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1、新疆高校科学技术学院College of science & technology XinjiangUniversity学生毕业论文（设计）题 目：风力发电机组桨距限制系统设计指导老师：专 业：电气工程及自动化班 级：电气07-1完成日期：2019年5月18日声明慎重声明，本片风力发电机组桨距限制系统设计论文是在老师 的细心指导以及查阅资料独立完成的，没有任何版权问题，没有剽 窃、抄袭他人的成果，否则，由此造成的一切后果由本人负责。本人签名：新疆高校科学技术学院学生毕业论文（设计）任务书学生姓名 学号专 业 电气工程及其自动化班级论文（设计）题目风力发电机组桨距限制系统设计论文（设计）来源老师
2、科研要求完成的内容（1）查阅相关资料，驾驭定速风力发电 止温室效应废气排放量削减支配。支配中EU国家到2020年为 止，占全部能源消费量的20%必需运用再生能源，以此作为设定 共同努力的目标。加盟各国家努力开发可能再生能源，就以欧洲 共同市场EU各国努力以赴的风力发电导入状况分析如下：1）世界风力发电规模比前1年增加41. 5%在绿能方面世界各国的定义不同，近两年来各国政府承诺 绿能投资金额为5. 000亿美元，其中中国在这方面的投资 居冠，投资金额高达2, 180亿美元，其次是韩国投资金额为600 亿美元，欧洲共同市场EU加上会员各国的投资总金额为550亿 美元。但是若以绿能化刺激策略的绿色
3、、能源领域（能源效率化、 可能再生能源、电力送电网、低碳排放汽车）做为限定范围的话, 美国居冠的660亿美元，其次是中国的47亿美元，EU为31亿 美元，韩国是16亿美元。依据英国HSBC银行集团预估，在绿 能化方面的投资金额中，若是以再生能源，以及能源效率技术方 面为限，10年来成长了 3倍。绿色能源全部的投资金额也受到 经济危机的影响，2019年投资金额高达1, 550亿美元。但是就 世界的风力发电市场来看，并没有受到经济危机的影响，08年 照旧成长了 41.5%0 09年风力发电累积导入量为158GW（亿 瓦）（GW二10亿瓦），比前1年增加31. 7%o2）欧洲风力发电占电力需求的5%
4、EU27个国家在09年的风力能源导入容量担负起世界领导责任。09年的风力发电导入量超过10G肌 占世界的26. 5%o累 积导入容量从前年的64. 719M肌 增加到74. 767MW,比前1年成 长了 15%o这也是占世界全体的47%市场占有率。对EU各国来 说风力发电（风车，水车）可以说是早已经习惯的风景。在德国搭 乘地方火车时，能够从车窗见到风车的风景。就09年新兴导入 可能再生能源来看，占全体的61%,产生的电力为26GW,其中风 力发电占39%。EU发表到2020年为止，能源消费量的20%以再 生能源为目标。若是以EU各国制定目标来看，到2020年为止 顺当的话可能再生能源，可以达到
5、全体电力消费量的34%。其中 预估风力发电领域方面约有14%17%的贡献。欧洲从2000年以 后累积风力发电容量为9. 7GW,约成长了 7倍的95GW。针对EU在 2009年底为止的统计，风力发电领域的雇用人数为19万人， 风力发电方面的投资金额为139亿欧元。09年的发电总容量若 没有特殊变更的话162. 5TWh,风力发电相当约占EU电力需求的 4. 8%o3）欧洲是以海上风力发电导入做为主流欧洲2009年在海洋风力发电方面的导入容量为582MW,比 08年增加56%,占欧洲整体发电设备的6%左右。累积发电容量 为2,063MW,占欧洲全体发电量的3%。欧洲的两大市场分别为英 国的883
6、MW,以及丹麦的646MWO就2019年欧洲海洋风力发电 容量来看，预定导入1, 000MW,相当于欧洲市场的约10%左右。 海洋风力发电尚处于萌芽期，预估到2020年以海洋型的风力发 电容量将达到40GWo由于欧洲海疆的优势条件，适合海洋型的 风力发电设备，预估这将成为欧洲能源再生的主流方式。止匕外、 欧洲在海洋型风力发电技术方面，局于领先地位，故预估到了 2030年，风力发电是目前的7倍实力，相当于能够供应 30, OOOTWh的电力。2009年为止，海洋型风力发电设备共设立 830座，通过海底送电网的传送，已经能够供应2, 000MW的电 力。目前在欧洲的9个国家，建立了 39个风力发电
7、系统，海洋 型的风力发电也从1994年在荷兰外海建设的第1座发电实力 2M肌始终到去年的09年在丹麦沿海设置的海洋型风力发电设 备，能够产生209MW的发电实力。最近大型海上风力涡轮设备, 主要是基于深海建设技术提高所赐。仅2009年就建设了 9个场 所的海洋型风力发电基地，供安置了 201座风力发电设备，新 设置的风力发电实力达到584MW, 09年在风力发电方面的投资 金额为130亿欧元。其中海洋型风力发电设备就占了 15亿欧 元。2019年更增加到30亿欧元。1,5将来我国风力发电的发展趋势海上风力发电已经悄然兴起并且将会成为重要能源形式，海 上有丰富的风能资源和广袤平坦的区域，从而使海
