风电机组调速装置、风电机组及其控制方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组的领域，尤其涉及一种风电机组调速装置、风电机组及其控制方法。


背景技术：

2.目前的以前置无极调速技术为核心的风电技术，采用恒速同步发电机，使同步发电机的转速始终保持在同步转速附近，同步发电机发出的电流的频率稳定，从而同步发电机与电网之间无需设置变流器也可直接并网。
3.使用差动齿轮对输入同步发电机的转速进行调速的方式效率最高。相关技术中提供了一种风电机组调速装置，包括差动齿轮调速箱和调速电机。风轮在风力作用下转动，风轮的转动经增速齿轮箱增速后输入差动齿轮调速箱中，调速电机与差动齿轮调速箱相连并将转动输入差动齿轮调速箱中。增速后的风轮转动与调速电机的转速在差动齿轮调速箱中合成并输出至同步发电机。当外界风速变化时，风轮转速变化，通过控制调速电机的转速，能够使得输出给同步发电机的转速保持恒定，从而使得同步发电机发出的电流的频率稳定。
4.其中，调速电机具有电动模式和发电模式；当外界风速小于一定值时，仅依靠风轮增速后的转动经差动齿轮调速箱变速后不足以使得同步发电机的转速达到并网发电的设定转速时，调速电机处于电动模式，调速电机驱动差动齿轮调速箱中的轮系转动从而驱动同步发电机转动。当外界风速大于或等于一定值时，仅依靠风轮增速后的转动经差动齿轮调速箱变速后使得同步发电机的转速超过并网发电的设定转速时，此时调速电机处于发电模式，由风轮提供的转动的一部分经差动齿轮调速箱输出给调速电机驱动调速电机发电。
5.当外界风速过小时，由风轮输入的转速过小，要使得同步发电机达到并保持稳定并网发电的转速，则调速电机需要以电动模式高速运转，这样不利于调速电机的选用，同时发电效率低下；因此，现有的风电机组往往会设置一个切入风速，低于切入风速的风力会被舍弃掉，不运用于发电。由此造成了资源的浪费，降低了风电机组整体的发电效率。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中风电机组的发电效率低的缺陷，提供一种风电机组调速装置、风电机组及其控制方法。
7.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
8.第一方面，本发明提供一种风电机组调速装置，包括差动齿轮调速箱和调速电机，所述差动齿轮调速箱包括差动轮系和调速电机轮系，所述差动轮系包括调速齿圈和用于与风电机组连接的第一输入轴和输出轴；所述调速齿圈接合于所述调速电机轮系，所述调速电机外接于所述调速电机轮系；
9.所述差动齿轮调速箱还包括反馈轮系，所述反馈轮系包括传动轮组和反馈离合器，所述传动轮组分别接合于所述调速齿圈和所述输出轴，所述反馈离合器设置在所述传
动轮组上并用于控制所述传动轮组的连接或断开。
10.在本方案中，该风电机组调速装置通过增设反馈轮系，将差动齿轮调速箱的差动轮系的输出轴的转矩传递到差动轮系的调速齿圈上，而调速齿圈接合于调速电机轮系，该转矩经调速齿圈和调速电机轮系传递给调速电机，从而增大了传递到调速电机的转矩，由此，即使输入风电机组调速装置的转速很小，也能通过增大传递的转矩而驱动调速电机转动发电，充分利用了低风速的风能，提升了风电机组的发电效率；反馈轮系包括传动轮组和反馈离合器，从而在需要反馈轮系传递转矩时，通过控制反馈离合器闭合能够使得传动轮组保持与调速齿圈和输出轴的接合；在不需反馈轮系反馈转矩时，通过控制反馈离合器打开能够使得传动轮组与调速齿圈和输出轴断开连接，从而输出轴能够输出转矩供同步发电机发电。
11.较佳地，所述风电机组调速装置还包括控制器，当所述输出轴的转速小于设定转速时，所述控制器控制所述反馈离合器闭合，所述控制器控制所述调速电机处于发电模式；当所述输出轴的转速大于等于设定转速时，所述控制器控制所述反馈离合器断开，所述控制器控制所述调速电机处于电动模式。
12.在本方案中，输出轴的转速小于供同步发电机发电的设定转速时，控制器控制反馈离合器闭合，使得反馈轮系保持接合于输出轴和调速齿圈，从而将输出轴的转矩传递至调速电机，控制器控制调速电机以发电模式进行发电；当外界的风速增大，使得输出轴的转速大于或等于设定转速时，控制器控制反馈离合器打开，使得反馈轮系与输出轴和调速齿圈之间的连接断开，从而使得输出轴的转矩能够传递至外部并驱动风电机组的同步发电机进行发电，控制器控制调速电机以电动模式向差动轮系提供转动，调速电机的转动和外界的风轮输入的转动经差动轮系合成为转速为设定转速的转动并经输出轴输出进行发电。
13.较佳地，所述差动轮系还包括行星轮、行星架和太阳轮，所述行星轮和所述太阳轮均位于所述调速齿圈内，所述输入轴与所述行星架相连，所述太阳轮固定设置在所述输出轴上，所述第一输入轴与所述行星架相连，所述行星轮可转动地设置在所述行星架上且所述行星轮同时与所述调速齿圈的内齿和所述太阳轮相啮合。
