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1、风 电 机机 组 检 测 与与 控控 制制张兰红张兰红盐盐城工学院城工学院城工学院城工学院 电电气工程学院气工程学院气工程学院气工程学院第二章定第二章定桨恒速恒速风力力发电机机组的控制的控制第一第一节定定桨恒速恒速风力力发电机机组的工作原理的工作原理第二第二节定定桨恒速恒速风力力发电机机组的的监测与运行控制与运行控制第三第三节定定桨恒速恒速风力力发电机机组的的发电过程控制程控制第四第四节定定桨恒速恒速风力力发电机机组的制的制动与保与保护系系统第一第一节 定定桨恒速恒速风力力发电机机组的工作原理的工作原理一、叶一、叶轮结构构二、二、桨叶的失速叶的失速调节原理原理三、叶尖三、叶尖扰流器流器四、双速
2、四、双速发电机机五、功率五、功率输出出六、六、桨距角与距角与额定定转速的速的设定定对功率功率输出的影响出的影响一、叶一、叶轮结构构 定定桨恒速恒速风力力发电机机组的主要的主要结构特点：构特点：桨叶与叶与轮毂的的连接是固定的，即当接是固定的，即当风速速变化化时，桨叶的迎叶的迎风角度不能角度不能随之随之变化。化。这一特点一特点给定定桨恒速恒速风力力发电机机组提出了几个必提出了几个必须解解决的决的问题:一是当一是当风速高于叶速高于叶轮的的设计点点风速即速即额定定风速速时，桨叶必叶必须能能够自自动地将功率限制在地将功率限制在额定定值附近，因附近，因为风力力发电机机组上所有材料的物理性能是有限度的，上所
3、有材料的物理性能是有限度的，桨叶的叶的这一特一特性被称性被称为自自动失速性能；失速性能；二是运行中的二是运行中的风力力发电机机组在在电网突然失网突然失电或其他或其他紧急情况下，急情况下，桨叶自身必叶自身必须具具备制制动能力，使能力，使风力力发电机机组能能够在大在大风情况下安全停机。情况下安全停机。一、叶一、叶轮结构构 早早期期定定桨恒恒速速风力力发电机机组的的叶叶轮并并不不具具备制制动能能力力，脱脱网网时完完全全依依靠靠安安装装在在低低速速轴或或高高速速轴上上的的机机械械制制动装装置置通通过摩摩擦擦制制动，即通即通过摩擦力做功耗尽摩擦力做功耗尽风力力发电机机组的旋的旋转动能来能来实现制制动。这
4、对于于数数十十千千瓦瓦的的机机组来来说问题不不大大，但但对于于大大型型风力力发电机机组如如果果只只采采用用摩摩擦擦制制动，就就会会短短时间在在局局部部位位置置上上产生生巨巨大大的的热量量，对机机组的安全性和的安全性和传动系系统的的结构构强度度产生生严重的影响。重的影响。19561956年年，丹丹麦麦工工程程师Johannes Johannes JuulJuul针对定定桨恒恒速速风力力发电机机发明明了了紧急急叶叶尖尖气气动刹刹车。当当风力力机机超超速速时，通通过离离心心力力的的作作用用将将叶叶尖气尖气动阻尼板阻尼板释放。放。为控制控制风力机力机转速提供了新的技速提供了新的技术方案。方案。2020
5、世世纪8080年年代代，桨叶叶开开发商商以以此此为基基础完完成成了了叶叶尖尖扰流流器器的的设计，并并成成功功地地应用用在在失失速速性性桨叶叶上上，解解决决了了在在高高风速速情情况况下下的的安安全全停停机机问题，使使定定桨恒恒速速风力力发电机机组在在相相当当长的的时期期内内占占据据了了主主导地位，直到推出兆瓦地位，直到推出兆瓦级变速恒速恒频风力力发电机机组。当气流流当气流流经上下翼面形状不同的叶片上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯，因凸面的弯曲而使气流加速，曲而使气流加速，压力力较低；低；凹面凹面较平平缓而使气流速度而使气流速度缓慢，慢，压力力较高，因而高，因而产生生升力。升力。二、二、桨叶的