8、上风力发电技 术成为最近的探讨和应用热点。中国海上风能资源储量远大于陆 地风能，储量10m高度可利用的风能资源超过7亿kW,而且距 离电力负荷中心很近。随着风力发电的不段发展，陆地上的风力 发电机的总和已经起先趋于饱和，那么就须要我们开发新的能源 形式，海上风力发电场也就自然而然的成为了新的重要能源开发 项目，同时也是风力发电的开发重点。不仅在中国是这样，海上 发电也是近年来国际风力发电产业发展的一个新新领域，可谓是 “方向中的方向”。随着现代风力发电技术发展的日趋成熟，风力发电机组正不 断向大型化发展。大体上大型风力发电机组有两种发展模式。一 种是陆地风力发电，其方向是低风速发电技术，这种模
9、式关键是 向电网输电。另外一种是近海风力发电，主要用于比较浅的近海 海疆，这种模式的主要制约因素是风力发电场的规划和建设成 本，但是近海风力发电的优势是明显的，即不占用土地，海上风 力资源较好。风力发电不仅仅为人们供应电力，同时它也伴随并且促进着 经济的发展。风力发电整个过程都不产生任何污染，它既可以为 人们供应电力，又可以削减燃料带来的环境污染，从而起到爱护 地球生态环境的作用，是真正的绿色能源。风电作为清洁的可再 生能源，已成为当今世界电力发展的潮流和趋势。1. 6总体概述本文围绕风力发电机组桨距限制系统阐述了近年来我国风 电发展的状况、我国风电的装机容量、风力发电机组的先进技术、 世界风
10、力发电的趋势及其我国将来发展的趋势。随后介绍了风力 发电机组的组成，定速风力发电机组，变速恒 频风力发电机 组，变桨距失速型风力发电机组，探讨了桨叶的气动特性，翼型 的失速限制原理，其中着重写了：1、我国风力发电近几年的发展，我国在2019年的装机容量2、介绍了水平轴风力发电机组的组成3、定速风力发电机组的特点、失速限制原理、定桨距失速调 整4、变桨距风力发电机组的优点、工作原理、限制方案5、变桨距主动失速型风力发电机组的功率限制方式、主动失 速的优点、桨叶的失速调整原理最终在论文的总结中对我国的风力发电的技术和桨距限制进 行了展望，对将来的风力发电的发展进行了大胆的设想。2风力发电机组的组成
11、空气流淌形成了风，而空气的流淌是由地球自转和地球纬度 温差形成的。流淌的空气所具有的动能称作风能。风力发电利用 风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械设备。 风力机经过2000年的发展过程，现在已有很多种型式，如图3-1 所示。其中有的是老式风力机，现在不再运用，有的是现代风力 机，正为人们广泛利用，有的正在探讨之中。广义的风力机还包 括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加 帆手推车等。风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中 产生不对称力的物理构成都能成为风能接收装置，通过旋转、平 移或摇摆运动而发出机械功。无论何种类型的风力机，都是由风 能接收装置
12、、限制机构、传动和支承部件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。目前，水平轴、上风向、三桨叶 型、用于并网发电的风力机是当今普遍应用、推广的机型，如图2T和2-2所小，在机械结构、功率限制和制动系统等方面具有 多种选择方案。下面具体介绍典型的水平轴风力机的叶片、轮毂、 机舱、齿轮箱、发电机和塔架。图2T 典型的水平轴定桨距定速风力发电机组结构图构海座言承W的3相当困难，当狂风袭来，风轮迎风静止时，叶片又必需经受住最猛烈的风暴。叶片是风力机主要构成部分，当今95%以上的叶片都采纳玻 璃钢复合材料，质量轻、耐腐蚀、抗疲惫。叶片的技术含量高， 属于风力机的关键部件，大型风力机的叶片往往由专
13、业厂家制 造。2.2 轮毂轮毂的作用是连接叶片和低速轴，要求能承受大的、困难的 载荷，中小型风力机采纳刚性连接，兆瓦级风力机采纳跷跷板连 接方式。图2-3风力机固定式轮毂风轮轮毂是连接叶片及风轮转轴的部件，用于传递风轮的力 和力矩到后面的机构。轮毂通常由球墨铸铁制成。运用球墨铸铁 的主要缘由是轮毂的困难形态要求运用浇铸工艺，以便利其成型 及加工。此外，球墨铸铁有较好的抗疲惫性能。比较典型的轮毂 结构有以下三种：（1）固定式轮毂三叶片风轮大多采纳固定式轮毂，悬臂叶片和主轴都固定在 这种无钱链部件上（见图2-3）o它的主轴轴线及叶片长度方向 的夹角固定不变。制造成本低、维护少，不存在钱链式轮毂中的
