風(fēng)力發(fā)電原理——2012第三章

1、華北電力大學(xué)控計(jì)學(xué)院 肖運(yùn)啟1 第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu) 2 內(nèi)容 n1.主要機(jī)組類型 n2.基本性能和主要參數(shù) n3.機(jī)組的基本結(jié)構(gòu) 3 1.主要機(jī)組類型 1）根據(jù)風(fēng)輪與塔架的相對位置，可分為上風(fēng)向和下風(fēng)向機(jī)組 4 1.主要機(jī)組類型 2）根據(jù)功率調(diào)節(jié)方式，可分為失速機(jī)組和變槳機(jī)組 失速機(jī)組主要利用葉片的氣動失速特性，即當(dāng)入流風(fēng)速 超過一定值時，在葉片后端將形成湍流狀態(tài)，使升力系 數(shù)下降，而阻力系數(shù)增加，從而限制了機(jī)組功率的進(jìn)一 步增加。 變槳距機(jī)組的葉片和輪轂不是固定連接，葉片槳距角 可調(diào)。在超過額定風(fēng)速范圍時，通過增大葉片槳距角， 使攻角減小，以改變?nèi)~片升力FL與阻力FD的比例，達(dá)到 限制

2、風(fēng)輪功率的目的，使機(jī)組能夠在額定功率附近輸 出電能。 5 1.主要機(jī)組類型 a) 帶增速齒輪箱風(fēng)電機(jī)組 b) 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組 3）根據(jù)主軸傳動方式，可分為帶齒輪箱機(jī)組和直驅(qū)機(jī)組 6 1.主要機(jī)組類型 a) 陸上風(fēng)機(jī) b) 海上風(fēng)機(jī) 4）根據(jù)安裝地理位置，可分為陸上機(jī)組和海上機(jī)組 7 海上風(fēng)機(jī)特殊性 n1）海上風(fēng)電場一般處于深度小于30米的中淺深 海域，海面平坦無障礙物，風(fēng)況條件優(yōu)于陸地。 但是風(fēng)場與海浪、潮汐具有較強(qiáng)的耦合作用， 使得海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在隨機(jī)海浪干擾下載荷 條件比較復(fù)雜。 n2）海上風(fēng)場遭遇極端氣象條件的可能性大，強(qiáng) 陣風(fēng)、臺風(fēng)和巨浪等極端惡劣天氣條件都會造 成嚴(yán)重破壞，對于機(jī)組安

3、全可靠性要求更高。 8 海上風(fēng)機(jī)特殊性 n3）海上機(jī)組的基礎(chǔ)比陸地機(jī)組復(fù)雜，必須根據(jù)海域的情況，選擇不同的基礎(chǔ)形式。 中淺海域常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式包括重力基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、吸力式桶形基礎(chǔ)、三足 （四足）樁基礎(chǔ)或三足（四足）吸力式桶形基礎(chǔ)，而當(dāng)水深大于50米時，多則選擇 懸浮式基礎(chǔ)。用于基礎(chǔ)的建設(shè)費(fèi)用占據(jù)較大比例。 （a）重力式結(jié)構(gòu) （b）筒式結(jié)構(gòu) （c）樁基固定式（單立柱、單立柱三樁、四腿導(dǎo)管架） 9 海上風(fēng)機(jī)特殊性 4）海上風(fēng)電機(jī)安裝、運(yùn)行、操作和維護(hù)等方面都比陸地風(fēng)場 困難。 10 我國海上風(fēng)機(jī)發(fā)展趨勢灘涂風(fēng)電場 目前，我國已建或在建的灘涂風(fēng)電場主要集中在潮上帶及圍墾區(qū)。潮間帶 由于淤泥地質(zhì)，

4、風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸安裝都是難題。但是相比于近海風(fēng)電，業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為 潮間帶風(fēng)電場還具有一定成本優(yōu)勢。國內(nèi)首個海上潮間帶風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目龍?jiān)唇?蘇如東海上潮間帶試驗(yàn)風(fēng)場于09年10月并網(wǎng)發(fā)電成功，首批兩臺1.5兆瓦風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組正式并網(wǎng)運(yùn)行。 11 2.基本性能和主要參數(shù) n1）功率曲線（切入、額定、切出風(fēng)速） n2）風(fēng)輪直徑和輪轂高度 n3）葉片數(shù) n4）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比 n5）風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角 12 表3-1 某型號1.5MW機(jī)組的主要技術(shù)規(guī)格 額定功率 / kW1500 轉(zhuǎn)子直徑 / m77 塔架高度 / m65 切入風(fēng)速 / m/s3 額定風(fēng)速 / m/s12 切出風(fēng)速 / m/s20 轉(zhuǎn)子上風(fēng)

