2019風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則（

第

2

版）目錄第

1

章 風(fēng)力機(jī)的概念

………

11.

1 引言……

11.

2 概念……

11.

2.1

垂直軸風(fēng)力機(jī)

………

21.

2.2

水平軸風(fēng)力機(jī)

………

21.

2.3

風(fēng)輪葉片的數(shù)目

……

31.2.4

功率控制……………31.

3 經(jīng)濟(jì)性

…………………

41.

4 出力……

51.4.1

功率曲線……………51.4.2

年發(fā)電量……………61.

5 結(jié)構(gòu)與尺寸……………

71.

6 未來概念

………………

8參考文獻(xiàn)

………

8第

2

章 安全性與可靠性

……

92.

1 安全理念

………………

92.

2 系統(tǒng)安全性與運(yùn)行可靠性

………

102.

2.1

控制系統(tǒng)……………

102.

2.2

保護(hù)系統(tǒng)……………

122.

2.3

制動系統(tǒng)……………

132.

2.4

失效模式和效果分析………………

132.

2.5

失效樹分析…………

142.

3 結(jié)構(gòu)安全性

…………

162.

3.1

極限狀態(tài)……………

162.

3.2

失效概率與結(jié)構(gòu)可靠性的其他度量措施………………

172.

3.3

結(jié)構(gòu)可靠性方法……

182.

3.4

標(biāo)準(zhǔn)格式、

特征值與部分安全因子…………………

182.

3.5

標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)……………

192.

3.6

軸向加載鋼塔實(shí)例…

202.

3.7

FRP

葉根的彎曲疲勞實(shí)例…………

212.

3.8

用于驗(yàn)證的試驗(yàn)與計算……………

232.

3.9

檢查與檢查間隔……

232.

4 機(jī)械系統(tǒng)的安全性

…

242.

5 勞動安全……………

242.

5.1

運(yùn)輸、

安裝與調(diào)試…

252.

5.2

正常運(yùn)行……………

252.

5.3

服務(wù)、

維護(hù)與修理…

252.

6 規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)

…………

26參考文獻(xiàn)……

26第

3

章 外部條件

……………

283.

1 風(fēng)條件…………………

283.1.1

10min平均風(fēng)速……283.

1.2

風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差……

303.

1.3

湍流強(qiáng)度……………

313.

1.4

橫向和垂直方向的湍流……………

333.

1.5

隨機(jī)湍流模型………

333.

1.6

風(fēng)切變………………

353.1.7

風(fēng)向…………………383.

1.8

瞬時風(fēng)條件…………

393.

1.9

極端風(fēng)———陣風(fēng)

……

393.1.10

場址評估…………423.

2 其他外部條件………

443.2.1

溫度…………………443.

2.2

空氣密度……………

453.2.3

濕度…………………453.

2.4

輻射和紫外線………

463.2.5

冰……463.

2.6

雨、

雪和冰雹………

463.

2.7

大氣侵蝕和磨損……

463.2.8

地震…………………473.2.9

雷電…………………47參考文獻(xiàn)

……

49第

4

章 載荷…………………

514.

1

載荷工況……………

514.

1.1

設(shè)計條件……………

514.1.2

風(fēng)況…………………514.

1.3

設(shè)計載荷工況………

524.

2

載荷類型……………

53Ⅵ4.

2.1

慣性載荷及引力載荷………………

544.

2.2

氣動載荷……………

554.

2.3

功能性載荷…………

564.

2.4

其他載荷……………

564.

3 氣彈載荷計算

………

564.

3.1

模型元素……………

574.

3.2

載荷預(yù)測的氣彈模型………………

654.

3.3

氣動數(shù)據(jù)的評估……

654.

3.4

特殊考慮……………

664.

4 載荷分析與合成

……

724.

4.1

疲勞載荷……………

724.

4.2

極限載荷……………

764.

5 簡化載荷計算

………

804.

5.1

參數(shù)化經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

804.

5.2

簡化載荷的基礎(chǔ)……

804.

5.3

準(zhǔn)靜態(tài)法……………

814.

5.4

極端載荷的峰值系數(shù)方法…………

834.

5.5

參數(shù)化載荷譜………

834.

6 特定場址的設(shè)計載荷………………

864.

7 除風(fēng)外其他原因引起的載荷

……

864.

7.1

波浪載荷……………

874.

7.2

潮汐載荷……………

914.

7.3

覆冰載荷……………

924.

7.4

地震載荷……………

944.

8 載荷疊加

……………

94參考文獻(xiàn)

……

95第

5

章 風(fēng)輪…………………

985.

1 葉片……

985.

1.1

葉片的幾何形狀……

985.

1.2

設(shè)計載荷……………

995.

1.3

葉片材料……………

995.1.4

制造技術(shù)…………1015.

1.5

葉片設(shè)計和制造的質(zhì)量保證

……

1025.1.6

強(qiáng)度分析…………1035.1.7

葉尖撓度…………1055.1.8

雷電保護(hù)…………1065.1.9

葉片試驗(yàn)…………1065.1.10維護(hù)………………

1085.

2 輪轂…………………

1085.

2.1

設(shè)計載荷的確定

…

1095.2.2

強(qiáng)度分析…………1095.

2.3

螺栓連接分析

……

110目 錄5.2.4輪轂罩……………

1105.2.5材料………………

1105.2.6標(biāo)準(zhǔn)………………

111參考文獻(xiàn)

……

111第

6

章 機(jī)艙…………………

1126.

1 主軸…………………

1126.

1.1

設(shè)計載荷的確定

…

1126.1.2

強(qiáng)度分析…………1126.1.3

疲勞強(qiáng)度…………1136.1.4

極限強(qiáng)度…………1176.

1.5

主軸與齒輪的連接

………………

1186.1.6材料………………

1186.1.7標(biāo)準(zhǔn)………………

1196.

2 主軸承

………………

1196.

2.1

設(shè)計載荷的確定

…

1216.

2.2

軸承型式的選擇

…

1216.

2.3

運(yùn)行及環(huán)境條件

…

1216.

2.4

密封、

潤滑及溫度

………………

1226.

2.5

額定壽命計算

……

1236.

2.6

主軸的連接

………

1246.2.7軸承箱……………

1246.

2.8

與底座的連接

……

1246.2.9標(biāo)準(zhǔn)………………

1246.

3 主齒輪箱

……………

1246.3.1

齒輪類型…………1246.

3.2

載荷及承載能力

…

1286.

3.3

規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)

………

1316.3.4潤滑………………

1326.

3.5

材料和試驗(yàn)

………

1336.

4 聯(lián)軸器

………………

1366.

4.1

法蘭聯(lián)軸器

………

1366.

4.2

收縮過盈聯(lián)軸器

…

1366.4.3鍵連接……………

1366.

4.4

扭轉(zhuǎn)彈性聯(lián)軸器

…

1366.

4.5

齒形聯(lián)軸器

………

1366.

5 機(jī)械制動

……………

1376.

5.1

制動的形式

………

1376.

5.2

制動盤與制動片

…

1376.