14、 磨损问题。但叶片上的全部力和力矩都将经轮毂传递至其后续部 件。（2）叶片之间相对固定的较链式轮毂如图2-4所示，较链轴线通过叶轮的质心。这种较链使两 叶片之间固定连接，它们的轴向相对位置不变，但可绕钱链轴沿 风轮俯仰方向（拍向）在设计位置作 （5。10。）的摇摆（类似跷 跷板）。当来流速度在叶轮扫掠面上下有差别或阵风出现时，叶 片上的载荷使得叶片离开设计位置，若位于上部的叶片向前，则 下方的叶片将要向后。由于两叶片在旋转过程中驱动力矩的变更 很大，因此叶轮会产生很高的噪声。叶片的悬挂角度也及风轮转速有关，转速越低，角度越大。 具有这种较链式轮毂的风轮具有阻尼器的作用。当来流速度变更 时，叶片
15、偏离原悬挂角度，其安装角也发生变更，一个叶片因安 装角的变更升力下降，另一片升力提高，从而产生抗拒风况变更 的阻尼作用。图2-4不同形式的较链式轮毂（3）各叶片自由的钱链式轮毂每个叶片互不依靠，在外力作用下叶片可单独作调整运动。 这种调整不但可做成仅具有拍向锥角变更的形式，还可做成拍 向、挥向（风轮扫风面方向）角度均可以变更的方式，见图2-4。 理论上说，采纳这种钱链机构的风轮可保持恒速运行。2.3 机舱机舱一般容纳了将风轮获得的能量进行传递、转换的全部机 械和电气部件。位于塔架上面的水平轴风力机机舱，通过轴承可 随风向旋转。机舱多为铸铁结构，或采纳带加强筋的板式焊接结 构。风轮轴承、传动系统
16、、齿轮箱、转速及功率调整器、发电机 （或泵等其他负载）、刹车系统等均安装在机舱内（见图2-5）。设计机舱的要求是：尽可能减小机舱质量而增加其刚度；兼 顾舱内各部件安装、检修便利及机舱空间要紧凑这两个相互冲突 的需求；满意机舱的通风、散热、检查等维护需求；机舱对流淌 空气的阻力要小以及考虑制造成本等因素。机舱装配时须要留意的是：从风轮到发电机各部件之间的联 轴节要精确对中。由于全部的力、力矩、振动通过风轮传动装置 作用在机舱结构上，反过来机舱结构的弱性变形又作为相应的耦 合增载施加在主轴、轴承、机壳上。为削减这些载荷，建议运用 弹性联轴节。联轴节既要承受风力机正常运行时所传递的力矩， 也要承受机
17、械刹车的刹车力矩。图2-5大中型水平轴风力发电机的机舱及其内外安装的部件2.4 齿轮箱在有齿轮箱的风力发电机组中，齿轮箱是一个重要的机械部 件。由于叶轮的转速很低，远远达不到发电机发电所要求的转速, 必需通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，将叶轮在风力作用下 所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。故也将齿轮 箱称为增速箱。风力机的设计过程中，一般对齿轮箱、发电机都不做具体的 设计，只是计算出所需的功率、工作转速及型号，向有关的厂家 去选购。最好是确定为已有的定型产品，可取得最经济的效果； 否则就须要自己设计或托付有关厂家设计，然后试制生产。小型 风力机的简洁齿轮箱可自行设计。风力发电机组
18、齿轮箱的种类很多，依据传统类型可分为圆柱 齿轮箱、行星齿轮箱以及它们相互组合起来的齿轮箱；依据传动 的级数可分为单级和多级齿轮箱；依据传动系统的布置形式又可 分为绽开式、分流式和同轴式以及混合式等等。水平轴风力机常 采纳单级或多级定轴线直齿齿轮（见图2-6）或行星齿轮增速器 （见图2-7）o采纳直齿齿轮增速器，风轮轴相对于高速轴要平 移肯定距离，因而使机舱变宽。行星齿轮箱很紧凑，驱动轴及输 出轴是同轴线的，因此，当叶片须要变距限制（叶片安装角变更 调整）时，通过齿轮箱到轮毂，限制动作不简洁实现。依据机组的总体布置要求，有时将及风轮轮毂干脆相连的传 动轴（俗称大轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴
19、端的形式是 法兰盘连接结构。也有将大轴及齿轮箱分别布置，其间利用涨紧 套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动实力，经常在 齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，协作叶尖制动（定桨距 风轮）或变桨距制动装置，共同对机组传动系统进行联合制动。 由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的 变向变载荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑、寒冷 和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在 塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复特别困难，故对其牢靠 性和运用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如：对构件 材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应当具有低温状态 下抗冷脆