14.在本方案中，由外界风力带来的转动经输入轴输入行星架，带动行星架转动，行星轮与调速齿圈和太阳轮均啮合，从而通过调速电机调节调速齿圈的转速，能够调节太阳轮的转速，以使得当输出轴向外界输出转动发电时保持在设定转速。
15.较佳地，所述传动轮组包括第一反馈轮、转向轮和第二反馈轮，所述第一反馈轮接合于所述输出轴，所述第二反馈轮与所述调速齿圈的外齿啮合，所述转向轮与所述第一反馈轮啮合，所述转向轮与所述第二反馈轮同轴设置在同一转轴上，且所述转向轮通过所述反馈离合器实现与所述第二反馈轮的连接与断开。
16.在本方案中，输出轴的转矩依次通过第一反馈轮、转向轮、第二反馈轮传递至调速齿圈；第一反馈轮与输出轴的转向相反，转向轮与第一反馈轮的转向相反，第二反馈轮与转向轮的转向相同，即第二反馈轮与输出轴的转向相同，从而使得调速齿圈的转向与输出轴和太阳轮的转向相反；而当调速电机处于电动模式时，调速齿圈的转动方向与太阳论的转动方向相反，调速齿圈的转动有利于太阳轮的转动；由此，当输出轴的转速增大至设定转速时，调速电机从发电模式切换至电动模式的过程中，调速电机的转动方向一致，避免调速电机因急速反转而造成调速电机冲击过大。
17.较佳地，所述反馈轮系还包括固定设置在所述输出轴上第一错位轮，所述第一错位轮与所述太阳轮同轴且间隔设置，所述第一反馈轮与所述第一错位轮相啮合。
18.在本方案中，错位轮固定设置在输出轴上与太阳轮同轴同步转动，第一反馈轮与第一错位轮啮合，实现太阳轮与反馈轮系之间的传动；由此使得第一反馈轮与太阳轮不在同一平面内，避免第一反馈轮与行星轮或行星架干涉。
19.较佳地，所述第一反馈轮与所述太阳轮相啮合，所述第一反馈轮位于所述行星轮远离所述行星架的一侧，且所述第一反馈轮与所述行星轮位于不同的平面内。
20.在本方案中，行星轮和第一反馈轮均与太阳轮啮合；第一反馈轮与行星轮位于不同的平面中，避免第一反馈轮与行星轮的干涉。
21.较佳地，所述传动轮组包括第三反馈轮和第二错位轮，所述第三反馈轮与所述调速齿圈的内齿啮合，所述第三反馈轮与所述行星轮位于不同平面内，所述第二错位轮设置于所述第三反馈轮远离所述行星轮的一侧；所述第二错位轮接合于所述输出轴，所述第二错位轮与所述第三反馈轮同轴设置在同一根转轴上，且所述第二错位轮通过所述反馈离合器实现与所述第三反馈轮的连接与断开。
22.在本方案中，输出轴的转矩依次通过第二错位轮、第三反馈轮传递至调速齿圈，通过控制反馈离合器闭合或打开，实现输出轴、第二错位轮、第三反馈轮和调速齿圈这一传动路径的连接与断开；第二错位轮与输出轴的转动方向相反，第二错位轮与第三反馈轮的转动方向相同，第三反馈轮与调速齿圈的内齿啮合，从而第三反馈轮的转动方向与调速齿圈的转动方向相同，由此，调速齿圈的转向与输出轴的转向相反；同时，第二错位轮的设置使得第三反馈轮不直接与输出轴接合，从而在无需使用反馈轮系进行转矩传递时，能够保证输出轴与调速齿圈之间的传动连接断开。调速齿圈的厚度较大以同时啮合第三反馈轮和行星轮，第三反馈轮与行星轮不在同一平面内，避免第三反馈轮和行星轮发生干涉。
23.较佳地，所述反馈轮系还包括与所述太阳轮固定设置在同一转轴上的第三错位轮，所述第三错位轮与所述太阳轮同轴且间隔设置，所述第二错位轮与所述第三错位轮啮合。
24.在本方案中，第三错位轮与太阳轮同轴间隔设置，第二错位轮与第三错位轮啮合实现第二错位轮与输出轴的接合，由此使得第二错位轮不易与行星轮和太阳轮发生干涉，便于第二错位轮的设置。
25.较佳地，所述第二错位轮与所述太阳轮啮合，且所述第二错位轮与所述行星轮位于不同的平面中。
26.在本方案中，太阳轮的轮厚较大以满足同时啮合行星轮和第二错位轮，第二错位轮与太阳轮直接啮合，同时第二错位轮与行星轮位于不同的平面中，避免第二错位轮与行星轮发生干涉，该布置方式节省了齿轮的数量。
27.较佳地，所述调速电机轮系包括第一调速轮，所述第一调速轮与所述调速齿圈啮合，且所述调速电机外接于所述第一调速轮。
28.在本方案中，调速电机外接于第一调速轮，通过第一调速轮与调速齿圈的啮合，实现调速电机与调速齿圈的接合，从而调速齿圈能够将转动输出给调速电机发电，调速电机也能将转动输出给调速齿圈以合成供输出轴输出的转动。
29.第二方面，本发明提供一种风电机组，其包括如上所述的风电机组调速装置，所述
风电机组还包括风轮和同步发电机，所述风轮连接于所述差动轮系的第一输入轴，所述同步发电机与所述输出轴相连。
