風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

.PAGE.新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院Collegeofscience＆technologyXinjiangUniversity學(xué)生畢業(yè)論文<設(shè)計(jì)>題目：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師:學(xué)生__專業(yè)：電氣工程及自動(dòng)化班級(jí)：電氣07-1完成日期：20XX5月18日聲明鄭重聲明,本片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文是在老師的精心指導(dǎo)以及查閱資料獨(dú)立完成的,沒有任何版權(quán)問題,沒有剽竊、抄襲他人的成果,否則,由此造成的一切后果由本人負(fù)責(zé)。本人簽名：新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)論文〔設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)論文〔設(shè)計(jì)題目風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文〔設(shè)計(jì)來源教師科研要求完成的內(nèi)容〔1查閱相關(guān)資料,掌握定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作特性〔2查閱相關(guān)資料,掌握變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作特性〔3研究槳葉的氣動(dòng)特性,翼型的失速控制原理〔4研究變槳距控制系統(tǒng)的工作原理〔5研究主動(dòng)失速控制系統(tǒng)的工作原理〔6完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一篇發(fā)題日期：20XX3月9日完成日期：20XX5月18日指導(dǎo)教師簽名摘要空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能極為風(fēng)能。風(fēng)能利用形成主要是將大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。隨著風(fēng)電技術(shù)不斷進(jìn)步,容量逐步增大,單機(jī)容量已達(dá)幾百千瓦,并有兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)問世,近十幾年來風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量有了顯著提高,作為一種新的,安全可靠的,干凈的能源而受到國際上風(fēng)資源豐富國家的關(guān)注與大規(guī)模開發(fā)。槳距控制可以最大限度的捕獲風(fēng)能。槳距控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一,本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳距控制系統(tǒng)做了較為全面的分析及介紹。首先簡述了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展的趨勢,介紹了定速定槳和變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn),綜述了發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成及各部件的功能。闡述了課題研究的意義,并提出了本文主要研究的內(nèi)容。深入學(xué)習(xí)定速發(fā)電機(jī)組的失速控制原理,在此基礎(chǔ)上對(duì)變槳距控制和主動(dòng)失速控制進(jìn)行研究。關(guān)鍵字：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；定速發(fā)電機(jī)組；失速控制；變槳距；主動(dòng)失速；AbstractAirflowformedbykineticenergyextremelywindpower.Windenergyformationismainlywillatmosphericmotionwiththekineticenergywhenconvertedintootherformsofenergy.Thewindtechnologyunceasingprogress,increasingcapacity,standalonecapacityhasreachedseveralhundredkw,andhavemegawattswindgeneratorswaspublished,gradenearlytenyearswind-drivengeneratorproductqualityhasbeenimprovedgreatly,asakindofnew,safeandreliable,cleanenergyandwindresourcesarerichcountriesbyinternationalconcernandthelarge-scaledevelopment.OARSfromcontrolcanmaximumcapturethewind.OARSfromcontrolsystemisthekeytechnologyofwindturbinegeneratorsofthispaperWTGoardistancecontrolsystemtodoacomprehensiveanalysisandintroduce.First,thispaperexpoundsthepresentsituationanddevelopmentofwindpower,introducesthetrendsetOARSandvariablespeedchangeseveralOARSWTGsummarizedthecharacteristicsofgeneratingunits,thecompositionandfunctionofeachcomponent.Expoundsthesignificanceofresearchsubjects,andputsforwardthecontentsofthispapermainlystudies.Furtherstudyusinggeneratorstallcontrolprinciple,onthebasisofdistancecontrolandactivevariableoarcontrolstalled.AccordingtotheirrespectivecharacteristicsPIcontrolsimulation.Keyword:wtg；Fixedspeedwindgenerators；Stallcontrol；Fromcontrolvariableoar；Activestall目錄1緒論11.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起源11.220XX我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀11.320XX我國風(fēng)電裝機(jī)容量21.4世界風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀51,5未來我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢61.6總體概述62風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成82.1葉片92.2輪轂92.3機(jī)艙112.4齒輪箱112.5塔架133定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔定槳距失速型143.1雙速發(fā)電機(jī)143.2定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)143.3失速控制原理153.4定槳距失速調(diào)節(jié)164變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔變槳距174.1變速的必要性174.2變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)及其調(diào)節(jié)194.3變槳系統(tǒng)的工作原理194.4變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域194.5槳距控制方案214.6變槳距控制215變槳距主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組235.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制的方式235.2主動(dòng)失速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)245.3主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本思想255.4槳葉的失速調(diào)節(jié)原理25致謝28參考文獻(xiàn)29..緒論風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象,它是由太陽輻射熱引起的。風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式,是一種重要的自然能源。太陽照射到地球表面,地球表面各處受熱不同,產(chǎn)生溫差,從而引起大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。風(fēng)能利用已有數(shù)千年的歷史。在蒸汽機(jī)發(fā)明以前,風(fēng)帆和風(fēng)車是人類生產(chǎn)和生活的重要?jiǎng)恿ρb置。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國家,約在幾千年前,他們就開始利用風(fēng)帆來幫助行船。波斯和中國也在很早就開始利用風(fēng)能,主要使用垂直軸風(fēng)車。我國至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船,到唐代,風(fēng)帆船已廣泛用于江河運(yùn)輸。最輝煌的是明代,14世紀(jì)鄭和七下西洋,龐大的帆船隊(duì)功不可沒。明代以后,風(fēng)車廣泛應(yīng)用,沿海一帶主要用于帆船和風(fēng)力機(jī)提水灌溉,制鹽。在歐洲到中世紀(jì)才廣泛利用風(fēng)能,荷蘭人發(fā)明了風(fēng)車。18世紀(jì)荷蘭曾用近萬臺(tái)風(fēng)車排水,在低洼的海灘上圍海造田,成為風(fēng)車之國。成為有名的農(nóng)用風(fēng)車,最多達(dá)到了600萬臺(tái)。隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn),以及煤,石油,天然氣的開采,風(fēng)力機(jī)無法和蒸汽機(jī),內(nèi)燃機(jī),電動(dòng)機(jī)等相競爭,逐漸被淘汰。到了19世紀(jì)末,開始利用風(fēng)力發(fā)電,特別是在20世紀(jì)70年代,利用風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)代[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起源1973年的石油危機(jī)之前,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)仍處于科學(xué)研究階段,主要在高校和科研單位開發(fā)研究,政府從技術(shù)儲(chǔ)備的角度提供少量科研費(fèi)。1973年以后,風(fēng)力發(fā)電作為能源多樣化措施之一,列入能源規(guī)劃,一些國家對(duì)風(fēng)力發(fā)電以工業(yè)化試點(diǎn)應(yīng)用給予政策扶持,以減稅、抵稅和價(jià)格補(bǔ)貼等經(jīng)濟(jì)手段給予激勵(lì),推進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電工業(yè)化的發(fā)展。進(jìn)入90年代,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟,風(fēng)場規(guī)模式建設(shè)；另一方面全球環(huán)境保護(hù)嚴(yán)重惡化,發(fā)達(dá)國家開始征收能源和碳稅,環(huán)保對(duì)常規(guī)發(fā)電提出新的、嚴(yán)格的要求。情況變化縮短了風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)發(fā)電價(jià)格競爭的差距,風(fēng)力發(fā)電正進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展的前夜。我國風(fēng)力發(fā)電起步于80年代末,集中在沿海和新疆、內(nèi)蒙風(fēng)能帶。1986～1994年試點(diǎn),1994年新疆達(dá)坂城2號(hào)風(fēng)場首次突破裝機(jī)10MW<當(dāng)年全國裝機(jī)25MW>,4年后,全國裝機(jī)223MW,增長9倍,占全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)的2.3%[2]。