被动变桨控制技术在小型风力发电

1、被动变桨控制技术在小型风力发电被动变桨控制技术在小型风力发电机组中的应用机组中的应用 浙江华鹰风电设备有限公司浙江华鹰风电设备有限公司总经理、电气高级工程师：徐学根总经理、电气高级工程师：徐学根2011.2.25 中国北京中国北京20112011年小型风力发电机国际论坛年小型风力发电机国际论坛一、国内小型风力发电机组当前的主要技术类型、特点和存在的问题一、国内小型风力发电机组当前的主要技术类型、特点和存在的问题 随着近几年世界范围内对低碳经济的重视，作为分布式供电系统重随着近几年世界范围内对低碳经济的重视，作为分布式供电系统重要组成部分的中小型风力发电机组得到了长足的发展，同时也存在一些要组成

2、部分的中小型风力发电机组得到了长足的发展，同时也存在一些技术和质量方面的问题。从目前国内主流的中小型风力发电机看，主要技术和质量方面的问题。从目前国内主流的中小型风力发电机看，主要技术类型有两种：技术类型有两种：1.上风向、带尾舵、被动偏航限速；上风向、带尾舵、被动偏航限速；2.上风向、无尾舵、上风向、无尾舵、风速风向仪对风、主动偏航限制。（如图风速风向仪对风、主动偏航限制。（如图1、图、图2） 图图1：上风向、带尾舵、被动：上风向、带尾舵、被动偏航限速。偏航限速。 图图2：上风向、无尾舵、风速风：上风向、无尾舵、风速风向仪对风、主动偏航限制。向仪对风、主动偏航限制。 这两种类型的主要特点是：

3、这两种类型的主要特点是：A.对风采用尾舵对风或采用风速风向仪自动对风，一般效对风采用尾舵对风或采用风速风向仪自动对风，一般效果较好。果较好。B.风力发电机结构简单，发电机、机舱、轮毂设计简单，风力发电机结构简单，发电机、机舱、轮毂设计简单，成本较成本较低。低。C.在大风中限速采用被动偏航或主动偏航控制。在大风中限速采用被动偏航或主动偏航控制。 同时这两种类型的风力发电机在实同时这两种类型的风力发电机在实际使用也存在明显的不足，存在一些际使用也存在明显的不足，存在一些由于控制技术方面存在的问题：由于控制技术方面存在的问题：1. 风机限速功能较差风机限速功能较差: 在大风中风机限速问题成为小型风力

4、发电机组运行安全性、在大风中风机限速问题成为小型风力发电机组运行安全性、可靠性的首要问题。上述的两种风力机类型，是定桨矩类型，风可靠性的首要问题。上述的两种风力机类型，是定桨矩类型，风轮随着受风风力的加大而不断增加转速，发电机输出电压和功率轮随着受风风力的加大而不断增加转速，发电机输出电压和功率以三次方的比例上升，第一种上风向带尾舵被动偏航限速，可靠以三次方的比例上升，第一种上风向带尾舵被动偏航限速，可靠性较差，常常在大风中无法有效偏航限速导致转速失控、电压上性较差，常常在大风中无法有效偏航限速导致转速失控、电压上升击毁控制器，甚至风叶飞出、风机吹掉；第二种上风向无尾舵升击毁控制器，甚至风叶飞

5、出、风机吹掉；第二种上风向无尾舵主动偏航限速，性能已优于第一种类型，但它不停地测风速和风主动偏航限速，性能已优于第一种类型，但它不停地测风速和风向，偏航回转机构不停地工作，控制系统及偏航电机都靠电力驱向，偏航回转机构不停地工作，控制系统及偏航电机都靠电力驱动，电的传输和储存都存在问题，一旦偏航回转机构失灵后果不动，电的传输和储存都存在问题，一旦偏航回转机构失灵后果不不堪设想，会出现在大风中偏航不灵敏、风轮转速失控上升，严不堪设想，会出现在大风中偏航不灵敏、风轮转速失控上升，严重时会风叶飞出、机组损毁重时会风叶飞出、机组损毁 。2. 刹车停机功能缺乏：刹车停机功能缺乏： 目前这两种机型都缺乏必要

