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文檔簡介
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)指引教師:學(xué)生姓名:專業(yè):電氣工程及自動(dòng)化班級(jí):電氣07-1完畢日期:5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)論文是在教師精心指引以及查閱資料獨(dú)立完畢,沒有任何版權(quán)問題,沒有抄襲、抄襲她人成果,否則,由此導(dǎo)致一切后果由本人負(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))來源教師科研規(guī)定完畢內(nèi)容(1)查閱有關(guān)資料,掌握定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作特性(2)查閱有關(guān)資料,掌握變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作特性(3)研究槳葉氣動(dòng)特性,翼型失速控制原理(4)研究變槳距控制系統(tǒng)工作原理(5)研究積極失速控制系統(tǒng)工作原理(6)完畢畢業(yè)設(shè)計(jì)闡明書一篇發(fā)題日期:3月9日完畢日期:5月18日指引教師簽名摘要空氣流動(dòng)所形成動(dòng)能極為風(fēng)能。風(fēng)能運(yùn)用形成重要是將大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具備動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其她形式能。隨著風(fēng)電技術(shù)不斷進(jìn)步,容量逐漸增大,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)量有了明顯提高,作為一種新,安全可靠,干凈能源而受到國際上風(fēng)資源豐富國家關(guān)注與大規(guī)模開發(fā)。槳距控制可以最大限度捕獲風(fēng)能。槳距控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心技術(shù)之一,本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)做了較為全面分析及簡介。一方面簡述了風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,簡介了定速定槳和變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特點(diǎn),綜述了發(fā)電機(jī)組構(gòu)成及各部件功能。闡述了課題研究意義,并提出了本文重要研究內(nèi)容。進(jìn)一步學(xué)習(xí)定速發(fā)電機(jī)組失速控制原理,在此基本上對(duì)變槳距控制和積極失速控制進(jìn)行研究。核心字:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;定速發(fā)電機(jī)組;失速控制;變槳距;積極失速;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)來源 11.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 11.3國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量 21.4世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 51,5將來國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展趨勢 61.6總體概述 62 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)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 變速必要性 174.2變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長處及其調(diào)節(jié) 194.3 變槳系統(tǒng)工作原理 194.4 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)營區(qū)域 194.5 槳距控制方案 214.6 變槳距控制 215變槳距積極失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 235.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制方式 235.2積極失速技術(shù)長處 245.3 積極失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本思想 255.4 槳葉失速調(diào)節(jié)原理 25道謝 28參照文獻(xiàn) 29緒論風(fēng)是地球上一種自然現(xiàn)象,它是由太陽輻射熱引起。風(fēng)能是太陽能一種轉(zhuǎn)換形式,是一種重要自然能源。太陽照射到地球表面,地球表面各處受熱不同,產(chǎn)生溫差,從而引起大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。風(fēng)能運(yùn)用已有數(shù)千年歷史。在蒸汽機(jī)創(chuàng)造此前,風(fēng)帆和風(fēng)車是人類生產(chǎn)和生活重要?jiǎng)恿ρb置。埃及被以為也許是最先運(yùn)用風(fēng)能國家,約在幾千年前,她們就開始運(yùn)用風(fēng)帆來協(xié)助行船。波斯和中華人民共和國也在很早就開始運(yùn)用風(fēng)能,重要使用垂直軸風(fēng)車。國內(nèi)至少在30前商代就浮現(xiàn)了帆船,到唐代,風(fēng)帆船已廣泛用于江河運(yùn)送。最輝煌是明代,14世紀(jì)鄭和七下西洋,龐大帆船隊(duì)功不可沒。明代后來,風(fēng)車廣泛應(yīng)用,沿海一帶重要用于帆船和風(fēng)力機(jī)提水灌溉,制鹽。在歐洲到中世紀(jì)才廣泛運(yùn)用風(fēng)能,荷蘭人創(chuàng)造了風(fēng)車。18世紀(jì)荷蘭曾用近萬臺(tái)風(fēng)車排水,在低洼海灘上圍海造田,成為風(fēng)車之國。成為有名農(nóng)用風(fēng)車,最多達(dá)到了600萬臺(tái)。隨著蒸汽機(jī)浮現(xiàn),以及煤,石油,天然氣開采,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,逐漸被裁減。到了19世紀(jì)末,開始運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電,特別是在20世紀(jì)70年代,運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一種蓬勃發(fā)展時(shí)代[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)來源1973年石油危機(jī)之前,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)仍處在科學(xué)研究階段,重要在高校和科研單位開發(fā)研究,政府從技術(shù)儲(chǔ)備角度提供少量科研費(fèi)。1973年后來,風(fēng)力發(fā)電作為能源多樣化辦法之一,列入能源規(guī)劃,某些國家對(duì)風(fēng)力發(fā)電以工業(yè)化試點(diǎn)應(yīng)用予以政策扶持,以減稅、抵稅和價(jià)格補(bǔ)貼等經(jīng)濟(jì)手段予以勉勵(lì),推動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電工業(yè)化發(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)保嚴(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、嚴(yán)格規(guī)定。狀況變化縮短了風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)發(fā)電價(jià)格競爭差距,風(fēng)力發(fā)電正進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展前夜。國內(nèi)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)場初次突破裝機(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)2.3%[2]。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀裝機(jī)容量繼續(xù)增長,但增速明顯放緩,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍舊是最受人們關(guān)注新能源產(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)展清潔能源大好時(shí)機(jī)下,國內(nèi)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,合計(jì)裝機(jī)4182.7萬千瓦(如圖1-1)。與新增裝機(jī)1380萬千瓦、合計(jì)裝機(jī)2580萬千瓦相比,風(fēng)電新增裝機(jī)增長率僅為16%,合計(jì)裝機(jī)增長率為62%,相比過去四年里風(fēng)電裝機(jī)容量連年翻番增長態(tài)勢,國內(nèi)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1-1-國內(nèi)總裝機(jī)容量國家注重風(fēng)電產(chǎn)業(yè),海上風(fēng)電成為新寵為達(dá)到國內(nèi)在哥本哈根會(huì)議上提出“到非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%、單位GDP二氧化碳排放強(qiáng)度比下降40%-45%”目的,,國家陸續(xù)出臺(tái)了一系列增進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展法律、法規(guī)和產(chǎn)業(yè)政策,發(fā)展目的更加明確,思路更加清晰,前景非常遼闊。此外,依照國家最新能源規(guī)劃,前國家將在新能源領(lǐng)域增長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。同步,是國內(nèi)海上風(fēng)電加速發(fā)展元年。國家能源局5月18日正式啟動(dòng)了總計(jì)100萬千瓦首輪海上風(fēng)電招標(biāo)工作,分別為濱海和射陽兩個(gè)30萬千瓦近海風(fēng)電項(xiàng)目;大豐和東臺(tái)兩個(gè)20萬千瓦潮間帶項(xiàng)目,并于9月10日在北京開標(biāo)。同年6月,國內(nèi)首個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目——上海東海大橋102兆瓦項(xiàng)目所有并網(wǎng)發(fā)電。