風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的動力——負(fù)荷匹配28幀ppt課件

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中風(fēng)輪與發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的動力電機(jī)的動力負(fù)荷匹配負(fù)荷匹配概概 述述n在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計中，風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的動力負(fù)荷匹配至關(guān)重要。匹配的好壞直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運行效率、功率輸出和全年發(fā)電量。n1 n2 n2 風(fēng)輪輸出 發(fā)電機(jī)輸入 風(fēng)輪輸出 發(fā)電機(jī)輸入 風(fēng)輪輸出 發(fā)電機(jī)輸入 轉(zhuǎn)速n1n2 負(fù)載高于動力：僅輸出n1時的功率；大風(fēng)超越n2時，易發(fā)生飛車 負(fù)載功率高于動力功率：不發(fā)電 負(fù)載功率低于動力功率：僅在大風(fēng)高轉(zhuǎn)速n2時發(fā)電1、機(jī)組總體設(shè)計對風(fēng)輪技術(shù)性能的要求n風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要求風(fēng)輪動力輸出特性和發(fā)電機(jī)負(fù)載(發(fā)電機(jī)輸入軸功率特性相擬合，如果風(fēng)輪輸出和發(fā)電機(jī)輸入的轉(zhuǎn)速扭

2、矩曲線不能擬合，其動力負(fù)載不匹配，會導(dǎo)致風(fēng)輪不能運行在最佳葉尖速比附近，風(fēng)輪效率低，機(jī)組達(dá)不到額定輸出功率。為便于風(fēng)輪動力和發(fā)電機(jī)負(fù)載的匹配設(shè)計，風(fēng)輪設(shè)計須提供如下技術(shù)數(shù)據(jù)和參數(shù)：風(fēng)能利用系數(shù)、推力系數(shù)、力矩系數(shù)以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪軸功率、風(fēng)輪軸扭矩、風(fēng)輪推力在額定風(fēng)速以下及額定風(fēng)速附近的變化規(guī)律。n1.1 由于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制比較粗放，在高于額定風(fēng)速后需要采取措施對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，防止飛車以及發(fā)電機(jī)過度超載。n1.2 槳葉是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵的動力部件，其氣動外形設(shè)計對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動力性能和運行效率起著決定性的作用。n1.3 槳葉氣動外形設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，選擇翼型，用優(yōu)

3、化設(shè)計的方法給出槳葉剖面弦長、相對厚度和扭角沿展向的變化。n1.4 目前用于槳葉的翼型：一類是航空翼型和它的修型；另一類是風(fēng)力機(jī)翼型。水平軸風(fēng)力機(jī)采用的航空翼型有NACA 系列、NASA LS系列和FX系列等，其相對厚度在12%28%范圍。NACA63-2系列翼型是目前水平軸風(fēng)力機(jī)葉片使用較多的翼型。根據(jù)風(fēng)力機(jī)性能的需要，風(fēng)力機(jī)翼型一般要求在分離區(qū)內(nèi)有穩(wěn)定的最大升力系數(shù)、升阻比。專門的風(fēng)力機(jī)翼型有美國NREL S系列、瑞典FFA-W系列、荷蘭DU系列。NREL S系列翼型空氣動力特性較好。最大升力系數(shù)不高是為滿足定槳距失速槳葉控制功率輸出的需要；試驗結(jié)果表明NREL S系列翼型可減少葉片表面粗

4、糙度對功率輸出的影響，并在低風(fēng)速和中等風(fēng)速下，改善槳葉的空氣動力性能，使全年功率輸出增加。2、風(fēng)輪設(shè)計應(yīng)確定的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)n結(jié)構(gòu)型式；n調(diào)速方式 考慮機(jī)械變槳距、主動失速控制；n翼 型 優(yōu)先選擇風(fēng)力機(jī)專用翼型；n額定風(fēng)速；n風(fēng)輪直徑及槳葉數(shù)目；n輪轂結(jié)構(gòu)及尺寸；n風(fēng)輪實度；n空氣動力特性理論曲線Cp、Cm、Ct）；n額定風(fēng)速及以下風(fēng)速的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率計算值；3、風(fēng)力機(jī)槳葉氣動外形的設(shè)計要領(lǐng) 一般在風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉約75% （r/R=0.75展長的剖面附近是產(chǎn)生功率的中心區(qū)域，因此，翼型配置和氣動外形設(shè)計應(yīng)注意如下幾點：相對高的升阻比，以獲得最大的功率系數(shù)；限制其最大升力系數(shù)，以便于定槳距風(fēng)輪

5、可靠地進(jìn)行失速控制；表面粗糙度對翼型失速特性的影響小，以確保失速控制特性穩(wěn)定；足夠的相對厚度，以保證應(yīng)有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。n在風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉根部r/R=0.30和尖部r/R=0.95布置的翼型除了有好的空氣動力特性外，還要求從槳葉根部到尖部，其空氣動力特性是連續(xù)變化的。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度考慮，在根部配置的翼型厚度要大，具有高的最大升力系數(shù)；在尖部配置的翼型相對厚度要小，使其阻力系數(shù)最小，降低運行噪音。4、槳葉及風(fēng)輪設(shè)計范例n4.1 總體設(shè)計要求n(1) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式：水平軸、上風(fēng)向、三槳葉、主動失速變槳距、尾舵調(diào)向；n(2) 工作風(fēng)速范圍：330m/s ； 安全風(fēng)速： 60m/s ；n(3