30.在本方案中，该风电机组通过风轮捕获外界风的功率，风轮的转动经第一输入轴传递给差动轮系，并经差动轮系输出给调速电机和/或同步发电机；当外界的风速过小时，反馈离合器闭合，输出轴的转矩经反馈轮系传递至调速齿圈，经调速齿圈传递给调速电机供调速电机发电；当外界风速上升，输出轴的转速达到设定转速时，反馈离合器打开，输出轴停止向调速齿圈反馈转矩，而向同步发电机输出转矩以供同步发电机发电；由此，该风电机组无需设置切入风速，在较低的风速下通过调速电机进行发电，同步发电机处于空转模式，无需设置切入风速，提升了发电效率；同时输出轴的转速随外界的风速的增大而逐渐增大至设定转速，从而实现同步发电机的软启动并网，降低了同步发电机启动时的冲击。
31.第三方面，本发明提供一种风电机组的控制方法，采用如上所述的风电机组实现，所述控制方法包括如下步骤：
32.当所述输出轴的转速小于设定转速时，控制所述反馈离合器闭合，将所述同步发电机与电网断开，控制所述调速电机处于发电模式；
33.当所述输出轴的转速大于或等于设定转速时，控制所述反馈离合器打开，将同步发电机与电网电连接，控制所述调速电机切换到电动模式。
34.在本方案中，当外界风速较低时，输出轴的转速小于设定转速，此时控制反馈离合器闭合，同步发电机与电网断开，输出轴的转矩经反馈轮系传递至调速齿圈后输出至调速电机供调速电机发电；随着外界风速增大，输出轴的转速随之增大，当输出轴的转速大于或等于设定转速时，控制反馈离合器断开，同步发电机与电网电连接，输出轴的转矩输出至同步发电机供其发电；此时将调速电机切换成电动模式，调速电机向调速齿圈输出转动，该转动与经第一输入轴输入的转动合成为恒定的设定转速以供同步发电机稳定发电；由此，实现了低风速情况下利用风能发电，提升了风电机组的发电效率，同时实现同步发电机的软启动并网，降低了同步发电机启动时的冲击。
35.本发明的积极进步效果在于：
36.本发明的风电机组调速装置，通过设置反馈轮系，将差动轮系的输出轴的转矩传递到差动轮系的调速齿圈上，该转矩经调速齿圈和调速电机轮系传递给调速电机，从而增大了传递到调速电机的转矩，由此，即使输入风电机组调速装置的转速很小，也能通过增大传递的转矩而驱动调速电机转动发电，充分利用了低风速的风能，提升了风电机组的发电效率；同时在需要反馈轮系传递转矩时，通过控制反馈离合器闭合能够使得传动轮组保持与调速齿圈和输出轴的接合；在不需反馈轮系反馈转矩时，通过控制反馈离合器打开能够使得传动轮组与调速齿圈和输出轴断开连接，从而输出轴能够输出转矩供同步发电机发电。
附图说明
37.图1为本发明的实施例1的风电机组的结构示意图。
38.图2为本发明的实施例1的差动齿轮调速箱的结构示意图。
39.图3为本发明的实施例1的差动轮系的结构示意图。
40.图4为本发明的一实施例的调速电机的转矩转速特性曲线示意图。
41.图5为本发明的实施例2的差动齿轮调速箱的结构示意图。
42.图6为本发明的实施例3的差动齿轮调速箱的结构示意图。
43.图7为本发明的实施例4的差动齿轮调速箱的结构示意图。
44.附图标记说明：
45.风轮1
46.增速齿轮箱2
47.差动轮系3
48.行星架31
49.调速齿圈32
50.太阳轮33
51.行星轮34
52.输出轴35
53.第一输入轴36
54.调速电机轮系4
55.第一调速离合器41
56.第二调速轮42
57.第三调速轮43
58.第一调速轮44
59.第五调速轮45
60.第二输入轴46
61.第二调速离合器47
62.第四调速轮48
63.反馈轮系5
64.第二反馈轮51
65.转向轮52
66.反馈离合器53
67.第一反馈轮54
68.第一错位轮55
69.第三反馈轮56
70.第二错位轮57
71.第三错位轮58
72.调速电机6
73.同步发电机7
74.支撑构件8
75.径向轴承9
具体实施方式
76.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
77.实施例1
78.本实施例公开了一种风电机组，参照图1，该风电机组包括风轮1、风电机组调速装置和同步发电机7。风轮1用于捕获外界的风能，风电机组调速装置分别与风轮1和同步发电机7连接，同步发电机7能够接收风电机组调速装置的转动并用于发电。
79.在本实施例中，该风电机组还包括增速齿轮箱2，增速齿轮箱2分别与风轮1和风电机组调速装置相连，风轮1的转动经增速齿轮箱2增速后再输入风电机组调速装置中，以便于风电机组调速装置对该转动进行调节。
80.参照图1和图2，风电机组调速装置包括差动齿轮调速箱、调速电机6和控制器。差动齿轮调速箱与增速齿轮箱2相连。调速电机6外接于差动齿轮调速箱，以向提供转动调节增速齿轮箱2输入差动齿轮调速箱的转动，或消耗增速齿轮箱2输入差动齿轮调速箱的转动进行发电。控制器用于调速电机6切换电动模式或发电模式、差动齿轮调速箱内传动路径的闭合与断开以及同步发电机7接入电网或与电网断开。
81.参照图1和图2，差动调速齿轮箱包括差动轮系3、调速电机轮系4和反馈轮系5。差动轮系3具有第一输入轴36和输出轴35，增速齿轮箱2与第一输入轴36相连，同步发电机7与输出轴35相连。调速电机轮系4接合于差动轮系3并外接于调速电机6。反馈轮系5接合于差动轮系3，用于将输出轴35的转矩传递至调速电机6供调速电机6发电。