5、向、順時針轉(zhuǎn)動 葉片數(shù)3 偏角 / 4 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速 / rpm20 齒輪箱結(jié)構(gòu)形式一級行星輪兩級平行軸斜齒圓柱齒輪 變槳控制方式獨(dú)立電動變槳控制 制動剎車方式獨(dú)立葉片變槳控制+盤剎車 偏航控制系統(tǒng)四個電動齒輪電機(jī) 發(fā)電機(jī)類型感應(yīng)式帶滑環(huán)發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)極對數(shù)4 額定功率 / kW1500 功率因數(shù)cos0.9-1-0.9 電網(wǎng)連接通過變流器 塔架錐形鋼筒塔架 13 2.基本性能和主要參數(shù) 1）功率曲線（切入、額定、切出風(fēng)速） 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線 14 2.基本性能和主要參數(shù) 2）風(fēng)輪直徑和輪轂高度 風(fēng)電機(jī)組功率和直徑的發(fā)展 15 2.基本性能和主要參數(shù) 3）葉片數(shù) 帶有單葉片風(fēng)輪、雙葉片風(fēng)

6、輪和三葉片風(fēng)輪的三種水平軸風(fēng)電機(jī)組形式 16 3）葉片數(shù)（續(xù)） 采用不同的葉片數(shù)，對風(fēng)電機(jī)組的氣動性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都將產(chǎn)生 不同的影響。風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率取決于風(fēng)輪的功率系數(shù)。 不同葉片數(shù)的風(fēng)輪的功率系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線 在相同風(fēng)速條 件下，葉片數(shù) 越少，風(fēng)輪最 佳轉(zhuǎn)速越高. 多葉片風(fēng)輪由 于功率系數(shù)很 低. 17 3）葉片數(shù)（續(xù)） 因此用于衡量風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩性能的另一個重要參數(shù)是轉(zhuǎn)矩系數(shù)， 它定義為功率系數(shù)除以葉尖速比。 不同葉片數(shù)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線 葉片數(shù)越多， 最大轉(zhuǎn)矩系數(shù) 值也越大，對 應(yīng)的葉尖速比 也越小，表明 啟動轉(zhuǎn)矩越大 18 2.基本性能和主要參數(shù) 4）葉尖速比 葉尖速比描述風(fēng)電機(jī)

7、組風(fēng)輪特性的一個重要的 無量剛量，定義為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之 比，即 R V 19 2.基本性能和主要參數(shù) 5）風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角 風(fēng)輪錐角是葉片與 風(fēng)輪主軸相垂直的 旋轉(zhuǎn)平面的夾角， 風(fēng)輪仰角是風(fēng)輪主 軸與水平面的夾角。 20 風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)級別 n國際電工委員會在其頒布的風(fēng)電機(jī)組相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中（IEC64000-1），根據(jù)風(fēng)速 和湍流狀態(tài)參數(shù)將水平軸風(fēng)電機(jī)組分成三個標(biāo)準(zhǔn)級別和一個特殊級別 。 21 風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)級別 22 3.機(jī)組的基本結(jié)構(gòu) n1）總體結(jié)構(gòu) n2）葉片 n3）輪轂 n4）軸系 n5）發(fā)電機(jī) n6）機(jī)艙 n7）偏航 n8）塔架與基礎(chǔ) 23 1）總體結(jié)構(gòu) 大型水平軸風(fēng)電機(jī)組

8、主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)組成。 風(fēng)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu) 24 1）總體結(jié)構(gòu)（續(xù)） 雙 饋 風(fēng) 電 機(jī) 組 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 25 2）葉片 風(fēng)電機(jī)組葉片應(yīng)滿足以下要求： n1）良好的空氣動力外形，能夠充分利用風(fēng)電場的風(fēng)資 源條件，獲得盡可能多的風(fēng)能； n2）可靠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具備足夠的承受極限載荷和疲勞 載荷能力；合理的葉片剛度，葉尖變形位移，避免葉 片與塔架碰撞； n3）良好的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性和氣動穩(wěn)定性，避免發(fā)生共 振和顫振現(xiàn)象，振動和噪聲??； n4）耐腐蝕、防雷擊性能好，方便維護(hù)； n5）在滿足上述目標(biāo)的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，盡可能 減輕葉片重量、降低制造成本。 26 2）葉片 幾何形狀及翼型