20XX我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀裝機(jī)容量繼續(xù)增長,但增速明顯放緩20XX,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)依舊是最受人們關(guān)注的新能源產(chǎn)業(yè),并已被列入國家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。在全球大力發(fā)展清潔能源的大好時(shí)機(jī)下,我國風(fēng)電裝機(jī)容量繼續(xù)保持增長。全年新增裝機(jī)1602.2萬千瓦,累計(jì)裝機(jī)4182.7萬千瓦〔如圖1-1。與20XX新增裝機(jī)1380萬千瓦、累計(jì)裝機(jī)2580萬千瓦相比,20XX風(fēng)電新增裝機(jī)增長率僅為16%,累計(jì)裝機(jī)增長率為62%,相比過去四年里風(fēng)電裝機(jī)容量連年翻番增長的態(tài)勢,20XX我國風(fēng)電裝機(jī)容量增速明顯放緩,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正逐漸步入平穩(wěn)增長[3]。圖1-12006-20XX我國總裝機(jī)容量國家重視風(fēng)電產(chǎn)業(yè),海上風(fēng)電成為新寵為達(dá)到我國在哥本哈根會(huì)議上提出的"到2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到15%、單位GDP二氧化碳排放強(qiáng)度比20XX下降40%-45%"的目標(biāo),20XX,國家陸續(xù)出臺(tái)了一系列促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律、法規(guī)和產(chǎn)業(yè)政策,發(fā)展目標(biāo)更加明確,思路更加清晰,前景非常廣闊。此外,根據(jù)國家最新的能源規(guī)劃,2020年前國家將在新能源領(lǐng)域增加5萬億元投資,其中可再生能源投資約3萬億元,風(fēng)電占1.5萬億元。同時(shí),20XX是我國海上風(fēng)電加速發(fā)展的元年。國家能源局5月18日正式啟動(dòng)了總計(jì)100萬千瓦的首輪海上風(fēng)電招標(biāo)工作,分別為濱海和射陽的兩個(gè)30萬千瓦的近海風(fēng)電項(xiàng)目；大豐和東臺(tái)的兩個(gè)20萬千瓦的潮間帶項(xiàng)目,并于9月10日在北京開標(biāo)。同年6月,我國首個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目——上XX海大橋102兆瓦項(xiàng)目全部并網(wǎng)發(fā)電。在國家大力推動(dòng)海上風(fēng)電加快發(fā)展的形勢下,上海、XX、XX、XX和XX等省市紛紛提交了各自的海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃,各風(fēng)電企業(yè)更是前赴后繼進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)的研制與生產(chǎn)。1.320XX我國風(fēng)電裝機(jī)容量總體裝機(jī)容量〔見圖1-2：20XX中國〔不包括XX地區(qū)新增安裝風(fēng)電機(jī)組12904臺(tái),裝機(jī)容量18927.99MW,年同比增長37.1%；累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組34485臺(tái),裝機(jī)容量44733.29MW,年同比增長73.3%。[4]圖1-220XX中國總裝機(jī)容量各區(qū)域裝機(jī)情況〔見圖1-3：圖1-3中國各區(qū)域裝機(jī)情況各省市裝機(jī)容量及分布圖〔見圖1-4：圖1-4我國各區(qū)域裝機(jī)分布圖表1-1各省市裝機(jī)容量1.4世界風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀根據(jù)世界風(fēng)力協(xié)會(huì)<WorldWindEnergyAssociation>于20XX3月發(fā)布「2009年世界風(fēng)力報(bào)告」〔WorldWindEnergyReport2009指出,2009年全球風(fēng)力機(jī)組總設(shè)備容量業(yè)達(dá)159.213GW<億瓦>,并提供3,400億度電力,約滿足全球2%的電力需求。2009年新增設(shè)備38.312GW,較2008年總設(shè)備容量120.903GW增加31.7%。該協(xié)會(huì)推估2010年總設(shè)備容量將達(dá)203.5GW,2020年全球風(fēng)力機(jī)組累計(jì)設(shè)備容量將上看1,900GW,約為2009年總設(shè)備容量之12倍。目前風(fēng)力發(fā)電設(shè)備容量前3名分別為美國、中國、德國,這3個(gè)國家的風(fēng)力機(jī)組容量計(jì)86.946GW,約占全球的55%。若再加上第3、第4位的西班牙及印度,則前5個(gè)國家合計(jì)117.02GW,約占全球風(fēng)力機(jī)組容量3/4。顯示風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成熟且前景看好,世界各國對(duì)風(fēng)力發(fā)電推廣,不遺余力[5]。2009年于丹麥哥本哈根舉辦的國際氣候COP15會(huì)議,第15屆簽約國會(huì)議。中期目標(biāo)是讓世界約50個(gè)國家,到2020年為止溫室效應(yīng)廢氣排放量削減計(jì)劃。計(jì)劃中EU國家到2020年為止,占所有能源消費(fèi)量的20%必須使用再生能源,以此作為設(shè)定共同努力的目標(biāo)。加盟各國家努力開發(fā)可能再生能源,就以歐洲共同市場EU各國努力以赴的風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)入狀況分析如下:1>世界風(fēng)力發(fā)電規(guī)模比前1年增加41.5%在綠能方面世界各國的定義不同,近兩年來各國政府承諾「綠能」投資金額為5.000億美元,其中中國在這方面的投資居冠,投資金額高達(dá)2,180億美元,其次是韓國投資金額為600億美元,歐洲共同市場EU加上會(huì)員各國的投資總金額為550億美元。但是若以綠能化刺激策略的綠色、能源領(lǐng)域<能源效率化、可能再生能源、電力送電網(wǎng)、低碳排放汽車>做為限定范圍的話,美國居冠的660億美元,其次是中國的47億美元,EU為31億美元,韓國是16億美元。根據(jù)英國HSBC銀行集團(tuán)預(yù)估,在綠能化方面的投資金額中,若是以再生能源,以及能源效率技術(shù)方面為限,10年來成長了3倍。綠色能源全部的投資金額也受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響,2008年投資金額高達(dá)1,550億美元。但是就世界的風(fēng)力發(fā)電市場來看,并沒有受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響,08年依然成長了41.5%。09年風(fēng)力發(fā)電累積導(dǎo)入量為158GW<億瓦><GW=10億瓦>,比前1年增加31.7%。2>歐洲風(fēng)力發(fā)電占電力需求的5%EU27個(gè)國家在09年的風(fēng)力能源導(dǎo)入容量擔(dān)負(fù)起世界領(lǐng)導(dǎo)責(zé)任。09年的風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)入量超過10GW,占世界的26.5%。累積導(dǎo)入容量從前年的64.719MW,增加到74.767MW,比前1年成長了15%。這也是占世界全體的47%市場占有率。對(duì)EU各國來說風(fēng)力發(fā)電<風(fēng)車,水車>可以說是早已經(jīng)習(xí)慣的風(fēng)景。在德國搭乘地方火車時(shí),能夠從車窗見到風(fēng)車的風(fēng)景。就09年新興導(dǎo)入可能再生能源來看,占全體的61%,產(chǎn)生的電力為26GW,其中風(fēng)力發(fā)電占39%。EU發(fā)表到2020年為止,能源消費(fèi)量的20%以再生能源為目標(biāo)。若是以EU各國制定目標(biāo)來看,到2020年為止順利的話可能再生能源,可以達(dá)到全體電力消費(fèi)量的34%。其中預(yù)估風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域方面約有14%~17%的貢獻(xiàn)。歐洲從2000年以后累積風(fēng)力發(fā)電容量為9.7GW,約成長了7倍的95GW。針對(duì)EU在2009年底為止的統(tǒng)計(jì),風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的雇用人數(shù)為19萬人,風(fēng)力發(fā)電方面的投資金額為139億歐元。09年的發(fā)電總?cè)萘咳魶]有特殊改變的話162.5TWh,風(fēng)力發(fā)電相當(dāng)約占EU電力需求的4.8%。3>歐洲是以海上風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)入做為主流歐洲2009年在海洋風(fēng)力發(fā)電方面的導(dǎo)入容量為582MW,比08年增加56%,占?xì)W洲整體發(fā)電設(shè)備的6%左右。累積發(fā)電容量為2,063MW,占?xì)W洲全體發(fā)電量的3%。歐洲的兩大市場分別為英國的883MW,以及丹麥的646MW。就2010年歐洲海洋風(fēng)力發(fā)電容量來看,預(yù)定導(dǎo)入1,000MW,相當(dāng)于歐洲市場的約10%左右。海洋風(fēng)力發(fā)電尚處于萌芽期,預(yù)估到2020年以海洋型的風(fēng)力發(fā)電容量將達(dá)到40GW。由于歐洲海域的優(yōu)勢條件,適合海洋型的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,預(yù)估這將成為歐洲能源再生的主流方式。此外、歐洲在海洋型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面,局于領(lǐng)先地位,故預(yù)估到了2030年,風(fēng)力發(fā)電是目前的7倍能力,相當(dāng)于能夠供應(yīng)30,000TWh的電力。2009年為止,海洋型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備共設(shè)立830座,通過海底送電網(wǎng)的傳送,已經(jīng)能夠供應(yīng)2,000MW的電力。目前在歐洲的9個(gè)國家,建立了39個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),海洋型的風(fēng)力發(fā)電也從1994年在荷蘭外海建設(shè)的第1座發(fā)電能力2MW,一直到去年的09年在丹麥沿海設(shè)置的海洋型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,能夠產(chǎn)生209MW的發(fā)電能力。最近大型海上風(fēng)力渦輪設(shè)備,主要是基于深海建設(shè)技術(shù)提高所賜。僅2009年就建設(shè)了9個(gè)場所的海洋型風(fēng)力發(fā)電基地,供安置了201座風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,新設(shè)置的風(fēng)力發(fā)電能力達(dá)到584MW,09年在風(fēng)力發(fā)電方面的投資金額為130億歐元。其中海洋型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備就占了15億歐元。2010年更增加到30億歐元。1,5未來我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)悄然興起并且將會(huì)成為重要能源形式,海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域,從而使海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為最近的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。中國海上風(fēng)能資源儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于陸地風(fēng)能,儲(chǔ)量10m高度可利用的風(fēng)能資源超過7億kW,而且距離電力負(fù)荷中心很近。隨著風(fēng)力發(fā)電的不段發(fā)展,陸地上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總和已經(jīng)開始趨于飽和,那么就需要我們開發(fā)新的能源形式,海上風(fēng)力發(fā)電場也就自然而然的成為了新的重要能源開發(fā)項(xiàng)目,同時(shí)也是風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)重點(diǎn)。不僅在中國是這樣,海上發(fā)電也是近年來國際風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新新領(lǐng)域,可謂是"方向中的方向"。隨著現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的日趨成熟,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正不斷向大型化發(fā)展。