5.3

制動力矩次序

……

1376.

6 液壓系統(tǒng)

……………

1386.6.1布置………………

1396.6.2蓄能器……………

139Ⅶ風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則6.6.3閥…………………

1396.

6.4

保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

………………

1396.6.5

其他規(guī)定…………1406.

6.6

規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)

………

1406.

7 發(fā)電機(jī)

………………

1416.

7.1

發(fā)電機(jī)的形式

……

1416.7.2

氣候要素…………1426.7.3

安全要素…………1426.

7.4

冷卻與密封等級

…

1436.7.5振動………………

1436.7.6超速………………

1446.7.7過載………………

1446.7.8材料………………

1446.

7.9

發(fā)電機(jī)的制動

……

1456.7.10壽命………………

1456.

7.11

發(fā)電機(jī)試驗(yàn)

………

1456.

8

機(jī)架…………………

1466.

9 機(jī)艙罩

………………

1466.

10 偏航系統(tǒng)

…………

1466.

10.1

設(shè)計載荷的確定

…

1476.

10.2

偏航驅(qū)動

…………

1496.

10.3

偏航齒圈

…………

1496.

10.4

偏航制動

…………

1496.

10.5

偏航軸承

…………

1506.

10.6

偏航誤差及控制

…

1536.10.7扭纜………………

1536.

10.8

特殊的設(shè)計考慮

…

153參考文獻(xiàn)

……

153第

7

章 塔架…………………

1557.

1 載荷工況

……………

1567.

2 設(shè)計載荷

……………

1567.

3 塔架的一般性確認(rèn)

………………

1567.

3.1

動力學(xué)響應(yīng)和共振

………………

1567.

3.2

關(guān)鍵的葉片撓度分析

……………

1577.

4 管式塔架

……………

1587.

4.1

載荷及響應(yīng)

………

1587.4.2

極限載荷…………1597.4.3

疲勞載荷…………1597.

4.4

渦誘導(dǎo)的振動

……

1607.4.5

焊接接頭…………1607.

4.6

門和機(jī)艙口附近的應(yīng)力集中

……

1617.

4.7

穩(wěn)定性分析

………

1627.4.8

法蘭連接…………1637.4.9

腐蝕防護(hù)…………1647.

4.10

誤差及規(guī)定

………

1647.

5 進(jìn)入口及工作環(huán)境

………………

1647.

6 塔架載荷計算的例子

……………

1657.

6.1

載荷及響應(yīng)

………

1657.

6.2

正常輸出功率情況下極限載荷的出現(xiàn)………………

1667.

6.3

極限載荷———停機(jī)

………………

1677.6.4

疲勞載荷…………168參考文獻(xiàn)

……

170第

8

章 基礎(chǔ)…………………

1728.

1 土壤研究

……………

1728.1.1概述………………

1728.

1.2

對基于重力基礎(chǔ)的建議

…………

1748.

1.3

對樁基礎(chǔ)的建議

…

1748.

2 重力基礎(chǔ)

……………

1748.

2.1

承載力公式

………

1758.

3 樁支撐基礎(chǔ)

…………

1788.3.1群樁………………

1798.

3.2

軸向樁阻力

………

1808.

3.3

橫向加載的樁

……

1828.

3.4

嵌入式樁帽的土壤阻力

…………

1858.

4 基礎(chǔ)剛度

……………

1868.

5 加強(qiáng)混凝土的性能………………

1918.5.1疲勞………………

1918.5.2裂縫………………

1928.5.3實(shí)施………………

1938.

6 海上應(yīng)用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)概念的選擇…………………

1938.6.1

概念介紹…………1938.6.2

單樁基礎(chǔ)…………1948.

6.3

三角樁基礎(chǔ)

………

199參考文獻(xiàn)

……

204第

9

章 電氣系統(tǒng)

…………

2069.

1 電氣部件

……………

2069.1.1發(fā)電機(jī)……………

2069.1.2

軟起動器…………2089.1.3

電容器組…………2089.1.4變頻器……………

2099.

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)造………………

210Ⅷ9.

3 電能質(zhì)量與并網(wǎng)…

2129.

4 電氣安全

……………

2139.

5 風(fēng)電場并網(wǎng)

…………

213參考文獻(xiàn)

……

214第

10

章 手冊………………

21610.1 用戶手冊

…………

21610.2 服務(wù)和維護(hù)手冊

…

21610.

3

安裝手冊…………

216參考文獻(xiàn)

……

217第

11

章 試驗(yàn)與測量………

21811.

111.

2功率特性測量

……

218載荷測量

…………

22011.3 控制和保護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)

………

22011.4 電能品質(zhì)的測量

…

22011.

5

葉片試驗(yàn)…………

22011.6 噪聲測量

…………

220參考文獻(xiàn)

……

221附錄……………

222附錄

A 螺栓連接

…………

222A.

1 螺栓標(biāo)準(zhǔn)化…………

222A.

2 強(qiáng)度…………………

222A.

3 沖擊強(qiáng)度……………

223A.

4 表面處理……………

223A.

5 S-N曲線……………

223A.

5.1

結(jié)構(gòu)鋼規(guī)范中的

S-N

曲線………

225A.

5.2

允許表面壓力

……

226A.

6 預(yù)拉伸

………………

227A.

6.1

防松安全性

………

229A.

7 螺紋孔的最小深度

………………

230A.

8 螺栓力的分析

……

230A.

8.1

螺栓的剛度

………

231A.

8.2

配合零件的剛度

…

231A.

8.3

力三角形

…………

232A.

9 承受剪切的連接

…

233A.

10A.

11A.

12A.

13承受拉伸載荷的螺栓

…………

236承受拉伸和剪切載荷的螺栓………………

236螺栓連接的實(shí)施…

236規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)

………

236目 錄參考文獻(xiàn)

……

237附錄

B 經(jīng)驗(yàn)方法

…………

238B.

1 載荷

…………………238B.1.1

風(fēng)輪載荷…………238B.1.2

疲勞載荷…………238B.

2 風(fēng)輪

…………………238B.

3 機(jī)艙

…………………239B.3.1主軸………………

239B.

4 噪聲

…………………239參考文獻(xiàn)

……

239附錄

C 疲勞計算

…………

240C.

1 應(yīng)力范圍

……………

240C.

2 斷裂力學(xué)

……………

240C.

3 S-N曲線……………

241C.

4 Palmgren-Miner

準(zhǔn)則………………

242C.

5 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞

…

243C.

6 結(jié)構(gòu)鋼的特征

S-N

曲線

…………

244C.

7 鍛造和軋制鋼材的特征

S-N曲線

…………………244C.

8 復(fù)合材料

S-N

曲線

………………

245C.

9 其他形式的疲勞評估

……………

246參考文獻(xiàn)

……

246附錄

D 有限元方法

（

FEM）

計算

……

248D.

1 分析形式……………

248D.

2 ?；?/p>

249D.2.1模型………………

249D.2.2元素………………

249D.2.3

邊界條件…………252D.2.4載荷………………

252D.