6、失速叶的失速调节原理原理 桨叶的失速性能是指它在最大升力系数叶的失速性能是指它在最大升力系数Clmax附近的性能。附近的性能。一方面，当一方面，当桨叶的安装角叶的安装角不不变，随着，随着风速增加攻角速增加攻角i增大增大时，升力系数，升力系数Cl线性性增大；在接近增大；在接近Clmax时，增大，增大变缓；达到；达到Clmax后开始减小。后开始减小。另一方面，阻力系数另一方面，阻力系数Cd初期不断增大；在升力开始减小初期不断增大；在升力开始减小时，Cd继续增大，增大，这是由于气流在叶片上的分离区随攻角的增大而增大，分离区形成大的是由于气流在叶片上的分离区随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流流
7、，流动失去翼型效失去翼型效应，与未分离，与未分离时相比，上下翼面相比，上下翼面压力差减小，致使阻力激增，升力减力差减小，致使阻力激增，升力减小，造成叶片失速，从而限制了功率的增加，如小，造成叶片失速，从而限制了功率的增加，如图2-1所示。所示。二、二、桨叶的失速叶的失速调节原理原理图2-1桨叶的失速原理叶的失速原理气流气流动能能为 m 空气空气质量，量，v 气流速度气流速度密度密度为的气流的气流过面面积 S 的气体体的气体体积为 V，M=V=Sv则单位位时间内气流所具有的内气流所具有的动能能为理想理想风轮与与贝兹（Betz）理）理论：前后空气体前后空气体积相等：相等：S1v1=Sv=S2v2根
8、据牛根据牛顿第二定律，第二定律，单位位时间内内风轮上的受力上的受力 F=mv1-mv2=Sv(v1-v2)风轮吸收的功率吸收的功率P=Fv=Sv2(v1-v2)风轮吸收的功率又等于吸收的功率又等于风轮前后前后动能（能（单位位时间）的）的变化：化：令两式相等，得令两式相等，得 经过风轮风速速变化化产生的功率生的功率为其最大功率可令其最大功率可令 得得 ，代入后得到的最大理想功率，代入后得到的最大理想功率为与气流与气流扫掠面掠面积风的能量相比，可得的能量相比，可得风力机的理力机的理论最大效率：最大效率：1.风力机能量力机能量转换过程程Sv1SvSv21、风能利用系数能利用系数 ：风力机的力机的实际
9、功率功率其中其中CP为风能利用系数，它小于能利用系数，它小于0.5932、叶尖速比、叶尖速比为了表示了表示风轮在不同在不同风速中的状速中的状态，用叶片，用叶片圆周速度与周速度与风速比来衡量，称叶尖速比速比来衡量，称叶尖速比2、风力机的主要特性系数力机的主要特性系数1、桨叶的翼型叶的翼型3、桨叶的几何参数与空气叶的几何参数与空气动力特性力特性功角升力角零升力角风向弦长攻角攻角：来流方向与弦：来流方向与弦线的的夹角角i零升力角零升力角：弦：弦线与零升力与零升力线夹角角 升力角升力角：来流方向与零升力：来流方向与零升力线夹角角03、桨叶的几何参数与空气叶的几何参数与空气动力特性力特性AB2、桨叶上的
10、气叶上的气动力力总的气的气动力力，S 桨叶面叶面积，Cr 总气气动系数系数C压力中心升力升力，与气流方向垂直，与气流方向垂直，Cl 升力系数升力系数阻力阻力，与气流方向平行，与气流方向平行，Cd 阻力系数阻力系数CdCd、Cl Cl 是由是由设计的叶片决定的固有参数，也是气的叶片决定的固有参数，也是气动力力计算算的原始依据。的原始依据。4、升力和阻力的、升力和阻力的变化曲化曲线-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o0.80.60.40.2-0.2升力系数与阻力系数是随攻角升力系数与阻力系数是随攻角变化的化的升力系数随攻角的增加而增加，使得升力系数随攻角的增加而增加，