在國家大力推動(dòng)海上風(fēng)電加快發(fā)展形勢下,上海、江蘇、浙江、山東和福建等省市紛紛提交了各自海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃,各風(fēng)電公司更是前赴后繼進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)研制與生產(chǎn)。1.3國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量總體裝機(jī)容量(見圖1-2):中華人民共和國(不涉及臺(tái)灣地區(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%;合計(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1-2中華人民共和國總裝機(jī)容量各區(qū)域裝機(jī)狀況(見圖1-3):圖1-3中華人民共和國各區(qū)域裝機(jī)狀況各省市裝機(jī)容量及分布圖(見圖1-4):圖1-4國內(nèi)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)電現(xiàn)狀依照世界風(fēng)力協(xié)會(huì)(WorldWindEnergyAssociation)于3月發(fā)布「年世界風(fēng)力報(bào)告」(WorldWindEnergyReport)指出,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%電力需求。年新增設(shè)備38.312GW,較年總設(shè)備容量120.903GW增長31.7%。該協(xié)會(huì)推估年總設(shè)備容量將達(dá)203.5GW,年全球風(fēng)力機(jī)組合計(jì)設(shè)備容量將上看1,900GW,約為年總設(shè)備容量之12倍。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電設(shè)備容量前3名分別為美國、中華人民共和國、德國,這3個(gè)國家風(fēng)力機(jī)組容量計(jì)86.946GW,約占全球55%。若再加上第3、第4位西班牙及印度,則前5個(gè)國家共計(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]。年于丹麥哥本哈根舉辦國際氣候COP15會(huì)議,第15屆簽約國會(huì)議。中期目的是讓世界約50個(gè)國家,到年為止溫室效應(yīng)廢氣排放量削減籌劃?;I劃中EU國家到年為止,占所有能源消費(fèi)量20%必要使用再生能源,以此作為設(shè)定共同努力目的。加盟各國家努力開發(fā)也許再生能源,就以歐洲共同市場EU各國努力以赴風(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年增長41.5%在綠能方面世界各國定義不同,近兩年來各國政府承諾「綠能」投資金額為5.000億美元,其中中華人民共和國在這方面投資居冠,投資金額高達(dá)2,180億美元,另一方面是韓國投資金額為600億美元,歐洲共同市場EU加上會(huì)員各國投資總金額為550億美元。但是若以綠能化刺激方略綠色、能源領(lǐng)域(能源效率化、也許再生能源、電力送電網(wǎng)、低碳排放汽車)做為限定范疇話,美國居冠660億美元,另一方面是中華人民共和國47億美元,EU為31億美元,韓國是16億美元。依照英國HSBC銀行集團(tuán)預(yù)估,在綠能化方面投資金額中,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。綠色能源所有投資金額也受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響,年投資金額高達(dá)1,550億美元。但是就世界風(fēng)力發(fā)電市場來看,并沒有受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)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年增長31.7%。2)歐洲風(fēng)力發(fā)電占電力需求5%EU27個(gè)國家在09年風(fēng)力能源導(dǎo)入容量肩負(fù)起世界領(lǐng)導(dǎo)責(zé)任。09年風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)入量超過10GW,占世界26.5%。累積導(dǎo)入容量從前年64.719MW,增長到74.767MW,比前1年成長了15%。這也是占世界全體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)慣風(fēng)景。在德國搭乘地方火車時(shí),可以從車窗見到風(fēng)車風(fēng)景。就09年新興導(dǎo)入也許再生能源來看,占全體61%,產(chǎn)生電力為26GW,其中風(fēng)力發(fā)電占39%。EU刊登到年為止,能源消費(fèi)量20%以再生能源為目的。若是以EU各國制定目的來看,到年為止順利話也許再生能源,可以達(dá)到全體電力消費(fèi)量34%。其中預(yù)估風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域方面約有14%~17%貢獻(xiàn)。歐洲從年后來累積風(fēng)力發(fā)電容量為9.7GW,約成長了7倍95GW。針對(duì)EU在年終為止記錄,風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域雇用人數(shù)為19萬人,風(fēng)力發(fā)電方面投資金額為139億歐元。發(fā)電總?cè)萘咳魶]有特殊變化話162.5TWh,風(fēng)力發(fā)電相稱約占EU電力需求4.8%。3)歐洲是以海上風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)入做為主流歐洲年在海洋風(fēng)力發(fā)電方面導(dǎo)入容量為582MW,比增長56%,占?xì)W洲整體發(fā)電設(shè)備6%左右。累積發(fā)電容量為2,063MW,占?xì)W洲全體發(fā)電量3%。歐洲兩大市場分別為英國883MW,以及丹麥646MW。就年歐洲海洋風(fēng)力發(fā)電容量來看,預(yù)定導(dǎo)入1,000MW,相稱于歐洲市場約10%左右。海洋風(fēng)力發(fā)電尚處在萌芽期,預(yù)估到年以海洋型風(fēng)力發(fā)電容量將達(dá)到40GW。由于歐洲海域優(yōu)勢條件,適合海洋型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,預(yù)估這將成為歐洲能源再生主流方式。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)電是當(dāng)前7倍能力,相稱于可以供應(yīng)30,000TWh電力。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)傳送,已經(jīng)可以供應(yīng)2,000MW電力。當(dāng)前在歐洲9個(gè)國家,建立了39個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),海洋型風(fēng)力發(fā)電也從1994年在荷蘭外海建設(shè)第1座發(fā)電能力2MW,始終到去年09年在丹麥沿海設(shè)立海洋型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,可以產(chǎn)生209MW發(fā)電能力。近來大型海上風(fēng)力渦輪設(shè)備,重要是基于深海建設(shè)技術(shù)提高所賜。僅年就建設(shè)了9個(gè)場合海洋型風(fēng)力發(fā)電基地,供安頓了201座風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,新設(shè)立風(fēng)力發(fā)電能力達(dá)到584MW,09年在風(fēng)力發(fā)電方面投資金額為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。年更增長到30億歐元。1,5將來國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(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,海上有豐富風(fēng)能資源和遼闊平坦區(qū)域,從而使海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近來研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。中華人民共和國海上風(fēng)能資源儲(chǔ)量遠(yuǎn)不不大于陸地風(fēng)能,儲(chǔ)量10m高度可運(yùn)用風(fēng)能資源超過7億kW,并且距離電力負(fù)荷中心很近。隨著風(fēng)力發(fā)電不段發(fā)展,陸地上風(fēng)力發(fā)電機(jī)總和已經(jīng)開始趨于飽和,那么就需要咱們開發(fā)新能源形式,海上風(fēng)力發(fā)電場也就自然而然成為了新重要能源開發(fā)項(xiàng)目,同步也是風(fēng)力發(fā)電開發(fā)重點(diǎn)。不但在中華人民共和國是這樣,海上發(fā)電也是近年來國際風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展一種新新領(lǐng)域,可謂是“方向中方向”。隨著當(dāng)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展日趨成熟,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),這種模式核心是向電網(wǎng)輸電。此外一種是近海風(fēng)力發(fā)電,重要用于比較淺近海海域,這種模式重要制約因素是風(fēng)力發(fā)電場規(guī)劃和建設(shè)成本,但是近海風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢是明顯,即不占用土地,海上風(fēng)力資源較好。風(fēng)力發(fā)電不但僅為人們提供電力,同步它也隨著并且增進(jìn)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電整個(gè)過程都不產(chǎn)生任何污染,它既可覺得人們提供電力,又可以減少燃料帶來環(huán)境污染,從而起到保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境作用,是真正綠色能源。風(fēng)電作為清潔可再生能源,已成為當(dāng)今世界電力發(fā)展潮流和趨勢。1.6總體概述本文環(huán)繞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制系統(tǒng)闡述了近年來國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r、國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組先進(jìn)技術(shù)、世界風(fēng)力發(fā)電趨勢及其國內(nèi)將來發(fā)展趨勢。