定在发电机室柱桶的顶端，它们滑动接触面表面光洁度较高，并设有注入润滑油处，固定盘有外卡和内卡两道关卡，使其在最大风力作用下仍被限制在固定盘上，省去了现有技术中的大型轴承，大小齿圈及两套旋转电机及其减速齿箱，环型平面滑动转动虽然其磨擦系数略大于滚动轴承，但平面接触的偏航系统对停止偏航后的发电时机组稳定将起到很好的作用，一般的风速可不用带刹车也能稳定的工作，偏航的启动虽然因磨擦系数略大于采用滚动轴承而增加了推力，但偏航的工作毕竟是有限的，更主要是本方案和现有技术比较，将大大减少机械加工量，从而较大地减少初期投入，降低风电成本。直线电机做为推动装置减化了装置机构，保证了机构的可靠性，并可做到运行无接触，机械零件无磨损，工作可靠无噪音，减少维修量，直线电机结构简单，特别是次级，有时可利用设备本身部分，散热条件好，初级铁芯嵌线后可用环氧树脂密封成为一整体，免遭有害气体及潮温的侵害。当然直线电机也有不尽人意的地方，由于初级线圈两端开断，将产生纵向的边缘效应，从而使其效率和功率因数低，还由于其电磁气隙与节距的比值较大，通常所需磁化电流也较大，但从整体考虑，由于中间省去一整套传动系统，因此整体效率并不比旋转电机的效率低。直线电机的另一不足之处乃是对电源电压的波动较为敏感，往往有比较恒定的启动推力，因此需要电源电压相应的稳定。由于本方案直线电机使用于电源的始端，其电压质量是不成问题的。

自由发电系统：两发电机立式安装，两轴通过液压连轴接串联联接，该连轴接能控制投入运行和停运。发电输出采用磁力开关送入三相桥式电力整流器。其输出直流做为串联的多组三相逆变器的直流电源。各台逆变器输出通过滤波电感线圈、交流接触器触头送入升压变压器对应的绕组，变压器二次进入电网。每台发电机有自己的一套系统，该发电机组随风速的变化，将有小小(指小发电机中的低速发电机)、大小(指大发电机低速发电机)，小小与大小联合。小大(指小发电机中高速发电机)、大大(指大发电机中高速发电机)，小大与大大联合及小大与大大在20％过载范围内只准一定时间的运行七种运行发电方式。它们在启动风速到切除风速的整个时间内，对发电机的频率、电压及输出动率不做任何限制，任其自由发电，监测控制系统跟踪输出电压、电网电压、风速、风轮转速后输入计算机进行程序计算比较，然后做出运行方式的调整选择，以适于风机工作于亚佳和最佳状态，从而获得最大的风力能源。我们已经知道定浆距风力发电机租的浆叶节距角和额定转速都是固定不变的。这一限制，使得风力发电机组的功率曲线上只有一点具有最大功率系数(见图5)这一点对应于某一叶尖速比，当风速变化时，功率系数也随之改变，而要在变化的风速下保持最大功率系数，必须保持转速与风速之比不变，也就是说风力发电机转速要能够随风速变化。现有技术是靠调整浆距限制风轮速度，为此将丢失风能，本方案采取是在风轮进入失速时对机组风轮加入负载的办法使风轮转速下降从而退出失速。对于同样直径的风轮驱动的风力发电机组，其发电机额定转速可以有很大变化，而额定转速较低的发电机在低风速时具有较高的功率系数，额定转速较高的发电机在高风速时具有较高的功率系数，这就是利用双速发电机的根据，但是额定转速并不是按额定风速时具有的最大功率系数设定的。因风力机组和一般发电机组不一样，并不是经常运行在额定风速上，并且功率与风速的3次方成正比，只要风速超过额定风速，功率就会显著上升，这对于定浆距风力发电机来说是无法控制的，事实上定浆距风力发电机组在风速达到额定风速之前就已开始失速了，到额定风速时功率系数已相当小，然而现有技术采用单一的双速发电机，因低速电机和高速电机的功率输出差异大，从小电机过渡到大电机，或从大电机过渡到小电机的过渡过程太陡，切除转换比较麻烦，获取最佳功率系数不尽理想，仍有相当程度的能源丢失，为此才采取两双速发电机进行发电过程的功率调整，可以较好地改变现有技术的缺陷，使机组工作在亚佳和最佳状态，基本上在较大的功率系数下运行。从而获得较多的风力电能源。由于我们不对发电机采取任何限制，任其自由运行，可我们发出之电能又必须送入电网，而电网对入网条件又那么苛刻，即要让自己发电机充分自由发挥其最大能力，又要遵守公众的电网苛刻的准入条件，为此必须认真解决这一对立的矛盾，而这一矛盾的解决只有依靠发电与电网之间的输变电系统来解决了。

