（机械电子工程专业论文）变速风力发电机组的电液伺服变桨距控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 风能是一种清洁的可再生能源，白能源危机以来，以风力发电为代表的风能 利用技术受到人们的广泛关注。大型化、变速恒频、变桨距技术是风力发电技术 的发展趋势。针对大型风力机变桨距控制要求，提出利用电液伺服阀控制液压缸来实 现对风力机叶片节距角的控制，设计了实现风力机变桨距调节的执行机构，建立了电 液伺服变桨距位置控制系统，并基于l a b v i e w 虚拟仪器平台开发了测控系统，进行 了液压缸位移的p i d 闭环控制实验。 首先根据空气动力学原理，分析了风力机的动力学特性，推导出风能利用系 数c 。的表达式，从理论上说明风力机变桨距控制的原理；根据大型风力机所需控 制功率大、要求响应速度快的特点，提出了采用电液伺服阀一伺服液压缸一变桨距控 制的构架。 提出了变桨距机构的设计思路和要求，并利用了三维软件p r o ew i l d f i r e 设 计出可变桨距的风力机虚拟样机，在m e c h a n i s m 环境中进行了风力机运动学分析。 在分析变速变桨距风力发电机系统构成的基础上，建立了系统各部分的数学 模型，并设计出变桨距的速度控制器，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了风力发电 机系统的仿真模型，进行了仿真研究，结果证明变桨距控制系统的可行性。+ 设计了电液伺服变桨距控制实验系统，以内插数据采集卡( p c i 2 0 0 6 ) 的工业 控制计算机为核心，结合s v a - i i 型伺服放大器、q d y 型电液伺服阀、液压油缸、 g a - 1 5 0 型高精度位移传感器和曲柄连杆机构搭建硬件平台。并基于l a bv i e w 的 图形化语言，编写了实时控制软件和操作平台。 最后，在所设计的电液伺服控制平台上，利用p i d 控制算法对液压缸位移进 行了精确控制实验，并对实验结果进行了比较分析。 关键词：电液伺服系统；变桨距控制；风力发电机；位置控制；p i d 算法： l a bv i e w 虚拟仪器。 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t q n de n e r g yi sk i n do fr e n e w a b l ee n e r g y s i n c et h ee n e r g yc r i s i si n1 9 7 3 w i n d p o w e rg e n e r a t i o n , a saw a yo ft h ee x p l o i t a t i o no fw i n de l l e r g y , h a sb e e nd a j dl n o r e a t t e n t i o nb yh u m a nb e i n g n o wd a y s ，l a t e r , v s c f ( v a r i a b l e - s p e e dc o n s t a n t - f r e q u e n c y ) a n dp i t c hc o n t r o lt e c h n o l o g yi st h en e wt r e n do fw i n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y f o rt h ed e m a n do fp i t c hc o n t t o lo fl a r g e rw i n dt u r b i n e a # t e nc o i l t r o lm e t h o df o ra v 锄i a b i e - s p e e dw i n dt u r b i n ei s 伽o l m s e d a c c o r d i n gt ot h i sm e 吐1 0 d ，t h ep i t c ha n # o f w i n d t u r b i n eb l a d e si s 耐j u s t e db yu s i n ge l e c t r o - h y d r a n f i c $ c r v ov a l v et oc o n t r o lt h eh y d r a u l i c c y l i n d e r t h ea c t u s t m a 圯d 吣i 缸nf o rt h ep i t c ha d u 耐m e i l to fw i n dt m b i n ei sd e s i g n e da n d t h ee l e c n o - h 、i d i a l i l i c8 e d op o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mo fp i t c hc o n t r o li se s t a b l i s h e d b a s e d 锄 t h el a b wv