3 記錄…………………

253D.3.1模型………………

253D.3.2結(jié)果………………

254附錄

E

材料特性…………

255E.

1 鋼……255E.1.1結(jié)構(gòu)鋼

……………255E.1.2合金鋼

……………256E.

2 鑄鐵…………………

256E.

3 強(qiáng)化玻璃纖維

……

256E.

3.1

玻璃鋼合成塑料

…

256E.

4 混凝土

………………

257Ⅸ風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則E.4.1

力學(xué)性能…………257參考文獻(xiàn)

……

258附錄

F

名詞與定義………

259參考文獻(xiàn)

……

264附錄

G 換算及表格

………

265G.

1 英制/

米制換算

……

265G.

3G.

2 空氣密度與溫度

…

265空氣密度與高度

…

265G.

4 瑞利風(fēng)速分布

……

266Ⅹ第

1

章 風(fēng)力機(jī)的概念圖

1-1

多葉片風(fēng)力機(jī)1.

1 引言風(fēng)為船、

磨房、

水泵、

脫粒機(jī)等提供動力，

所有這些都是古代從風(fēng)中獲取動力的例子。伴隨機(jī)械的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，

特別是

20

世紀(jì)最后

10

年，

出現(xiàn)了高效率從風(fēng)中獲取能量的機(jī)械。

現(xiàn)代

“

風(fēng)力機(jī)”

被用作帶有旋轉(zhuǎn)葉片，將風(fēng)中的動能轉(zhuǎn)換成有用能量機(jī)器的通用名詞。20 ，世紀(jì)初 風(fēng)力機(jī)的設(shè)計主要受處理載荷的三種基本理念控制：

①承受載荷；

②減小或避免載荷；

③通過機(jī)械、

電氣或兩者聯(lián)合作用的方式來控制載荷。

在這個發(fā)展過程中，

許多風(fēng)力機(jī)設(shè)計看到了光明的未來，

包括裝有一只、

兩只、

三只或多只葉片，

繞水平和垂直軸旋轉(zhuǎn)的水平軸風(fēng)力機(jī)、

垂直軸風(fēng)力機(jī)，

如圖

1-1

所示?，F(xiàn)代風(fēng)力機(jī)從早期設(shè)計進(jìn)化而來，

可以分成帶兩只或三只葉片、

水平軸、

上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。

今天，

選擇雙葉片還是三葉片，

純粹是氣動效率、

復(fù)雜性、

成本、

噪聲以及審美上的比選平衡問題。風(fēng)力機(jī)設(shè)計上另外一些關(guān)鍵因素包括風(fēng)氣候、

風(fēng)輪類型、

發(fā)電機(jī)形式、

載荷及噪聲的降低與控制方法。

受運(yùn)行地區(qū)及市場環(huán)境的影響，

現(xiàn)在的趨勢是低成本、

兆瓦級和輕型的風(fēng)力機(jī)。

迄今為止以定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)占主流一，

但變轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)由于可以優(yōu)化能量捕捉、

降低載荷、

得到更好品質(zhì)的能量、

采用先進(jìn)的功率控制技術(shù)而應(yīng)用越來越普遍。1.

2 概念早期的風(fēng)力機(jī)設(shè)計包括多葉片設(shè)計，

這些風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪都具有較高的密實(shí)度，

也就是葉片面積與掃略面積之比較大。這樣高密實(shí)度風(fēng)輪的缺點(diǎn)是在極端風(fēng)速，

如颶風(fēng)情況下，

會產(chǎn)生過量的力。

為了限制在極端風(fēng)速情況下出現(xiàn)這種不希望的效應(yīng)，

同時增加效率，

現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)采用較少、

較長、

較瘦一

目前，

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，

用于并網(wǎng)發(fā)電用的變轉(zhuǎn)速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已占主流。

———譯者注1圖

1-2

垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則的葉片，

也就是盡可能選的密實(shí)度。

為了對這種較瘦的葉片進(jìn)行補(bǔ)償，

現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)在較高的葉尖速度下運(yùn)行。1.

2.

1 垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)

（

VAWT）

如圖

1-2

所示，

帶有C為是風(fēng)力機(jī)的未來。典型的水車允許水從切向流經(jīng)與旋轉(zhuǎn)軸垂直的水輪。

垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作介質(zhì)是空氣，

雖然原理上與水平軸一樣，

但它要求更復(fù)雜的設(shè)計，

否則它就不可能在效率方面超過螺旋槳型風(fēng)力機(jī)。垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是它的發(fā)電機(jī)和齒輪箱放在地面，

很容易維護(hù)，

也不需要偏航機(jī)構(gòu)。

缺點(diǎn)是效率太低，

而且僅為了更換主軸承，

就需要拆卸整個風(fēng)力機(jī)。

此外，

它的風(fēng)輪距離地面很近，可獲取的風(fēng)資源少。1.

2.

2 水平軸風(fēng)力機(jī)圖

1-3

三葉片上風(fēng)向水平軸風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)力機(jī)

（

HAWT）

如圖

1-3

所示，

是今天最常見的風(fēng)力機(jī)形式。

事實(shí)上今天所有并網(wǎng)型商業(yè)風(fēng)力機(jī)都是安裝在垂直塔架頂部水平軸上的螺旋槳型風(fēng)力機(jī)。

與垂直軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行模式不同，

水平軸風(fēng)力機(jī)需要對中風(fēng)向，

從而讓風(fēng)平行于旋轉(zhuǎn)軸流過。

水平軸風(fēng)力機(jī)有上風(fēng)向和下風(fēng)向之分。

上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，

風(fēng)輪在垂直塔架的前方迎著風(fēng)，

其優(yōu)點(diǎn)是避免了由于塔架存在所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)。

上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)需要偏航機(jī)構(gòu)以保證風(fēng)輪軸與風(fēng)向的對中。

下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，

風(fēng)輪放置在塔架的背風(fēng)側(cè)，

這種設(shè)計最大的缺點(diǎn)是風(fēng)輪經(jīng)過塔架陰影所造成的功率波動增加了疲勞載荷。

從理論上講，

下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)可以不用偏航機(jī)構(gòu)，

機(jī)艙可以被動地追蹤風(fēng)向。

但是，

這可能會誘導(dǎo)回轉(zhuǎn)載荷，

而且如果風(fēng)輪被動地向一個方向偏轉(zhuǎn)太長的時間，

可能導(dǎo)致動力電纜扭絞。

而對于較大的風(fēng)力機(jī)，

采用機(jī)械集電環(huán)來解決這個問題尤其困難。

上風(fēng)向風(fēng)輪需要更好的剛性以保證風(fēng)輪葉片和塔架的間隙，

而下風(fēng)向風(fēng)輪可以更有彈性。

后者由于這種可能性可以相應(yīng)地減少重量，

減少作用在塔架上的載荷。

今天運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)絕大多數(shù)都是上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。2圖

1-4

三只、

二只和一只葉片風(fēng)力機(jī)第

1

章

風(fēng)力機(jī)的概念1.

2.