定频稳压输变电系统，500KV的超高压直流供电，然后经过电力逆变器将直流逆变为50赫交流并入电网已是成熟的技术，为此本发明案也采取将发电机输出的的风力电能经过三相桥式整流后，经过逆变器逆变成50赫正弦交流电，输送到变压器，变压器再送往电网，由于逆变器的触发装置已有成熟技术可直接采用，本方案不再述及其原理图上也未给出，特说明之。而我们要进入也必须遵守即定的准入规则，其准入规则最重要的两条：1、是交流的频率必须和电网频率一致。2、是电压必须保持和电网在一定范围内的稳定，否则将会使电网受到损坏。或者本发电机组受到破坏，至于输出功率吗？我们把电网看成是无穷大的电流场，随时都会有电能进入和输出，为此没有必要规定一定输入恒定功率的电能，因为风能转换成电能，其风能本身就是一个变数，是自然界里变化无穷的一个量，为此逆变后的正弦交流电只要满足频率和电压的要求(还有相序和相位，但因相序相位是死的东西是常识，只要绕组首尾不错相位是不会错的)，就可进入电网了，至于输出功率，功率是电压与电流的乘积，如果限定的电压，那么输出电流便就成了变数了，它的大小反映的是供电能力的大小，根据欧姆定律，在电路中，电流又和电压成正比例关系，为此我们的发明方案采取将发电机输出的交流经整流后的直流，做为主逆变器和辅助逆变器总的电源，主逆变器输出电压做为输出的基准电压，然后将其高出基准电压的部分，经辅助逆变器逆变后分段加入变压器的对应绕组上，够哪个位，就送入那个绕组上，这样在输送变压器二次进入电网的电压始终保持一不变的电压值(电网波动除外)，加上去只是变压器的输送电能力的增加，其频率已有逆变器限定，为此其电压和频率是不变的，这样即满足了入电网条件，又能把风机发出的多余电力随时送入电网，并能保证电网和机组安全运行。这里必须强调的几点，特别注重的是以发电机发电的最小输出电压Vmin做为基准电压，我们定为这个电压进入变压器其二次感应电压恰是电网额定电压，再一个就是机组所能发生最高极限电压，最高极限电压以附号Vmax，再一个必须清楚变压器的每匝上的电压，称为Uza，这三个参数是分段输送电的主要依据，其段数n＝(Umax-Umin)/Uza…(3)，根据n值确定串联逆变器数，如果n≤3，则选三组逆变器，即为Ue、10％Ue、20％Ue；如果n≤6，则选Ue、10％Ue、20％Ue、30％Ue；如果n≤11，则选Ue、10％Ue、20％Ue、30％Ue、50％Ue；如果n≤18，则选Ue、10％Ue、20％Ue、30％Ue、50％Ue、70％Ue；如果n≤27，则选Ue、10％Ue、20％Ue、30％Ue、50％Ue、70％Ue、90％Ue。n值再增大必须再增加，逆变器数，有多少组逆变器，输送变压器就应有对应的绕组，考虑逆变器可能造成互相干扰，其对应变压器上的绕组应是独立的。10％Ue的值应该是变压器整数匝上的电压值，即为Uza整数倍数值，各逆变器输出经整形滤高次谐波的电感线圈到三相交流接触器触头，交流接触器另一组触头接对应的变压器绕组，交流接触器的常闭触头接逆变器的电源两端，当发电机的输出端电压升高了10％Ue，根据监测系统提供控制系统指定10％Ue逆变器的交流接触器送电时，交流接触器吸合，一边将逆变器输出端与对应变压器10％Ue绕组接通，同时其常闭触头断开，使该逆受器获得直流电源而开始运作，当发电电压继续升高达到高于Ue 20％Ue，则20％Ue逆变器投入，10％Ue逆变器则退出电网，如果主逆变输出电压继续保持在正常范围，就在此种情况下运行，如果发电电压继续升高，超过30％Ue，投入30％Ue逆变，退出20％Ue，如果电压再高于40％Ue，10％Ue再投入，再继续高于40％Ue，退出10％Ue，投入20％Ue，再继续高出50％Ue，退出20％Ue，投入10％Ue，总之是随着发电机发电电压的变化而跟随相应的投入退出，始终保持变压器输进电网的电压稳定在规定范围，辅助逆变器不管增加投入多少，总的发电输出电压却不会改变，改变的是发电机组提供给电网的供电能力，也就是提供电流的增加或减少，不管发电机在何时增加或减少，只要在极限范围之内，本输变电系统都能安全稳妥地将电力输送到电网上，不会再丢失掉，设置那么多辅助逆变器，但真正工作的大概只有2到3组，待所有逆变器都投入运行时发电机组已接近全部退出的时候了。全部逆变器投入的运行最高设计为40分钟，也就是两发电的大电机联合运行并在超载20％额定功率内的时间，风力发电规范，规定发电机超载20％运行不能超过1小时，而我们设定为40分钟是尚有安全余地。按上述调整方法也可跟随电网电压，进行调解当电网电压下降，逆变输送电系统跟随做出反应，和电网保持一致。为此其高出额定的电力，可用来填充电网低谷，有百利而无一害。比采取措施丢掉要划算的多。