i r t u a li n s m 蚰e n t , t h et e a ta n dc e n 的l 列蝴i sd e v e l o p e da n dt h ec o n t r o l e x p e r i m e n t w i t h 皿a l g o r i t l l m f o r t h e d i s p t a c e m e n t o f h y d r a u l i c c y l i n d e r h a s b e e n d o n e 胁v t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dm r b i n ei sa n a l y z e db a s e do i lt h e p r i n c i p l eo fa e r o d y n a m i c s ，t h ee x p r e s s i o no fw i n dp o w e rc o e f f i c i e n tc p i sd e d u c e d a n dp i t c hc o n t r o lp r i n c i p l eo fw i n dt u r b i n ei se x p l a i n e di nt h e o r y ；b e c a u s et h ep i t c h c o n t r o lt e c h n o l o g yo fw i n dt u r b i n ed e m a n d sl a r g ep o w e ra n dq u i c kr e s p o n s e ，t h e s t r u c t u r eo fh y d r a u i i cs e f v ov a l v e - - - r v oh y d r a u l i cc y l i n d e r - - p i t c hc o n t r o lo fw i n d t u r b i n ei sp r o p o s e d t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ew a ya n dd e m a n do fd e s i g nt h ep i t c hc o n t r o lm e c h a n i s m , a n dt h ev i r t u a lp i t c h - c o n t r o l l e dw i n dt u r b i n em o d e li sb u i l tb yp r o e , t h ek i n e m a t i c s c h a r a c t e r i s t i c s o f w i n d t u r b i n e i ss i m u l a t e d i n t h e “m e c h a n i s m ”e n v i r o n m e n t o f p r o e a f t e rd e s c r i b i n gt h ec o n s t r u c t i o no fav a r i a b l e - s p e e dp i t c hc o n t r o l l e dw i n d m t h i n e 。t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fe a c hp a r to ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e d , a n dt h es d e , c d c o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rt h ep u r p o s eo fp i t c hc o n t r o l 。t h es i m u l a t e dm o d e lo ft h ew i n d t u r b i n es v s t e mi sb u i l tb yt h et o o lo fm a t t a b s i m u l i n k mr a s u i t st e s t i f yt h ef e a s i b i l i t y o fp i t c hc o n t r o ls y s t e m t h cp i t c h - c o n t r o l l e de l c c t r o - h y d r a u i i cs c r v os y s t e mf o rav a r i a b l e - s p e e dw i n d t u r b i n ei sc s t a b l i s h e , d t h ee x p e r i m e n ts y s t e mc o i l s i s t so fi n d u s t r i a lc o m p u t e r , p c 姗6 d a t aa c q u i s i