隨后簡介了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)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,研究了槳葉氣動(dòng)特性,翼型失速控制原理,其中著重寫了:1、國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展,國內(nèi)在裝機(jī)容量2、簡介了水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成3、定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特點(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)組長處、工作原理、控制方案5、變槳距積極失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制方式、積極失速長處、槳葉失速調(diào)節(jié)原理最后在論文總結(jié)中對(duì)國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和槳距控制進(jìn)行了展望,對(duì)將來風(fēng)力發(fā)電發(fā)展進(jìn)行了大膽設(shè)想。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成空氣流動(dòng)形成了風(fēng),而空氣流動(dòng)是由地球自轉(zhuǎn)和地球緯度溫差形成。流動(dòng)空氣所具備動(dòng)能稱作風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電運(yùn)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)化為電能機(jī)械設(shè)備。風(fēng)力機(jī)通過發(fā)展過程,當(dāng)前已有諸各種型式,如圖3-1所示。其中有是老式風(fēng)力機(jī),當(dāng)前不再使用,有是當(dāng)代風(fēng)力機(jī),正為人們廣泛運(yùn)用,有正在研究之中。廣義風(fēng)力機(jī)還涉及那些運(yùn)用風(fēng)力產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)裝置,如風(fēng)帆船和中華人民共和國古代加帆手推車等。風(fēng)力機(jī)重要部件是風(fēng)能接受裝置。普通說來,凡在氣流中產(chǎn)生不對(duì)稱力物理構(gòu)成都能成為風(fēng)能接受裝置,通過旋轉(zhuǎn)、平移或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)而發(fā)出機(jī)械功。無論何種類型風(fēng)力機(jī),都是由風(fēng)能接受裝置、控制機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)和支承部件等構(gòu)成。近代風(fēng)力機(jī)還涉及發(fā)電、蓄能等配套系統(tǒng)。當(dāng)前,水平軸、上風(fēng)向、三槳葉型、用于并網(wǎng)發(fā)電風(fēng)力機(jī)是當(dāng)今普遍應(yīng)用、推廣機(jī)型,如圖2-1和2-2所示,在機(jī)械構(gòu)造、功率控制和制動(dòng)系統(tǒng)等方面具備各種選取方案。下面詳細(xì)簡介典型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片、輪轂、機(jī)艙、齒輪箱、發(fā)電機(jī)和塔架[6]。圖2-1典型水平軸定槳距定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)造圖1132457869101112圖2-2典型水平軸直驅(qū)式變槳變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本構(gòu)造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.輔助提高機(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)核心部件。風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),葉片必要承受風(fēng)載荷和離心力,由于葉片細(xì)長并且又重又大,受不斷變化流動(dòng)空氣影響,在地球應(yīng)力場中運(yùn)動(dòng),其所受重力彎矩變化相稱復(fù)雜,當(dāng)狂風(fēng)襲來,風(fēng)輪迎風(fēng)靜止時(shí),葉片又必要經(jīng)受住最劇烈風(fēng)暴。葉片是風(fēng)力機(jī)重要構(gòu)成某些,當(dāng)今95%以上葉片都采用玻璃鋼復(fù)合材料,質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞。葉片技術(shù)含量高,屬于風(fēng)力機(jī)核心部件,大型風(fēng)力機(jī)葉片往往由專業(yè)廠家制造。輪轂輪轂作用是連接葉片和低速軸,規(guī)定能承受大、復(fù)雜載荷,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)軸部件,用于傳遞風(fēng)輪力和力矩到背面機(jī)構(gòu)。輪轂普通由球墨鑄鐵制成。使用球墨鑄鐵重要因素是輪轂復(fù)雜形狀規(guī)定使用澆鑄工藝,以以便其成型與加工。此外,球墨鑄鐵有較好抗疲勞性能。比較典型輪轂構(gòu)造有如下三種:(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)。它主軸軸線與葉片長度方向夾角固定不變。制導(dǎo)致本低、維護(hù)少,不存在鉸鏈?zhǔn)捷嗇炛心p問題。但葉片上所有力和力矩都將經(jīng)輪轂傳遞至其后續(xù)部件。(2)葉片之間相對(duì)固定鉸鏈?zhǔn)捷嗇炄鐖D2-4所示,鉸鏈軸線通過葉輪質(zhì)心。這種鉸鏈?zhǔn)箖扇~片之間固定連接,它們軸向相對(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)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)浮現(xiàn)時(shí),葉片上載荷使得葉片離開設(shè)計(jì)位置,若位于上部葉片向前,則下方葉片將要向后。由于兩葉片在旋轉(zhuǎn)過程中驅(qū)動(dòng)力矩變化很大,因而葉輪會(huì)產(chǎn)生很高噪聲。葉片懸掛角度也與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速關(guān)于,轉(zhuǎn)速越低,角度越大。具備這種鉸鏈?zhǔn)捷嗇烇L(fēng)輪具備阻尼器作用。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,一種葉片因安裝角變化升力下降,另一片升力提高,從而產(chǎn)生反抗風(fēng)況變化阻尼作用。圖2-4不同形式鉸鏈?zhǔn)捷嗇?3)各葉片自由鉸鏈?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)節(jié)運(yùn)動(dòng)。這種調(diào)節(jié)不但可做成僅具備拍向錐角變化形式,還可做成拍向、揮向(風(fēng)輪掃風(fēng)面方向)角度均可以變化方式,見圖2-4。理論上說,采用這種鉸鏈機(jī)構(gòu)風(fēng)輪可保持恒速運(yùn)營。2.3機(jī)艙機(jī)艙普通容納了將風(fēng)輪獲得能量進(jìn)行傳遞、轉(zhuǎn)換所有機(jī)械和電氣部件。位于塔架上面水平軸風(fēng)力機(jī)機(jī)艙,通過軸承可隨風(fēng)向旋轉(zhuǎn)。機(jī)艙多為鑄鐵構(gòu)造,或采用帶加強(qiáng)筋板式焊接構(gòu)造。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)(或泵等其她負(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)艙規(guī)定是:盡量減小機(jī)艙質(zhì)量而增長其剛度;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)互相矛盾需求;滿足機(jī)艙通風(fēng)、散熱、檢查等維護(hù)需求;機(jī)艙對(duì)流動(dòng)空氣阻力要小以及考慮制導(dǎo)致本等因素。機(jī)艙裝配時(shí)需要注意是:從風(fēng)輪到發(fā)電機(jī)各部件之間聯(lián)軸節(jié)要精準(zhǔn)對(duì)中。由于所有力、力矩、振動(dòng)通過風(fēng)輪傳動(dòng)裝置作用在機(jī)艙構(gòu)造上,反過來機(jī)艙構(gòu)造弱性變形又作為相應(yīng)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)營時(shí)所傳遞力矩,也要承受機(jī)械剎車剎車力矩。圖2-5大中型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙及其內(nèi)外安裝部件2.4齒輪箱在有齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,齒輪箱是一種重要機(jī)械部件。由于葉輪轉(zhuǎn)速很低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所規(guī)定轉(zhuǎn)速,必要通過齒輪箱齒輪副增速作用來實(shí)現(xiàn),將葉輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速。故也將齒輪箱稱為增速箱。風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)過程中,普通對(duì)齒輪箱、發(fā)電機(jī)都不做詳細(xì)設(shè)計(jì),只是計(jì)算出所需功率、工作轉(zhuǎn)速及型號(hào),向關(guān)于廠家去選購。最佳是擬定為已有定型產(chǎn)品,可獲得最經(jīng)濟(jì)效果;否則就需要自己設(shè)計(jì)或委托關(guān)于廠家設(shè)計(jì),然后試制生產(chǎn)。小型風(fēng)力機(jī)簡樸齒輪箱可自行設(shè)計(jì)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱種類諸多,按照老式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齒輪箱;按照傳動(dòng)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)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,因而,當(dāng)葉片需要變距控制(葉片安裝角變化調(diào)節(jié))時(shí),通過齒輪箱到輪轂,控制動(dòng)作不容易實(shí)現(xiàn)。依照機(jī)組總體布置規(guī)定,有時(shí)將與風(fēng)輪輪轂直接相連傳動(dòng)軸(俗稱大軸)和齒輪箱輸入軸合為一體,其軸端形式是法蘭盤連接構(gòu)造。也有將大軸與齒輪箱分別布置,其間運(yùn)用漲緊套裝置或聯(lián)軸節(jié)連接構(gòu)造。