塔架：其上部为柱桶型的发电室，下部为锥桶型，底部留有进风口门，如果机组设在陆地其进风口留于底部，如果塔架在水中，可从底部进风口于一能够容下人出入的管连接，管伸出水面，高于风浪不能够侵扰的高度，塔架可用钢桶形分段连接，大型机组可采用钢筋混凝土结构，下部必须留有进风口，最上可为塔架发电室合用，上部装大发电机，中部装小发电机，下部装整流及控制柜，塔内壁上设登塔达登及肤手和护身，大型机组，可设微型电梯以供检修人员上下使用，塔架底部装逆变器和电力升压变压器。

刹车系统：风力发电机，刹车装置已有成熟技术，本发明方案没有新颖方式提出，仍采用成熟的现有技术，只是由于在叶轮、齿箱等方面的采用新技术从而减少了转动部分的转动惯量刹车负载减轻了，同时由于本发明方案不再采用变浆距和扰流器系统，为此该系统内基本不再采用液压机械系统，为此偏航和叶轮的刹车，最好选用电磁刹车系统，如果电磁刹车难于满足刹车力矩要求，非选液压不可，可只增加油泵阀门，其油箱可用齿箱上的油箱，风轮刹车设两处，低速端在齿箱对轮上，在转盘上生根，高速端在大电机液压连轴接上端，偏航系统的刹车两处分设在两直线电机的两端夹缝处。生根于桶壁，刹车接触为直线电机二次圆桶内壁。两刹车装置中线穿过圆柱圆心，以保持圆桶受力均衡平稳。

控制系统：本发明方案虽然在叶轮、齿箱、偏航、发电、变送电方面都有新技术提出，但这些技术的提出非但没有增加控制系统的难度，相反还简化了风力发电的控制系统，因为整个启动风速到切除风速的区间内，对风机的状态始终是放任自由，不作限制，只是对风向、风速、发电电压、逆变电压、输出电压、电网电压及转速的跟踪。把这些信息输入计算机中进行程序化计算对比，得出相应的反应，随风速变化而变化以满足风机时时都运行在亚佳和最佳状态，从而获取较大的风力能源，由于丢掉对风叶角度的跟踪控制，从而使风机控制实际上简化了许多，从长远的观点，如果将来开发特大型发电机，则可将叶轮内的三个气室延中线隔开形成6个气室，通过对风叶运行状况的监视，然后通过气泵和电磁阀，对风叶外型前端，厚度，弯曲度等进行些微的改变，以使风叶在任何时间都运行在最佳功率系数中，从而更大地获取风能。

转动部分上的电源是靠直线电机上面的滑环提供，叶轮上的电源是由齿箱尾部滑环提供，可以想象该机组投运后的壮观场面，任何闪电雷鸣，都会从叶片两边导体上乘乘进入大地，在极限范围内的风速时风机将自如发挥，不漏掉能源，遇到无法抗拒的风力，会赶紧退出，以保全自身。三颗红灯在数米高空中漫条斯理地划着圆圈，告知飞机、轮航驾驶员远离我身，因为从我身上流淌着为家园送去的人们渴望已久的洁净的风力能源。

附图说明  图1为自由发电定频稳压输出的风力发电机图，图2为齿箱视剖图，图3定频稳压变送电电路原理图，图4功率系数与叶尖速比λ关系图，图5定浆距风力发电机的功率曲线与功率系数曲线图。