t i o nc a r o , s v a - i ! s e l n oa m p l i f i e r , q d yt y p ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e , h y d r a u l i cc y l i n d e r , g a - 1 5 0t y p eh i g h - p r e c i s i o nd i s p l a c e m e n tt r a n s d l 0 e ra n dl i n k m e c h a n i s m t h er e a lt i m ec o n t r o ls o f t w a r ea n do p e r a t i o nf l a tf o i i i li se d i t e db a s e do n t h eg r a p h i cl a n g u a g ei nt h el a bv i e wv i n t m li n s t r u m e n t a tl a s t , w i t ht h ee l e c t r o - h y d r a u i i cs e f v ot e s t i n ge q u i p m e n t ap i dc o n t r o l a l g o r i t h mi sp r o g r a m m e dw i t hgl a n g u a g ei nl a bv i e w t h ed i s p l a c e m e n tc u l w eo f a c t u a t o ri sd i s p l a y e di nt h ec o m p u t e r , e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep i dc o n t r o l a l g o r i t h m i s o b v i o u s l y e f f e c t i v e a n d t h e h i g h p r e c i s i o no f p o s i t i o n c o n t r o l h a s g o t t e n k e yw o r d s ：e l e c t t o - h y d r a u i i cs e os y s t e m ；p i t c hc o n t r o l ；w m dt u r b i n e ；p o s i t i o nc o n t r o l ； p i da l g o r i t h m ；l a bv i e wv i r t u a li n s t r u m e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：锄嗣 嘲年舌月歹日 指导教师签名： 砷年g 月厂日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锄痢 日期：w 年6 , e lre t 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 自能源危机以来，人类的绿色环保意识与日俱增。纷纷寻求解决能源问题的 新方法，开发新能源日益得到世界各国的重视i ”。在中国，一直以煤为主的能源 消费结构，造成了环境污染严重、运输压力大和能源利用效率低等多方面的问题。 加上中国是一个能耗大国，石油、煤炭已不能满足日益增长的能源需求，因此对 新能源的开发利用有着更迫切的需求。绿色能源加入发电大家庭，是大势所趋。 我国有丰富的新能源与可再生能源资源，开发新能源的市场前景十分可观”“。 1 ) 水电：我国经济可开发的水能资源量为3 9 亿千瓦，年发电量1 7 万亿千瓦时， 其中5 万千瓦及以下的小水电资源量为1 2 5 亿千瓦，分布广泛。2 ) 太阳能：太阳 能光伏发电是一种清洁型能源，我国太阳能资源非常丰富，适合进行开发。3 ) 生 物质能源：我国是一个农业大国，生物质能材料来源广泛。4 ) 风电：我国幅员辽 阔，海岸线长，风能资源比较丰富 4 e s j 。根据全国9 0 0 多个气象站陆地上离地l o m 高度资料进行估算，全国平均风功率密度为l o o w m 2 ，风能资源总储量约3 2 2 6 亿k w ，可开发和利用的陆地上风能储量有2 5 3 亿k w ，近海可开发和利用的风能 储量有7 5 亿k w ，共计约1 0 亿k w 。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2 0 0 0 小时计，每年可提供5 0 0 0 亿千瓦时电量，海上风电年上网电量按等效满负荷2 湖 小时计，每年可提供1 8 万亿千瓦时电量，合计2 3 万亿千瓦时电量。可以看出。 在我国，风能的资源非常丰富，有着诱人的开发利用前景。 1 2 国内外风电发展现状与趋势 1 2 1 国外风电发展现状与趋势 目前，全球风电产业从探索阶段逐渐走向成熟，风电设备制造商逐步显现出 向国际化、大型化和一体化发展的趋势”。