大體上大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有兩種發(fā)展模式。一種是陸地風(fēng)力發(fā)電,其方向是低風(fēng)速發(fā)電技術(shù),這種模式關(guān)鍵是向電網(wǎng)輸電。另外一種是近海風(fēng)力發(fā)電,主要用于比較淺的近海海域,這種模式的主要制約因素是風(fēng)力發(fā)電場的規(guī)劃和建設(shè)成本,但是近海風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢是明顯的,即不占用土地,海上風(fēng)力資源較好。風(fēng)力發(fā)電不僅僅為人們提供電力,同時(shí)它也伴隨并且促進(jìn)著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電整個(gè)過程都不產(chǎn)生任何污染,它既可以為人們提供電力,又可以減少燃料帶來的環(huán)境污染,從而起到保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的作用,是真正的綠色能源。風(fēng)電作為清潔的可再生能源,已成為當(dāng)今世界電力發(fā)展的潮流和趨勢。1.6總體概述本文圍繞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)闡述了近年來我國風(fēng)電發(fā)展的狀況、我國風(fēng)電的裝機(jī)容量、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的先進(jìn)技術(shù)、世界風(fēng)力發(fā)電的趨勢及其我國未來發(fā)展的趨勢。隨后介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成,定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,變槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,研究了槳葉的氣動(dòng)特性,翼型的失速控制原理,其中著重寫了：1、我國風(fēng)力發(fā)電近幾年的發(fā)展,我國在20XX的裝機(jī)容量2、介紹了水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成3、定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)、失速控制原理、定槳距失速調(diào)節(jié)4、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)、工作原理、控制方案5、變槳距主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制方式、主動(dòng)失速的優(yōu)點(diǎn)、槳葉的失速調(diào)節(jié)原理最后在論文的總結(jié)中對(duì)我國的風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)和槳距控制進(jìn)行了展望,對(duì)未來的風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展進(jìn)行了大膽的設(shè)想。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成空氣流動(dòng)形成了風(fēng),而空氣的流動(dòng)是由地球自轉(zhuǎn)和地球緯度溫差形成的。流動(dòng)的空氣所具有的動(dòng)能稱作風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)能來發(fā)電,而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械設(shè)備。風(fēng)力機(jī)經(jīng)過20XX的發(fā)展過程,現(xiàn)在已有很多種型式,如圖3-1所示。其中有的是老式風(fēng)力機(jī),現(xiàn)在不再使用,有的是現(xiàn)代風(fēng)力機(jī),正為人們廣泛利用,有的正在研究之中。廣義的風(fēng)力機(jī)還包括那些利用風(fēng)力產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)的裝置,如風(fēng)帆船和中國古代的加帆手推車等。風(fēng)力機(jī)的主要部件是風(fēng)能接收裝置。一般說來,凡在氣流中產(chǎn)生不對(duì)稱力的物理構(gòu)XX能成為風(fēng)能接收裝置,通過旋轉(zhuǎn)、平移或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)而發(fā)出機(jī)械功。無論何種類型的風(fēng)力機(jī),都是由風(fēng)能接收裝置、控制機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)和支承部件等組成的。近代風(fēng)力機(jī)還包括發(fā)電、蓄能等配套系統(tǒng)。目前,水平軸、上風(fēng)向、三槳葉型、用于并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力機(jī)是當(dāng)今普遍應(yīng)用、推廣的機(jī)型,如圖2-1和2-2所示,在機(jī)械結(jié)構(gòu)、功率控制和制動(dòng)系統(tǒng)等方面具有多種選擇方案。下面詳細(xì)介紹典型的水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片、輪轂、機(jī)艙、齒輪箱、發(fā)電機(jī)和塔架[6]。圖2-1典型的水平軸定槳距定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖1132457869101112圖2-2典型的水平軸直驅(qū)式變槳變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)1.葉片2.變槳機(jī)構(gòu)3.輪轂4.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子5.發(fā)電機(jī)定子6.偏航驅(qū)動(dòng)7.測風(fēng)系統(tǒng)8.輔助提升機(jī)9.機(jī)艙控制柜10.機(jī)艙底座11.塔架12.導(dǎo)流罩2.1葉片葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件。風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),葉片必須承受風(fēng)載荷和離心力,由于葉片細(xì)長而且又重又大,受不斷變化的流動(dòng)空氣影響,在地球應(yīng)力場中運(yùn)動(dòng),其所受重力彎矩的變化相當(dāng)復(fù)雜,當(dāng)狂風(fēng)襲來,風(fēng)輪迎風(fēng)靜止時(shí),葉片又必須經(jīng)受住最猛烈的風(fēng)暴。葉片是風(fēng)力機(jī)主要構(gòu)成部分,當(dāng)今95%以上的葉片都采用玻璃鋼復(fù)合材料,質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞。葉片的技術(shù)含量高,屬于風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件,大型風(fēng)力機(jī)的葉片往往由專業(yè)廠家制造。輪轂輪轂的作用是連接葉片和低速軸,要求能承受大的、復(fù)雜的載荷,中小型風(fēng)力機(jī)采用剛性連接,兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)采用蹺蹺板連接方式。圖2-3風(fēng)力機(jī)固定式輪轂風(fēng)輪輪轂是連接葉片與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸的部件,用于傳遞風(fēng)輪的力和力矩到后面的機(jī)構(gòu)。輪轂通常由球墨鑄鐵制成。使用球墨鑄鐵的主要原因是輪轂的復(fù)雜形狀要求使用澆鑄工藝,以方便其成型與加工。此外,球墨鑄鐵有較好的抗疲勞性能。比較典型的輪轂結(jié)構(gòu)有以下三種：<1>固定式輪轂三葉片風(fēng)輪大多采用固定式輪轂,懸臂葉片和主軸都固定在這種無鉸鏈部件上〔見圖2-3。它的主軸軸線與葉片長度方向的夾角固定不變。制造成本低、維護(hù)少,不存在鉸鏈?zhǔn)捷嗇炛械哪p問題。但葉片上的全部力和力矩都將經(jīng)輪轂傳遞至其后續(xù)部件。<2>葉片之間相對(duì)固定的鉸鏈?zhǔn)捷嗇炄鐖D2-4所示,鉸鏈軸線通過葉輪的質(zhì)心。這種鉸鏈?zhǔn)箖扇~片之間固定連接,它們的軸向相對(duì)位置不變,但可繞鉸鏈軸沿風(fēng)輪俯仰方向〔拍向在設(shè)計(jì)位置作±<5o~10o>的擺動(dòng)〔類似蹺蹺板。當(dāng)來流速度在葉輪掃掠面上下有差別或陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí),葉片上的載荷使得葉片離開設(shè)計(jì)位置,若位于上部的葉片向前,則下方的葉片將要向后。由于兩葉片在旋轉(zhuǎn)過程中驅(qū)動(dòng)力矩的變化很大,因此葉輪會(huì)產(chǎn)生很高的噪聲。葉片的懸掛角度也與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速有關(guān),轉(zhuǎn)速越低,角度越大。具有這種鉸鏈?zhǔn)捷嗇灥娘L(fēng)輪具有阻尼器的作用。當(dāng)來流速度變化時(shí),葉片偏離原懸掛角度,其安裝角也發(fā)生變化,一個(gè)葉片因安裝角的變化升力下降,另一片升力提高,從而產(chǎn)生反抗風(fēng)況變化的阻尼作用。圖2-4不同形式的鉸鏈?zhǔn)捷嗇?lt;3>各葉片自由的鉸鏈?zhǔn)捷嗇灻總€(gè)葉片互不依賴,在外力作用下葉片可單獨(dú)作調(diào)整運(yùn)動(dòng)。這種調(diào)整不但可做成僅具有拍向錐角改變的形式,還可做成拍向、揮向〔風(fēng)輪掃風(fēng)面方向角度均可以變化的方式,見圖2-4。理論上說,采用這種鉸鏈機(jī)構(gòu)的風(fēng)輪可保持恒速運(yùn)行。2.3機(jī)艙機(jī)艙一般容納了將風(fēng)輪獲得的能量進(jìn)行傳遞、轉(zhuǎn)換的全部機(jī)械和電氣部件。位于塔架上面的水平軸風(fēng)力機(jī)機(jī)艙,通過軸承可隨風(fēng)向旋轉(zhuǎn)。機(jī)艙多為鑄鐵結(jié)構(gòu),或采用帶加強(qiáng)筋的板式焊接結(jié)構(gòu)。風(fēng)輪軸承、傳動(dòng)系統(tǒng)、齒輪箱、轉(zhuǎn)速與功率調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)〔或泵等其他負(fù)載、剎車系統(tǒng)等均安裝在機(jī)艙內(nèi)〔見圖2-5。設(shè)計(jì)機(jī)艙的要求是：盡可能減小機(jī)艙質(zhì)量而增加其剛度；兼顧艙內(nèi)各部件安裝、檢修便利與機(jī)艙空間要緊湊這兩個(gè)相互矛盾的需求；滿足機(jī)艙的通風(fēng)、散熱、檢查等維護(hù)需求；機(jī)艙對(duì)流動(dòng)空氣的阻力要小以及考慮制造成本等因素。機(jī)艙裝配時(shí)需要注意的是：從風(fēng)輪到發(fā)電機(jī)各部件之間的聯(lián)軸節(jié)要精確對(duì)中。由于所有的力、力矩、振動(dòng)通過風(fēng)輪傳動(dòng)裝置作用在機(jī)艙結(jié)構(gòu)上,反過來機(jī)艙結(jié)構(gòu)的弱性變形又作為相應(yīng)的耦合增載施加在主軸、軸承、機(jī)殼上。為減少這些載荷,建議使用彈性聯(lián)軸節(jié)。聯(lián)軸節(jié)既要承受風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所傳遞的力矩,也要承受機(jī)械剎車的剎車力矩。圖2-5大中型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙及其內(nèi)外安裝的部件2.4齒輪箱在有齒輪箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件。由于葉輪的轉(zhuǎn)速很低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速,必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn),將葉輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。故也將齒輪箱稱為增速箱。風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)過程中,一般對(duì)齒輪箱、發(fā)電機(jī)都不做詳細(xì)的設(shè)計(jì),只是計(jì)算出所需的功率、工作轉(zhuǎn)速及型號(hào),向有關(guān)的廠家去選購。最好是確定為已有的定型產(chǎn)品,可取得最經(jīng)濟(jì)的效果；否則就需要自己設(shè)計(jì)或委托有關(guān)廠家設(shè)計(jì),然后試制生產(chǎn)。小型風(fēng)力機(jī)的簡單齒輪箱可自行設(shè)計(jì)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的種類很多,按照傳統(tǒng)類型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及它們互相組合起來的齒輪箱；按照傳動(dòng)的級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)齒輪箱；按照傳動(dòng)系統(tǒng)的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式以及混合式等等。