3 風(fēng)輪葉片的數(shù)目三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最常見的。

帶上風(fēng)向風(fēng)輪、

異步發(fā)電機(jī)、

主動偏航的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常就是所謂的

“

丹麥概念”

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

而

“

丹麥概念”

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)逐漸成為評價其他概念風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)。相對于三葉片概念，

雙葉片和單葉片概念

（

見圖

1-4

）

也有它們的優(yōu)點(diǎn)，

可以節(jié)約成本減少風(fēng)輪的重量。然而，

使用的葉片越少，

旋轉(zhuǎn)速度就越高，

或者葉片弦長就越長，

以保證與同尺寸的三葉片風(fēng)力機(jī)具有同樣的出力。

采用單葉片或雙葉片還會由于慣性的變化導(dǎo)致載荷的波動，

這取決于葉片是在水平還是垂直位置，

以及葉片位于上端及下端位置時風(fēng)速的變化。因此，

通常雙葉片和單葉片概念都有所謂的蹺鉸式輪轂，

此時風(fēng)輪是鉸接在主軸上的。這種設(shè)計允許風(fēng)輪蹺轉(zhuǎn)以消除部分不平衡載荷。

單葉片風(fēng)力機(jī)不如雙葉片風(fēng)力機(jī)用得廣泛，

主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高噪聲越大，

同時還有視覺美觀的問題，

需要平衡重塊來平衡風(fēng)輪葉片。2.4 功率控制風(fēng)力機(jī)設(shè)計要盡可能便宜地產(chǎn)生電能。

為了這個目的，

風(fēng)力機(jī)一般設(shè)計成在

15m

/

s

風(fēng)速附近產(chǎn)生最大的功率輸出。

它不能設(shè)計成在強(qiáng)風(fēng)時才產(chǎn)生最大功率，

因?yàn)檫@樣的強(qiáng)風(fēng)通常是很少見的。

而且在某些強(qiáng)風(fēng)工況下，

需要費(fèi)棄掉部分過多的能量以避免損壞風(fēng)力機(jī)。

因此風(fēng)力機(jī)需要功率控制，

這種功率控制可以分為不同概念的兩類：低風(fēng)速下的功率優(yōu)化；高風(fēng)速下的功率限制。這樣的分類按照達(dá)到最大功率輸出的風(fēng)速來劃分，

典型的風(fēng)速是

15m

/

s。基本上有三種方法來進(jìn)行功率控制：

1）失速控制；變槳控制；主動失速控制。對于失速控制風(fēng)力機(jī)，

葉片是通過螺栓以固定的角度安裝在輪轂上的。

失速現(xiàn)象用于在風(fēng)速過高時限制功率輸出。

原理是通過設(shè)計葉片的幾何形狀來達(dá)到，

在風(fēng)速超過選定的臨界值時，

在葉片的下風(fēng)向側(cè)產(chǎn)生流動分離。

風(fēng)力機(jī)的失速控制要求風(fēng)輪葉片的正確整形，

以及正確設(shè)定相對于風(fēng)輪平面的葉片角度。

這種方法的缺點(diǎn)是，

低風(fēng)速時效率太低，

并且由于空氣密度及電網(wǎng)頻率變化，

造成不能起動和最大穩(wěn)定功率狀態(tài)點(diǎn)的變化。對于變槳控制風(fēng)力機(jī)，

葉片可以轉(zhuǎn)動，

調(diào)整葉片弦與平行風(fēng)向的角度。

功率輸出隨時監(jiān)測，

一旦太高，

葉片就被稍稍轉(zhuǎn)出風(fēng)流以減少所產(chǎn)生的功率。

一旦風(fēng)速降下來，

葉片又被轉(zhuǎn)3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則回來。

風(fēng)力機(jī)的變槳控制要求設(shè)計確保葉片被偏轉(zhuǎn)精確的角度，

以優(yōu)化所有風(fēng)速下的出力。現(xiàn)今，

風(fēng)力機(jī)的變槳控制同風(fēng)輪的變轉(zhuǎn)速一起采用。

這種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是它有很好的功率控制，

在高風(fēng)速情況下，

出力的平均值保持在發(fā)電機(jī)的額定值附近，

缺點(diǎn)是變槳機(jī)構(gòu)自身的復(fù)雜性以及在高風(fēng)速情況下的功率波動。主動失速控制風(fēng)力機(jī)類似于變槳風(fēng)力機(jī)，

它也有變槳葉片。

低風(fēng)速時，

主動失速控制風(fēng)力機(jī)像變槳控制風(fēng)力機(jī)那樣運(yùn)行。

高風(fēng)速時，

它將向變槳控制風(fēng)力機(jī)相反的方向轉(zhuǎn)動葉片，

強(qiáng)迫葉片失速。

這樣可以得到相當(dāng)準(zhǔn)確的出力控制，

使得在所有高風(fēng)速情況下，

風(fēng)力機(jī)在額定功率下運(yùn)行成為可能。

這種控制方式還有一個優(yōu)點(diǎn)，

就是可以補(bǔ)償空氣密度的變化。圖

1-5

給出了一臺風(fēng)力機(jī)的等功率曲線族，

它是葉片安裝角及平均風(fēng)速的函數(shù)。

變槳控制和主動失速控制的范圍是以風(fēng)輪平面的葉片安裝角為0°

進(jìn)行區(qū)分的。

在低風(fēng)速時，

風(fēng)力機(jī)的優(yōu)化運(yùn)行在

0°附近。

在高風(fēng)速時，

如果葉片安裝角不相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，

風(fēng)力機(jī)將出現(xiàn)過載。

變槳控制葉片是正向變槳也就是進(jìn)氣邊轉(zhuǎn)向風(fēng)流，

而主動失速控制葉片是負(fù)向變槳也就是出氣邊轉(zhuǎn)向風(fēng)流。

功率控制，

特別是高風(fēng)速下的功率限制，

兩種控制方法的理想方式在圖1-5

中用虛線表示，

虛線示出了一臺額定功率為

400kW

的三葉片風(fēng)力機(jī)如何從低風(fēng)速

0°葉片安裝角的運(yùn)行狀態(tài)過渡到高風(fēng)速下沿等功率曲線族的功率限制狀態(tài)。

此例中，

額定功率在風(fēng)速約為

12m

/

s

時達(dá)到。圖

1-5

風(fēng)力機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的等功率曲線族與葉片安裝角和平均風(fēng)速的關(guān)系1.

