一种1.5MW半直驱风力发电机组
作者：丁长文
来源：《科技创新导报》2011年第33期
摘要:本文对1.5MW半直驱风力发电机组技术进行说明。
关键词:半直驱风力发电机组
中图分类号:TM315 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)11(c)-0062-01
1.5MW半直驱式变速恒频风力发电机组,是我公司自主研制的产品,机组设计基于半直驱技术,采用水平轴、三叶片、上风向、变桨变速调节、中低速永磁同步发电机及全功率变频并网的总体设计方案。
半直驱式变速恒频风电机组是近年来发展起来的机型,它结合了直驱式风电机组和双馈式风电机组的优点,技术先进,可靠性高,性能优越。
1 机组各部分组成和功能
1.1 叶轮系统
该系统主要由轮毂、变桨轴承、叶片、变桨驱动、控制系统及整流罩等组成。
轮毂是叶轮的主要承载零件,采用耐低温球墨铸铁铸造,轮毂总体形状为截球形;叶轮包括3片叶片,叶片由树脂增强玻璃钢制造。
轮毂外面有复合材料整流罩进行防护,整流罩上设计制作了踏板,维修人员通过整流罩和机舱罩通道借助踏板,将很方便的进入轮毂内部,对叶轮系统进行维护和保养。
1.2 齿轮箱
增速箱为一级行星齿轮箱,采用前后法兰连接形式;结构简单、传动效率高;增速箱上设置了温度传感器、加热器和压力传感器等,由主控实时监控其运行状况。
主要技术参数如下:
增速比:1:7.5;额定输出转速:150rpm;额定功率:1650kW;效率:≥0.98。
1.3 发电机
发电机采用低速永磁同步发电机,内转子结构,后轴伸出端安装刹车盘,低速发电机输出的电能全部功率通过变频器。
主要技术参数如下:
额定输出功率:1650Kw;额定频率:40 Hz;转速范围:40～160r/min 额定转速:150r/min;防护等级:IP54;绝缘等级:H;冷却方式:水冷;轴承润滑方式:自动加注润滑脂;额定功率时效率:≥0.97。
1.4 偏航系统
系统主要由偏航轴承、偏航驱动器、制动器主动式刹车装置、制动盘、风向仪自动除冰装置和扭转传感器组成。
偏航系统是风力发电机主动对风执行者,在机舱顶部的风向仪不断测量风向,当风向改变需要对风时,偏航液压刹车制动器松开,4台四级减速的偏航驱动器启动,旋转风机对正风向。
1.5 主控系统
主控系统的主要功能有:机组的正常运行控制、起停控制、最大功率跟踪控制、发电机转速控制、自动调整叶片角度、自动偏航及解缆、安全保护、集中及远程监控等控制功能。
系统采用国际上成熟的MITA WP4000控制系统,WP4000是为风力发电专门设计的嵌入式控制器,属于MITA第六代风机控制系统。
WP4000属于风力发电专用控制系统,具有以下特点:高度模块化设计;基于硬件的冗余设计;开放式结构、便于扩展;方便快捷的安装、配置方式(即插即用);可利用率高;模块之间内部采用1M CAN BUS,骨干网采用100M以太网光纤,有第三方总线兼容功能;具有较高的可靠性,性价比,市场接受度高,服务方便。
1.6 变频系统
变流器的核心是具有国际领先水平的高性能的液冷四象限工业变频器系统,电力变流器前后端均装有优化设计的滤波器,发电机侧的整流器优化转距及负载输出需求从而控制发电机,网侧的逆变器将生产出的能源转变为稳定、高质量的50HZ交流电,输入电网。
整流器和逆变器的功率因数可以根据发电机负载需求和网侧无功补偿需求而优化调整。
该变流器是模块化的高性能产品,专为满足联网用变速发电机而设计,内有功率部件、控制单元、保护及通讯设备等。
主要技术参数如下:
额定输出功率:1500Kw;额定频率:50±0.1Hz;最大频率波动:±0.5Hz(少于1小时);
功率因数:0.9-1(可调,容性或感性)。
1.7 机舱罩
使用玻璃纤维增强聚酯复合材料制造,机舱罩由上、下三件组合而成,便于生产制造、运输和安装,外面是防腐表面,设计充分考虑密封和换气、防沙尘和寒冷以及气动力学因素和工业造型美学因素。
1.8 冷却系统
用于发电机和变频器的冷却工作,分为两部分独立工作,水冷系统用PLC作为中央控制单元,自带人机界面,自主控制运行与故障诊断,与机组主控系统之间通过数字IO节点信号交换数据,接收主控的运行停止指令,并向主控系统报告运行状态和故障。
1.9 液压系统
液压系统主要为偏航制动器和发电机制动器提供动力。
主要技术参数如下:
油泵电机功率:0.6kW;油泵电机电压:690V;最大工作压力;160bar
1.10 塔筒
塔筒为锥筒结构,采用抗低温材质焊接而成,能够承受-40℃严寒的考验。
塔筒由三段构成,内设四层平台。
1.11 刹车系统
控制系统控制桨叶变浆距作为空气动力刹车,刹车具有三种模式:正常停机、快速停机、紧急停机。
为提高安全性和防止意外,风机在叶轮和增速箱之间设置机械制动锁,可在检修时锁住叶轮。
在电机制动端设置液压驱动主动制动闸。
2 机组主要技术特点
半直驱式变速恒频风电机组是近年来发展起来的机型,主要有以下技术特点:
2.1 可靠性高
1.5MW半直驱式变速恒频风力发电机组,传动链结构采用完全创新设计形式,即不同于双馈机组,也不同于直驱机组,它采用了相对可靠的一级行星齿轮箱和适当的增速比,与永磁同步发电机构成发电单元。
2.2 风能利用率高
传动效率损失少;调速范围宽可以保证风机更多得运行在最佳叶尖速比,所以,风能利用率也可提高。
2.3 电能品质优越
半直驱机组全功率变频并网,并网时功率输出平滑;功率因数可达到1并可根据电网需要任意调节;根据电网需要,即能输出有功功率,又能提供无功功率,对电网进行补偿,对电网没有冲击;
具有“低电压穿越”(LVRT)的功能。
在电网短时间电压跌落的情况下,风机不出现脱网解列并向电网输送无功以维持电网电压。
2.4 技术应用发展前景好
由于半直驱机组创新采用现代集成技术,它将风电机组中的齿轮箱和发电机进行优化配置,在该技术机组中,首先选用一个标准的中低速永磁发电机,将发电机的转速尽可能降低,降低到可允许的最低限,然后配置一个一级行星传动齿轮箱,最终使二者结构尺寸完美匹配,传动参数完全吻合。
这种组合既充分利用现有发电机的稳定、可靠的良好品质,又大幅度降低风电机组中运动部件的转速,大大提高机组的运行可靠性。
更主要的是这种创新优化配置,大大降低了机组的整体重量,不但大幅度减少制造、运输、吊装成本,而且,还会大幅度减少塔筒、基础的载荷,降低其制造成本。
因此,应用此技术开发大型或超大型机组将具有良好的发展前景。
参考文献
[1] 机械设计手册联合编写组编.机械设计手册(第1-5卷).化学工业出版社 2002年.
[2] 邱宣怀主编.机械设计.高等教育出版社,1992年.
[3] 风力发电机组装配和安装规范.中国国家标准化管理委员会,2004年.。