20、性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击； 保证充分的润滑条件等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适 的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥 控。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形 式以及结构也因此而异。以水平轴风力发电机组用固定平行轴齿机组的工作特性(2)查阅相关资料，驾驭变速风力发电机组的工作特性(3)探讨桨叶的气动特性，翼型的失速限制原理(4)探讨变桨距限制系统的工作原理(5)探讨主动失速限制系统的工作原理(6)完成毕业设计说明书一篇发题日期：2019年3月9日 完成日期：2019年5月18日指导老师签名摘要空气流淌所形成的动能极为风能。风能利用
21、形成主要是将 大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。随着风电技术 不断进步，容量逐步增大，单机容量已达几百千瓦，并有兆瓦 级风力发电机问世，近十几年来风力发电机产品质量有了显著 提高，作为一种新的，平安牢靠的，干净的能源而受到国际上 风资源丰富国家的关注及大规模开发。桨距限制可以最大限度 的捕获风能。桨距限制系统是风力发电机组的关键技术之一， 本文对风力发电机组的桨距限制系统做了较为全面的分析及介 绍。首先简述了风力发电的现状和发展的趋势，介绍了定速定 桨和变速变桨风力发电机组的特点，综述了发电机组的构成及 各部件的功能。阐述了课题探讨的意义，并提出了本文主要探 轮传动和行星齿轮传动为代表
22、结构。图2-6定轴线齿轮传动图2-7行星齿轮传动2. 5 塔架水平轴风力机的塔架设计应考虑塔架的静动态特性、及机舱 的连接、运输和安装方法、基础设计施工等问题。塔架的寿命及 其自身质量大小、结构刚度和材料的疲惫特性有关。塔架从结构 上可分为桁架式和塔筒式。桁架式塔架在早期风力发电机组中大 量运用，其主要优点为制造简洁、成本低、运输便利，但其主要 缺点为通向塔顶的上下梯子不好支配，平安性差。塔筒式塔架在 当前风力发电机组中大量采纳，优点是美观大方，上下塔架平安 牢靠。塔架以结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。钢筋 混凝土塔架在早期风力发电机组中大量被应用，后来由于风力发 电机组大批量生产，
23、被钢结构塔架所取代。近年来随着风力发电 机组容量的增加，塔架的体积增大，使得塔架运输出现困难，又 有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。用 0 0 出力口 吉F# T4 R7I左人吉久 辛亥3定速风力发电机组（定桨距失速型）3. 1 双速发电机事实上，定桨距风力发电机组还存在在低风速运行时的效率 问题。在整个运行风速范围内（3m/s v25m/s）由于气流的速 度是在不断变更的，假如风力机的转速不能随风速的变更而调 整，这就必须要使风轮在低风速时的效率降低（而设计低风速时 效率过高，会使桨叶过早进入失速状态）。同时发电机本身也存 在低负荷时的效率问题，尽管目前用于风力发电机组的发电机已 能设
24、计的特别志向，它们在P30%额定功率范围内，均有高于90% 的效率，但当功率平p25%额定功率时，效率仍旧会急剧下降。 为了解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采纳双速发电机分 别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发 电机的1/4到1/5O例如600kw定桨距风力发电机组一般设计成 6极150kw和4极600kw； 750kw风力发电机组设计成6极200kw 和4极750kw；最新推出的lOOOkw风力发电机组设计成6极200kw 和4极lOOOkw。这样，当风力发电机组在低风速段进行时，不 仅桨叶具有较高的气动效率，发电机的效率也能保持在较高水 平。从而使定桨距风力发电机组