水平軸風(fēng)力機(jī)常采用單級(jí)或多級(jí)定軸線直齒齒輪〔見圖2-6或行星齒輪增速器〔見圖2-7。采用直齒齒輪增速器,風(fēng)輪軸相對(duì)于高速軸要平移一定距離,因而使機(jī)艙變寬。行星齒輪箱很緊湊,驅(qū)動(dòng)軸與輸出軸是同軸線的,因此,當(dāng)葉片需要變距控制〔葉片安裝角變化調(diào)整時(shí),通過齒輪箱到輪轂,控制動(dòng)作不容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)機(jī)組的總體布置要求,有時(shí)將與風(fēng)輪輪轂直接相連的傳動(dòng)軸〔俗稱大軸和齒輪箱的輸入軸合為一體,其軸端的形式是法蘭盤連接結(jié)構(gòu)。也有將大軸與齒輪箱分別布置,其間利用漲緊套裝置或聯(lián)軸節(jié)連接的結(jié)構(gòu)。為了增加機(jī)組的制動(dòng)能力,常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置,配合葉尖制動(dòng)〔定槳距風(fēng)輪或變槳距制動(dòng)裝置,共同對(duì)機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)。由于機(jī)組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風(fēng)口處,受無規(guī)律的變向變載荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊,常年經(jīng)受酷暑、嚴(yán)寒和極端溫差的影響,加之所處自然環(huán)境交通不便,齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi),一旦出現(xiàn)故障,修復(fù)非常困難,故對(duì)其可靠性和使用壽命都提出了比一般機(jī)械高得多的要求。例如：對(duì)構(gòu)件材料的要求,除了常規(guī)狀態(tài)下機(jī)械性能外,還應(yīng)該具有低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性；應(yīng)保證齒輪箱平穩(wěn)工作,防止振動(dòng)和沖擊；保證充分的潤滑條件等等。對(duì)冬夏溫差巨大的地區(qū),要配置合適的加熱和冷卻裝置。還要設(shè)置監(jiān)控點(diǎn),對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)和潤滑狀態(tài)進(jìn)行遙控。不同形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有不一樣的要求,齒輪箱的布置形式以及結(jié)構(gòu)也因此而異。以水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用固定平行軸齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)為代表結(jié)構(gòu)。圖2-6圖2-6定軸線齒輪傳動(dòng)圖2-6定軸線齒輪傳動(dòng)圖2-7行星齒輪傳動(dòng)圖2-7行星齒輪傳動(dòng)2.5塔架水平軸風(fēng)力機(jī)的塔架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮塔架的靜動(dòng)態(tài)特性、與機(jī)艙的連接、運(yùn)輸和安裝方法、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工等問題。塔架的壽命與其自身質(zhì)量大小、結(jié)構(gòu)剛度和材料的疲勞特性有關(guān)。塔架從結(jié)構(gòu)上可分為桁架式和塔筒式。桁架式塔架在早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中大量使用,其主要優(yōu)點(diǎn)為制造簡單、成本低、運(yùn)輸方便,但其主要缺點(diǎn)為通向塔頂?shù)纳舷绿葑硬缓冒才?安全性差。塔筒式塔架在當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中大量采用,優(yōu)點(diǎn)是美觀大方,上下塔架安全可靠。塔架以結(jié)構(gòu)材料可分為鋼結(jié)構(gòu)塔架和鋼筋混凝土塔架。鋼筋混凝土塔架在早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中大量被應(yīng)用,后來由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大批量生產(chǎn),被鋼結(jié)構(gòu)塔架所取代。近年來隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增加,塔架的體積增大,使得塔架運(yùn)輸出現(xiàn)困難,又有以鋼筋混凝土塔架取代鋼結(jié)構(gòu)塔架的苗頭。圖2-8塔架高度與風(fēng)輪直徑的關(guān)系圖2-8塔架高度與風(fēng)輪直徑的關(guān)系3定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔定槳距失速型3.1雙速發(fā)電機(jī)事實(shí)上,定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還存在在低風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的效率問題。在整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)〔3m/s>ν>25m/s由于氣流的速度是在不斷變化的,如果風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速的變化而調(diào)整,這就必須要使風(fēng)輪在低風(fēng)速時(shí)的效率降低〔而設(shè)計(jì)低風(fēng)速時(shí)效率過高,會(huì)使槳葉過早進(jìn)入失速狀態(tài)。同時(shí)發(fā)電機(jī)本身也存在低負(fù)荷時(shí)的效率問題,盡管目前用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)已能設(shè)計(jì)的非常理想,它們?cè)趐>30%額定功率范圍內(nèi),均有高于90%的效率,但當(dāng)功率平p<25%額定功率時(shí),效率仍然會(huì)急劇下降。為了解決上述問題,定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用雙速發(fā)電機(jī)分別設(shè)計(jì)成4極和6極。一般6極發(fā)電機(jī)的額定功率設(shè)計(jì)成4極發(fā)電機(jī)的1/4到1/5。例如600kw定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般設(shè)計(jì)成6極150kw和4極600kw；750kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)成6極200kw和4極750kw；最新推出的1000kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)成6極200kw和4極1000kw。這樣,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速段進(jìn)行時(shí),不僅槳葉具有較高的氣動(dòng)效率,發(fā)電機(jī)的效率也能保持在較高水平。從而使定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)入額定功率前的功率曲線差異不大。采用雙速發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率曲線如圖3-1所示。圖3-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出曲線3.2定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)槳葉與輪轂的連接是固定的,即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。這一特點(diǎn)給定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提出了兩個(gè)必須解決的問題。一是當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)速即額定風(fēng)速時(shí),槳葉必須能夠自動(dòng)的將功率限制在額定值附近,因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)上所有材料的物理性能是有限度的。槳葉的這一特性被稱為自動(dòng)失速性能。二是運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在突然失去電網(wǎng)〔突甩負(fù)載的情況下,槳葉自身必須具備制動(dòng)能力,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在大風(fēng)情況下安全停機(jī)。早期的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪并不具備制動(dòng)能力,這對(duì)于數(shù)十千瓦級(jí)機(jī)組來說問題不大,但對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,如果只使用機(jī)械剎車,就會(huì)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為了解決上述問題,槳葉制造商首先在20世紀(jì)70年代用玻璃鋼復(fù)合材料研制成功了失速性能良好的風(fēng)力機(jī)槳葉,解決了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)時(shí)的功率控制問題；20世紀(jì)80年代又將葉尖擾流器成功地應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上,解決了在突甩負(fù)載情況下的安全停機(jī)問題,使定槳距〔失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在近20年的風(fēng)能開發(fā)利用中始終占據(jù)主導(dǎo)地位,直到最新推出的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍有機(jī)型采用該項(xiàng)技術(shù)。失速控制原理失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過風(fēng)輪葉片失速特性來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)時(shí)的功率輸出,以及通過葉尖擾流器來實(shí)現(xiàn)極端情況下的安全停機(jī)問題。失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉片通過選擇失速性能良好的翼型和合理的葉片扭角隨展向的分布使葉片在風(fēng)速大于額定風(fēng)速后,在其根部開始進(jìn)入失速,并隨風(fēng)速增加逐漸向葉尖擴(kuò)展,使功率減少。當(dāng)氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時(shí),因凸面的彎曲而使氣流加速,壓力較低；凹面較平緩面使氣流速度緩慢,壓力較高,因而產(chǎn)生升力。槳葉的失速性能是指它在最大升力系數(shù)Clmax附近的性能。當(dāng)槳葉的安裝角β〔對(duì)定槳距風(fēng)力機(jī)而言,槳葉的安裝角就是槳距角不變,隨著風(fēng)速增加,攻角增大,升力系數(shù)線性增大,在接近Clmax時(shí),增加變緩；達(dá)到Clmax后開始減小。另一方面,阻力系數(shù)Cd初期不斷增大；在升力開始減小時(shí),Cd繼續(xù)增大,這是由于氣流在葉片上的分離隨攻角的增大而增大,分離區(qū)形成大的渦流,流動(dòng)失去翼型效應(yīng),與未分離時(shí)相比,上下翼面壓力差減小,至使阻力激增,升力減少,造成葉片失速,從而限制了功率的增加,如圖3-2所示。a.剛啟動(dòng)時(shí)b.有效運(yùn)行時(shí)〔中風(fēng)c.失速時(shí)〔額定風(fēng)速附近圖3-2定槳距風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性失速調(diào)節(jié)葉片的攻角沿軸向由根部向葉尖逐漸減小,因而根部葉面先進(jìn)入失速,隨風(fēng)速增大,失速部分向葉尖處擴(kuò)展,原先已失速的部分,失速程度加深,未失速的部分逐漸進(jìn)入失速區(qū)。失速部分使功率減少,未失速部分仍有功率增加。從而使輸入功率保持在額定功率附近。圖3-3600kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性還與風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪葉片的初始安裝角等有關(guān)。