3 經(jīng)濟(jì)性理想的風(fēng)力機(jī)設(shè)計并不單單由技術(shù)反映，

而是由技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合體現(xiàn)。

風(fēng)力機(jī)制造商希望優(yōu)化風(fēng)力機(jī)，

以便風(fēng)力機(jī)能夠以盡可能低的單位電能成本提供電能。

從這個意義上講，

沒有必要優(yōu)化最大的年發(fā)電量，

否則會使風(fēng)力機(jī)非常昂貴。

由于能量輸入

（

風(fēng)）

是沒有成本4圖

1-6

功率—效率曲線第

1

章

風(fēng)力機(jī)的概念的，

對風(fēng)力機(jī)的優(yōu)化應(yīng)該是每千瓦時耗費(fèi)的成本較低。風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的尺寸在很大程度上取決于風(fēng)速的分布以及預(yù)計場址的風(fēng)能潛力。

大型風(fēng)輪帶小型發(fā)電機(jī)可以在一年的許多時間里都能發(fā)電，

但是它只能捕捉潛在風(fēng)能中的很少一部分。

大型發(fā)電機(jī)在高風(fēng)速情況下具有很高的效率，

但是在低風(fēng)速情況時卻效率很低。

某些時候，

有效的辦法是帶兩個不同額定功率的發(fā)電機(jī)。1.

4 出力對不同

“

丹麥概念”

風(fēng)力機(jī)的研究表明，

以單位風(fēng)輪面積

（

m2

）

每年產(chǎn)生的能量表示的特定出力性能[（

kWh

/

m2

）

/

年]

與風(fēng)輪的尺寸無關(guān)，

參見參考文獻(xiàn)

[4]。因此，

在評價風(fēng)力機(jī)成本時主要考慮的是單位面積風(fēng)輪功率

（

kW

/

m2

）

及單位面積成本

（

cost

/

m2

風(fēng)輪），

結(jié)合預(yù)計的服務(wù)壽命、

成本及可利用率。

可利用率是風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生功率的時間，

或者準(zhǔn)備產(chǎn)生功率的時間，

一般商用風(fēng)力機(jī)的可利用率是

98%

。因此影響出力的主要因素是風(fēng)輪尺寸，

其次是控制原理，

如失速控制或變槳控制，

單、雙速及變轉(zhuǎn)速。1.

4.

1 功率曲線任何形式的風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的功率可以表示為P=ρV3

ACP2式中

P———輸出功率；ρ———空氣密度；V———自由風(fēng)速；A———風(fēng)輪面積；CP

———效率因子。效率因子

CP

包括機(jī)械效率

ηm

、

電氣效率ηe

以及空氣動力效率。

所有三個因子分別取決于風(fēng)速和所產(chǎn)生的功率。

機(jī)械效率ηm

主要取決于齒輪箱內(nèi)的損失，

典型的是

0.

95

到滿負(fù)荷的0.

97。

電氣效率包括發(fā)電機(jī)的損失和電氣回路的損失。

對于異步發(fā)電機(jī)，

通常滿負(fù)荷時

ηe

=0.

97

～

0.

98。

最大可能的空氣動力效率為

16

/

27≈0.

59，

它在風(fēng)力機(jī)將風(fēng)速減少到自由來流風(fēng)速的

1

/

3

時達(dá)到

（

Betz

定理）。所產(chǎn)生的功率隨風(fēng)速而變，

這可以從圖

1-6功率曲線中看出，

圖形的形狀根據(jù)不同的概念稍有變化。

假定恒定的效率（

如恒定的尖速比）

圖形基本保持三次多項式直到額定風(fēng)速達(dá)到額定功率，

在這一點(diǎn)功率被整定，

或者通過葉片失速或者通過葉片變槳使功率近似保持常量。

功率曲線和效率曲線通常被表示在同一張圖上，

如圖

1-6

所示，

一邊表示功率，

一邊表5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則示效率。圖

1-7

給出了兩種風(fēng)力機(jī)的控制功率曲線：

①失速控制，

定轉(zhuǎn)速；

②變槳控制，

變轉(zhuǎn)速。圖

1-8

威布爾密度函數(shù)圖

1-7

兩種型式風(fēng)力機(jī)的控制功率曲線效率因子

CP

一般在風(fēng)速為

7

～

9m

/

s

時達(dá)到最大值，

且一般不超過

50%

。

電功率一般在風(fēng)速為

14

～

16m

/

s

時達(dá)到風(fēng)力機(jī)的額定功率。丹麥的標(biāo)準(zhǔn)程序同

IEC

風(fēng)力機(jī)分類系統(tǒng)一樣，

功率曲線要求通過測量確定。1.

4.

2 年發(fā)電量風(fēng)速分布常常用威布爾

（

Weibull）

分布來表示，

威布爾概率密度函數(shù)可以用圖

1-8

來表示。特定場址的風(fēng)氣候可以用參數(shù)

A

和

k

來描述，

通過這兩個參數(shù)可以計算

IEC

61400-1

定義的

Vave

，

即aveV =1

+1k■■■■■A

π2k=

2■■A?！?/p>

■■■■式中 ?！ゑR函數(shù)。在丹麥標(biāo)準(zhǔn)中，

常用于描述風(fēng)氣候的是粗糙度等級，

在粗糙度等級和平均風(fēng)速之間有著明顯的關(guān)聯(lián)。對于特定的風(fēng)力機(jī)，

功率輸出由上面所述的功率曲線定義。

通過功率曲線與風(fēng)速分布的結(jié)合，

確定實(shí)際的能量輸出，

通常用年度能量輸出

（

Eyear

）

表示，

即Eyear 0

∫VstopVstart=

N P（u）f（u）du式中

P（

u）

———功率曲線函數(shù)；

f（

u）

———風(fēng)速分布函數(shù)；

Vstart

———切入風(fēng)速；Vstop

———切出風(fēng)速；6第

1

章

風(fēng)力機(jī)的概念N0

———8760h

/

年一。Eyear

除以風(fēng)輪面積得到另一個特定的功率性能參數(shù)，

它是表示風(fēng)力機(jī)效率的一個常用參數(shù)。另一個表示特定風(fēng)力機(jī)效率參數(shù)是容量系數(shù)，

它定義為一定時間內(nèi)實(shí)際的平均功率與額定功率的比值。

假定在一定的風(fēng)速概率密度分布以及

100%

的可利用率的情況下，

一年內(nèi)由風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的總能量稱為潛在的年能量產(chǎn)出。1.

5 構(gòu)造與尺寸風(fēng)力機(jī)可以以獨(dú)立運(yùn)行的方式、

多臺陣列的方式或者以大規(guī)模的形式安裝。

在

20

世紀(jì)80變化，

轉(zhuǎn)到注重一排排彼此相鄰風(fēng)力機(jī)構(gòu)成的風(fēng)電場所產(chǎn)生的電能上。

在

80

年代早期，

典型的風(fēng)力機(jī)容量大約是額定功率

55kW，

而今天的風(fēng)力機(jī)容量已經(jīng)超過了

2MW。

表

1-1

給出了一些不同塔架高度的風(fēng)力機(jī)額定功率與風(fēng)輪直徑的情況。表

1-1

典型的風(fēng)力機(jī)尺寸塔架高度/m風(fēng)輪直徑/m額定功率/kW塔架高度/m風(fēng)輪直徑/m額定功率/kW222155504875031302255054100035354506058150035

～

4041

～

4450064

～

8072

～

7620004443600851155000對于位置較好的陸上風(fēng)電場，

風(fēng)能已經(jīng)是很經(jīng)濟(jì)的了。

現(xiàn)在，

海上風(fēng)電正在變得越來越經(jīng)濟(jì)，

海上風(fēng)能與其他能源技術(shù)比較正變得更加有競爭性。

海上風(fēng)能正在成為風(fēng)能中有前途的應(yīng)用，

特別是在人口密度較大的國家，

在陸地上找到合適的場址已經(jīng)非常困難。

在海上，

基礎(chǔ)構(gòu)造成本非常高，

但能量輸出也很大。

現(xiàn)在，

由安裝在水深為15m

的固定基礎(chǔ)上風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)能被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)的。

圖

1-9

給出了一個早期離岸風(fēng)電場的例子。圖

1-9

海上風(fēng)電場一

原書為

8765h

/

年有誤。

———譯者注7風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則1.