82.参照图2和图3，其中，差动轮系3包括行星架31、行星轮34、太阳轮33和调速齿圈32。行星架31的转轴与第一输入轴36相连。太阳轮33与输出轴35相连，行星架31、太阳轮33、调速齿圈32和输出轴35同轴设置。调速齿圈32与调速电机轮系4接合。行星轮34可转动设置在行星架31上，行星轮34与太阳轮33均设置在调速齿圈32的内圈，且行星轮34同时与太阳轮33和调速齿圈32的内齿啮合。
83.行星轮34的数量可为一个，也可为多个。本实施例中行星轮34设置有多个，当某个行星轮34损坏时，其他行星轮34也可正常工作，从而提升了差动轮系3的容错率。具体的，本实施例中以设置三个行星轮34的方式加以示出。此外在其他的实施例中，行星轮34的数量也可为其他合适的数值。
84.对该差动轮系3，调速齿圈32的转速、行星架31的转速以及太阳轮33的转速满足下式：
[0085][0086]
式中：k为调速齿圈32的齿数与太阳轮33的齿数之比，n
pc
为行星架31的转速，nr为调速齿圈32的转速，ns为太阳轮33的转速。
[0087]
当同步发电机7进行发电时，为保证发电的电流的频率保持稳定，以便于并入电网，同步发电机7发电时的转速应保持在恒定的设定转速，即ns为定值。根据上式可知，调速齿圈32的转速与行星架31的转速呈一次函数关系。当风速较低时，行星架31的转速n
pc
较小，为使得太阳轮33的转速ns保持在设定转速，调速电机6以电动模式运行，输出转动给调速齿圈32使得调速齿圈32的转速nr为负值，即调速齿圈32的转动方向与太阳轮33的转动方向相反。当风速过大时，行星架31的转速n
pc
较大，为使得太阳轮33的转速ns保持在设定转速，调速齿圈32的转速nr应为正值，即调速齿圈32的转动方向与太阳轮33的转动方向相同，调速齿圈32输出转动给调速电机6，调速电机6以发电模式运行，以消耗调速齿圈32的转矩从而
调节调速齿圈32正向转动的转速，以使得太阳轮33的转速保持在恒定转速。
[0088]
其中，调速齿圈32的齿数与太阳轮33的齿数之比k一般大于2，具体可依据需求进行设计，本实施例中k值具体为2.3。设定转速可依据同步发电机7并网的电流频率进行设计，本实施例中设定转速具体为1500rpm。
[0089]
本实施例中，调速齿圈32内外均设置有轮齿，调速电机轮系4与调速齿圈32的外圈接合，从而齿圈的转动能够经调速电机轮系4传递至调速电机6供调速电机6发电，或者调速电机6的转动能够输入至调速齿圈32进而与第一输入轴36所输入的转动合成。此外，在其他的实施例中，调速电机轮系4也可与调速齿圈32的内圈接合，只要相应的将调速齿圈32的轴向厚度增加，使得调速电机轮系4不易与差动轮系3的其他结构干涉即可。
[0090]
当外界风速过低时，行星架31的转速n
pc
过小，若采用调速电机6进行调速使得同步发电机7的转速达到设定转速，则调速电机6的转速和能耗过大，导致成本过高，不符合节能和经济的需求。相关技术中，采用设置切入风速(如3m/s)的方式，舍弃风速低于切入风速的风能。
[0091]
参照图2，本实施例中，反馈轮系5包括传动轮组和反馈离合器53，传动轮组分别接合于调速齿圈32和输出轴35，反馈离合器53设置在传动轮组上，用于控制传动轮组的连接或断开。
[0092]
其中，传动轮组包括第一反馈轮54、转向轮52和第二反馈轮51，第一反馈轮54接合于输出轴35，第二反馈轮51与调速齿圈32的外齿啮合，转向轮52与第一反馈轮54啮合，且转向轮52与第二反馈轮51同轴设置在同一转轴上，转向轮52通过反馈离合器53实现与第二反馈轮51的连接与断开。
[0093]
具体的，本实施例中，传动轮组还包括第一错位轮55，第一错位轮55固定设置在输出轴35上。第一错位轮55与太阳轮33同轴且间隔设置，使得第一错位轮55与行星轮34和行星架31位于不同的平面中，第一反馈轮54与第一错位轮55相啮合，由此使得第一反馈轮54与行星轮34和行星架31不在同一平面内，避免第一反馈轮54与行星轮34或行星架31干涉。
[0094]
输出轴35的转矩依次通过第一错位轮55、第一反馈轮54、转向轮52、第二反馈轮51传递至调速齿圈32，从而将输出轴35的转矩传递至调速电机6，以供调速电机6发电。
[0095]
根据齿轮的连接关系可知，第一错位轮55与太阳轮33以及输出轴35同轴同步转动，第一反馈轮54与第一错位轮55的转向相反，转向轮52与第一反馈轮54的转向相反，第二反馈轮51与转向轮52的转向相同，即第二反馈轮51与输出轴35的转向相同，从而使得调速齿圈32的转向与输出轴35以及太阳轮33的转向相反。由此，当输出轴35的转速增大至设定转速时，调速电机6从发电模式切换至电动模式的过程中，调速电机6的转动方向一致，避免调速电机6因急速反转而造成调速电机6冲击过大。