9、a) 風(fēng)電機(jī)組葉片（E112型）長度與A340型客機(jī)比較 b) 葉片幾何參數(shù)c) 葉片翼型沿展向變化 27 2）葉片 幾何結(jié)構(gòu) 葉片剖面多采用蒙皮與主梁構(gòu)造形式，中間有硬質(zhì)泡沫夾層作 為增強(qiáng)材料。葉片主梁材料一般需采用單向程度較高的玻纖織 物，葉片蒙皮主要由膠衣、表面氈和雙向復(fù)合材料鋪層構(gòu)成。 葉片主梁葉片鋪層 28 2）葉片 加工制造 葉片上下兩半部分分別在固定形狀的模具中完成鋪層，然后在 前后緣粘合在一起，形成整體葉片。 葉片制造 29 30 31 32 2）葉片葉尖氣動制動機(jī)構(gòu) 對于失速機(jī)組，葉片端部（葉尖）采用制動，超速保護(hù)。 33 34 2）葉片葉根與輪轂連接形式 a) 法蘭連接 b

10、) 預(yù)埋金屬根端連接 葉片根端必須具有足夠的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度，與金屬的連 接強(qiáng)度也要足夠高，這些強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度。常用方式 有法蘭連接與預(yù)埋金屬根端連接。 35 2）葉片葉片故障 a）葉片表面覆冰 b) 表面腐蝕 c)裂紋 d) 極端風(fēng)破壞 葉片故障統(tǒng)計(jì) 36 2）葉片葉片防雷 閃電可以產(chǎn)生超過億伏的平均電壓，百萬安培的平均電流。風(fēng)電機(jī) 組通常樹立在比較空曠的地域，容易遭受雷擊，葉片上必須安裝防 雷擊裝置。 在葉尖部位安裝一個金 屬（鋁或銅）接受塊， 然后通過葉片內(nèi)部金屬 導(dǎo)線連接到葉根部的柔 性金屬板上，經(jīng)過塔架 內(nèi)的接地系統(tǒng)，將雷擊 電流接地。 葉片防雷裝置示意圖 37 2）葉片葉片

11、除冰系統(tǒng) a) 電加熱除冰系統(tǒng)概念 b) 熱空氣除冰系統(tǒng)概念 針對一些地區(qū)容易造成葉片覆冰的環(huán)境條件，一些葉片制造企業(yè) 也考慮了多種解決覆冰問題的方案，例如葉片表面采用特殊的防 冰涂層、葉片中安裝覆冰報警及除冰系統(tǒng)等。 38 a) 運(yùn)行狀態(tài)下的輪轂 b) 風(fēng)輪吊裝 輪轂用于連接葉片和主軸，承受來自葉片的載荷并將其傳遞到主軸上。對 于變槳距風(fēng)電機(jī)組，輪轂內(nèi)的空腔部分還用于安裝變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 3）輪轂 39 3）輪轂形狀 a) 三角形輪轂 b) 三通式輪轂 三角形輪轂，內(nèi)部空腔小，體積小，制造成本低，適用于定 槳距機(jī)組；三通式輪轂，主要用于變槳距機(jī)組，其形狀如球 形，內(nèi)部空腔大，可以安裝變槳距調(diào)

12、節(jié)機(jī)構(gòu)，承載能力大。 40 3）輪轂變槳機(jī)構(gòu) 現(xiàn)代大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組多數(shù)采用變槳距機(jī)組，其主要特征 是葉片可以相對輪轂轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)槳距角的調(diào)節(jié)。其主要作用 有以下兩點(diǎn)： 1）在正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，通過改變 葉片槳距角，改變?nèi)~片的升力與阻力比，實(shí)現(xiàn)功率控制。 2）當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，或者風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程出現(xiàn) 故障狀態(tài)時，迅速將槳距角從工作角度調(diào)整到順槳狀態(tài)，實(shí) 現(xiàn)緊急制動。 41 3）輪轂變槳機(jī)構(gòu) 變槳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 42 4）軸系 軸系用來連接風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)，將風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩傳遞給 發(fā)電機(jī)，同時實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變換。 帶增速齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)示意圖 43 4）軸系主軸 主軸一端連