11、使得桨叶的升力增加，但当增加到某个角叶的升力增加，但当增加到某个角度后升力开始下降；阻力系数开始上度后升力开始下降；阻力系数开始上升。出升。出现最大升力的点叫失速点。最大升力的点叫失速点。截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。力系数与阻力系数。对有限有限长桨叶，叶片两端会叶，叶片两端会产生生涡流，流，造成阻力增加，造成阻力增加，5、旋、旋转桨叶的气叶的气动力力风向向v-uw运运动旋旋转方向方向安装角（安装角（桨距角、距角、节距角）：距角）：回回转平面与平面与桨叶截面弦叶截面弦长的的夹角角倾
12、斜角斜角相相对速度速度dF气流气流W产生的气生的气动力力dL气流升力气流升力dD气流阻力气流阻力I轴向推力向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋旋转力矩力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驱动功率功率dPw=dT风输入的入的总气气动功率功率P=vFa旋旋转轴得到的功率得到的功率Pu=T风轮效率效率=Pu/P6、涡流理流理论（叶片数的影响及（叶片数的影响及实际风力机力机Cp曲曲线）有限叶片数由于有限叶片数由于较大的大的涡流影响将造成一定的能量流影响将造成一定的能量损失，使失，使风力机效率有所下降。力机效率有所下降。实际风力机曲力机曲线如下如下图所示：所示：Betz极限理想的Cp曲线实
13、际的Cp曲线失速损失型阻损失0 因因桨叶的安装角叶的安装角不不变，风速增加速增加升力增加升力增加升力升力变缓升力下降升力下降阻力增加阻力增加叶片失速叶片失速 叶片攻角由根部向叶尖逐叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先增加，根部先进入失速，随入失速，随风速增大逐速增大逐渐向叶尖向叶尖扩展。失速部分功率减少，未失速部分功展。失速部分功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。定功率附近。二、二、桨叶的失速叶的失速调节原理原理三、叶尖三、叶尖扰流器流器图2-2叶尖叶尖扰流器流器结构构 叶尖扰流器的结构如图2-2所示。当风力发电机组正常运行时，在液压系统的作用下
14、，叶尖扰流器与桨叶主体部分精密地合为一体，组成完整的桨叶。当风力发电机组需要脱网停机时，扰流器按控制指令释放并旋转8090形成阻尼板，由于叶尖部分处于距离旋转中心的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，使叶尖扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力发电机组迅速减速，这一过程即为桨叶空气动力制动。叶尖扰流器是定桨恒速风力发电机组的主要制动器，每次制动时都是它起主要作用。叶尖叶尖扰流器流器对于失速机于失速机组，叶片端部（叶尖）采用制，叶片端部（叶尖）采用制动，超速保，超速保护。制制动时叶尖部分叶尖部分绕叶片叶片轴向旋向旋转9090度，度，实现制制动功能。功能。四、双速四、双速发电机机 在整个运行在整个运
15、行风速范速范围内内(3m/s-25m/s)由于气流由于气流对桨叶的攻角是叶的攻角是在不断在不断变化的，如果化的，如果风力力发电机机组的的转速不能随速不能随风速的速的变化而化而调整，整，这就必然要使叶就必然要使叶轮在低在低风速速时的效率降低的效率降低(但如果将最高但如果将最高效率点效率点设置在低置在低风速区，速区，则会使会使桨叶叶过早早进人失速状人失速状态)。同。同时发电机本身也存在低机本身也存在低负荷荷时的效率的效率问题。尽管目前用于。尽管目前用于风力力发电机机组的的发电机已能机已能设计得非常理想，它得非常理想，它们在在P25%额定功率定功率范范围内，均有高于内，均有高于90%的效率，但当的效