25、及变桨距风力发电机组在进入额 定功率前的功率曲线差异不大。采纳双速发电机的风力发电机组 输出功率曲线如图3-1所示。图3-1风力发电机组功率输出曲线3. 2 定桨距风力发电机组的特点桨叶及轮毂的连接是固定的，即当风速变更时，桨叶的迎风 角度不能随之变更。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个 必需解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即额定风速 时，桨叶必需能够自动的将功率限制在额定值旁边，因为风力机 上全部材料的物理性能是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动 失速性能。二是运行的风力发电机组在突然失去电网（突甩负载） 的状况下，桨叶自身必需具备制动实力，使风力发电机组能够在 大风状况下平安
26、停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备 制动实力，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对于大型风 力发电机组，假如只运用机械刹车，就会对整机结构强度产生严 峻的影响。为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年 头用玻璃钢复合材料研制胜利了失速性能良好的风力机桨叶，解 决了定桨距风力发电机组在大风时的功率限制问题；20世纪80 年头又将叶尖扰流器胜利地应用在风力发电机组上，解决了在突 甩负载状况下的平安停机问题，使定桨距（失速型）风力发电机 组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位，直到最新推 出的兆瓦级风力发电机组仍有机型采纳该项技术。3.3 失速限制原理失速型风力发电机组通过风
27、轮叶片失速特性来限制风力发 电机组在大风时的功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端状 况下的平安停机问题。失速型风力发电机组的风轮叶片通过选择 失速性能良好的翼型和合理的叶片扭角随展向的分布使叶片在 风速大于额定风速后，在其根部起先进入失速，并随风速增加渐 渐向叶尖扩展，使功率削减。当气流流经上下翼面形态不同的叶片时，因凸面的弯曲而使 气流加速，压力较低；凹面较平缓面使气流速度缓慢，压力较高, 因而产生升力。桨叶的失速性能是指它在最大升力系数Clmax旁 边的性能。当桨叶的安装角B （对定桨距风力机而言，桨叶的 安装角就是桨距角）不变，随着风速增加，攻角增大，升力系数 线性增大，在接近Clma
28、x时，增加变缓；达到Clmax后起先减小。 另一方面，阻力系数Cd初期不断增大；在升力起先减小时，Cd 接着增大，这是由于气流在叶片上的分别随攻角的增大而增大， 分别区形成大的涡流，流淌失去翼型效应，及未分别时相比，上 下翼面压力差减小，至使阻力激增，升力削减，造成叶片失速， 从而限制了功率的增加，如图3-2所示。a.刚启动时b.有效运行时（中风）c.失速时（额定风速旁边）图3-2定桨距风力机的气动特性失速调整叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖渐渐减小，因而根 部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原先 已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分渐渐进入失速区。 失速部分使功率削减，未失
29、速部分仍有功率增加。从而使输入功 率保持在额定功率旁边。定桨距 电机组功率 及风轮的转 轮叶片的初 角等有关。定风力发 特性还 速和风 始安装囱 Q_Q公八八0 十r心田H1 目的 Hi诙 桨 巨风力机风轮的转速和叶片安装角一般是固定不变的，因此，由风轮 功率特性可知，它只在某一个叶尖速比下，具有最大功率系数。 一般失速型风力机设计时，其额定转速不是按在额定风速时具有 最大的功率系数来设定的，而是在低于额定风速下具有最大的功 率系数来设定的。即使这样，为了使风力发电机组在低风速下运 行时也具有较大的功率系数，很多失速型风力机采纳双速异步发 电机进行切换，运用双速发电机后，可以增加风力发电机组在
30、低 风速时的功率输出，但增加的幅度随风速增大而减小。图3-3给 出600kW风力发电机组的功率曲线。一般定桨距风力发电机组在低风速段的风能利用系数较高。随着风速上升，功率上升趋缓，当风速接近额定风速时，风能利 用系数起先大幅下降。对于定桨距风力发电机组而言，不同风轮叶片安装角具有不 同的风轮功率特性，因此，定桨距风力发电机组风轮安装时，按 风轮设计时选定的叶片初始安装角及轮毂进行连接。但是由于不 同地区安装风力发电机组时，其实际的功率特性随空气密度变更 而变更，因此，须要通过调整叶片初始安装角（桨距角）来达到 额定的功率输出。有的失速型风力机叶片有双失速特性，如定速风力机在额定 风速以上运行，