6、) 額定風(fēng)速： 11m/s ；額定功率：5kW；n(4) 優(yōu)先考慮風(fēng)力機(jī)專用翼型 NREL S系列；n(5) 風(fēng)輪額定運行狀態(tài)下Cp值不低于0.42，運行噪音不大于65分貝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)下、下風(fēng)向20m處檢測）；n(6) 提供Cp=f ()； Cm= f ( ) ； Ct= f ( )理論空氣動力特性曲線；n(7) 提供額定風(fēng)速及額定風(fēng)速以下的，尖速比6、7、8、9狀態(tài)下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩理論計算的數(shù)據(jù)；n4.2 技術(shù)設(shè)計成果n(1) 槳葉和風(fēng)輪，見照片；n(2) 翼型：NREL S系列；n(3) 技術(shù)參數(shù)；n葉片數(shù)目：3n風(fēng)輪直徑：5.6mn旋轉(zhuǎn)方向在上風(fēng)面對風(fēng)輪）：順時針n風(fēng)輪俯仰角：

7、0 n風(fēng)輪錐角： 0n額定風(fēng)速： 10 m/s左右n額定功率： 5 kWn葉片長度： 2.74 mn最大弦長： 0.4 mn(4) 風(fēng)能利用系數(shù)、推力系數(shù)和力矩系數(shù)隨尖速比的變化：02468101214160.00.10.20.30.40.5Cp02468101214160.00.20.40.60.81.01.21.4Ct圖3 風(fēng)能利用系數(shù)曲線 圖4 推力系數(shù)曲線 圖4 力矩系數(shù)曲線 n(5) 風(fēng)輪在不同風(fēng)速、不同尖速比運行狀態(tài)下的動力變化n(6) 風(fēng)輪動力隨風(fēng)速在不同尖速比狀態(tài)下的功率變化規(guī)律。n根據(jù)計算數(shù)據(jù)表畫出如圖所示的一族曲線。每條曲線反映了不同風(fēng)速下風(fēng)輪輸出功率隨尖速比值風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化

8、的規(guī)律。n如圖所示在每段風(fēng)速的尖速比7和8附近，風(fēng)輪的功率輸出值較高。分別把曲線族中的7和8連接成曲線，風(fēng)輪按這兩條曲線運行必然是風(fēng)輪動力輸出的最佳狀態(tài)?？煞Q它為風(fēng)輪最佳輸出的目標(biāo)功率曲線。n運行轉(zhuǎn)速和功率的對應(yīng)關(guān)系，見數(shù)據(jù)表。n運行轉(zhuǎn)速和功率的對應(yīng)關(guān)系，見數(shù)據(jù)表。5、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計范例n5.1 設(shè)計目標(biāo)及主要設(shè)計參數(shù)n設(shè)計目標(biāo) 把發(fā)電機(jī)的輸入軸功率及轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，從切入風(fēng)速到額定風(fēng)速，從發(fā)電轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速，與風(fēng)輪輸出的目標(biāo)功率曲線擬合。n發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)n 額定轉(zhuǎn)速：260 r/min 額定功率： 5 kWn 額定工作電壓： DC500V 起動阻力矩： 5 Nmn 額定轉(zhuǎn)速

9、時的空載電壓： DC600Vn 發(fā)電機(jī)的效率： 60%80%5.2 永磁發(fā)電機(jī)的輸出特性 根據(jù)風(fēng)輪動力特性設(shè)計制造的發(fā)電機(jī)在試驗臺上對其在不同轉(zhuǎn)速，不同工作電壓下的輸出功率和效率進(jìn)行了測定，測定的數(shù)據(jù)及繪制的曲線如下：6、風(fēng)輪動力發(fā)電機(jī)負(fù)載匹配范例n依據(jù)D=5.6m三槳葉風(fēng)輪的空氣動力特性做出了風(fēng)輪在不同風(fēng)速不同轉(zhuǎn)速即不同的值下的曲線族。然后將直驅(qū)三相交流永磁發(fā)電機(jī)經(jīng)臺架試驗檢測到的直流輸出電壓、電流、功率、效率數(shù)據(jù)也畫出曲線。從中找出不同風(fēng)速，不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)輪輸出功率與發(fā)電機(jī)輸入功率之間的精確匹配關(guān)系。n6.1風(fēng)輪的動力n風(fēng)輪輸出功率曲線圖顯示了=7和=8兩個運行狀態(tài)時的功率轉(zhuǎn)速變化曲線。把發(fā)

10、電機(jī)的輸入功率跟蹤在這 兩條曲線附近及中間，就是風(fēng)輪動力發(fā)電機(jī)負(fù)載的最佳匹配。從向發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率到發(fā)電機(jī)輸出直流電功率有個轉(zhuǎn)換效率，多點檢測值的范圍是6080%，為簡化操作，令發(fā)電機(jī)的效率值為70%，依據(jù)風(fēng)輪輸出目標(biāo)功率曲線，計及效率值70%，分別畫出尖速比=7， =8兩條發(fā)電機(jī)輸出功率的目標(biāo)曲線。6.2 發(fā)電機(jī)輸出功率目標(biāo)曲線與發(fā)電機(jī)輸出特性如圖所示，發(fā)電機(jī)不同電壓下的輸出曲線族與發(fā)電機(jī)輸出功率目標(biāo)曲線交匯出若干匹配點，列表如下： 發(fā)電機(jī)輸出與發(fā)電機(jī)輸出功率目標(biāo)曲線的交點： 按上述諸點跟蹤轉(zhuǎn)速的變化調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出的電壓、電流、功率即可實現(xiàn)與風(fēng)輪動力的最優(yōu)化匹配。5kW變槳距風(fēng)力機(jī)丹麥運行檢測功率曲線圖（風(fēng)輪直徑5.4m；塔桿15m；10.5m/s風(fēng)速功率可達(dá)到6kW）7、結(jié)束語n5kW變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)與德國SMA并網(wǎng)逆變電源配套，均按