[0096]
参照图2，反馈离合器53设置在第二反馈轮51所在的转轴的一端，转向轮52固定设置在反馈离合器53外。当反馈离合器53闭合时，转向轮52与第二反馈轮51所在的转轴固定连接，从而转向轮52能够带动该转轴以及第二反馈轮51转动；当反馈离合器53打开时，转向轮52与第二反馈轮51所在的转轴断开连接，转向轮52的转动无法传递至第二反馈轮51。
[0097]
由此，反馈离合器53闭合时，输出轴35的转矩能够经反馈轮系5传递至调速齿圈32，进而供调速电机6发电；当反馈离合器53打开时，反馈轮系5构成的传动路径断开，输出轴35的转矩无法经反馈轮系5反馈至调速齿圈32。
[0098]
当外界风速过低时，输出轴35的转速小于设定转速，控制器控制同步发电机7与电网断开，并控制调速电机6以发电模式运行，此时控制器控制反馈离合器53闭合，反馈轮系5将差动轮系3的输出轴35的转矩传递到差动轮系3的调速齿圈32上，该转矩经调速齿圈32和调速电机轮系4传递给调速电机6，从而增大了传递到调速电机6的转矩。从而即使外界的风速很小，输入风电机组调速装置的转速很小，也能通过增大传递的转矩而驱动调速电机6转动发电，充分利用了低风速的风能，提升了风电机组的发电效率。
[0099]
在一些较佳的实施例中，调速电机6外接有调频器，通过调频器对调速电机6发出电流进行变频，以方便利用和输送调速电机6发出的电流。
[0100]
在设置切入风速的风电机组中，当外界风速达到切入风速时，调速电机6需要快速启动，并使得同步发电机7的转速快速达到设定转速。本实施例中，输出轴35的转速随外界风速的增大逐渐增大至设定值，然后同步发电机7并网，从而实现同步发电机7的软启动并网，降低了同步发电机7并网时电机和电网的所受到的冲击，提升了风电机组的可靠性。
[0101]
随着外界风速增大，使得输出轴35的转速大于或等于设定转速时，控制器控制同步发电机7并入电网，并控制调速电机6切换到电动模式，此时控制器控制反馈离合器53断开，使得反馈轮系5与差动轮系3以及调速电机6断开连接，输出轴35的转矩输出给同步发电机7进行发电，调速电机6向调速齿圈32输出随行星架31转速变化而变化转速的转动，以使得输出轴35的转速保持在设定转速。
[0102]
参照图2和图3，调速电机轮系4包括第一调速轮44，调速电机6外接于第一调速轮44，通过第一调速轮44与调速齿圈32的啮合，实现调速电机6与调速齿圈32的接合，从而调速齿圈32能够将转动输出给调速电机6发电，调速电机6也能将转动输出给调速齿圈32以合成供输出轴35输出的转动。
[0103]
本实施例中，第一调速轮44与调速齿圈32的外齿啮合。此外在其他的实施例中，调速齿圈32沿其轴向的厚度较大，第一调速轮44也可设置在调速齿圈32中并与调速齿圈32的内齿啮合。本实施例中，第一调速轮44与调速齿圈32的齿数比为1：6，此外在其他的实施例中，该比值也可为其他合适的数值。
[0104]
参照图2和图3，调速电机轮系4还包括发电轮组、电动轮组和第二输入轴46，调速电机6外接于第二输入轴46，发电轮组和电动轮组均与第二输入轴46接合，且调速电机6能够分别通过发电轮组和电动轮组实现与第一调速轮44的连接。
[0105]
发电轮组包括第二调速轮42、第三调速轮43和第一调速离合器41。第二调速轮42与第一调速轮44同轴固定设置在同一转轴上，第一调速离合器41设置在第二输入轴46远离调速电机6的一端，第三调速齿轮固定同轴设置在第一调速离合器41外，且第三调速轮43与第二调速轮42相啮合。当第一调速离合器41闭合时，第一调速离合器41锁止在第二输入轴46上，从而使得第三调速轮43与第二输入轴46固定连接；当第一调速离合器41打开时，第三调速轮43与第二输入轴46之间的连接断开。
[0106]
电动轮组包括第四调速轮48、第五调速轮45和第二调速离合器47，第二调速离合器47与第一调速轮44、第二调速轮42均设置在同一转轴上，第四调速轮48固定设置在第二调速离合器47外，第五调速轮45固定设置在第二输入轴46上，且第四调速轮48与第五调速轮45相啮合。当第二调速离合器47闭合时，第二调速离合器47锁止在第一调速轮44所在的转轴上，从而第四调速轮48与第一调速轮44相对固定；当第二调速离合器47打开时，第四调
速轮48与第一调速轮44之间的连接断开。
[0107]
本实施例中，第一反馈轮54、第一错位轮55和转向轮52的齿数相同，第二反馈轮51的齿数与第一调速轮44的齿数相同。第二调速轮42的齿数与第三调速轮43的齿数之比大于1，第四调速轮48的齿数与第五调速轮45的齿数相同。
[0108]