具体实施  图1中，1叶轮，2、齿箱(升速器)，3、大发电机，4、小发电机，5、液压连轴接，6、转盘，7、固定盘，8、外卡盘，9、内卡环，10、送电滑环，11、直线电机1次，12、直线电机2次，13、供电滑环炭刷架，14、供给叶轮用电滑环，15、齿箱油散热冷却微形油泵，16、整流柜，17、控制柜，18、逆变柜，19、送电变压器，20、塔架，21、发电室(塔桶)，22、冷却油箱，23、进风口，24、小发电机挡风板，25、大发电机通风管。大伞齿轮26。小伞齿轮27。输出轴28。

叶轮1与齿箱2的低速端对轮连接。叶轮是由壳胎、封口、气泵、轮毂、卡环法兰通过数枚螺栓紧固在一起，并形成壳胎内能互相独立注入气体的气室，齿箱2的上部安装着油箱22，22与2之间设置有微型油泵15，其作用是将齿箱内升温的润滑油从最下端高速轴承处抽出，送入油箱22冷却，然后靠自重淋洒在上部齿轮或轴上，齿箱2的尾部置有提供叶轮电源的滑环，为气泵、电磁阀及航标指示灯提供电源，齿箱2的输出轴上装有刹车盘和连接大发电机3的液压连轴接5，5的另一端连接发电机3的轴，发电机3的轴，必须有承受两台发电机最大输出功率的能力，发电机3的大轴的尾端安有与5类似但功率不同的液压联轴接，该液压联轴接另一端联接小发电机4，3和4底脚由紧固螺栓固定在横梁钢板与发电室桶壁形成的各自室间内，其地脚与铁板间有硬质胶垫，以做为舜间冲击的缓冲。梁上面的铁板，留有通气孔，从小发电机室的边孔中，用气管将下部冷风引入大发电机下部，使大发电机线圈和铁芯得到充分冷却，小发电机的出风口处置一挡风板，将小发电机的热风逼着，从大发电机室的边孔中排出，防止小发电机热风增加大发电机温度。齿箱2的底脚通过硬胶垫，与转盘6紧固在一起，6座落在固定盘7上，外面与卡环8由数枚螺栓坚固，卡环可分段拼接，以便于检修更换，卡环与固定盘留有一定间隙，内壁嵌有青钢板，靠更换其板达到6、7、8之间有合适的间隙，以利于偏航系统的转动灵活，又牢固可靠，6、7、8的接触面要求较高的表面光法度和一定的润滑度。6的下部装有内卡环9，9为复合材料与环氧树脂在模具中挤压而成，要有一定的强度，绝缘性和不导磁，9的断面成T形，伸向桶壁一支起到控制转盘的作用，9与桶壁21有密封圈，起到阻隔润滑物外溢作用，9的下部安装直线电机的二次侧12，12是铝钢复合板，铝处外径面内卡环9的靠桶壁一面装有导电环10，10与滑环13配合，为转动部分提供三相交流电源，12与21之间安装直线电机11，11固定在21上，小发电机4的下部为电气室，其内安装控制柜16，和整流柜17，其下钢板均留有通风孔，以供散热冷却。发电室21，以数枚螺栓坚固在塔架20的顶端，20的下部安装两台发电机的逆变柜18和升压变压器19将发电机所发电力送入电网，直线电机推进速度应能满足偏航系统的低速要求，如果采取最大允许节距仍无法满足低速要求，则可采取大电流等间隔时间的间隙供电方式解决。

下面以1000KW和600KW两台发电机组成的风力发电机组为例的具体实施中功率调整及定频稳压输出输变电的全过程叙述如下：

假定：启动风速为2.5m/s，切除风速为28m/s，调压段数n＝11，逆变器设置Ue，10％Ue，20％Ue，30％Ue，50％Ue共5组，大发电机额中的高速发电机为4级，额定功率为1000KW，大电机中的低速发电机为6级，额定功率为200KW，小发电机中高速发电机为4级，额定功率600KW，小发电机中低速发电机为6级，额定功率为150KW。