6 未來概念迄今為止，

大型風(fēng)力機(jī)主要是沿著本章所描述的概念發(fā)展的。

當(dāng)然，

風(fēng)力機(jī)設(shè)計及部件的一些新概念也在持續(xù)發(fā)展中，

以滿足風(fēng)力機(jī)發(fā)展的需要。未來概念風(fēng)力機(jī)的一種建議是風(fēng)力機(jī)具有更大的柔性，

其中的一個因素是風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)柔性的增加。

圖

1-10

所示的例子顯示了后者是如何構(gòu)思的。

另一個因素是增加傳動鏈的柔性，

如帶變轉(zhuǎn)速的無齒輪箱設(shè)計以及更廣泛地采用電力電子技術(shù)。圖

1-10

柔性風(fēng)力機(jī)概念

（

在待機(jī)狀態(tài)葉片收縮成順風(fēng)狀態(tài)）隨著計算機(jī)和傳感器使用的增多，

可以預(yù)見控制系統(tǒng)將具有更大的彈性。

在這方面，

可能從對風(fēng)力機(jī)控制的關(guān)注轉(zhuǎn)換到關(guān)注對風(fēng)電場的控制。

這種不可避免的發(fā)展對單臺風(fēng)力機(jī)提出了其他一些不同于今天的要求。參

考

文

獻(xiàn)Danish

Energy

Agency，

Technical

Criteria

for

the

Danish

Approval

Scheme

for

Wind

Turbines，

2000.IEC61400-12Windturbinegeneratorsystems，part12：Windturbinepowerperformancetesting，1stedition，1999.IECWT0，IECSystemforConformityTestingandCertificationofWindturbines，

RulesandProcedures，Inter-nationalElectrotechnicalCommission，1stedition，

2001-04.Petersen，H.，

Comparisonofwindturbinesbasedonpowercurveanalysis，HelgePetersenConsult，DarupAs-sociatesLtd.

，

1998.8第

2

章 安全性與可靠性1 安全理念風(fēng)力機(jī)應(yīng)該以這樣一種方式進(jìn)行設(shè)計制造，

即如果在預(yù)計的服務(wù)壽命期內(nèi)得到正確的使用和維護(hù)，

它就能夠在預(yù)計的安全水平下承受假定的載荷并表現(xiàn)出足夠的持久性和堅固性。計算或者計算與試驗(yàn)相結(jié)合可以用于證明風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)元件，

滿足預(yù)計的安全水平。結(jié)構(gòu)元件預(yù)計的安全水平可以用失效概率要求來表示，

以所謂的風(fēng)險接受準(zhǔn)則作為基礎(chǔ)來確定，

它取決于失效的形式和后果。

失效的形式可以根據(jù)延展性、

備件數(shù)量或結(jié)構(gòu)的冗余程度來描述，

而失效后果可以根據(jù)所包含的自然后果和社會后果來描述。

后果越嚴(yán)重，

備件能力的限制越多，

可接受的失效概率就越小。

預(yù)計的安全水平以

2.3

節(jié)詳細(xì)描述的安全等級進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分級，

以低、

中及高安全等級進(jìn)行區(qū)別。

安全等級越高，

安全水平要求越嚴(yán)格，

可接受的失效概率就越小。風(fēng)力機(jī)配備了控制和保護(hù)系統(tǒng)，

它規(guī)定了風(fēng)力機(jī)將要經(jīng)歷的所有可能的設(shè)計狀態(tài)。

為了保證風(fēng)力機(jī)在這個限定的狀態(tài)之內(nèi)，

作為安全理念的一部分，

保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該提供足夠高水平的可靠性，

涵蓋在極端事件可能發(fā)生的失效與保護(hù)系統(tǒng)可能不能執(zhí)行其任務(wù)之間可能忽視的組合概率。

因此，

保護(hù)系統(tǒng)的非冗余結(jié)構(gòu)部件都設(shè)計成了具有很高的安全等級。預(yù)計的安全水平或安全等級的選擇對不同的風(fēng)力機(jī)部件有所不同。

風(fēng)輪通常設(shè)計成至少應(yīng)具有中等安全等級。

而其他的結(jié)構(gòu)部件，

如塔架、

基礎(chǔ)通常設(shè)計成根據(jù)其失效的可能后果確定其安全等級。

基礎(chǔ)失效的后果可能導(dǎo)致塔架和風(fēng)輪的失效，

風(fēng)輪或塔架的失效不一定導(dǎo)致基礎(chǔ)的失效。

對各種結(jié)構(gòu)部件選擇其安全等級，

有效的方法是采用所謂的功能失效順序，

如在失效順序中，

基礎(chǔ)失效是最后一個失效的結(jié)構(gòu)部件。

這個順序是基于風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)失效后果可行性研究得出的。

但是，

風(fēng)輪通常被設(shè)計成中等或高的安全等級，

而不必遵守上述功能失效原則。

要求風(fēng)輪設(shè)計成中等或高安全等級，

主要是緣于如果風(fēng)輪飛出來或風(fēng)輪失效，

對周圍環(huán)境將造成危險的事故。

在這樣的事故中，

風(fēng)輪的零部件可能會散落在風(fēng)力機(jī)以外

1km

甚至更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)。應(yīng)該注意到，

安全性水平常常需要與經(jīng)濟(jì)性相平衡。

在

DS472

中，

重點(diǎn)應(yīng)放在安全性上。

然而，

對離岸性風(fēng)力機(jī)，

經(jīng)濟(jì)性將不可避免地變得比陸上風(fēng)力機(jī)更為重要，

在考慮安全事項和可接受的安全水平時，

逐漸要多考慮經(jīng)濟(jì)性因素。限制狀態(tài)設(shè)計用于達(dá)到預(yù)計的安全水平。

常用于確定風(fēng)力機(jī)安全性的限制狀態(tài)有如下

3個：1） ；極限限制狀態(tài)服務(wù)性限制狀態(tài)；事故限制狀態(tài)。針對這個目的，

設(shè)計載荷可以從多個特征載荷乘以幾個部分安全因子得到，

而設(shè)計承載能力可以用特征能力除以幾個其他部分安全因子得到。

部分安全因子主要考慮載荷和材料強(qiáng)9風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則度特征值的不確定性，