此外在其他实施例中，第一反馈轮54、第一错位轮55、转向轮52、第一调速轮44的齿数关系也可为其他合适的选择。第二调速轮42与第三调速轮43的齿数比以及第四调速轮48和第五调速轮45的齿数比可为其他合适的值。
[0109]
现有技术中，如风速在切入风速3m/s时，将同步发电机7需要并网发电，则调速电机6以电动模式工作，风速在3m/s之前，调速电机6的转速升速到2256rpm，确保同步发电机7的转速达到1500rpm。切入风速设置得越小，则调速电机6的转速越大。
[0110]
本实施例中，当外界的风速过低时，反馈离合器53闭合，第一调速离合器41打开，第二调速离合器47闭合，调速电机6处于发电模式，同步发电机7与电网断开(即同步发电机7此时空转)。此时，调速电机6的转速与同步发电机7的转速相同。本实施例中，同步发电机7的并网转速为1500rpm，从而调速电机6在低风速下发电时的运行转速低于1500rpm，而且风速越低，调速电机6的转速越低，提高了调速电机6及其轴承等相关部件的可靠性。
[0111]
结合图4，本实施例的调速电机6在低风速下发电时(如图4中第四象限所示)，调速电机6的转速随风速增加而增大，调速电机6的转矩随调速电机6的转速的增大而增大。
[0112]
当调速电机6单独发电时，此时外界风速较小，所提供的转矩较小，无需通过发电轮组降低调速电机6发电时所需的转矩，故而调速电机6通过电动轮组与第一调速轮44连接；当调速电机6处于电动模式时，此时为避免调速电机6的转速过大对调速电机6造成冲击，调速电机6通过电动轮组与第一调速轮44连接。
[0113]
随着风速增加，调速电机6和输出轴35的转速逐渐增加至大于或等于设定转速时，本实施例中即同步发电机7的转速达到1500rpm时，同步发电机7并网发电。此时，控制器控制反馈离合器53打开，并控制同步发电机7并入电网发电，调速电机6切换到电动模式。调速电机6的转动方向与低风速发电时相反(参照图4中的第一象限)，随着风速的增大，调速电机6的转速逐渐降低且转矩逐渐增大。
[0114]
随着风速的进一步增大，调速电机6的转速逐渐减小，当风速增大至无需调速电机6输入的转速也能够使得输出轴35以设定转速转动时，调速电机6的转速为0。风速再进一步增大时，控制器控制调速电机6切换到发电模式，并控制第一调速离合器41闭合，控制第二调速离合器47打开，此时调速电机6的转动方向与电动模式时的转动方向相同(如图4中第二象限所示)。此时同步发电机7发电，调速电机6处于发电模式时，调速电机6通过发电轮组与第一调速轮44接合。由于第二调速轮42与第三调速轮43的齿数比大于1，从而当同步发电机7和调速电机6均发电时，相较于调速电机6直接与第一调速轮44连接的方式，能够增大调速电机6的转速，降低调速电机6发电时所需的转矩，由此降低了调速电机6的重量和尺寸，从而节省调速电机6的制造成本。
[0115]
此外，在进轮毂、维护、维修时，将反馈离合器53、第一调速离合器41和第二调速离合器47均设置为闭合状态，通过齿轮啮合实现风轮1的锁定。这样可以省掉轴系中的风轮1的锁定装置，降低成本。
[0116]
在单叶片吊装时，将转矩反馈轮系5中的反馈离合器53闭合，调速电机轮系4的第
一调速离合器41闭合、第二调速离合器47断开。调速电机6降速增扭，其以小扭矩运行，通过差动齿轮调速箱提高扭矩，拖动风轮旋转，实现单叶片吊装。从而避免了单叶片盘车工装、节省了相应的成本。
[0117]
实施例2
[0118]
本实施例的风电机组与实施例1中大致相同，其不同之处在于：
[0119]
参照图5，本实施例中，太阳轮33沿其轴向的厚度较大，以便于太阳轮33同时啮合行星轮和第一反馈轮54。第一反馈轮54直接与太阳轮33啮合，且第一反馈轮54与行星轮34位于不同的平面中以避免第一反馈轮54与行星轮34干涉，从而在本实施例中，无需设置第一错位轮55。
[0120]
实施例3
[0121]
本实施例的风电机组与实施例1中大致相同，其不同之处在于：
[0122]
参照图6，本实施例中，传动轮组包括第三反馈轮56、第二错位轮57和第三错位轮58。第三反馈轮56位于调速齿圈32内并与调速齿圈32的内齿啮合。第三错位轮58同轴固定在输出轴35上，且第三错位轮58与太阳轮33间隔设置。第二错位轮57与第三错位轮58啮合，且第二错位轮57与第三反馈轮56同轴设置在同一根转轴上。反馈离合器53设置在第三反馈轮56所在的转轴的一端，第二错位轮57固定在反馈离合器53外。
[0123]
其中，调速齿圈32沿其轴向的齿厚度较大，以满足同时啮合行星轮34和第三反馈轮56。第三反馈轮56与行星轮34位于不同平面内，以使得运动时第三反馈轮56不易与行星轮34发生干涉。第二错位轮57设置于第三反馈轮56远离行星轮34的一侧，避免第三反馈轮56和第二错位轮57所在的转轴干扰行星轮34的转动。
[0124]