当风速规定时间内，持续达到2.5m/s，偏航系统启动，将风轮对准风向传感器提供的方向。两级液压连轴接注油，叶轮高低速两级刹车松开，叶轮开始旋转，当转速达到150KW发电机能输出最低输出电压时，150KW输出投入电网。随着风速的增加，风轮转速增加，当测得，风速继续增大，而转速不再增加，或略有下降，则说明，风叶已进入失速。则投入200KW发电机，150KW退出发电，之后若叶轮转速开始上升，且200KW发电机也能输出最低电压，则就此状态继续运行，如果200KW发电上来后，叶轮转速开始上升，则说明风叶已退出失速，维持状态运行，当风速继续上升，风叶又进入失速，保持200KW发电机运行情况下，投入150KW机组，也就是此时机组在350KW功率下运行，风速继续增大，叶轮又进入失速，200KW，150KW同时退出电网，待风轮速度达到4级发电机亚同步速度时，投600KW发电机，同样道理会出现，600KW单独运行，1000KW单独运行，1600KW运行，1920KW运行(准其运行40分钟)，我们设定，当风速达到26或27m/s，偏航系统启动，将风轮向0发电角度推进，等待时机，如果风速继续增大，达到切除风速，则监控系统指令叶片尾室放气，则叶片尾部在风力作用使叶片尾部形成扰流板，使风轮速度急速下降，然后两级刹车同时下闸，使风轮停转，偏航系统将叶轮推至0发电角度，当风速在26m/s-27m/s持续一段时间后开始下降，风轮将重新回到最佳迎风角度继续运行。一般情况下遇到切除风速是不多的，一年中最多也只是几次热带风暴来临如此，风速从高速下降到低风速，则刚好反过来，只是在经过切除风速侵扰之后，再次启动风机，必须先对叶片尾室充入高压气体。当4级发电机发电向6级发电机过渡时则要先下闸，使风速下降到接近6级发电机允许风速时，才能投入6级发电。应尽量避免放尾室内的气。

当发电机输出电压，经过整流的直流升高到逆电器逆变后的50赫交流的电高出电网的电压10％时，也就是电压1超过到10％Ue(Ue定义为能使逆变器输出达到能使变器2次输出电网额定电压的电压)，则10％Ue逆变器投入运行，其输出进入电网，当发电电压外高高出20％Ue时，20％Ue投入，10％Ue逆变退出，其调压运行全过程为：Ue：Ue+10％Ue、Ue+20％Ue、Ue+30％Ue、Ue+10％Ue+30％Ue、Ue+20％Ue+30％Ue、Ue+10％Ue+50％Ue、Ue+20％Ue+50％Ue、Ue+30％Ue+50％Ue、Ue+10％Ue+30％Ue+50％Ue、Ue+20％Ue+30％Ue+50％Ue、Ue+10％Ue+20％Ue+30％Ue+50％Ue，当所有逆变器全部投入，也就是整个风机快要全部下网了，最多只能运行40分钟，全部投入实际上是1920KW工作的最后40分钟，发电电压的下降反过来依次减去逆变器进行调整。

Claims (10)

1、一种自由发电定频稳压输出的风力发电机，其特征在于：包括带有充气叶片的风轮，输入输出轴相互垂直的升速齿箱，两立式其轴串连的发电机，三相桥式整流器直流，电源串联的逆变器，升压变压器，直线电机推动的偏航系统，发电室，塔架构成。

2、根据权力要求1所述自由发电定频稳压输出的风力发电机，其特征在于带有充气叶片的风轮由壳胎、封口、气泵、轮毂构成。

3、根据权力要求1所述，自由发电定频稳压输出的风力发电机，其特征在于：输入输出轴互相垂直的升速齿箱的输入轴的对轮与叶轮相联，齿箱固定在转盘上。

4、根据权力要求1所述，自由发电定频稳压输出的风力发电机其特征在于：其三相桥式整流器的三相交流电源来自于风力发电机，直流输出供给逆变器。

5、根据权力要求1所述，自由发电定频稳压输出的风力发电机，其特征在于两立式其轴串连的发电机与齿箱的输出轴通过液压连轴接相连。

6、根据权力要求1所述，自由发电定频稳压输出的风力发电机，其特征在于：有主逆变器和多个辅助逆变器直流电源侧串联构成的逆变器组，其电源接于发电机输出经整流滤波后的直流电源上，逆变器输出50H正弦交流电经电感线圈由交流接触器触头接到升压变压器对应的绕组上。

7、根据权力要求1所述，自由发电定频稳压输出的风力发电机，其特征在于：升压变压器上有多组绕组，各绕组上对应于各逆变器上输出的压值相连接，二次变压与电网电压相等并输往电网。

8、根据权力要求1所述，自由发电定频稳压输出的风力发电机，其特征在于：直线电机推动的编航系统，由转盘、固定盘、外卡环、内卡环、直线电机一次，直线电机二次构成。

9、根据权力要求1所述，自由发电定频稳压输出的风力发电机其特征在于：发电机室为柱桶型，其桶上部固定固定盘，发电机室座落在塔架上。

10、根据权力要求1所述，自由发电定频稳压输出的风力发电机，其特征在于：塔架为锥桶型，上部与发电机室紧固在一起。

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