6、的刹车停机手段，采用的电磁制动是目前这两种机型都缺乏必要的刹车停机手段，采用的电磁制动是控制器上人为地将发电机三相输出短接，这种方式在风轮转速较快控制器上人为地将发电机三相输出短接，这种方式在风轮转速较快的情况下会造成大电流冲击烧坏发电机，同时对主轴、塔杆造成严的情况下会造成大电流冲击烧坏发电机，同时对主轴、塔杆造成严重机械冲击，这种方式应该淘汰。重机械冲击，这种方式应该淘汰。 3. 后端配置偏大后端配置偏大 ： 由于对于风轮转速缺乏有效的控制，为了避免对后端的控制器、由于对于风轮转速缺乏有效的控制，为了避免对后端的控制器、逆变器系统造成损害，所以很多逆变系统生产厂家通过加大卸荷逆变器系统造成

7、损害，所以很多逆变系统生产厂家通过加大卸荷电阻功率，加大匹配功率，如电阻功率，加大匹配功率，如10kw风力发电机配风力发电机配20kw控制器、控制器、逆变器等系统以保证系统的稳定性，增加了机组整体成本，削弱逆变器等系统以保证系统的稳定性，增加了机组整体成本，削弱了市场竞争力。了市场竞争力。 因此现有的风力发电机组技术，由于是定桨矩设因此现有的风力发电机组技术，由于是定桨矩设计，偏航限速控制，存在问题突出表现在低风速计，偏航限速控制，存在问题突出表现在低风速下启动困难，高风速下限速困难，且无有效停车下启动困难，高风速下限速困难，且无有效停车机构，在国内国际市场应用上也出现一定的负面机构，在国内国

8、际市场应用上也出现一定的负面影响，影响了中国小型风力发电机行业的发展和影响，影响了中国小型风力发电机行业的发展和国际市场竞争力。国际市场竞争力。二、变桨矩技术在中小型风力发电机组中应用的必要性和紧迫性二、变桨矩技术在中小型风力发电机组中应用的必要性和紧迫性 我国现有小型风力发电机组存在的问题，都是与它的主要结构定桨矩分不开的，如果能把定桨矩改为变桨矩，把偏航限速、卸荷限速这种“从后控制”方式改为控制风轮转速“从头控制”方式，将彻底解决这些存在的问题。因此在目前大多数厂家还在沿用以往带尾舵限速和定桨偏航风机的情况下，推广使用变桨矩风机，对现有风力发电机升级换代，提升国内小型风力发电机品质和技术水

9、平，具有十分重要的必要性和紧迫性。变桨矩指在叶片根部加装变桨轴承，叶片可以沿自身的轴线旋转，改变风轮的桨矩角，进而改变攻角。（如上图）变桨矩技术的原理与优势变桨矩技术的原理与优势变桨矩与变桨矩风机的比较优势变桨矩与变桨矩风机的比较优势 定桨矩是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨矩角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化，故减速比一定，启动风速高，限速困难，输出功率不稳定。（如图三） 变桨矩调节的优点是桨叶受力较小，桨矩角可以随风速的大小而进行自动调节，因而尽可能多地吸收风能转化为电能，同时在高风速能有效控制转速，保持功率稳定输出，缺点是机构和制作工艺相对复杂。（如图四） 三、下风向被

10、动变桨技术原理、机组特点及优势三、下风向被动变桨技术原理、机组特点及优势 把变桨矩控制技术应用到小型风力发把变桨矩控制技术应用到小型风力发电机组中，首先考虑的是成本问题，采用电机组中，首先考虑的是成本问题，采用类似大风机电子主动变桨控制技术应用到类似大风机电子主动变桨控制技术应用到50kw以下的机型中是不现实的，因此我们以下的机型中是不现实的，因此我们采用的下风向被动变桨技术，解决了这一采用的下风向被动变桨技术，解决了这一技术与成本难题。技术与成本难题。下风向被动变桨风力发电机组原理简介下风向被动变桨风力发电机组原理简介 通过风力发电机风轮旋转时离心锤所产生的离心力，来控制调节风叶的桨矩角，使