為了增長機(jī)組制動(dòng)能力,經(jīng)常在齒輪箱輸入端或輸出端設(shè)立剎車裝置,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)律變向變載荷風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)沖擊,常年經(jīng)受酷暑、寒冷和極端溫差影響,加之所處自然環(huán)境交通不便,齒輪箱安裝在塔頂狹小空間內(nèi),一旦浮現(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普通機(jī)械高得多規(guī)定。例如:對(duì)構(gòu)件材料規(guī)定,除了常規(guī)狀態(tài)下機(jī)械性能外,還應(yīng)當(dāng)具備低溫狀態(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;保證充分潤滑條件等等。對(duì)冬夏溫差巨大地區(qū),要配備適當(dāng)加熱和冷卻裝置。還要設(shè)立監(jiān)控點(diǎn),對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)和潤滑狀態(tài)進(jìn)行遙控。不同形式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有不同樣規(guī)定,齒輪箱布置形式以及構(gòu)造也因而而異。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)為代表構(gòu)造。圖2-6定軸線齒輪傳動(dòng)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)塔架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮塔架靜動(dòng)態(tài)特性、與機(jī)艙連接、運(yùn)送和安裝辦法、基本設(shè)計(jì)施工等問題。塔架壽命與其自身質(zhì)量大小、構(gòu)造剛度和材料疲勞特性關(guān)于。塔架從構(gòu)造上可分為桁架式和塔筒式。桁架式塔架在初期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中大量使用,其重要長處為制造簡樸、成本低、運(yùn)送以便,但其重要缺陷為通向塔頂上下梯子不好安排,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,長處是美觀大方,上下塔架安全可靠。塔架以構(gòu)造材料可分為鋼構(gòu)造塔架和鋼筋混凝土塔架。鋼筋混凝土塔架在初期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中大量被應(yīng)用,日后由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大批量生產(chǎn),被鋼構(gòu)造塔架所取代。近年來隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量增長,塔架體積增大,使得塔架運(yùn)送浮現(xiàn)困難,又有以鋼筋混凝土塔架取代鋼構(gòu)造塔架苗頭。圖2-8塔架高度與風(fēng)輪直徑關(guān)系圖2-8塔架高度與風(fēng)輪直徑關(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)營時(shí)效率問題。在整個(gè)運(yùn)營風(fēng)速范疇內(nèi)(3m/s>ν>25m/s)由于氣流速度是在不斷變化,如果風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速變化而調(diào)節(jié),這就必要要使風(fēng)輪在低風(fēng)速時(shí)效率減少(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))。同步發(fā)電機(jī)自身也存在低負(fù)荷時(shí)效率問題,盡管當(dāng)前用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)已能設(shè)計(jì)非常抱負(fù),它們?cè)趐>30%額定功率范疇內(nèi),均有高于90%效率,但當(dāng)功率平p<25%額定功率時(shí),效率依然會(huì)急劇下降。為理解決上述問題,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。普通6極發(fā)電機(jī)額定功率設(shè)計(jì)成4極發(fā)電機(jī)1/4到1/5。例如600kw定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普通設(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),不但槳葉具備較高氣動(dòng)效率,發(fā)電機(jī)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)入額定功率前功率曲線差別不大。采用雙速發(fā)電機(jī)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)組特點(diǎn)槳葉與輪轂連接是固定,即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),槳葉迎風(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)必要解決問題。一是當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)速即額定風(fēng)速時(shí),槳葉必要可以自動(dòng)將功率限制在額定值附近,由于風(fēng)力機(jī)上所有材料物理性能是有限度。槳葉這一特性被稱為自動(dòng)失速性能。二是運(yùn)營風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在突然失去電網(wǎng)(突甩負(fù)載)狀況下,槳葉自身必要具備制動(dòng)能力,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以在大風(fēng)狀況下安全停機(jī)。初期定槳距風(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)構(gòu)造強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為理解決上述問題,槳葉制造商一方面在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)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)載狀況下安全停機(jī)問題,使定槳距(失速型)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在近風(fēng)能開發(fā)運(yùn)用中始終占據(jù)主導(dǎo)地位,直到最新推出兆瓦級(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)功率輸出,以及通過葉尖擾流器來實(shí)現(xiàn)極端狀況下安全停機(jī)問題。失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片通過選取失速性能良好翼型和合理葉片扭角隨展向分布使葉片在風(fēng)速不不大于額定風(fēng)速后,在其根部開始進(jìn)入失速,并隨風(fēng)速增長逐漸向葉尖擴(kuò)展,使功率減少。當(dāng)氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同葉片時(shí),因凸面彎曲而使氣流加速,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。槳葉失速性能是指它在最大升力系數(shù)Clmax附近性能。當(dāng)槳葉安裝角β(對(duì)定槳距風(fēng)力機(jī)而言,槳葉安裝角就是槳距角)不變,隨著風(fēng)速增長,攻角增大,升力系數(shù)線性增大,在接近Clmax時(shí),增長變緩;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分離隨攻角增大而增大,分離區(qū)形成大渦流,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,導(dǎo)致葉片失速,從而限制了功率增長,如圖3-2所示。a.剛啟動(dòng)時(shí)b.有效運(yùn)營時(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)氣動(dòng)特性失速調(diào)節(jié)葉片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,失速某些向葉尖處擴(kuò)展,原先已失速某些,失速限度加深,未失速某些逐漸進(jìn)入失速區(qū)。失速某些使功率減少,未失速某些仍有功率增長。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)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪葉片初始安裝角等關(guān)于。定槳距風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和葉片安裝角普通是固定不變,因而,由風(fēng)輪功率特性可知,它只在某一種葉尖速比下,具備最大功率系數(shù)。普通失速型風(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)具備最大功率系數(shù)來設(shè)定,而是在低于額定風(fēng)速下具備最大功率系數(shù)來設(shè)定。雖然這樣,為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速下運(yùn)營時(shí)也具備較大功率系數(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,可以增長風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)功率輸出,但增長幅度隨風(fēng)速增大而減小。圖3-3給出600kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線。普通定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速段風(fēng)能運(yùn)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)能運(yùn)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)輪葉片安裝角具備不同風(fēng)輪功率特性,因而,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)際功率特性隨空氣密度變化而變化,因而,需要通過調(diào)節(jié)葉片初始安裝角(槳距角)來達(dá)到額定功率輸出。有失速型風(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)營,有時(shí)輸出功率低于額定功率25%,其因素與葉片前緣產(chǎn)生層流分離泡破裂關(guān)于。