兆瓦级风电机组电液伺服同步器

摘要

本发明具体公开来了一种兆瓦级风电机组电液伺服同步器，包括2K-H差动行星传动机构和直驱式容积控制系统，所述的2K-H差动行星传动机构包括行星架、行星轮、内齿圈、太阳轮、控制齿轮，所述的行星轮安装在行星架上，行星轮分别与太阳轮和内齿圈啮合，内齿圈的中心轴连接控制齿轮，行星架输入端为输入轴I，所述的太阳轮的输出端为输出轴II，所述的控制齿轮的中心轴为轴III；所述的直驱式容积控制系统包括定量马达、双向定量泵、伺服电机，所述的伺服电机与双向定量泵相连，所述的双向定量泵与定量马达相连，所述的定量马达与轴III相连，驱动控制齿轮。

说明书

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级风电机组电液伺服同步器，适用于当今主流的兆瓦级风电机组传 动链设计。

背景技术

风能资源是清洁的可再生能源，在全世界资源丰富，取之不竭，用之环保。风能发电因 此具有安全、清洁的特点，可为人类提供长期稳定的能源供应。目前，主要发达国家、发展 中国家，都已经将发展风能发电技术作为国策和应对新世纪能源挑战的重要手段。机械传动 链和电气传动链是风电机组的核心部分，如图1，传统的兆瓦级风电机组机械和电气传动链 主要包括风轮、增速齿轮箱、发电机和变流器。由于风速的波动作用，风轮的转速是变化的， 经过增速箱之后，转速升高扭矩减小，转速依然不是恒定不变的，变化的转速输入到发电机 后，发电机产生的电流频率也是变化的，就需要经过变流器整流，形成电网需要的频率才可 以并网。

随着风电在电网中的比例不断升高，风电对电网的影响越来越大，这对风电机组提出了 更高的并网要求。变流器技术并不能满足如今所有的电力入网要求，有些时候需要增加额外 的模块来满足低电压穿越等要求，这就增加了系统的复杂性降低了可靠性。随着海上风电的 发展，对风电机组的可靠性提出了更高的要求，大功率电力电子器件的可靠性是制约风电机 组发展的关键因素。国内外很多机构进行了机械同步器的研究，试图取代可靠性相对较低的 变流器。

现有的机械同步器主要由如下两种形式，一种是通过液力变矩器的反馈进行差速驱动， 这种机构随动性好但制造复杂，精度要求严格，成本较高，并且液力变矩器效率较低；另一 种是通过液压伺服或者伺服电机来驱动差速机构调速，液压伺服变量泵或变量马达成本较高， 反应速度较慢，而单独使用伺服电机需增加减速机，使系统转动惯量增加，启动及调速性能 不如液压系统，体积较大且过载保护能力较低，柔性较液压系统差。

发明内容

现有的风电机组通过增速箱将风轮传递过来的转速增大转矩减小，通过发电机将机械能 转换为电能，随着风轮转速的变化，发电机输出的交流电频率不断变化，为了得电网要求的 交流电频率，需要通过变流器进行变频，大功率电力电子器件的可靠性和复杂性成为制约风 电机组发展的关键因素。为解决现有技术存在的缺点，本发明提供了一种兆瓦级风电机组电 液伺服同步器，适用于当今主流的兆瓦级风电机组传动链设计。

本发明采用的技术方案如下：

兆瓦级风电机组电液伺服同步器，包括2K-H差动行星传动机构和直驱式容积控制系统， 所述的2K-H差动行星传动机构包括行星架、行星轮、内齿圈、太阳轮、控制齿轮，所述的行 星轮安装在行星架上，行星轮分别与太阳轮和内齿圈啮合，内齿圈的中心轴连接控制齿轮， 行星架输入端为输入轴I，所述的太阳轮的输出端为输出轴II，所述的控制齿轮的中心轴为 轴III；所述的直驱式容积控制系统包括定量马达、双向定量泵和伺服电机，所述的伺服电 机与双向定量泵相连，所述的双向定量泵与定量马达相连，所述的定量马达与轴III相连， 驱动控制齿轮。

所述的定量马达与双向定量泵之间设有安全阀、液压锁和补油阀，所述的液压锁和补油 阀设于一个集成阀块中。

所述的安全阀与定量马达相连。

所述的补油阀由两个液控单向阀I组成，所述的两个液控单向阀I直接与双向定量泵的 进出油口相连。

所述的液压锁由两个液控单向阀II组成，所述的两个液控单向阀II直接与定量马达的 进出口相连。

所述的输入轴I与风电机组传动链中的增速箱连接，所述的输出轴II与风电机组传动链 中的发电机连接。

所述的伺服电机通过联轴器与双向定量泵相连。

所述的直驱式容积控制系统还包括增压式空气滤清器。

所述的直驱式容积控制系统还包括一个密闭油箱，所述的双向定量泵、液压锁、补油阀 设于密闭油箱内，所述的增压式空气滤清器安装在密闭油箱上，与密闭油箱内相通。

增压式空气滤清器使密闭油箱保持一定的正压力，保证补油阀正常吸油，并且当密闭油 箱中的压力高于设定压力时，将多余的空气排出。

输入轴I联接增速箱，输出轴II联接发电机，A和B两部分通过轴III联接，输入轴I 的转速是不断变化的，根据输入轴I的转速调整系统B的输出转速，通过轴III传递给系统 A，通过输入轴I和轴III的差动作用，保证输出轴II的速度恒定，实现发电机输入转速不 变的目的。