31、有时输出功率低于额定功率25%,其缘由及叶片 前缘产生的层流分别泡的裂开有关。这对风力发电机的功率限制 是不利的，当变更风力机翼型头部形态或在叶片上加失速条后可 以避开双失速特性。3. 4 定桨距失速调整定桨距是指风轮的桨叶及轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不 变。当空气流流经上下翼面形态不同的叶片时，叶片弯曲面的气 流加速，压力降低，凹面的气流减速，压力上升，压差在叶片上 产生由凹面指向弯曲面的升力。假如桨距角B不变图3-l（a）, 随着风速v 3增加，攻角a相应增大，起先升力会增大，到肯定 攻角后，尾缘气流分别区增大形成大的涡流，上下翼面压力差减 小，升力快速减小，造成叶片失速（及飞机的机翼失
32、速机理一样）, 自动限制了功率的增加。因此，定桨距失速限制没有功率反馈系统和变桨距角伺服执 行机构，整机结构简洁、部件少、造价低，并且有较高的平安系 数。缺点是这种失速限制方式依靠于叶片独特的翼型结构，叶片 本身结构较困难，成型工艺难度较大。随着功率增大，叶片加长, 所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易 限制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率限 制上。4变速恒频风力发电机组（变桨距）现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组多采纳变桨距及变 速运行的工作方式，这种运行方式可以实现优化风力发电机组部 件的机械负载及优化机组系统的电网质量。风力机变速运行时， 及其连接
33、的发电机也作变速运行，因此必需采纳电力电子变频设 备，在变速运转时发出恒频恒压的电能，才能实现及电网的连接。 4. 1 变速的必要性风力发电机限制的关键是功率调整。当前风力发电机的功率 调整主要有两类：一类是定桨距失速限制，另一类是变桨距限制。 定桨距失速限制风力发电机组的风轮叶片干脆固定在轮毂上，叶 片的桨距角（叶片上某一点的弦线及转子平面间的夹角）在安装 时确定，在运行期间风速变更时，桨叶的迎风角不能随之变更。 因此，定桨距发电机组是利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限 制叶片汲取过大风能。这类风力发电机的特点是风力发电机的功 率调整由风轮叶片来完成，限制简洁，但风机叶片本身结构困难, 成型
34、工艺难度较大，风机不宜大型化。变桨距风力发电机的叶片 通过轴承固定在轮毂上，可以绕叶片的展向轴向转动，借助限制 技术来调整其桨距角。变桨距风机就是通过变距调整机构使风轮 叶片的安装角随风速变更而变更，从而达到调整功率的目的的。 这类风机的变距调整机构特别困难，另外由于风轮叶片是大惯性 环节，调整一旦失误会引起灾难性的后果。目前，无论是定桨距风力发电机还是变桨距风力发电机，它 们都属于恒速风力发电机，因为并网后定子磁场旋转频率等于电 网频率，而异步电机的转差率一般为3%5%,所以转子本身 的转速变更范围很小，因此被称为恒速风机。恒速风力发电机组 的一个显著缺点就是对风能的利用率不高。风力发电机从
35、风中捕获的机械功率为：(4-1)其中：匕一风轮汲取的功率，单位为W；P空气密度，单位为kg/m3；S一风轮扫掠面积，单位为m2；。一风力机的风能利用系数，即功率系数；%一叶尖速比；，一桨叶节距角，单位为度；u 风速，单位为m/s。由上式可见，在风速给定的状况下，风轮获得的功率将取决于功率系数Cp, Cp值越高风机将风能转化为机械能的效率越高。功 率系数g是风力机叶尖速比2和桨叶节距角尸的函数。在某一固定节距角，功率系数g和叶尖速比丸的典型曲线如下图所示：图4-1风力机的Cp 2性能曲线叶尖速比4可表示为：(4-2)叫风轮转动的角速度，单位为rad/s；R风轮半径，单位为明U风速，单位为m/s。
36、由上图4-1可知，只有在叶尖速比为某一特定值入。区时，功 率系数g最大。对于恒速风力发电机组，发电机转速的变更只比 同步转速高百分之几，但风速v是不断变更的，而且其变更范围 可以很宽。由式(4-2),叶尖速比人也在很宽的范围内变更，因 此它只有很小的机会运行在Cpmax点。假如在任何风速下，风力机 都能在Cpmax点运行，便可从风中获得最大风能。因此，当风速变 更时要维持最佳g值，就要使风轮的角速度叱也能随风速的变更 而变更，这就要求及风轮机相联的发电机要具有变速运行的实 力。当风速变更时，只要调整风轮转速，使其叶尖速度及风速之 比保持不变（也就是保持叶尖速比不变），就可持续获得最佳的功 率系