這對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制是不利,當(dāng)變化風(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)輪槳葉與輪轂是剛性連接,葉片槳距角不變。當(dāng)空氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同葉片時(shí),葉片彎曲面氣流加速,壓力減少,凹面氣流減速,壓力升高,壓差在葉片上產(chǎn)生由凹面指向彎曲面升力。如果槳距角β不變[圖3-1](a)],隨著風(fēng)速νω增長,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)增大形成大渦流,上下翼面壓力差減小,升力迅速減小,導(dǎo)致葉片失速(與飛機(jī)機(jī)翼失速機(jī)理同樣),自動(dòng)限制了功率增長。因而,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)構(gòu)造簡樸、部件少、造價(jià)低,并且有較高安全系數(shù)。缺陷是這種失速控制方式依賴于葉片獨(dú)特翼型構(gòu)造,葉片自身構(gòu)造較復(fù)雜,成型工藝難度較大。隨著功率增大,葉片加長,所承受氣動(dòng)推力大,使得葉片剛度削弱,失速動(dòng)態(tài)特性不易控制,因此很少應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制上。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(變槳距)當(dāng)代兆瓦級(jí)以上大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用變槳距及變速運(yùn)營工作方式,這種運(yùn)營方式可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件機(jī)械負(fù)載及優(yōu)化機(jī)組系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)量。風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)營時(shí),與其連接發(fā)電機(jī)也作變速運(yùn)營,因而必要采用電力電子變頻設(shè)備,在變速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出恒頻恒壓電能,才干實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)連接。變速必要性風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制核心是功率調(diào)節(jié)。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)重要有兩類: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)組風(fēng)輪葉片直接固定在輪轂上,葉片槳距角(葉片上某一點(diǎn)弦線與轉(zhuǎn)子平面間夾角)在安裝時(shí)擬定,在運(yùn)營期間風(fēng)速變化時(shí),槳葉迎風(fēng)角不能隨之變化。因而,定槳距發(fā)電機(jī)組是運(yùn)用風(fēng)輪葉片翼型氣動(dòng)失速特性來限制葉片吸取過大風(fēng)能。此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)特點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)由風(fēng)輪葉片來完畢,控制簡樸,但風(fēng)機(jī)葉片自身構(gòu)造復(fù)雜,成型工藝難度較大,風(fēng)機(jī)不適當(dāng)大型化。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片通過軸承固定在輪轂上,可以繞葉片展向軸向轉(zhuǎn)動(dòng),借助控制技術(shù)來調(diào)節(jié)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)輪葉片安裝角隨風(fēng)速變化而變化,從而達(dá)到調(diào)節(jié)功率目。此類風(fēng)機(jī)變距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜,此外由于風(fēng)輪葉片是大慣性環(huán)節(jié),調(diào)節(jié)一旦失誤會(huì)引起劫難性后果。當(dāng)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),由于并網(wǎng)后定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率等于電網(wǎng)頻率,而異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率普通為3%~5%,因此轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)速變化范疇很小,因而被稱為恒速風(fēng)機(jī)。恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一種明顯缺陷就是對(duì)風(fēng)能運(yùn)用率不高[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)從風(fēng)中捕獲機(jī)械功率為:(4-1)其中:—風(fēng)輪吸取功率,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)風(fēng)能運(yùn)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)速給定狀況下,風(fēng)輪獲得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)距角函數(shù)。在某一固定節(jié)距角,功率系數(shù)和葉尖速比典型曲線如下圖所示:0圖4-1風(fēng)力機(jī)—性能曲線葉尖速比可表達(dá)為:(4-2) —風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)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)速變化只比同步轉(zhuǎn)速高百分之幾,但風(fēng)速v是不斷變化,并且其變化范疇可以很寬。由式(4-2),葉尖速比λ也在很寬范疇內(nèi)變化,因而它只有很小機(jī)會(huì)運(yùn)營在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)營,便可從風(fēng)中獲得最大風(fēng)能。因而,當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)要維持最佳值,就要使風(fēng)輪角速度也能隨風(fēng)速變化而變化,這就規(guī)定與風(fēng)輪機(jī)相聯(lián)發(fā)電機(jī)要具備變速運(yùn)營能力。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)獲得最佳功率系數(shù)max。此外,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)生很大機(jī)械應(yīng)力,如果該過程重復(fù)浮現(xiàn)將會(huì)引起這些部件疲勞損壞。因而設(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,制導(dǎo)致本增長。而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可變速運(yùn)營時(shí),由風(fēng)速躍升產(chǎn)生巨大風(fēng)能,某些被加速旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪所吸取,存儲(chǔ)于高速運(yùn)營風(fēng)輪中,從而避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大扭矩和應(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)輪釋放能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)。風(fēng)輪加速、減速對(duì)風(fēng)能階躍性變化起到緩沖作用,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部能量傳播部件應(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)營更加平穩(wěn)和安全。4.2變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長處及其調(diào)節(jié)在不同風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速狀況下,風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能吸取都是不同,當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),理論上槳葉槳距必要做出相應(yīng)變化,使得氣流對(duì)葉片攻角可以保持最佳,才干使得風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能運(yùn)用達(dá)到最佳,并在超過額定風(fēng)速時(shí)候達(dá)到減小風(fēng)能捕獲效果。由于過去知識(shí)與技術(shù)有限,因此不能設(shè)計(jì)出滿足工業(yè)穩(wěn)定需求變槳距機(jī)構(gòu)。從而過去設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)重要采用構(gòu)造簡樸定槳距控制方式。隨著人們對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)識(shí)加深,以及對(duì)風(fēng)力機(jī)控制精度有更大需求,當(dāng)前各大公司新設(shè)計(jì)大功率風(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)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),變化氣流對(duì)葉片攻角,從而變化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得空氣動(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)外環(huán),在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中起著十分重要作用。