定槳距風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和葉片安裝角一般是固定不變的,因此,由風(fēng)輪功率特性可知,它只在某一個(gè)葉尖速比下,具有最大功率系數(shù)。一般失速型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),其額定轉(zhuǎn)速不是按在額定風(fēng)速時(shí)具有最大的功率系數(shù)來設(shè)定的,而是在低于額定風(fēng)速下具有最大的功率系數(shù)來設(shè)定的。即使這樣,為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)也具有較大的功率系數(shù),許多失速型風(fēng)力機(jī)采用雙速異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行切換,使用雙速發(fā)電機(jī)后,可以增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)的功率輸出,但增加的幅度隨風(fēng)速增大而減小。圖3-3給出600kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線。一般定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)較高。隨著風(fēng)速升高,功率上升趨緩,當(dāng)風(fēng)速接近額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)開始大幅下降。對(duì)于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言,不同風(fēng)輪葉片安裝角具有不同的風(fēng)輪功率特性,因此,定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪安裝時(shí),按風(fēng)輪設(shè)計(jì)時(shí)選定的葉片初始安裝角與輪轂進(jìn)行連接。但是由于不同地區(qū)安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí),其實(shí)際的功率特性隨空氣密度變化而變化,因此,需要通過調(diào)節(jié)葉片初始安裝角〔槳距角來達(dá)到額定的功率輸出。有的失速型風(fēng)力機(jī)葉片有雙失速特性,如定速風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以上運(yùn)行,有時(shí)輸出功率低于額定功率25%,其原因與葉片前緣產(chǎn)生的層流分離泡的破裂有關(guān)。這對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制是不利的,當(dāng)改變風(fēng)力機(jī)翼型頭部形狀或在葉片上加失速條后可以避開雙失速特性。定槳距失速調(diào)節(jié)定槳距是指風(fēng)輪的槳葉與輪轂是剛性連接,葉片的槳距角不變。當(dāng)空氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時(shí),葉片彎曲面的氣流加速,壓力降低,凹面的氣流減速,壓力升高,壓差在葉片上產(chǎn)生由凹面指向彎曲面的升力。如果槳距角β不變[圖3-1]〔a],隨著風(fēng)速νω增加,攻角α相應(yīng)增大,開始升力會(huì)增大,到一定攻角后,尾緣氣流分離區(qū)增大形成大的渦流,上下翼面壓力差減小,升力迅速減小,造成葉片失速〔與飛機(jī)的機(jī)翼失速機(jī)理一樣,自動(dòng)限制了功率的增加。因此,定槳距失速控制沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu),整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、部件少、造價(jià)低,并且有較高的安全系數(shù)。缺點(diǎn)是這種失速控制方式依賴于葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu),葉片本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,成型工藝難度較大。隨著功率增大,葉片加長,所承受的氣動(dòng)推力大,使得葉片的剛度減弱,失速動(dòng)態(tài)特性不易控制,所以很少應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔變槳距現(xiàn)代兆瓦級(jí)以上的大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用變槳距及變速運(yùn)行的工作方式,這種運(yùn)行方式可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件的機(jī)械負(fù)載及優(yōu)化機(jī)組系統(tǒng)的電網(wǎng)質(zhì)量。風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行時(shí),與其連接的發(fā)電機(jī)也作變速運(yùn)行,因此必須采用電力電子變頻設(shè)備,在變速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出恒頻恒壓的電能,才能實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接。變速的必要性風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制的關(guān)鍵是功率調(diào)節(jié)。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)主要有兩類：一類是定槳距失速控制,另一類是變槳距控制。定槳距失速控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉片直接固定在輪轂上,葉片的槳距角〔葉片上某一點(diǎn)的弦線與轉(zhuǎn)子平面間的夾角在安裝時(shí)確定,在運(yùn)行期間風(fēng)速變化時(shí),槳葉的迎風(fēng)角不能隨之變化。因此,定槳距發(fā)電機(jī)組是利用風(fēng)輪葉片翼型的氣動(dòng)失速特性來限制葉片吸收過大風(fēng)能。這類風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)由風(fēng)輪葉片來完成,控制簡單,但風(fēng)機(jī)葉片本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成型工藝難度較大,風(fēng)機(jī)不宜大型化。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片通過軸承固定在輪轂上,可以繞葉片的展向軸向轉(zhuǎn)動(dòng),借助控制技術(shù)來調(diào)整其槳距角。變槳距風(fēng)機(jī)就是通過變距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速變化而變化,從而達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的的。這類風(fēng)機(jī)的變距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜,另外由于風(fēng)輪葉片是大慣性環(huán)節(jié),調(diào)節(jié)一旦失誤會(huì)引起災(zāi)難性的后果。目前,無論是定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)還是變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī),它們都屬于恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī),因?yàn)椴⒕W(wǎng)后定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率等于電網(wǎng)頻率,而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率一般為3％～5％,所以轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速變化范圍很小,因此被稱為恒速風(fēng)機(jī)。恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)顯著缺點(diǎn)就是對(duì)風(fēng)能的利用率不高[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)從風(fēng)中捕獲的機(jī)械功率為：<4-1>其中：—風(fēng)輪吸收的功率,單位為W；—空氣密度,單位為kg/m3；—風(fēng)輪掃掠面積,單位為m2；—風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù),即功率系數(shù)；—葉尖速比；—槳葉節(jié)距角,單位為度；—風(fēng)速,單位為m/s。由上式可見,在風(fēng)速給定的情況下,風(fēng)輪獲得的功率將取決于功率系數(shù),值越高風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率越高。功率系數(shù)是風(fēng)力機(jī)葉尖速比和槳葉節(jié)距角的函數(shù)。在某一固定節(jié)距角,功率系數(shù)和葉尖速比的典型曲線如下圖所示：0圖4-1風(fēng)力機(jī)的—性能曲線葉尖速比可表示為：<4-2> —風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度,單位為rad/s；—風(fēng)輪半徑,單位為m；—風(fēng)速,單位為m/s。由上圖4-1可知,只有在葉尖速比為某一特定值λopt時(shí),功率系數(shù)最大。對(duì)于恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高百分之幾,但風(fēng)速v是不斷變化的,而且其變化范圍可以很寬。由式<4-2>,葉尖速比λ也在很寬的范圍內(nèi)變化,因此它只有很小的機(jī)會(huì)運(yùn)行在max點(diǎn)。如果在任何風(fēng)速下,風(fēng)力機(jī)都能在max點(diǎn)運(yùn)行,便可從風(fēng)中獲得最大風(fēng)能。因此,當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)要維持最佳值,就要使風(fēng)輪的角速度也能隨風(fēng)速的變化而變化,這就要求與風(fēng)輪機(jī)相聯(lián)的發(fā)電機(jī)要具有變速運(yùn)行的能力。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),只要調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,使其葉尖速度與風(fēng)速之比保持不變<也就是保持葉尖速比不變>,就可持續(xù)獲得最佳的功率系數(shù)max。另外,對(duì)恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說,當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí),巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)輪機(jī)傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件,在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力,如果該過程重復(fù)出現(xiàn)將會(huì)引起這些部件的疲勞損壞。因此設(shè)計(jì)時(shí)不得不加大安全系數(shù),從而導(dǎo)致機(jī)組重量加大,制造成本增加。而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可變速運(yùn)行時(shí),由風(fēng)速躍升產(chǎn)生的巨大風(fēng)能,部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪所吸收,存儲(chǔ)于高速運(yùn)行的風(fēng)輪中,從而避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力；當(dāng)風(fēng)速下降時(shí),在電力電子裝置調(diào)控下,將高速風(fēng)輪釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)。風(fēng)輪的加速、減速對(duì)風(fēng)能的階躍性變化起到緩沖作用,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部能量傳輸部件應(yīng)力變化比較平穩(wěn),防止破壞性機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生,從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。