37、数Cpmax。另外，对恒速风力发电机组来说，当风速跃升时，巨大的风 能将通过风轮机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部 件上产生很大的机械应力，假如该过程重复出现将会引起这些部 件的疲惫损坏。因此设计时不得不加大平安系数，从而导致机组 重量加大，制造成本增加。而当风力发电机组可变速运行时，由 风速跃升产生的巨大风能，部分被加速旋转的风轮所汲取，存储 于高速运行的风轮中，从而避开主轴及传动机构承受过大的扭矩 和应力；当风速下降时，在电力电子装置调控下，将高速风轮释 放的能量转变为电能送入电网。风轮的加速、减速对风能的阶跃 性变更起到缓冲作用，使风力发电机组内部能量传输部件应力变 更比较平稳
38、，防止破坏性机械应力产生，从而使风力发电机组运 行更加平稳和平安。4.2 变桨距风力发电机组的优点及其调整在不同的风速、风轮转速的状况下，风力机对风能的汲取都 是不同的，当风速变更时，理论上桨叶桨距必需做出相应的变更, 使得气流对叶片的攻角能够保持最佳，才能使得风力机对风能的 利用达到最佳，并在超过额定风速的时候达到减小风能捕获的效 果。由于过去的学问及技术有限，所以不能设计出满意工业稳定 需求的变桨距机构。从而过去设计的风力机主要采纳结构简洁的 讨的内容。深化学习定速发电机组的失速限制原理，在此基础 上对变桨距限制和主动失速限制进行探讨。关键字：风力发电机组；定速发电机组；失速限制；变桨距；
39、 主动失速；AbstractAir flow formed by kinetic energy extremely wind power. Wind energy formation is mainly will atmospheric motion with the kinetic energy when converted into other forms of energy. The wind technology unceasing progress, increasing capacity, standalone capacity has reached several hundre
40、d kw, and have megawatts wind generators was published, grade nearly ten years wind-driven generator product quality has been improved greatly, as a kind of new, safe and reliable, clean energy and wind resources are rich countries by international concern and the large-scale development. OARS from
41、control can maximum capture the wind. OARS from control system is the key technology of wind turbine generators of this paper WTG oar distance control system to do a comprehensive analysis and introduce. First, this paper expounds the present situation and development of wind power, introduces the t
42、rend set OARS and variable speed change several OARS WTG 定桨距限制方式。随着人们对风力机相识的加深，以及对风力机 限制的精度有更大的需求，现在各大公司新设计的大功率的风力 机都在尝试采纳变桨距限制方式进行风轮限制。4.3 变桨系统的工作原理变桨距风机是通过叶片沿其纵向轴转动，变更气流对叶片的 攻角，从而变更风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机功 率输出保持稳定。变桨伺服限制系统作为风力发电限制系统的外环，在风力发 电机组的限制中起着特别重要的作用。它限制风力发电机组的叶 片节距角可以随风速的大小进行自动调整，在低风速启动时，桨 叶节