它控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片節(jié)距角可以隨風(fēng)速大小進(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)到適當(dāng)角度,使風(fēng)輪具備最大啟動(dòng)力距;當(dāng)風(fēng)速過高時(shí),通過調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距,變化氣流對(duì)葉片攻角,從而變化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得空氣動(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)組運(yùn)營區(qū)域變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)營依照不同風(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)于當(dāng)前大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng),只要當(dāng)作用在風(fēng)輪上風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速便可實(shí)現(xiàn)。在切入速度如下,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)變速控制,因而對(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)營在額定風(fēng)速如下區(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,依照風(fēng)速變化,風(fēng)輪可以在現(xiàn)定任何轉(zhuǎn)速下運(yùn)營,以便最大限度地獲取能量。但由于受到運(yùn)營轉(zhuǎn)速限制,不得不將該階段提成兩個(gè)運(yùn)營區(qū)域:即變速運(yùn)營區(qū)域(恒定區(qū))和恒速運(yùn)營區(qū)域。為了使風(fēng)輪能在恒定區(qū)運(yùn)營,必要采用變速發(fā)電機(jī),其轉(zhuǎn)速可以被控制以跟蹤風(fēng)速變化。第三個(gè)階段為功率恒定區(qū)。在更高風(fēng)速下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械和電氣極限規(guī)定轉(zhuǎn)子速度和輸出功率維持在限定值如下,這個(gè)限制就擬定了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組第三運(yùn)營階段—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)換效率反而減少,而從風(fēng)力中可獲得能量與風(fēng)速三次方成正比,這樣對(duì)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說,有很大余地可以提高能量獲取。圖4-2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等值線圖圖4-2是輸出功率為轉(zhuǎn)速和風(fēng)速函數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等值線圖。該圖示出了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制途徑。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)營時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)營狀況如下: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,用目的功率與發(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)組功率與目的功率關(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)工作點(diǎn),點(diǎn)A1是風(fēng)力機(jī)工作點(diǎn),它們都不是最佳點(diǎn)。由于風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率不不大于電功率,過剩功率使轉(zhuǎn)速增大,它等與A1和A2兩點(diǎn)功率之差。隨著轉(zhuǎn)速增大,目的功率遵循Popt曲線持續(xù)增大。同樣,風(fēng)力機(jī)工作點(diǎn)也沿2曲線變化。工作點(diǎn)A1和A2最后將在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)工作點(diǎn)是B2,風(fēng)力機(jī)工作點(diǎn)是B1。由于發(fā)電機(jī)負(fù)荷不不大于風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生機(jī)械功率,故風(fēng)輪轉(zhuǎn)速減小。隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速減小,發(fā)電機(jī)功率不斷修正,沿Popt曲線變化。風(fēng)力機(jī)工作點(diǎn)沿3曲線變化。隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速減少,風(fēng)輪功率與發(fā)電機(jī)功率之差減小,最后兩者將在B3點(diǎn)交匯。2)轉(zhuǎn)速恒定區(qū)如果保持max恒定,雖然沒有達(dá)到額定功率,發(fā)電機(jī)最后將達(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)速增大,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定,功率在達(dá)到極限之前始終增大,風(fēng)力機(jī)在較社區(qū)工作。3)功率恒定區(qū)隨著功率增大,發(fā)電機(jī)最后將達(dá)到其功率極限。在功率恒定區(qū),變化風(fēng)輪槳葉節(jié)距角,使值迅速減少,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)節(jié)槳距角,變化氣流對(duì)葉片攻角,從而變化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)距,使功率輸出保持穩(wěn)定。同步,風(fēng)力機(jī)在起動(dòng)過程也需要通過變槳距來獲得足夠起動(dòng)轉(zhuǎn)距。因而,最初研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都被設(shè)計(jì)成全槳葉變距。但由于一開始設(shè)計(jì)人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)營工況結(jié)識(shí)局限性,設(shè)計(jì)變槳距系統(tǒng)可靠性遠(yuǎn)不能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)營規(guī)定,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)營。當(dāng)失速型槳葉啟動(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,在一定期期內(nèi),商品化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大都是定槳距失速控制。通過10近年定槳距風(fēng)力機(jī)運(yùn)營,設(shè)計(jì)人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)營工況和各種受力狀態(tài)有了進(jìn)一步理解,不再滿足于僅僅提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)營可靠性,開始追求不斷優(yōu)化輸出功率曲線,同步采用變槳距技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以使槳葉和整機(jī)受力狀況大為改進(jìn)。因而進(jìn)入20世紀(jì)90年代后來,變槳距控制系統(tǒng)又重新受到了設(shè)計(jì)人員注重。當(dāng)前變槳距機(jī)型已成為市場上主流機(jī)型。下面簡介變槳距機(jī)型普通采用兩種槳距控制方案:變槳距控制和積極失速控制。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)到適當(dāng)角度,使風(fēng)輪具備較大啟動(dòng)力矩,易于啟動(dòng)。當(dāng)功率在額定功率如下時(shí),控制器將葉片槳距角置于0°附近,不作變化,可以為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)功率依照葉片氣動(dòng)性能隨風(fēng)速變化而變化。功率超過額定功率時(shí),變槳距機(jī)構(gòu)開始工作,調(diào)節(jié)葉片槳距角,將發(fā)電機(jī)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)營位置c.有效運(yùn)營時(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)組輸出功率曲線如圖4-6所示,由于功率調(diào)節(jié)不完全依托葉片氣動(dòng)性能,在相似額定功率點(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)組槳距角依照發(fā)電機(jī)輸出功率反饋信號(hào)來控制,不受氣流密度變化影響。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)節(jié)葉片角度,使之獲得額定功率輸出。圖4-5變速變槳風(fēng)電機(jī)組槳距角調(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變槳距積極失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組5.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制方式大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要功率控制方式有被動(dòng)失速控制、積極槳距控制和積極失速控制三種[10]。被動(dòng)失速控制被動(dòng)失速控制是最簡樸功率控制方式,它工作原理是隨著風(fēng)速增長,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)最大功率輸出。這種控制方式長處是不需要變槳距機(jī)構(gòu),缺陷是在失速狀態(tài),由于氣動(dòng)特性不擬定性,氣動(dòng)性能載荷計(jì)算精度偏低,實(shí)際運(yùn)營過程中常浮現(xiàn)雙失速現(xiàn)象。