本发明的有益效果是：兆瓦级风电机组电液伺服同步器串联在增速箱和同步发电机之间， 保证输入发电机的转速恒定，不需要变流器即可并网，具有可靠性高，电能质量高的特点。 本发明中B为直驱式容积控制系统，它结合了电气伺服系统反应快和液压系统出力大、柔性 好的特点。相对于液力变矩器同步系统，本发明采用的系统制造简单，成本低且效率高。用 伺服电机取代了液压伺服系统中的伺服变量泵或变量马达，通过伺服电机转速和转向的变化 调节系统输出，反应速度快，成本低。伺服电机与液压系统结合后，使系统转动惯量降低， 启动及调速性能提高，体积较小且过载保护能力较高，系统柔性好，更加适合风电机组载荷 波动较大的工况。另外通过控制伺服电机的转速和方向即可控制双向定量泵的输出流量和方 向，进而控制定量马达的转速和方向。安全阀防止冲击载荷对系统B的破坏，液压锁由两个 液控单向阀II组成，阻止定量马达反转，补油阀由两个液控单向阀I组成，可补偿系统油液 的泄露。

附图说明

图1为使用变流器风电机组传动链示意图；

图2为使用电液伺服同步器风电机组传动链示意图；

图3为兆瓦级风电机组电液伺服同步器结构原理图；

图4为液压包结构示意图；

图5为集成阀块结构图；

图6为补油阀结构图；

图7为电液伺服同步器控制系统原理图；

图中1、行星架，2、行星轮，3、内齿圈，4、太阳轮，5、控制齿轮，6、定量马达，7、 安全阀，8、液压锁，9、补油阀，10、双向定量泵，11、伺服电机，12、转速传感器I，13、 转速传感器II，14、联轴器，15、集成阀块，16、增压式空气滤清器，17、密闭油箱，18、 液控单向阀I，19、液控单向阀II。

具体实施方式

如图2，使用电液伺服同步器的风电机组机械和电气传动链主要包括风轮、增速齿轮箱、 电液伺服同步器、同步发电机，增速箱输出转速是变化的，经过电液伺服同步器之后变为恒 定的转速，输入同步发电机后得到电网要求的频率，可以直接并网。本系统用小功率的电气 元件控制伺服电机11，通过直驱式容积控制系统和差速行星传动机构实现同步控制，取代了 大功率电力电子元件组成的变流器，提高了整机可靠性。

如图3，本发明主要由A和B两部分组成，A为2K-H差动行星传动机构，B为直驱式容 积控制系统。输入轴I联接增速箱，输出轴II联接发电机，A和B两部分通过轴III联接， 输入轴I的转速是不断变化的，根据输入轴I的转速调整系统B的输出转速，通过轴III传 递给系统A，通过输入轴I和轴III的差动作用，保证输出轴II的速度恒定，实现发电机输 入转速不变的目的。转速的控制由控制系统组成实现，同时控制系统组成接受风电机组整机 主控系统控制信号并进行处理，使电液伺服同步器实现整机运行要求。

系统A为2K-H差动行星传动机构，由行星架1、行星轮2、内齿圈3、太阳轮4、控制齿 轮5组成，通过输入轴I和轴III的差动作用，保证输出轴II速度恒定。轴III的转速要根 据输入轴I的转速调整，才能保证输出轴II的转速不变，并且要经过功率流的计算，选择输 入轴I和轴III合适的转速比例系数K，才能减少封闭功率，保证较高的系统效率。

系统B为直驱式容积控制系统，由定量马达6、安全阀7、液压锁8、补油阀9、双向定 量泵10、伺服电机11组成，通过控制伺服电机11的转速和方向即可控制双向定量泵10的 输出流量和方向，进而控制定量马达6的转速和方向。安全阀7防止冲击载荷对系统B的破 坏，液压锁8由两个液控单向阀II19组成，阻止定量马达6反转，补油阀9由两个液控单向 阀I18组成，可补偿系统油液的泄露。

该系统可以串联在增速箱和同步发电机之间，也可与增速箱集成到一起，可根据风电机 组整机设计要求进行选择。

如图4，液压包主要由双向定量泵10、伺服电机11、联轴器14、集成阀块15、增压式 空气滤清器16、密闭油箱17组成。增压式空气滤清器16可使密闭油箱17中保持一定的正 压力，保证补油阀9正常吸油，并且当密闭油箱17中的压力高于设定压力时，将多余的空气 排出。

如图5，集成阀块15由液压锁8和补油阀9两部分组成，集成阀块15设计减少了管路 和接头，是液压系统无管化连接方式的一种常用方法，它能够简化液压系统的设计和安装， 便于实现液压系统的集成化与标准化。可以防止液压油的泄露，减小流道容积，提高了系统 动态性能。

如图6，补油阀9由插装在集成阀块15中的一对液控单向阀I18组成，液控单向阀I18 为标准件，可靠性高且价格便宜，插装结构保证密封性好，无泄漏且吸油可靠。图中补油口 A、B连接双向定量泵10的进出油口，吸油口O直接浸入密闭油箱17的油液中。

如图7，C为控制系统组成，对电液伺服同步器实时控制，同时控制系统组成C与风电机 组整机主控系统相连，接受主控的控制信号并进行处理。转速传感器I12和转速传感器II13 分别检测轴III和输入轴I的转速，经过数据采集卡的转换后，轴III的对应值乘以比例系 数K后与输入轴I的对应值相减，作为控制器的输入，其中K根据差动轮系的特性求得，需 使得差动轮系效率最大。控制器对输入的信号进行分析计算，再经过D/A转换，转换成伺服 电机11的驱动器可以接收的信号，对伺服电机11实施控制。系统A为2K-H差动行星传动机 构，B为直驱式容积控制系统，C为控制系统组成，三者组成了闭环控制系统，保证系统输出 同步转速，并高效可靠地工作。