16、率，但当P25%额定功率定功率时，效率，效率会急会急剧下降。下降。为了解决低了解决低风速速时的效率的效率问题，有一些定，有一些定桨恒速恒速风力力发电机机组采用双速采用双速发电机，分机，分别设计成成4极和极和6极。极。一般一般6极极风力力发电机的机的额定功率定功率设计成成4极极发电机的机的1/4一一1/5。例如例如600kW一般一般设计成成6极极150kW和和4极极600kW，750kW风力力发电机机组设计成成6极极200kW和和4极极750kW。这样当当风力力发电机机组在低在低风速段运行速段运行时，不，不仅桨叶具有叶具有较高高的气的气动效率，效率，发电机的效率也能保持在机的效率也能保持在较高水
17、平。高水平。四、双速四、双速发电机机五、功率输出 根据根据风能能转换的原理，的原理，风力力发电机机组的功率的功率输出主出主要取决于要取决于风速。但除此以外，气速。但除此以外，气压、气温、海拔高度和、气温、海拔高度和气流气流扰动等因素也会等因素也会显著影响著影响风力力发电机机组的功率的功率输出，出，如如图2-42-4所示。所示。因因为定定桨距叶片的距叶片的标准功率曲准功率曲线是在空气的是在空气的标准状准状态下下计算出来的，算出来的，这时空气密度空气密度=1.225kg/m3=1.225kg/m3。当气。当气压与气温与气温变化化时，会跟着会跟着变化，一般当温度化，一般当温度变化土化土1010时，相
18、，相应的空气密度的空气密度变化可达土化可达土4%4%。而。而桨叶的失速叶的失速性能只与性能只与风速有关，只要达到了叶片气速有关，只要达到了叶片气动外形所决定的外形所决定的失速失速调节风速，不速，不论是否是否满足足输出功率，出功率，桨叶的失速性叶的失速性能都要起作用，影响功率能都要起作用，影响功率输出。因此当气温升高出。因此当气温升高时，空，空气密度就会降低，相气密度就会降低，相应的功率的功率输出就会减少；反之，功出就会减少；反之，功率率输出就会增大，出就会增大，对于一台于一台750kW750kW的定的定桨恒速恒速风力力发电机机组，在冬季和夏季可能会出，在冬季和夏季可能会出现303050kW50
19、kW，甚至更大的，甚至更大的功率偏差。功率偏差。五、功率输出图2-4空气密度空气密度变化化对功率功率输出的影响出的影响 对于全于全桨变距控制距控制(包括主包括主动失速控制失速控制)的的风力力发电机机组，这个个问题可以得到可以得到圆满解决，解决，这类风力力发电机机组在在达到达到额定功率以前，定功率以前，桨距角都基本固定在最佳角度上，距角都基本固定在最佳角度上，当达到当达到额定功率后，主定功率后，主动失速控制机失速控制机组的的桨距角向距角向负角角度方向度方向调整，而全整，而全桨变距有限距有限变速和速和变速恒速恒频及及组的的桨距角距角则向正角度方向向正角度方向调整，如整，如图2-5所示。由于全所示。
20、由于全桨变距控制只取决于功率信号，因此不受空气密度距控制只取决于功率信号，因此不受空气密度变化的影化的影响。响。图2-5主主动失速控制与失速控制与变速恒速恒频控制中的控制中的桨距角距角变化化规律律由于机由于机组的的桨叶叶节距角和距角和转速都是固定不速都是固定不变的，使机的，使机组功率曲功率曲线上只有一点有最大功率系数。上只有一点有最大功率系数。额定定转速低的机速低的机组，低，低风速下有速下有较高的功率系数；高的功率系数；额定定转速高速高的机的机组，高，高风速下有速下有较高的功率系数。即高的功率系数。即为双速双速电机依据。机依据。设计的最大功率系数并不出的最大功率系数并不出现在在额定功率上，因定功率上，因风力力发电机并机并不不经常工作在常工作在额定定风速点。定速点。定桨距距风力力发电机机应尽量提高低尽量提高低风速的功率系数和考速的功率系数和考虑高高风速的失速性能。速的失速性能。六、六、桨距角与距角与额定定转速的速的设定定对功率功率输出的影响出的影响六、六、桨距角与距角与额定定转速的速的设定定对功率功率输出的影响出的影响图2-6定定桨恒速恒速风力力发电机机组图2-7桨叶叶节距角距角对输出功率的影响出功率的影响