4.2變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)及其調(diào)節(jié)在不同的風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的情況下,風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的吸收都是不同的,當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),理論上槳葉槳距必須做出相應(yīng)的變化,使得氣流對(duì)葉片的攻角能夠保持最佳,才能使得風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用達(dá)到最佳,并在超過額定風(fēng)速的時(shí)候達(dá)到減小風(fēng)能捕獲的效果。由于過去的知識(shí)與技術(shù)有限,所以不能設(shè)計(jì)出滿足工業(yè)穩(wěn)定需求的變槳距機(jī)構(gòu)。從而過去設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)主要采用結(jié)構(gòu)簡單的定槳距控制方式。隨著人們對(duì)風(fēng)力機(jī)認(rèn)識(shí)的加深,以及對(duì)風(fēng)力機(jī)控制的精度有更大的需求,現(xiàn)在各大公司新設(shè)計(jì)的大功率的風(fēng)力機(jī)都在嘗試采用變槳距控制方式進(jìn)行風(fēng)輪控制。變槳系統(tǒng)的工作原理變槳距風(fēng)機(jī)是通過葉片沿其縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng),改變氣流對(duì)葉片的攻角,從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩,使發(fā)電機(jī)功率輸出保持穩(wěn)定。變槳伺服控制系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的外環(huán),在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制中起著十分重要的作用。它控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片節(jié)距角可以隨風(fēng)速的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),在低風(fēng)速啟動(dòng)時(shí),槳葉節(jié)距可以轉(zhuǎn)到合適的角度,使風(fēng)輪具有最大的啟動(dòng)力距；當(dāng)風(fēng)速過高時(shí),通過調(diào)整槳葉節(jié)距,改變氣流對(duì)葉片的攻角,從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩,使發(fā)電機(jī)功率輸出保持穩(wěn)定。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行根據(jù)不同的風(fēng)況可分為三個(gè)階段。第一階段是起動(dòng)階段,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從靜止上升到切入速度。對(duì)于目前大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng),只要當(dāng)作用在風(fēng)輪上的風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速便可實(shí)現(xiàn)。在切入速度以下,發(fā)電機(jī)并沒有工作,機(jī)組在風(fēng)力作用下機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng),不涉及發(fā)電機(jī)的變速控制,因此對(duì)該階段不作過多討論。第二階段是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入電網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始獲得能量并轉(zhuǎn)換成電能。從理論上來說,根據(jù)風(fēng)速的變化,風(fēng)輪可以在現(xiàn)定的任何轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,以便最大限度地獲取能量。但由于受到運(yùn)行轉(zhuǎn)速的限制,不得不將該階段分成兩個(gè)運(yùn)行區(qū)域：即變速運(yùn)行區(qū)域<恒定區(qū)>和恒速運(yùn)行區(qū)域。為了使風(fēng)輪能在恒定區(qū)運(yùn)行,必須采用變速發(fā)電機(jī),其轉(zhuǎn)速能夠被控制以跟蹤風(fēng)速的變化。第三個(gè)階段為功率恒定區(qū)。在更高的風(fēng)速下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械和電氣極限要求轉(zhuǎn)子速度和輸出功率維持在限定值以下,這個(gè)限制就確定了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的第三運(yùn)行階段—功率恒定區(qū)。對(duì)于恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,風(fēng)速增大時(shí),能量轉(zhuǎn)換效率反而降低,而從風(fēng)力中可獲得能量與風(fēng)速的三次方成正比,這樣對(duì)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說,有很大的余地可以提高能量的獲取。圖4-2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的等值線圖圖4-2是輸出功率為轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的函數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的等值線圖。該圖示出了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制途徑。在低風(fēng)速段,按恒定<或恒定葉尖速比>途徑控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限,然后按恒定轉(zhuǎn)速控制發(fā)電機(jī)組,直到功率達(dá)到最大,最后按恒定功率控制發(fā)電機(jī)組。在三個(gè)工作區(qū)運(yùn)行時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況如下：1>恒定區(qū)在恒定區(qū),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到功率—轉(zhuǎn)速曲線控制,用目標(biāo)功率與發(fā)電機(jī)實(shí)測功率之偏差驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到平衡。功率—轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀由max和λopt決定。圖4.2給出了轉(zhuǎn)速變化時(shí)不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率與目標(biāo)功率的關(guān)系。圖4-3最佳功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速如圖4-3,假定風(fēng)速是2,點(diǎn)A2是轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)/分時(shí)發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn),點(diǎn)A1是風(fēng)力機(jī)的工作點(diǎn),它們都不是最佳點(diǎn)。由于風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率大于電功率,過剩的功率使轉(zhuǎn)速增大,它等與A1和A2兩點(diǎn)的功率之差。隨著轉(zhuǎn)速增大,目標(biāo)功率遵循Popt曲線持續(xù)增大。同樣,風(fēng)力機(jī)的工作點(diǎn)也沿2曲線變化。工作點(diǎn)A1和A2最終將在A3點(diǎn)交匯,風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)在A3點(diǎn)功率達(dá)到平衡。當(dāng)風(fēng)速是3時(shí),發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)是B2,風(fēng)力機(jī)的工作點(diǎn)是B1。由于發(fā)電機(jī)負(fù)荷大于風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率,故風(fēng)輪轉(zhuǎn)速減小。隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的減小,發(fā)電機(jī)的功率不斷修正,沿Popt曲線變化。風(fēng)力機(jī)的工作點(diǎn)沿3曲線變化。隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低,風(fēng)輪功率與發(fā)電機(jī)功率之差減小,最終二者將在B3點(diǎn)交匯。2>轉(zhuǎn)速恒定區(qū)如果保持max恒定,即使沒有達(dá)到額定功率,發(fā)電機(jī)最終將達(dá)到其轉(zhuǎn)速極限,此后風(fēng)力機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)速恒定區(qū)。在這個(gè)區(qū)域,隨著風(fēng)速的增大,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定,功率在達(dá)到極限之前一直增大,風(fēng)力機(jī)在較小的區(qū)工作。3>功率恒定區(qū)隨著功率增大,發(fā)電機(jī)最終將達(dá)到其功率極限。在功率恒定區(qū),改變風(fēng)輪槳葉的節(jié)距角,使值迅速降低,從而保持功率不變。槳距控制方案從空氣動(dòng)力學(xué)角度考慮,當(dāng)風(fēng)速過高時(shí),只有通過調(diào)整槳距角,改變氣流對(duì)葉片的攻角,從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)距,使功率輸出保持穩(wěn)定。同時(shí),風(fēng)力機(jī)在起動(dòng)過程也需要通過變槳距來獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)距。因此,最初研制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都被設(shè)計(jì)成全槳葉變距的。但由于一開始設(shè)計(jì)人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況認(rèn)識(shí)不足,設(shè)計(jì)的變槳距系統(tǒng)的可靠性遠(yuǎn)不能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的要求,變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遲遲未能進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行。當(dāng)失速型槳葉的啟動(dòng)性能得到了改進(jìn),人們便紛紛放棄變距機(jī)構(gòu)而采用定槳距風(fēng)輪,在一定時(shí)期內(nèi),商品化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大都是定槳距失速控制的。經(jīng)過10多年的定槳距風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行,設(shè)計(jì)人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況和各種受力狀態(tài)有了深入了解,不再滿足于僅僅提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性,開始追求不斷優(yōu)化的輸出功率曲線,同時(shí)采用變槳距技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善。因此進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后,變槳距控制系統(tǒng)又重新受到了設(shè)計(jì)人員的重視。目前變槳距機(jī)型已成為市場上的主流機(jī)型。下面介紹變槳距機(jī)型通常采用的兩種槳距控制方案：變槳距控制和主動(dòng)失速控制。變槳距控制變槳距控制過程如圖4-4所示,槳距調(diào)節(jié)曲線和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線如圖4-5所示。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí),槳距角可以調(diào)節(jié)到合適的角度,使風(fēng)輪具有較大的啟動(dòng)力矩,易于啟動(dòng)。當(dāng)功率在額定功率以下時(shí),控制器將葉片槳距角置于0°附近,不作變化,可認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)的功率根據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而變化。