此外,由于失速后來升力系數(shù)曲線斜率是負(fù)值,即隨著攻角增大,升力系數(shù)下降,因而氣動(dòng)阻尼是負(fù)值,這將導(dǎo)致葉片揮動(dòng)和擺振方向振動(dòng)不穩(wěn)定性,葉片將不可避免地承受較大彎矩和應(yīng)力,引起葉片疲勞破壞。在高風(fēng)速停機(jī)狀態(tài),由于葉片不能順槳,風(fēng)力機(jī)承受極限載荷較變槳距風(fēng)力機(jī)大。(2)積極槳距控制積極槳距控制是在高風(fēng)速時(shí)調(diào)節(jié)葉片繞軸線旋轉(zhuǎn),減小攻角,減少升力系數(shù),達(dá)到維持額定功率輸出目,這種過程咱們通稱為順槳。積極槳距控制重要長處是增長了功率輸出,減少了剎車及高風(fēng)速狀態(tài)下極限載荷。積極槳距控制變槳系統(tǒng)規(guī)定必要?jiǎng)幼餮杆?,普通?guī)定5°/s以上變槳速率,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范疇之內(nèi)。葉片在工作時(shí)槳距角調(diào)節(jié)范疇大概從0°到35°,氣動(dòng)剎車時(shí),葉片需調(diào)到90度。(3)積極失速控制積極失速控制在額定風(fēng)速以上通過調(diào)節(jié)葉片積極進(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)方向與積極槳距控制相反。積極失速控制一種顯著長處是在額定風(fēng)速以上,葉片仍維持在失速狀態(tài),因而陣風(fēng)引起作用在葉片上周期性波動(dòng)載荷相對(duì)于積極槳距控制要小得多,同步葉片槳距角只需要微調(diào)就能維持額定功率輸出,因而變槳速率可以比積極槳距控制小,同步氣動(dòng)剎車時(shí)葉片角度僅有20°,變槳機(jī)構(gòu)行程比積極槳距控制少了許多,如圖5-1所示。槳距角積極失速控制積極槳距控制風(fēng)速(m/s槳距角積極失速控制積極槳距控制風(fēng)速(m/s)圖5-1積極失速與積極變槳風(fēng)力機(jī)槳距角調(diào)節(jié)范疇積極失速控制重要缺陷是失速狀態(tài)下難以精確計(jì)算風(fēng)輪葉片氣動(dòng)特性。同步高風(fēng)速下葉片工作在失速狀態(tài),阻力將增長,風(fēng)輪承受較大推力,但推力較穩(wěn)定,變化幅度小,推力所產(chǎn)生疲勞載荷小。此外,由于失速后來升力系數(shù)曲線斜率是負(fù)值,即隨著攻角增大,升力系數(shù)下降,因而氣動(dòng)阻尼是負(fù)值,這將導(dǎo)致葉片揮動(dòng)和擺振方向彎曲模態(tài)不穩(wěn)定性。5.2積極失速技術(shù)長處任何類型風(fēng)力機(jī)都需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié),否則將在高風(fēng)速狀況下浮現(xiàn)過載。功率調(diào)節(jié)慣用兩種形式是失速調(diào)節(jié)和槳距調(diào)節(jié),老式功率調(diào)節(jié)方式有一定優(yōu)缺陷,積極失速技術(shù)則融合了兩者長處:1.老式被動(dòng)失速調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉片直接固定在輪轂上,葉片安裝角度在安裝時(shí)擬定好后,在運(yùn)營期間不能變化。失速型葉片氣動(dòng)外型設(shè)計(jì)可以使高風(fēng)速下通過上翼面氣流浮現(xiàn)分離,也就是所謂失速現(xiàn)象。失速會(huì)導(dǎo)致葉片升力下降,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。由于失速是由葉片空氣動(dòng)力特性而被動(dòng)產(chǎn)生,在任何條件下失速功率調(diào)節(jié)都是既簡樸又可靠。在高風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出功率受風(fēng)速突變影響較小。但是受失速特性地影響,普通風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速后有所下降。此外失速調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)最大出力對(duì)空氣密度和葉片表面粗糙度變化比較敏感,冬天與夏天,海拔高和海拔低地區(qū)之間差別較大。2.老式槳距調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉片通過軸承固定在輪轂上,可以繞葉片展向軸向轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)槳距角度。在高風(fēng)速狀況下,槳距角隨著風(fēng)速增高不斷向更加正安裝角度方向調(diào)節(jié),也就是減小氣流攻角,偏離失速,保持較小升力來限制功率。由于槳距角可以持續(xù)調(diào)節(jié)因而在高風(fēng)速狀況下風(fēng)力機(jī)出力可以保持恒定,并且可以自動(dòng)補(bǔ)償空氣密度和表面粗糙度變化影響。同步在低風(fēng)速區(qū)域也可以通過調(diào)節(jié)槳距角來提高局部氣動(dòng)效率,增長出力。但是變槳距調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)速變化非常敏感,湍流狀況下容易引起出力波動(dòng)。這就規(guī)定變槳距機(jī)構(gòu)需要具備足夠響應(yīng)速度,變槳距機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)相應(yīng)比較復(fù)雜。積極失速技術(shù)充分吸取了被動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)長處。積極失速風(fēng)力機(jī)葉片也是通過軸承固定在輪轂上,可以繞葉片展向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)槳距焦度。高風(fēng)速時(shí)槳距角隨著風(fēng)速變化不斷調(diào)節(jié)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,湍流狀況下波動(dòng)也較小。在低風(fēng)速時(shí)槳距角可以調(diào)節(jié)優(yōu)化葉輪出力。剎車時(shí),葉片轉(zhuǎn)動(dòng),相稱于氣體剎車,很大限度上減少了機(jī)械剎車對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊。積極失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本思想與失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比,積極失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備更高發(fā)電量;同步與失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比具備較低載荷。積極失速控制器目的是:通過對(duì)葉片槳距角調(diào)節(jié),提高積極失速風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電能力,特別是在額定風(fēng)速如下時(shí)對(duì)葉片槳距角控制。同步減少載荷,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有更好可運(yùn)用性以及更高安全性,減少運(yùn)營成本,減少調(diào)節(jié)、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)獲得更好經(jīng)濟(jì)性和較高投資安全性,提高國產(chǎn)化機(jī)組競爭力?;谝陨纤枷耄蹅儊碓O(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)是運(yùn)用升力曲線上升段調(diào)節(jié),積極失速調(diào)節(jié)是在升力曲線上升段和下降段都進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖5-3給出了積極失速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線圖。標(biāo)出了3個(gè)區(qū)域,區(qū)域1是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大某些時(shí)間運(yùn)營區(qū)間,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)營唯一目的就是效率最大化。此外,這個(gè)區(qū)間載荷是有限,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組壽命影響不是很大,可以通過槳距調(diào)節(jié)來優(yōu)化功率。在2、3區(qū)間,影響壽命載荷就比較重要了。由于作用在部件上實(shí)際載荷與功率是緊密有關(guān),基本載荷控制原理就是減少功率。因而,在3區(qū),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)營目的是使功率維持在額定,不要超發(fā);2區(qū),該區(qū)處在升力曲線斜率變化點(diǎn),由于風(fēng)隨機(jī)性,功率變化比較大,為不穩(wěn)定區(qū),調(diào)節(jié)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功率曲線槳葉失速調(diào)節(jié)原理當(dāng)氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同葉片時(shí),因突面彎曲使氣流加速,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。槳葉失速性能是指它在最大升力系數(shù)Clmax附近性能。當(dāng)槳葉節(jié)距β角不變,隨著風(fēng)速增長攻角i增大,升力系數(shù)Cl線性增長;在接近時(shí),增長變緩;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)由于氣流在葉片上分離隨攻角增大而增大,分離區(qū)形成大渦流,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,導(dǎo)致葉片失速,從而限制了功率增長。失速調(diào)節(jié)葉片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,失速某些向葉尖處擴(kuò)展,原先已失速某些,失速限度加深,未失速某些逐漸進(jìn)入失速區(qū)。失速某些使功率減少,未失速某些仍有功率增長。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)能中吸取能量大小限度用風(fēng)能運(yùn)用率系數(shù)(5-1)表達(dá),圖中給出了風(fēng)能運(yùn)用系數(shù)Cp隨風(fēng)速變化示意圖,可見Cp隨著風(fēng)速增長逐漸增長直到最高點(diǎn)Cpmax,然后又隨著風(fēng)速增長逐漸減少,這是由于由風(fēng)速增長阻力增長而升力減少導(dǎo)致了葉片失速,使得風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中獲得能量運(yùn)用限度逐漸減小緣故。