結(jié)構(gòu)安全性的確認(rèn)通過保證設(shè)計載荷或者設(shè)計載荷的組合不超過設(shè)計能力來達(dá)到。

在組合載荷的情況中，

應(yīng)該注意總是用一種極端載荷與一個或幾個正常載荷進(jìn)行組合。

兩個或幾個極端載荷一般并不進(jìn)行組合，

除非它們之間有一定關(guān)聯(lián)。特征載荷和特征能力是設(shè)計過程中的重要參數(shù)。

用于極限狀態(tài)評估的特征載荷通常是用50是這種選擇對于精確的50

年設(shè)計壽命考慮時并不是必須的，

它更多依據(jù)的是傳統(tǒng)和方便。它也不能認(rèn)為就保證了

50

年內(nèi)失效不會發(fā)生。

對于疲勞評估，

設(shè)計壽命是必須的，

這一部分內(nèi)容更常見的是考慮風(fēng)力機(jī)

20

年的設(shè)計壽命。

特征能力通常選擇有關(guān)能力分布中較低的分位數(shù)。

設(shè)計中采用的部分安全因子是考慮載荷、

能力方面比所假定的特征值更糟的實(shí)際情況。

注意在這里，

有些在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的部分安全因子不是真正意義上的安全因子，

而是減少因子。

它考慮了老化效應(yīng)、

尺寸效應(yīng)、

溫度效應(yīng)等。

在設(shè)計表達(dá)式中，

它們的作用方式與真正意義上的部分安全因子相同。結(jié)構(gòu)安全是設(shè)計最主要的目標(biāo)，

重要的是確保用于設(shè)計的載荷及材料的特征值實(shí)際上真正達(dá)到了。

對于已完工的結(jié)構(gòu)部件，

無損探傷檢查以及車間控制起著很重要的作用。

此時，材料認(rèn)證也是十分方便的。

一般地，

可以說檢查是安全理念的重要部分，

設(shè)計過程中所作的假設(shè)也需要認(rèn)證，

如果在風(fēng)力機(jī)的服務(wù)壽命期內(nèi)發(fā)現(xiàn)不正常情況就應(yīng)該采取補(bǔ)救措施。有關(guān)結(jié)構(gòu)安全性和設(shè)計限制狀態(tài)的詳情見2.3

節(jié)。

關(guān)于設(shè)計狀態(tài)和外部條件的組合詳情，

如載荷工況的定義，

見第

4

章。2.

2 系統(tǒng)安全性與運(yùn)行可靠性風(fēng)力機(jī)配備有控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)，

目的是為了保證風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行，

保護(hù)風(fēng)力機(jī)不處于帶病工作狀態(tài)。

有些部件將同時在控制和保護(hù)系統(tǒng)中起作用，

但是兩者是有區(qū)別的，

控制系統(tǒng)顯示和整定基本的運(yùn)行參數(shù)，

保持風(fēng)力機(jī)在預(yù)定的運(yùn)行范圍內(nèi)，

而保護(hù)系統(tǒng)是確保風(fēng)力機(jī)在設(shè)計限制之內(nèi)。

保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)先于控制系統(tǒng)。2.1 控制系統(tǒng)控制用于下述功能：1）

保證自動運(yùn)行；保證風(fēng)力機(jī)和風(fēng)向的對中；切入和切出發(fā)電機(jī)；控制轉(zhuǎn)速；保護(hù)風(fēng)力機(jī)避免出現(xiàn)由超速或強(qiáng)風(fēng)造成的損壞；探測故障，

警告運(yùn)行人員需要維護(hù)和修理?？刂葡到y(tǒng)通過主動或被動的方式來控制運(yùn)行風(fēng)力機(jī)，

保證運(yùn)行參數(shù)在正常限制之內(nèi)。

被動控制用自身的傳感器使用自然力進(jìn)行動作，

如離心失速或者離心順槳。

主動控制使用電氣、

機(jī)械、

液壓或氣壓的方法，

要求傳感器探測決定控制動作所需的變量。

典型的變量和特點(diǎn)包括：1）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；10第

2

章

安全性與可靠性風(fēng)速；振動；外部溫度；發(fā)電機(jī)溫度；主連接的頻率和電壓；連接的電氣載荷；功率輸出；扭纜情況；偏航誤差；制動磨損。控制系統(tǒng)保證風(fēng)力機(jī)在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，

正常運(yùn)行范圍應(yīng)通過下列性能和要求來反映：10min ， ， 。輪轂高度處最大的 平均風(fēng)速

Vmax 即停機(jī)風(fēng)速 在它之下風(fēng)力機(jī)可以運(yùn)行最大的長期平均額定功率

Pnom

，

它可以理解成風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速范圍

[

Vmin

，

Vmax

]

功率曲線上的最高功率，

其中

Vmin

指風(fēng)力機(jī)的起動風(fēng)速。最大名義功率

Pmax

，

此時對應(yīng)輪轂高度處

10min

的平均風(fēng)速不超過最大風(fēng)速，

即V10min，hub<Vmax

。風(fēng)力機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)運(yùn)行頻率nr，max

。風(fēng)力機(jī)的最大瞬態(tài)旋轉(zhuǎn)頻率nmax

。風(fēng)速，

在它之下，

風(fēng)力機(jī)可能停止。通過控制系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)保持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，

控制系統(tǒng)激活或解除激活必須的控制包括：1） （ ）；偏航 對中風(fēng)向葉片角度整定；激活制動系統(tǒng)；電網(wǎng)連接；功率限制；在失去電網(wǎng)或失去電氣負(fù)荷時停機(jī)。此外，

它必須保證為了檢查、

修理等其他目的，

或者在緊急情況下能夠停機(jī)。

控制系統(tǒng)的顯示和它的功能必須被實(shí)際的風(fēng)力機(jī)設(shè)計所接受。

風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計要求有伺服理論的背景，

如處理連續(xù)系統(tǒng)控制的理論?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計對于所遇到的弱電網(wǎng)的情況特別重要。

弱電網(wǎng)對于居民稀少的地區(qū)經(jīng)常會遇到，

這樣的地區(qū)電網(wǎng)能力常常是風(fēng)力資源開發(fā)的一個限制因素。

這里應(yīng)明確兩個問題：對電能消耗少、

風(fēng)電輸入多的電網(wǎng)，

提高穩(wěn)態(tài)電壓水平，

使其高于電網(wǎng)最低值。在閃變限制值之上的電壓波動可能來源于由于風(fēng)波動以及風(fēng)力機(jī)的切入所導(dǎo)致的風(fēng)功率輸入的波動。上述問題采用所謂的功率控制辦法解決，

它是控制系統(tǒng)的一部分。

功率控制概念意味著對風(fēng)力機(jī)功率進(jìn)行周期緩沖，

以便對電壓限制進(jìn)行調(diào)整，

而在電壓較低時，

釋放功率。

這種方法與功率削平相結(jié)合，

以便消除波動，

特別是對超出閃變限制的波動。11風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則2.2 保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)有時可以看成是安全系統(tǒng)。