功率超過額定功率時(shí),變槳距機(jī)構(gòu)開始工作,調(diào)整葉片槳距角,將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要脫離電網(wǎng)時(shí),變槳距系統(tǒng)可以先轉(zhuǎn)動(dòng)葉片使之減小功率,在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開之前,功率減小至0,這意味著當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫開時(shí),沒有轉(zhuǎn)矩作用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[7]。a.順槳〔啟動(dòng)前b.變槳到運(yùn)行位置c.有效運(yùn)行時(shí)〔變速d.變槳控制圖4-4變槳距控制過程示意圖變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率曲線如圖4-6所示,由于功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)性能,在相同的額定功率點(diǎn),額定風(fēng)速比定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要低。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳距角根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的反饋信號(hào)來控制,不受氣流密度變化的影響。無論是由于溫度變化還是海拔引起空氣密度變化,變槳距系統(tǒng)都能通過調(diào)整葉片角度,使之獲得額定的功率輸出。圖4-5變速變槳風(fēng)電機(jī)組的槳距角調(diào)節(jié)曲線和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線[8]圖4-6變槳距風(fēng)電機(jī)組功率曲線[9]5變槳距主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組5.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制的方式大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要功率控制方式有被動(dòng)失速控制、主動(dòng)槳距控制和主動(dòng)失速控制三種[10]。被動(dòng)失速控制被動(dòng)失速控制是最簡單的功率控制方式,它的工作原理是隨著風(fēng)速的增加,風(fēng)輪葉片自動(dòng)進(jìn)入失速狀態(tài),升力系數(shù)下降,阻力系數(shù)上升,限制風(fēng)力機(jī)的最大功率輸出。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要變槳距機(jī)構(gòu),缺點(diǎn)是在失速狀態(tài),由于氣動(dòng)特性的不確定性,氣動(dòng)性能載荷計(jì)算精度偏低,實(shí)際運(yùn)行過程中常出現(xiàn)雙失速現(xiàn)象。另外,由于失速以后升力系數(shù)曲線斜率是負(fù)值,即隨著攻角的增大,升力系數(shù)下降,因此氣動(dòng)阻尼是負(fù)值,這將導(dǎo)致葉片揮舞和擺振方向振動(dòng)的不穩(wěn)定性,葉片將不可避免地承受較大的彎矩和應(yīng)力,引起葉片的疲勞破壞。在高風(fēng)速停機(jī)狀態(tài),由于葉片不能順槳,風(fēng)力機(jī)承受的極限載荷較變槳距風(fēng)力機(jī)大?！?主動(dòng)槳距控制主動(dòng)槳距控制是在高風(fēng)速時(shí)調(diào)節(jié)葉片繞軸線旋轉(zhuǎn),減小攻角,降低升力系數(shù),達(dá)到維持額定功率輸出的目的,這種過程我們通稱為順槳。主動(dòng)槳距控制的主要優(yōu)點(diǎn)是增加了功率輸出,降低了剎車及高風(fēng)速狀態(tài)下的極限載荷。主動(dòng)槳距控制的變槳系統(tǒng)要求必須動(dòng)作迅速,一般要求5°/s以上的變槳速率,保證在陣風(fēng)發(fā)生時(shí),變槳系統(tǒng)能及時(shí)地調(diào)節(jié)葉片角度,將功率輸出變化限定在一定的范圍之內(nèi)。葉片在工作時(shí)槳距角的調(diào)節(jié)范圍大約從0°到35°,氣動(dòng)剎車時(shí),葉片需調(diào)到90度?！?主動(dòng)失速控制主動(dòng)失速控制在額定風(fēng)速以上通過調(diào)節(jié)葉片主動(dòng)進(jìn)入失速狀態(tài)來維持額定功率輸出,即葉片角度調(diào)節(jié)方向與主動(dòng)槳距控制相反。主動(dòng)失速控制的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是在額定風(fēng)速以上,葉片仍維持在失速狀態(tài),因此陣風(fēng)引起的作用在葉片上的周期性波動(dòng)載荷相對(duì)于主動(dòng)槳距控制要小得多,同時(shí)葉片槳距角只需要微調(diào)就能維持額定功率輸出,因此變槳速率可以比主動(dòng)槳距控制小,同時(shí)氣動(dòng)剎車時(shí)葉片角度僅有20°,變槳機(jī)構(gòu)的行程比主動(dòng)槳距控制少了許多,如圖5-1所示。槳距角主動(dòng)失速控制主動(dòng)槳距控制風(fēng)速<m/s槳距角主動(dòng)失速控制主動(dòng)槳距控制風(fēng)速<m/s圖5-1主動(dòng)失速與主動(dòng)變槳風(fēng)力機(jī)的槳距角調(diào)節(jié)范圍主動(dòng)失速控制的主要缺點(diǎn)是失速狀態(tài)下難以準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)輪葉片氣動(dòng)特性。同時(shí)高風(fēng)速下葉片工作在失速狀態(tài),阻力將增加,風(fēng)輪承受較大的推力,但推力較穩(wěn)定,變化幅度小,推力所產(chǎn)生的疲勞載荷小。另外,由于失速以后升力系數(shù)曲線斜率是負(fù)值,即隨著攻角的增大,升力系數(shù)下降,因此氣動(dòng)阻尼是負(fù)值,這將導(dǎo)致葉片揮舞和擺振方向彎曲模態(tài)的不穩(wěn)定性。5.2主動(dòng)失速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)任何類型的風(fēng)力機(jī)都需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié),否則將在高風(fēng)速情況下出現(xiàn)過載。功率調(diào)節(jié)常用的兩種形式是失速調(diào)節(jié)和槳距調(diào)節(jié),傳統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)方式有一定的優(yōu)缺點(diǎn),主動(dòng)失速技術(shù)則融合了兩者的優(yōu)點(diǎn):1．傳統(tǒng)被動(dòng)失速調(diào)節(jié)的風(fēng)力機(jī)葉片直接固定在輪轂上,葉片的安裝角度在安裝時(shí)確定好后,在運(yùn)行期間不能變化。失速型葉片氣動(dòng)外型的設(shè)計(jì)能夠使高風(fēng)速下通過上翼面的氣流出現(xiàn)分離,也就是所謂的失速現(xiàn)象。失速會(huì)導(dǎo)致葉片的升力下降,阻力上升,隨風(fēng)速增大氣動(dòng)效率下降從而限制了最大輸出功率。因?yàn)槭偈怯扇~片的空氣動(dòng)力特性而被動(dòng)產(chǎn)生的,在任何條件下失速功率調(diào)節(jié)都是既簡單又可靠。在高風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率受風(fēng)速的突變影響較小。但是受失速特性地影響,通常風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速后有所下降。另外失速調(diào)節(jié)的風(fēng)力機(jī)最大出力對(duì)空氣密度和葉片表面粗糙度的變化比較敏感,冬天與夏天,海拔高和海拔低的地區(qū)之間差別較大。2．傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的葉片通過軸承固定在輪轂上,可以繞葉片的展向軸向轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整槳距角度。在高風(fēng)速情況下,槳距角隨著風(fēng)速的增高不斷向更加正的安裝角度方向調(diào)整,也就是減小氣流攻角,偏離失速,保持較小的升力來限制功率。因?yàn)闃嘟强梢赃B續(xù)調(diào)節(jié)因此在高風(fēng)速情況下風(fēng)力機(jī)的出力可以保持恒定,而且可以自動(dòng)補(bǔ)償空氣密度和表面粗糙度變化的影響。同時(shí)在低風(fēng)速區(qū)域也可以通過調(diào)整槳距角來提高局部的氣動(dòng)效率,增加出力。但是變槳距調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)速的變化非常敏感,湍流情況下容易引起出力的波動(dòng)。這就要求變槳距機(jī)構(gòu)需要具備足夠的響應(yīng)速度,變槳距機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)相應(yīng)比較復(fù)雜。主動(dòng)失速技術(shù)充分吸取了被動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。主動(dòng)失速風(fēng)力機(jī)葉片也是通過軸承固定在輪轂上,可以繞葉片的展向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整槳距焦度。高風(fēng)速時(shí)槳距角隨著風(fēng)速的變化不斷調(diào)整維持失速狀態(tài),使最大出力受到限制,此時(shí)槳距角僅需要微調(diào)維持失速狀態(tài),保持恒定,湍流情況下波動(dòng)也較小。在低風(fēng)速時(shí)槳距角可以調(diào)整優(yōu)化葉輪出力。剎車時(shí),葉片轉(zhuǎn)動(dòng),相當(dāng)于氣體剎車,很大程度上減少了機(jī)械剎車對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊。主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本思想與失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比,主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有更高的發(fā)電量；同時(shí)與失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比具有較低的載荷。主動(dòng)失速控制器的目標(biāo)是：通過對(duì)葉片槳距角的調(diào)節(jié),提高主動(dòng)失速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力,特別是在額定風(fēng)速以下時(shí)對(duì)葉片槳距角的控制。同時(shí)降低載荷,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有更好的可利用性以及更高的安全性,減少運(yùn)行成本,降低調(diào)整、維護(hù)、維修等費(fèi)用,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在壽命期內(nèi)獲得更好的經(jīng)濟(jì)性和較高的投資安全性,提高國產(chǎn)化機(jī)組的競爭力?；谝陨纤枷?我們來設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。圖5-2給出了升力曲線圖,變槳距調(diào)節(jié)是利用升力曲線的上升段調(diào)節(jié),主動(dòng)失速調(diào)節(jié)是在升力曲線的上升段和下降段都進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖5-3給出了主動(dòng)失速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線圖。標(biāo)出了３個(gè)區(qū)域,區(qū)域1是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大部分時(shí)間運(yùn)行的區(qū)間,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的唯一目標(biāo)就是效率的最大化。此外,這個(gè)區(qū)間的載荷是有限的,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組壽命的影響不是很大,可以通過槳距調(diào)節(jié)來優(yōu)化功率。在２、３區(qū)間,影響壽命的載荷就比較重要了。由于作用在部件上的實(shí)際載荷與功率是緊密相關(guān)的,基本的載荷控制原理就是降低功率。因此,在3區(qū),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的目標(biāo)是使功率維持在額定,不要超發(fā)；2區(qū),該區(qū)處于升力曲線斜率的變化點(diǎn),由于風(fēng)的隨機(jī)性,功率的變化比較大,為不穩(wěn)定區(qū),調(diào)整葉片槳距角讓葉片深度失速,減少載荷。