[发明专利]12MW双层水平反向旋转随动变角桨叶直驱恒频风力发电机

说明书

技术领域：

先进、新型、绿色可再生能源，风力发电技术。

背景技术：

在我的《6MW水平旋转随动变角浆叶直驱式永磁同步风力发电机组》风机技术的基础上另辟蹊径研究开发，风机部分和与转子反向旋转的发电机定子部分系自主创新，自主知识产权。

发明内容：

本人独立开发的新型机组，将两台水平旋转随动变角浆叶风机分上、下两层安装在同一立轴上反向旋转，绕线转子和与之反向旋转的发电机定子分别安装在上、下两层的风机主轴上，并通过各自的滑环和电刷与输出配电屏相连接。组成双层水平反向旋转随动变角浆叶直驱变速恒频风力发电机组。

其特点是：属双馈型变速恒频发电机，机械结构简单，直接驱动，效率高、结构牢、重量轻、造价低、易维护、运行可靠，输出功率大。但只有风机部分和与转子反向旋转的发电机定子部分是自主知识产权，双馈型发电机则属成熟技术，与绕线转子连接的逆变器的IGBT器件需要进口。另外，对电网的谐波干扰是此种发电机的缺点，优点是变速恒频，用不着控制两层风机的转速。结构简单，控制容易。

一、风机；

1、在我研制6MW水平旋转随动变角浆叶直驱永磁同步风力发电机组风力发电机时就发现，虽然风机浆叶直径达九十多米，却只能有一半平面迎风，推动主轴旋转，而另一半却为使风机能正常旋转而不得不调整为水平状态，以最大限度地减小风阻。如果能把主轴另一侧的风力也利用起来，将可成倍地提高风机的出力。于是，经多方推敲、实验，立轴、双层、水平旋转随动变角浆叶结构的风力发电机组的方案逐渐成熟。工作时，安装在垂直轴上，上下两层的浆叶同时被风力推动，旋转方向相反，在这里，水平分布的两组六片浆叶由专用工控计算机控制，经直流电机，减速机等组成的执行机构调整，在任意风向时，每层均有一片浆叶平面迎风，推动主轴旋转，而绕主轴180°的另一片浆叶则调整为水平状态，立面迎风，对风的阻力很小。随着主轴的转动，每层六片浆叶的角度被不断随机调整，一直保持上述状态，即上、下两层浆叶在主轴的两侧始终有两片浆叶迎风，推动两根风机主轴反向旋转，同时有两片浆叶为顺风状态，减小浆叶旋转的阻力，在风机浆叶直径范围内捕捉风能，最大限度地把风能转化为两根风机主轴的旋转机械能，且立轴所承受的侧向推力趋零。当遇到风力达到10级以上等极端情况时，两层六片浆叶均调整至0度(既与水平面平行)，同时，刹车系统启动，保证风机不受损坏。

2、为获得更多的能量，就要加大浆叶直径，由于用了大量的无缝钢管和钢绞线，使风机整体结构即庞大又轻巧，平视象两座钢索斜拉桥，鸟瞰则如两层蜘蛛网，整体为柔性连接，故结构牢，重量轻，耐疲劳，迎风有效面积大。两层浆叶要在相对反向旋转的同时直接驱动发电机的定、转子随之反向旋转，这在机械结构的设计、加工的精度和难度方面都有很大的困难，但经过多次的设计、实验、改进，再反复计算、加工制作模型、试验，现已突破，经实验完全可以满足上述要求。

3、为了防止雷电破坏，立轴的顶端和两层六片浆叶支撑轴外端都设有放电尖端，既避雷针，经支撑轴、钢绞线、主轴外套联为一体，为避免雷电电流烧伤轴承，通过多套大面积的滑环和含铜炭刷与防雷接地网相连。

二、发电机：属双馈型绕线转子异步发电机。

1、定子：因定子相对转子反向旋转，需要增加三个大面积的铜环经碳刷将定子线圈与连接电网的升压变压器相连。

2、转子：绕线转子的转子线圈经三个大面积的铜环经碳刷与高反压大功率IGBT逆变器连接后，再接升压变压器。

3、转子的机械连接是经特制的法兰盘与上层风机主轴直接对接。定子的机械连接是经特制的法兰盘与下层风机主轴直接对接。

4、发电机本身不用端盖和轴承。

三、自动控制系统：

1、本风力发电机组的自动控制系统由双层水平反向平旋转随动变角浆叶计算机控制系统和若干可编程控制器及风向、风速传感器、转子、定子线圈温度传感器、输出电压变送器、电流变送器、有功功率变送器、无功功率变送器、等诸多传感器、变送器和若干电动执行机构组成。控制双层水平旋转随动变角桨叶边推动主轴旋转边自行调整迎风、顺风角度。

2、为考虑到电网事故、故障、本机检修、自然灾害和在各种极端情况下都能泰然处置，保证以工控机为核心的控制系统不间断的正常工作，确保电动执行机构能准确无误地把浆叶调整到需要的位置，控制电源采用配置了带浮充电源的蓄电池的直流供电系统。

3、当遇到风力达到10级以上等极端情况时，双层六片浆叶自动调整迎风角度，直至调至0度(既与水平面平行)，同时，刹车系统启动，保证风机不受损坏。