分為機(jī)械、

電氣、

氣動保護(hù)系統(tǒng)。

當(dāng)控制系統(tǒng)失效或者其他失效事件發(fā)生時，

保護(hù)系統(tǒng)被激活，

此時風(fēng)力機(jī)已經(jīng)不在正常的運(yùn)行范圍內(nèi)了，

保護(hù)系統(tǒng)將把風(fēng)力機(jī)帶回到安全條件并維持風(fēng)力機(jī)在這樣的條件內(nèi)。

一般情況，

要求保護(hù)系統(tǒng)有能力把轉(zhuǎn)子從任何一個運(yùn)行狀態(tài)帶回到停機(jī)或空轉(zhuǎn)狀態(tài)。

在

IEC

標(biāo)準(zhǔn)中有一項附加的要求，

是要將轉(zhuǎn)子從低于年極限風(fēng)速的任何風(fēng)速下的危險空轉(zhuǎn)狀態(tài)帶回到完全停機(jī)的狀態(tài)，

保護(hù)系統(tǒng)的激活水平設(shè)定成不超過設(shè)計極限。保護(hù)系統(tǒng)的激活狀態(tài)包括但不僅限于如下事項：

1）超速；發(fā)電機(jī)過載或失效；過大的振動；電網(wǎng)失電、

脫網(wǎng)或失去電氣載荷時，

停機(jī)失敗；由于偏航，

出現(xiàn)不正常的扭纜。因此，

保護(hù)系統(tǒng)至少應(yīng)包括下述監(jiān)視項目：

1）轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)動頻率；發(fā)電機(jī)或其他能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)過載；機(jī)艙的振動過大；控制系統(tǒng)與安全有關(guān)的功能。由于超速是一個非常嚴(yán)重的錯誤，

轉(zhuǎn)動速度監(jiān)測就成為了保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測的一個關(guān)鍵要素。保護(hù)系統(tǒng)包括：1）

注冊單元；激活單元；制動單元。保護(hù)系統(tǒng)包括一個或多個系統(tǒng)

（

機(jī)械、

電氣或氣動），

能夠把風(fēng)輪帶回到停機(jī)或空轉(zhuǎn)狀態(tài)。

在丹麥標(biāo)準(zhǔn)中，

必須至少包括兩套制動系統(tǒng)，

至少有一套氣動操作的制動單元，

見2.

3.

3

節(jié)。為了確保在有人生安全危險時能夠立即將機(jī)器停下來，

在所有工作位置都必須有緊急制動按鈕，

它高于控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。此外，

對于上述狀態(tài)，

保護(hù)系統(tǒng)至少應(yīng)滿足下述要求：

1）保護(hù)系統(tǒng)必須優(yōu)先于控制系統(tǒng)。保護(hù)系統(tǒng)在失電情況下必須是失效安全的。保護(hù)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)元件必須設(shè)計成高安全等級。保護(hù)系統(tǒng)必須有登記錯誤的能力，

并能把風(fēng)力機(jī)帶回空轉(zhuǎn)或者受控的自由空轉(zhuǎn)狀態(tài)，

所有狀態(tài)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于nmax

。保護(hù)系統(tǒng)必須對傳感器、

電子裝置、

電氣裝置、

液壓系統(tǒng)或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單一錯誤有容差設(shè)計，

即系統(tǒng)未探測到的錯誤，

不能妨礙系統(tǒng)探測錯誤的狀態(tài)，

也不能妨礙執(zhí)行其功能。12第

2

章

安全性與可靠性6）

必須保證保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

因?yàn)楸Ｗo(hù)系統(tǒng)的失效會使運(yùn)行超出極端運(yùn)行范圍。保護(hù)系統(tǒng)的可靠性可以通過下述方法來保證：

①整個保護(hù)系統(tǒng)是失效安全設(shè)計；

②對于保護(hù)系統(tǒng)中那些不能設(shè)計成失效安全模式的部件必須是冗余設(shè)計；

③經(jīng)常檢查保護(hù)系統(tǒng)的功能，

用風(fēng)險評估決定檢查的間隔。失效安全是設(shè)計原則，

它通過對結(jié)構(gòu)的冗余或充裕設(shè)計，

確保在結(jié)構(gòu)失效或電源失效的情況下風(fēng)力機(jī)能夠保持在無危險的狀態(tài)。2.3 制動系統(tǒng)制動系統(tǒng)是保護(hù)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，

制動系統(tǒng)包括：

1）機(jī)械制動；氣動制動；發(fā)電機(jī)制動。氣動制動系統(tǒng)通常包括葉尖的轉(zhuǎn)動部分或者通?？吹降闹鲃邮俸妥儤刂骑L(fēng)力機(jī)，

把整個葉片沿展向軸轉(zhuǎn)動

90°，

從而導(dǎo)致氣動力和轉(zhuǎn)子力矩相抵消。

此外，

副翼和降落傘也被用作氣動制動。制動系統(tǒng)的可靠性對于確保系統(tǒng)達(dá)到它的目的是極其重要的，

基于此，

對不同制動之間、

不同制動零件之間的依賴性要十分清楚。

比如，

如果三只葉片都裝有葉尖制動

（

見圖2-1），

可以預(yù)見三個葉尖制動之間有一定的依賴，

這些制動都具有共同的失效原因，

這會影響三個葉尖制動系統(tǒng)抗失效的整體可靠性。

如果失效概率超過每年

0.0002，

則這些影響應(yīng)該加以考慮。圖

2-1

葉尖制動制動及其制動零件必須抗磨損，

因此要求進(jìn)行適時監(jiān)測和維護(hù)。IEC

61400-1

要求保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該包括一個或多個系統(tǒng)，

如機(jī)械制動、

電氣制動或氣動制動，

能夠把風(fēng)輪從任何運(yùn)行條件帶回到停機(jī)或空轉(zhuǎn)狀態(tài)。

其中至少有一個系統(tǒng)是作用在低速軸上或者在風(fēng)力機(jī)的主軸上的。

這種要求的提出是為了保證有一個制動系統(tǒng)確保失效不會導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的整體失效。DS472

的要求更為嚴(yán)格，

它要求至少有兩個失效安全的制動系統(tǒng)。

如果兩個系統(tǒng)不是獨(dú)立的，

如有一些零件是公用的，

在公用零件失效時，

風(fēng)力機(jī)就將被自動帶回到完全停機(jī)或受控制的空轉(zhuǎn)狀態(tài)。

而且至少有一個制動系統(tǒng)有氣動制動單元。2.4 失效模式和效果分析失效模式和效果分析是對風(fēng)力機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的機(jī)械、

電氣系統(tǒng)進(jìn)行定量可靠性系統(tǒng)分析的技術(shù)。

這種分析包括檢測系統(tǒng)的每一個獨(dú)立部件，

確定可能的失效模式和其對系統(tǒng)的影響。這種分析基于系統(tǒng)地列出所用零件的工作表，

具體包括：零件名稱；零件功能；13風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計導(dǎo)則可能的失效模式；失效原因；如何探測失效；失效對系統(tǒng)基本功能的影響；