圖5-2升力曲線圖5-3功率曲線槳葉的失速調(diào)節(jié)原理當(dāng)氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時(shí),因突面的彎曲使氣流加速,壓力較低；凹面較平緩面使氣流速度緩慢,壓力較高,因而產(chǎn)生升力。槳葉的失速性能是指它在最大升力系數(shù)Clmax附近的性能。當(dāng)槳葉的節(jié)距β角不變,隨著風(fēng)速增加攻角i增大,升力系數(shù)Cl線性增加；在接近時(shí),增加變緩；達(dá)到Clmax后開始減小。另一方面,阻力系數(shù)Cd初期不斷增大；在升力開始減小時(shí),Cd繼續(xù)增大,這時(shí)由于氣流在葉片上的分離隨攻角的增大而增大,分離區(qū)形成大的渦流,流動(dòng)失去翼型效應(yīng),與未分離時(shí)相比,上下翼面壓力差減小,致使阻力激增,升力減小,造成葉片失速,從而限制了功率的增加。失速調(diào)節(jié)葉片的攻角沿軸向由根部向葉尖逐漸減少,因而根部葉面先進(jìn)入失速,隨風(fēng)速增大,失速部分向葉尖處擴(kuò)展,原先已失速的部分,失速程度加深,未失速的部分逐漸進(jìn)入失速區(qū)。失速部分使功率減少,未失速部分仍有功率增加。從而使輸入功率保持在額定功率附近。圖5-4風(fēng)力機(jī)功率曲線與功率系數(shù)曲線示意圖由前已知風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸取能量的大小程度用風(fēng)能利用率系數(shù)〔5-1表示,圖中給出了風(fēng)能利用系數(shù)Cp隨風(fēng)速的變化示意圖,可見Cp隨著風(fēng)速的增加逐漸增加直到最高點(diǎn)Cpmax,然后又隨著風(fēng)速的增加逐漸降低,這是因?yàn)橛娠L(fēng)速的增加阻力增加而升力減少造成了葉片的失速,使得風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中獲得能量的利用程度逐漸減小的緣故。與此同時(shí)風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中捕獲的能量〔或功率也是隨著風(fēng)速的增加不斷的增加到了Cpmax風(fēng)速點(diǎn)之后并不是隨著Cp的降低減少而是繼續(xù)有所增加,這時(shí)因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的功率為〔5-2空氣密度ρ在一定時(shí)間范圍內(nèi)可以看作是恒定的,所以功率P不僅經(jīng)與風(fēng)能利用系數(shù)有關(guān)還與風(fēng)速的三次方成正比,所以當(dāng)Cp達(dá)到最大點(diǎn)之后雖然有所下降,但是由于風(fēng)速上升的很快導(dǎo)致功率P并未隨著Cp的降低而立刻降低,而是繼續(xù)增加一段然后才逐漸減小。結(jié)論本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并且針對(duì)不同的槳距控制,進(jìn)行了不同的介紹。對(duì)風(fēng)力機(jī)處于不同工作狀況下運(yùn)用不同的控制策略,采用不同的控制方法對(duì)變槳距槳葉的槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)。在第三章、第四章、第五章中介紹了定速定槳、變速變槳、主動(dòng)失速原理,并且分別闡述了工作原理、各自的優(yōu)點(diǎn)。其中變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)越性顯得更加突出：既能提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性,又能保證高的風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線。采用變槳距機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)可使葉輪重量減輕,使整機(jī)的受力狀況大為改善,使風(fēng)電機(jī)組有可能在不同風(fēng)速下始終保持最佳轉(zhuǎn)換效率,使輸出功率最大,從而提高系統(tǒng)性能。隨著風(fēng)電機(jī)組功率等級(jí)的增加,采用變槳距技術(shù)已是大勢所趨。獨(dú)立變槳距方式,每個(gè)槳葉都由獨(dú)立的變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),如果其中一個(gè)變槳距執(zhí)行結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障,其他兩個(gè)槳葉仍能調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角,實(shí)現(xiàn)功率控制,而統(tǒng)一變槳距執(zhí)行結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障,只能停機(jī)維修；另外自然界的風(fēng)在整個(gè)風(fēng)輪掃及面上分布是不均勻的,獨(dú)立槳葉控制可以根據(jù)各個(gè)槳葉上的風(fēng)速不同進(jìn)行調(diào)節(jié),不僅能維持發(fā)電機(jī)輸出功率,而且能減小槳葉拍打振動(dòng),因此槳葉控制比統(tǒng)一控制更具有一定的優(yōu)勢。獨(dú)立變槳距技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、易于施加各種控制、可靠性高等優(yōu)勢,越來越受到國際風(fēng)電市場的歡迎。致謝在本科生論文即將結(jié)束時(shí),我真心感謝很多給與我學(xué)習(xí)和生活關(guān)懷幫助的人。我首先要感謝的是我的導(dǎo)師王海云教授。在課題研究階段,王老師指出了論文的研究方向,并給出許多指導(dǎo)意見,使我的論文工作能夠順利進(jìn)行。王老師淵博的學(xué)識(shí),嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、科學(xué)的治學(xué)態(tài)度,敏銳的學(xué)術(shù)洞察力,求實(shí)創(chuàng)新的科研作風(fēng),誨人不倦的敬業(yè)品德,樂于助人的師表精神是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣。在這里我謹(jǐn)向王老師表示真摯衷心的感謝！其次感謝生我養(yǎng)我,含辛茹苦的父母。是你們,為我的學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件；是你們,一如既往的站在我的身后默默的支持著我。沒有你們就不會(huì)有我的今天。謝謝你們,我的父親母親！最后感謝與我并肩作戰(zhàn)的舍友與同學(xué)們,感謝關(guān)心我支持我的朋友們,感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、老師們,感謝你們給予我的幫助與關(guān)懷；感謝新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院四年來為我提供的良好學(xué)習(xí)環(huán)境,謝謝！參考文獻(xiàn)[1]黃素逸能源與節(jié)能技術(shù)[M].北京中國電力出版社,2004[2]趙鳳山風(fēng)力發(fā)電論文集[M].金盾出版社,2002[3]中國新能源網(wǎng),[4]20XX中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì).中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能委員會(huì)[5]勒古里雷斯風(fēng)力機(jī)的理論與設(shè)計(jì)[M].施鵬飛譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版杜,1987：[6]葉杭冶風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,20XX6月第一版[7]黃XX風(fēng)力發(fā)電變槳距傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)[D].XX：XX理工大學(xué),2005[2]林勇剛大型風(fēng)力機(jī)變槳距控制技術(shù)研究[D].XX：XX大學(xué),2005[8]張葛祥等Matlab仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,20XX6月[9]董長虹MATLAB信號(hào)處理與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005[10]1.3MW主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].新疆金風(fēng)科技股份,20XX11月[11]賈要勤風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)用模擬風(fēng)力機(jī)[J].太陽能學(xué)報(bào),2004,25[12]耿華,楊耕基于逆系統(tǒng)方法的變速變槳距風(fēng)機(jī)的槳距角控制[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)<自然科學(xué)版>,2008[13]胡申華大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略的研究[D].新疆大學(xué)碩士學(xué)位論文,20XX6月[14]王承熙,張?jiān)达L(fēng)力發(fā)電[M].中國電力出版社,2002..輔助資料：新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院Collegeofscience＆technologyXinjiangUniversity學(xué)生畢業(yè)論文<設(shè)計(jì)>題目：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師:王海云學(xué)生__馮濤專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：電氣07-1班完成日期：20XX5月18日外文翻譯ActiveLoadControlTechniquesforWindTurbines一、BackgroundWindenergyisthefastestgrowingsourceofenergyintheworldtoday,withanaveragegrowthrateofnearly30%peryearforthepast10years.1TheU.S.installedcapacitysurged45%in2007,nowtotalingmorethan16,800MW,whichgeneratesanestimated48billionkilowatt-hours<KWh>,enoughtopower4.5millionhomes.2Formanyutilitycompanies,windenergyhasbecomenotonlytherenewableenergyofchoice,butalsotheleast-costoptionfornewgeneration.Withglobalwarming,energysecurity,andrisingfuelpricesbeingmainpublicconcerns,itisfeasibletoassumethatthegrowthofthewindenergyindustrywillcontinue.However,itisstillimportanttoimproveuponthetechnologyinordertokeepwindenergyeconomicallycompetitivewithtraditionalandotherrenewableenergysources.Thisisdonebyloweringthecostofenergy<COE>,whichcanbeaccomplishedinanumberofdifferentways.Therearethreeindependentvariablesthatgointocalculatingthecostofenergy;theenergycaptureoftheturbineoveritslifetime,thecapitalcostoftheturbine,andtheoperationsandmaintenance<O&M>costs.O&Mcostscanbefurtherdividedintoscheduledandunscheduledcosts.ThereareseveraldifferentwaystolowertheCOE.Bysimplylookingattheequation,onewayistomakemorereliableturbines,therebyreducingthedowntimeandO&Mcosts.Anotheristodecreasetheamountofmaterialsorimprovemanufacturingtechniquesthatwouldallowthecapitalcosttodrop.Technologicaladvancestowindturbinesisbecomingevenmorecriticalbecausecapitalcostsarerisingduetoincreasingrawmaterialcosts,highturbinedemand,andinc