與此同步風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中捕獲能量(或功率)也是隨著風(fēng)速增長不斷增長到了Cpmax風(fēng)速點(diǎn)之后并不是隨著Cp減少減少而是繼續(xù)有所增長,這時(shí)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得功率為(5-2)空氣密度ρ在一定期間范疇內(nèi)可以看作是恒定,因此功率P不但經(jīng)與風(fēng)能運(yùn)用系數(shù)關(guān)于還與風(fēng)速三次方成正比,因此當(dāng)Cp達(dá)到最大點(diǎn)之后雖然有所下降,但是由于風(fēng)速上升不久導(dǎo)致功率P并未隨著Cp減少而立即減少,而是繼續(xù)增長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)分析,并且針對(duì)不同槳距控制,進(jìn)行了不同簡介。對(duì)風(fēng)力機(jī)處在不同工作狀況下運(yùn)用不同控制方略,采用不同控制辦法對(duì)變槳距槳葉槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)。在第三章、第四章、第五章中簡介了定速定槳、變速變槳、積極失速原理,并且分別闡述了工作原理、各自長處。其中變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組優(yōu)越性顯得更加突出:既能提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)營可靠性,又能保證高風(fēng)能運(yùn)用系數(shù)和不斷優(yōu)化輸出功率曲線。采用變槳距機(jī)構(gòu)風(fēng)力機(jī)可使葉輪重量減輕,使整機(jī)受力狀況大為改進(jìn),使風(fēng)電機(jī)組有也許在不同風(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)組功率級(jí)別增長,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)立變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),如果其中一種變槳距執(zhí)行構(gòu)造浮現(xiàn)故障,其她兩個(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)行構(gòu)造浮現(xiàn)故障,只能停機(jī)維修;此外自然界風(fēng)在整個(gè)風(fēng)輪掃及面上分布是不均勻,獨(dú)立槳葉控制可以依照各個(gè)槳葉上風(fēng)速不同進(jìn)行調(diào)節(jié),不但能維持發(fā)電機(jī)輸出功率,并且能減小槳葉拍打振動(dòng),因而槳葉控制比統(tǒng)一控制更具備一定優(yōu)勢。獨(dú)立變槳距技術(shù)具備構(gòu)造緊湊簡樸、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)電市場歡迎。道謝在本科生論文即將結(jié)束時(shí),我真心感謝諸多給與我學(xué)習(xí)和生活關(guān)懷協(xié)助人。我一方面要感謝是我導(dǎo)師王海云專家。在課題研究階段,王教師指出了論文研究方向,并給出許多指引意見,使我論文工作可以順利進(jìn)行。王教師淵博學(xué)識(shí),嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、科學(xué)治學(xué)態(tài)度,敏銳學(xué)術(shù)洞察力,求實(shí)創(chuàng)新科研作風(fēng),誨人不倦敬業(yè)品德,樂于助人師表精神是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)榜樣。在這里我謹(jǐn)向王教師表達(dá)誠摯衷心感謝!另一方面感謝生我養(yǎng)我,含辛茹苦父母。是你們,為我學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件;是你們,一如既往站在我身后默默支持著我。沒有你們就不會(huì)有我今天。謝謝你們,我爸爸媽媽!最后感謝與我并肩作戰(zhàn)舍友與同窗們,感謝關(guān)懷我支持我朋友們,感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、教師們,感謝你們予以我協(xié)助與關(guān)懷;感謝新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院四年來為我提供良好學(xué)習(xí)環(huán)境,謝謝!參照文獻(xiàn)[1]黃素逸能源與節(jié)能技術(shù)[M].北京中華人民共和國電力出版社,賀賀德[2]趙鳳山風(fēng)力發(fā)電論文集[M].金盾出版社,[3]中華人民共和國新能源網(wǎng),[4]中華人民共和國風(fēng)電裝機(jī)容量記錄.中華人民共和國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能委員會(huì)[5]勒古里雷斯風(fēng)力機(jī)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)組控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,6月第一版[7]黃朝陽風(fēng)力發(fā)電變槳距傳動(dòng)及控制系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)[D].西安:西安理工大學(xué),[2]林勇剛大型風(fēng)力機(jī)變槳距控制技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),[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,6月[9]董長虹MATLAB信號(hào)解決與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,[10]1.3MW積極失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].新疆金風(fēng)科技股份有限公司,11月[11]賈要勤風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)用模仿風(fēng)力機(jī)[J].太陽能學(xué)報(bào),,25[12]耿華,楊耕基于逆系統(tǒng)辦法變速變槳距風(fēng)機(jī)槳距角控制[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),[13]胡申華大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方略研究[D].新疆大學(xué)研究生學(xué)位論文,6月[14]王承熙,張?jiān)达L(fēng)力發(fā)電[M].中華人民共和國電力出版社,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)指引教師:王海云學(xué)生姓名:馮濤專業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí):電氣07-1班完畢日期:5月18日外文翻譯ActiveLoadControlTechniquesforWindTurbines一、BackgroundWindenergyisthefastestgrowingsourceofenergyintheworldtoday,withanaveragegrowthrateofnearly30%peryearforthepast10years.1TheU.S.installedcapacitysurged45%in,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,andincreasingcostofenergyinputs.AnothertechniqueusedtoreducetheCOEisbyincreasingtherotordiameterandturbinesize;thishasbeenhappeningsincethebeginningofthecommercialwindindustry.Alargerturbinecancapturemoreenergythroughoutitslifetime,andalthoughthecostoftheturbinewillincreaseandpotentiallyO&Mwillincreaseaswell,theCOEhasbeenabletodecrease.Significantgrowthofwindturbinesizeandweightoverthepastfewdecadeshasmadeitimpossibletocontrolturbinespassivelyastheywerecontrolledinthepast.Modernturbinesrelyonsophisticatedcontrolsystemsthatassuresafeandoptimaloperationunderavarietyofatmosphericconditions.Asturbinesgrowinsize,thestructuralandfatigueloadsbecomemorepronounced.Implementingnewandinnovativeloadcontroltechniquescoulddecreaseexcessiveloads,whichaffecttherotorandsurroundingcomponents.Extremestructuralandfatigueloadsarekeyfactorsinturbinedesignandthereductionoftheseloadscouldcreateasignificantdecreaseinturbinecostbyreducingrequiredmaterials,lesseningscheduledandunscheduledmaintenance,andimprovingoverallturbinereliability.Thisengineeringchallenge,whichiseconomicallydrivenbythepushtolowertheCOE,hasledtointensiveresearcharoundtheglobetoimprovethetechniquesofcontrollingrotorpowerandloads.Therearefourareasthatinfluencethecontrolofrotorpowerandturbineloadsforagivenwindspeed.Theycanallbeaddressedwhenanalyzingtheliftequationforawindturbineblade.1.Bladeincidenceangle(variablepitch)-pitchθ2.Flowvelocity(variablespeedrotor)-n3.Bladesize(variablebladelength)-b4.Blade
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