13、接風(fēng)輪輪轂，另一端連接增速齒輪箱的輸入軸，用滾動軸承 支撐在主機(jī)架上。風(fēng)輪主軸的支撐結(jié)構(gòu)形式與增速齒輪箱的形式密切相 關(guān)。按照支撐方式不同，主軸可以分為三種結(jié)構(gòu)形式，適用于不同機(jī)組。 風(fēng)輪主軸支撐形式 44 4）軸系齒輪箱 a) 齒輪箱于風(fēng)輪側(cè)外觀視圖 b)于發(fā)電機(jī)側(cè)外觀視圖 風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)條件比較苛刻，同時也是機(jī)組的主要故障 源之一， 其基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)表現(xiàn)在： 1.傳動比大，傳遞功率大 2.運(yùn)行條件惡劣 c)多級行星輪系風(fēng)電機(jī) 組齒輪箱 45 4）軸系齒輪箱故障 齒輪在運(yùn)行過程中，齒面承受交變壓應(yīng)力、交變摩擦力以及沖擊載 荷的作用，將會產(chǎn)生各種類型的損傷，導(dǎo)致運(yùn)行故障甚至失效。 齒 輪 典

14、型 故 障 46 4）軸系連接與制動 為實(shí)現(xiàn)機(jī)組傳動鏈部件間的扭矩傳遞，齒輪箱高速軸與發(fā)電機(jī)軸采用柔 性聯(lián)軸器，以彌補(bǔ)機(jī)組運(yùn)行過程軸系的安裝誤差。機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)一般采 用盤式結(jié)構(gòu)，制動盤安裝在齒輪箱輸出軸與發(fā)電機(jī)軸的彈性聯(lián)軸器前端。 制動剎車時，液壓制動器抱緊制動盤，通過摩擦力實(shí)現(xiàn)剎車動作。 某機(jī)組的聯(lián)軸器 47 5）發(fā)電機(jī) 大型風(fēng)電機(jī)組一般采用雙饋異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)作為 發(fā)電機(jī)。 雙饋風(fēng)電機(jī)組 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組 48 機(jī)艙裝配現(xiàn)場 6）機(jī)艙 為了保護(hù)傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)以及控制裝置等部件，將它們用輕質(zhì)外罩封 閉起來，稱為機(jī)艙。機(jī)艙通常采用重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的玻璃鋼制作。 49 7）偏航系統(tǒng)

15、 n偏航系統(tǒng)主要用于調(diào)整風(fēng)輪的對風(fēng)方向。大型風(fēng)電機(jī)組主要采用 電動機(jī)驅(qū)動的偏航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的風(fēng)向感受信號來自裝在機(jī)艙上 面的風(fēng)向標(biāo)。通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪方向的調(diào)整。 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 1主機(jī)架，2偏航驅(qū)動，3運(yùn)輸支架 50 8）塔架與基礎(chǔ) n塔架是機(jī)組的支撐部件，承受機(jī)組重量、風(fēng)載荷及各種動載荷， 并將這些載荷傳遞到基礎(chǔ)。塔架結(jié)構(gòu)形式主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、 桁架結(jié)構(gòu)和鋼筒結(jié)構(gòu)三種 。 a) 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔架 b) 鋼筒塔架和桁架塔架 51 8）塔架與基礎(chǔ)塔筒加工 n塔筒通常采用寬度為2米、厚度為10至40毫米的鋼板，經(jīng)過卷板 機(jī)卷成筒狀，然后焊接而成。 塔同加工 52 8）塔架與基礎(chǔ)塔筒安裝 n每段塔筒兩端焊有連接法蘭，在現(xiàn)場安裝時，用螺栓將各節(jié)塔筒 連成一體，形成最終的整體塔筒。 a 塔筒法蘭連接b 現(xiàn)場吊裝c 塔筒內(nèi)部 53 8）塔架與基礎(chǔ)基礎(chǔ) n基礎(chǔ)主要提供塔筒底部的連接和固定，塔架基 礎(chǔ)應(yīng)使機(jī)組在所有可能出現(xiàn)的載荷條件下保持 穩(wěn)定狀態(tài)，不能出現(xiàn)傾倒、失穩(wěn)或其它問題。 n塔架基礎(chǔ)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，根據(jù) 風(fēng)電場場址工程地質(zhì)條件和地基承載力以及基 礎(chǔ)荷載、結(jié)構(gòu)