本实施例中，差动齿轮调速箱还包括支撑构件8，支撑构件8固定设置在差动齿轮调速箱内，其上设置有径向轴承9，第三反馈轮56所在的转轴穿过支撑构件的径向轴承9，从而支撑构件8支撑第三反馈轮56所在的转轴。
[0125]
由此，输出轴35的转矩依次通过第三错位轮58、第二错位轮57、第三反馈轮56传递至调速齿圈32，通过控制反馈离合器53闭合或打开，实现输出轴35、第二错位轮57、第三反馈轮56和调速齿圈32这一传动路径的连接与断开。第二错位轮57与输出轴35的转动方向相反，第二错位轮57与第三反馈轮56的转动方向相同，第三反馈轮56与调速齿圈32的内齿啮合，从而第三反馈轮56的转动方向与调速齿圈32的转动方向相同，由此，调速电机6单独进行发电时，调速齿圈32的转向与输出轴35的转向相反。同时，第二错位轮57的设置使得第三反馈轮56不直接与输出轴35接合，从而在无需使用反馈轮系5进行转矩传递时，能够保证输出轴35与调速齿圈32之间的传动连接断开。
[0126]
实施例4
[0127]
本实施例的风电机组与实施例3中大致相同，其不同之处在于：
[0128]
参照图7，本实施例中，太阳轮33沿其轴向的厚度较大，以同时啮合行星轮34和第二错位轮57。第二错位轮57直接与太阳轮33啮合，且第二错位轮57与调速齿圈32和行星轮34均不位于同一平面内以避免第二错位轮57与调速齿圈32或行星架31的干涉。
[0129]
实施例5
[0130]
参照图1～7，本实施例公开了一种风电机组的控制方法，用于控制上述实施例中的风电机组，该控制方法包括如下步骤：
[0131]
当输出轴35的转速小于设定转速时，控制器控制反馈离合器53闭合，将同步发电机7与电网断开，控制第一调速离合器41打开，第二调速离合器47闭合，控制调速电机6处于发电模式进行发电；
[0132]
当输出轴35的转速大于或等于设定转速时，控制器控制反馈离合器53打开，将同步发电机7与电网电连接，控制调速电机6切换到电动模式；
[0133]
当风速持续增大，处于电动模式的调速电机6的转速减小到0时，控制器控制调速电机6切换到发电模式，控制第一调速离合器41闭合，控制第二调速离合器47打开。
[0134]
由此，当外界风速处于风速较的微风状态时，输出轴35的转速小于设定转速，此时控制反馈离合器53闭合，同步发电机7与电网断开，输出轴35的转矩经反馈轮系5传递至调速齿圈32后输出至调速电机6供调速电机6发电；随着外界风速增大，输出轴35的转速随之增大，当输出轴35的转速大于或等于设定转速时，控制反馈离合器53断开，同步发电机7与电网电连接，输出轴35的转矩输出至同步发电机7供其发电；此时将调速电机6切换成电动模式，调速电机6向调速齿圈32输出转动，该转动与经第一输入轴36输入的转动合成为恒定的设定转速以供同步发电机7稳定发电；由此，实现了低风速情况下利用风能发电，提升了风电机组的发电效率，同时实现同步发电机7的软启动并网，降低了同步发电机7启动时的冲击。
[0135]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种风电机组调速装置，其特征在于，所述风电机组调速装置包括差动齿轮调速箱和调速电机(6)，所述差动齿轮调速箱包括差动轮系(3)和调速电机轮系(4)，所述差动轮系(3)包括调速齿圈(32)、用于与风电机组连接的第一输入轴(36)和输出轴(35)；所述调速齿圈(32)接合于所述调速电机轮系(4)，所述调速电机(6)外接于所述调速电机轮系(4)；所述差动齿轮调速箱还包括反馈轮系(5)，所述反馈轮系(5)包括传动轮组和反馈离合器(53)，所述传动轮组分别接合于所述调速齿圈(32)和所述输出轴(35)，所述反馈离合器(53)设置在所述传动轮组上并用于控制所述传动轮组的连接或断开。2.如权利要求1所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述风电机组调速装置还包括控制器，当所述输出轴(35)的转速小于设定转速时，所述控制器控制所述反馈离合器(53)闭合，所述控制器控制所述调速电机(6)处于发电模式；当所述输出轴(35)的转速大于或等于设定转速时，所述控制器控制所述反馈离合器(53)断开，所述控制器控制所述调速电机(6)处于电动模式。3.如权利要求1所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述差动轮系(3)还包括行星轮(34)、行星架(31)和太阳轮(33)，所述行星轮(34)和所述太阳轮(33)均位于所述调速齿圈(32)内，所述太阳轮(33)固定设置在所述输出轴(35)上，所述第一输入轴(36)与所述行星架(31)相连，所述行星轮(34)可转动地设置在所述行星架(31)上且所述行星轮(34)同时与所述调速齿圈(32)的内齿和所述太阳轮(33)相啮合。