43、距可以转到合适的角度，使风轮具有最大的启动力距；当风 速过高时，通过调整桨叶节距，变更气流对叶片的攻角，从而变 更风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机功率输出保持稳 定。4.4 变速风力发电机组的运行区域变速风力发电机组的运行依据不同的风况可分为三个阶段。第一阶段是起动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度。 对于目前大多数风力发电机组来说，风力发电机组的起动，只要 当作用在风轮上的风速达到起动风速便可实现。在切入速度以 下，发电机并没有工作，机组在风力作用下机械转动，不涉及发 电机的变速限制，因此对该阶段不作过多探讨。其次阶段是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下 的区域，风力发电机组
44、起先获得能量并转换成电能。从理论上来 说，依据风速的变更，风轮可以在现定的任何转速下运行，以便 最大限度地获得能量。但由于受到运行转速的限制，不得不将该 阶段分成两个运行区域：即变速运行区域（Cp恒定区）和恒速运行 区域。为了使风轮能在g恒定区运行，必需采纳变速发电机，其 转速能够被限制以跟踪风速的变更。第三个阶段为功率恒定区。在更高的风速下，风力发电机组 的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下， 这个限制就确定了变速风力发电机组的第三运行阶段一功率恒 定区。对于恒速风力发电机组，风速增大时，能量转换效率反而 降低，而从风力中可获得能量及风速的三次方成正比，这样对变 速风力发电
45、机组来说，有很大的余地可以提高能量的获得。图4-2风力发电机组的等值线图图4-2是输出功率为转速和风速的函数的风力发电机组的 等值线图。该图示出了变速风力发电机组的限制途径。在低风速段，按 恒定好（或恒定叶尖速比）途径限制风力发电机组，直到转速达到 极限，然后按恒定转速限制发电机组，直到功率达到最大，最终 按恒定功率限制发电机组。在三个工作区运行时风力发电机组的运行状况如下：1） G恒定区在g恒定区，风力发电机组受到功率一转速曲线限制，用目 标功率及发电机实测功率之偏差驱动系统达到平衡。功率一转速 特性曲线的形态由G，max和入opt确定。图4. 2给出了转速变更 时不同风速下风力发电机组功率
46、及目标功率的关系。图4-3最佳功率和风轮转速如图4-3,假定风速是卜2,点A2是转速为1200转/分时发 电机的工作点，点A1是风力机的工作点，它们都不是最佳点。 由于风力机的机械功率大于电功率，过剩的功率使转速增大，它 等及A1和A2两点的功率之差。随着转速增大，目标功率遵循 Popt曲线持续增大。同样，风力机的工作点也沿口曲线变更。 工作点A1和A2最终将在A3点交汇，风力机和发电机在A3点功 率达到平衡。当风速是。3时，发电机的工作点是B2,风力机的 工作点是Bio由于发电机负荷大于风力机产生的机械功率，故 风轮转速减小。随着风轮转速的减小，发电机的功率不断修正， 沿Popt曲线变更。风
47、力机的工作点沿。3曲线变更。随着风轮转 速降低，风轮功率及发电机功率之差减小，最终二者将在B3点 交汇。2）转速恒定区假如保持Cpmax恒定，即使没有达到额定功率，发电机最终 将达到其转速极限，此后风力机进入转速恒定区。在这个区域， 随着风速的增大，发电机转速保持恒定，功率在达到极限之前始 终增大，风力机在较小的入区工作。3）功率恒定区随着功率增大，发电机最终将达到其功率极限。在功率恒定 区，变更风轮桨叶的节距角，使g值快速降低，从而保持功率不 变。4.5 桨距限制方案从空气动力学角度考虑，当风速过高时，只有通过调整桨距 角，变更气流对叶片的攻角，从而变更风力发电机组获得的空气 动力转距，使功
48、率输出保持稳定。同时，风力机在起动过程也须 要通过变桨距来获得足够的起动转距。因此，最初研制的风力发 电机组都被设计成全桨叶变距的。但由于一起先设计人员对风力 发电机组的运行工况相识不足，设计的变桨距系统的牢靠性远不 能满意风力发电机组正常运行的要求，变桨距风力发电机组迟迟 未能进入商业化运行。当失速型桨叶的启动性能得到了改进，人 们便纷纷放弃变距机构而采纳定桨距风轮，在肯定时期内，商品 化的风力发电机组大都是定桨距失速限制的。经过10多年的定桨距风力机的运行，设计人员对风力发电 机组的运行工况和各种受力状态有了深化了解，不再满意于仅仅 提高风力发电机组运行的牢靠性，起先追求不断优化的输出功率 曲线，同时采纳变桨距技术的风力发电机组可以使桨叶和整机的 受力状况大为改善。因此进入20世纪90年头以后，变桨距限制 系统又重新受到了设计人员的重视。目前变桨距机型已成为市场 上的主流机型。下面介绍变桨距机型通常采纳的两种桨距限制方 案：变桨距限制和主动失速限制。4.6 变桨距限制变桨距限制过程如图4-4所示，桨距调整曲线和转速调整曲 线如图4-5所示。变桨距风力发电机组在低风速时，桨距角可以 调整到合适的角度，使风轮具有较大的启动力矩，