11、风轮在低风速时处于正的启动角度可以产生一个较大的启动力矩；接近额定风速时保持在最佳迎风角位置，达到最佳尖速比，获得大的风能利用系数；当超过额定风速时，风叶桨矩角在离心力的作用下趋向负角，对风轮限速从而始终将风力发电机转速控制在额定转速以内，限制发电机输出电压过大达到功率平稳输出；还可以通过刹车装置在遇强风或台风时，对风机进行人工或自动停机保护。风机变桨技术原理 机组特点：机组特点： 1 1、下风向设计、下风向设计a.下风向设计就是风轮相对风向处在塔杆的下侧，通过风轮自身承受的风压来自动对风，解决风机的对风问题。b.不需要其他对风装置，省去尾舵、偏航等机构，外形更紧凑美观。2 2、采用被动变桨技

12、术、采用被动变桨技术当风速改变时，通过风机自身的离心装置和复位装置自动去改变桨叶的桨矩角；相对主动电子变桨省去控制器、风速风向仪、plc偏航等巨额成本。3 3、与下风向风力发电机有机结合、与下风向风力发电机有机结合因为有了变桨技术，所以不需要限速机构，如偏航齿轮或尾舵；正因为可以去掉庞大的尾舵限速机构，可以设计成下风向结构。 机组特点：机组特点： 4、.主机与塔杆之间采用减震装置，避免风机运转过程中振动造成的机械损害，可以有效消除“塔影”效应。5、.刹车机构：主动变桨柔性刹车停机，通过塔杆底部的停车机构将风叶桨矩角调整到一定的负角，通过持续的风压产生反转力矩，从而达到风速停机。机组特点：机组特

13、点： 6、功率输出明显优于定桨矩风机备注备注:上图为上图为10KW变桨风机在变桨风机在25m/s风速以下输出功率曲线风速以下输出功率曲线机组特点：机组特点： 6、功率输出明显优于定桨矩风机备注备注:上图为上图为10KW定桨风机在定桨风机在16m/s风速以下输出功率曲线风速以下输出功率曲线机组特点：机组特点： 7、变桨风机在各级年平均风速下发电量图表备注备注:上图为变桨风机在正常运行状态下采集的发电数据上图为变桨风机在正常运行状态下采集的发电数据机组特点：机组特点： 7、变桨风机在各级年平均风速下发电量曲线图备注备注:曲线图表所用数据来自变桨风机在正常运行状态下采集形成曲线图表所用数据来自变桨风

14、机在正常运行状态下采集形成四、工程应用案例与发展前景四、工程应用案例与发展前景 一）工程应用案例一）工程应用案例 1.海滨公园海滨公园2KW离网供电运行离网供电运行 2.上海滴水湖生态园上海滴水湖生态园2KW离网运行工离网运行工程案例（世界自然基金会河口管理综程案例（世界自然基金会河口管理综合项目点）合项目点）一）工程应用案例一）工程应用案例 5.爱尔兰爱尔兰5KW并网运行并网运行 6.泰国泰国5KW并网运行并网运行四、工程应用案例与发展前景四、工程应用案例与发展前景 一）工程应用案例一）工程应用案例 7.10KW移动基站风光互补供电运行移动基站风光互补供电运行 8. 10KW上海世博会离网运行工程案例上海世博会离网运行工程案例 四、工程应用案例与发展前景四、工程应用案例与发展前景 一）工程应用案例一）工程应用案例 9. 30KW加拿大并网运行工程案例加拿大并网运行工程案例 10.30KW意大利并网运行工程案例意大利并网运行工程案例 四、工程应用案例与发展前景四、工程应用案例与发展前景 一）工程应用案例一）工程应用案例 9. 10.30KW “973风电风电”项项目在海水淡化供电运用目在海水淡化供电运用四、工程应用案例与发展前景四、工程应用案例与发展前景 10.30KW “973风电风电”项目在油田供电运用项目在