4.如权利要求3所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述传动轮组包括第一反馈轮(54)、转向轮(52)和第二反馈轮(51)，所述第一反馈轮(54)接合于所述输出轴(35)，所述第二反馈轮(51)与所述调速齿圈(32)的外齿啮合，所述转向轮(52)与所述第一反馈轮(54)啮合，所述转向轮(52)与所述第二反馈轮(51)同轴设置在同一转轴上，且所述转向轮(52)通过所述反馈离合器(53)实现与所述第二反馈轮(51)的连接与断开。5.如权利要求4所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述反馈轮系还包括固定设置在所述输出轴(35)上的第一错位轮(55)，所述第一错位轮(55)与所述太阳轮(33)同轴且间隔设置，所述第一反馈轮(54)与所述第一错位轮(55)相啮合。6.如权利要求4所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述第一反馈轮(54)与所述太阳轮(33)相啮合，所述第一反馈轮(54)位于所述行星轮(34)远离所述行星架(31)的一侧，且所述第一反馈轮(54)与所述行星轮(34)位于不同的平面内。7.如权利要求3所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述传动轮组包括第三反馈轮(56)和第二错位轮(57)，所述第三反馈轮(56)与所述调速齿圈(32)的内齿啮合，所述第三反馈轮(56)与所述行星轮(34)位于不同平面内，所述第二错位轮(57)设置于所述第三反馈轮(56)远离所述行星轮(34)的一侧；所述第二错位轮(57)接合于所述输出轴(35)，所述第二错位轮(57)与所述第三反馈轮(56)同轴设置在同一根转轴上，且所述第二错位轮(57)通过所述反馈离合器(53)实现与所述第三反馈轮(56)的连接与断开。8.如权利要求7所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述反馈轮系(5)还包括与所述太阳轮(33)同轴设置在同一转轴上的第三错位轮(58)，所述第三错位轮(58)与所述太阳轮(33)间隔设置，所述第二错位轮(57)与所述第三错位轮(55)啮合。9.如权利要求7所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述第二错位轮(57)与所述太阳轮(33)啮合，且所述第二错位轮(57)与所述行星轮(34)位于不同的平面中。
10.如权利要求1所述的风电机组调速装置，其特征在于，所述调速电机轮系(4)包括第一调速轮(44)，所述第一调速轮(44)与所述调速齿圈(32)啮合，且所述调速电机(6)外接于所述第一调速轮(44)。11.一种风电机组，其特征在于，包括如权利要求1～10中任一项所述的风电机组调速装置，所述风电机组还包括风轮(1)和同步发电机(7)，所述风轮(1)连接于所述差动轮系(3)的第一输入轴(36)，所述同步发电机(7)与所述输出轴(35)相连。12.一种风电机组的控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求11所述的风电机组，所述控制方法包括如下步骤：当所述输出轴(35)的转速小于设定转速时，控制所述反馈离合器(53)闭合，将所述同步发电机(7)与电网断开，控制所述调速电机(6)处于发电模式；当所述输出轴(35)的转速大于或等于设定转速时，控制所述反馈离合器(53)打开，将同步发电机(7)与电网电连接，控制所述调速电机(6)切换到电动模式。

技术总结
本发明涉及风力发电机组的领域，尤其涉及一种风电机组调速装置、风电机组及其控制方法；风电机组调速装置，包括差动齿轮调速箱和调速电机，所述差动齿轮调速箱包括差动轮系和调速电机轮系，所述差动轮系包括调速齿圈和用于与风电机组连接的第一输入轴和输出轴；所述调速齿圈接合于所述调速电机轮系，所述调速电机外接于所述调速电机轮系；所述差动齿轮调速箱还包括反馈轮系，所述反馈轮系包括传动轮组和反馈离合器，所述传动轮组分别接合于所述调速齿圈和所述输出轴，所述反馈离合器设置在所述传动轮组上并用于控制所述传动轮组的连接或断开。该风电机组调速装置通过增设反馈轮系，增大传递的转矩而驱动调速电机转动发电。增大传递的转矩而驱动调速电机转动发电。增大传递的转矩而驱动调速电机转动发电。


技术研发人员：孙永岗 康鹏举 蒋勇 倪黎 邹皓
受保护的技术使用者：上海电气风电集团股份有限公司
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/6/28