全球十大风电设备制造商累计占有全 球市场9 6 的份额，仅前4 家最大风电设备制造商就掌控了全球市场7 5 的份额。 2 0 0 5 年全球风能发电新增装机容量1 1 7 6 9 万千瓦，大大超过了2 0 0 4 年的8 2 0 7 万千瓦，全球风能发电总装机容量已有5 9 3 2 2 万千瓦，比2 0 0 4 年提高了2 5 。其 江苏大学硕士学位论文 中，德国风能利用居全球之首，装机总容量1 8 4 2 8 万千瓦，之后依次为西班牙 ( 1 0 0 2 7 万千瓦) 、美国( 9 1 4 9 万千瓦) 、印度( 4 4 3 万千瓦) 和丹麦( 3 1 2 2 万千瓦) 。 国外风电发展趋势，归纳起来有以下三点： 1 ) 机组容量大型化 大型化、变速运行、变桨距及无齿轮箱是世界风电设备发展的新趋势。现在 世界上兆瓦级的风电机组已具备了商业化价值。如美国主流1 5 m w 。丹麦主流 2 0 3 0 m w ，在2 0 0 4 年的在德国汉诺威工业博览会七4 5 m w 的风电机组也已面 世。目前，单机容量最大的风电机组是德国r g p o w f l r 公司生产的容量为5 m w 的 机组。 2 ) 可靠性不断提高 尽管风电机组技术近年来有了显著的进步，但是从技术商业化程度看，风电 机组寿命较短，难以保证技术使用寿命达到2 0 年。因而有必要对某些部件进行改 进，尤其是转子的可靠性。这可以通过风机系统的优化设计、选用更好的材料、 部件，可变速转子、先进的控制装簧来实现。这些改进不仅可以减轻负荷，而且 还可阻减少风机的重量和不同部件的费用。 3 ) 向海上发展，实行规模化开发嗍 随着风电行业的发展，海上风电场往深海处发展，电场的总容量逐渐扩大。 这对技术和环境都提出了更新的要求，5 m w 级的风电机组具有1 2 5 m 高度的庞大 体形，从视觉和物理方面都适合于深海建造。在此趋势的推动下，欧洲具有震撼 力的海上风电场在全球广泛地被利用起来，总计9 0 0 0 m w 的机组正处于规划、开 发的各个阶段。 北欧与西欧地区是该领域的先驱。根据欧洲风能协会2 0 0 4 年的统计，海上风 电场占据现有风电总装机容量的2 ，而欧洲风能协会的目标是到2 0 1 0 年达到 1 3 ，2 0 2 0 年达到3 9 ，总容量为7 0 g w 。欧洲一些国家设定的目标表明了在将 来2 0 至2 5 年问潜在的市场期望值至少有8 个国家：丹麦、瑞典、德国、英国、 爱尔兰、法国、荷兰和比利时已经明确了各自详细的离岸计划。到2 0 3 0 年之前， 欧洲地区的目标是超过5 0 g w 。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 国内风电发展现状与趋势 1 ) 建设规模不断扩大 1 9 8 6 年建成山东荣成第一个示范风电场，经过近2 0 多年的努力后，风电场装 机规模不断扩大。据中国电力企业联合会的资料表明，到2 0 0 5 年底，我国除台湾 省外共建成风电场6 2 个，安装风电机组1 8 6 4 台，总装机容量为1 2 6 6 万千瓦即。 但是国内风电设备制造商在国内累计装机容量为2 8 6 8 4 0 千瓦，仅占全国总装机容 量的2 2 7 1 国外风电设备制造商累计装机容量为9 7 9 0 7 0 千瓦，占全国总装机容 量的7 7 3 1 s 3 。 2 ) 专业队伍和设备制造水平提高 多年来，我国根据自身拥有的发展风电的条件，培养了一批专业的风电设计、 开发建设和运行管理的人才，中小型风电机组的制造技术已基本掌握，主要零部 件都能自己制造。其中，6 0 0 k w 及以下机组已有一定数量的整机厂，初步进行了 整机试制和小批量生产 目前，我国已经具备了设计和制造7 5 0 k w 定桨距、定转速机型的能力，相当 于国际上二十世纪9 0 年代中期的水平。与国外联合设计的1 2 0 0 千瓦和独立设计 的1 m w 变桨距、变速型样机于2 0 0 5 年安装1 1 4 1 ，进行试验运行。 3 ) 风力发电成本逐步降低 随着风电产业的形成和规模的发展，通过引进技术，加速风电机组本地化进 程以及加强风电场建设和运行管理，我国风电场建设和运行的成本逐步降低【l o l 。 初始投资从1 9 9 4 年的约1 2 0 0 0 元k w 降低到目前的约9 0 0 0 元，k w 。同时风电的上 网电价也从超过1 0 元瓜w h 降低到约0 6 元蛹，h 。 舢海上风电场的建设 2 0 0 6 年1 1 月2 2 日至2 4 日，上海市东海大桥加万千瓦风电场投资业主的招 标评标工作在上海的举行，标志着我国海上风电场建设拉开了序幕。海上风电场 一般都在水深1 0 米、距海岸线1 0 公里左右的近海大陆区域建设。海上风电场比 陆地风电场的优越处主要表现在不占用土地资源，基本不受地形地貌影响，风速 更高，风能资源更为丰富，而且运输和吊装条件优越，风电机组单机容量更大， 年利用小时数更高等。 江苏大学硕士学位论文 1 3 风力发电技术概述 1 3 1 风力发电技术的进展 ， 风电技术属于典型的多学科交叉高新技术，涉及机械制造、自动控制、电力 电子、空气动力学等学科。现代风力发电系统由风力发电机、控制装置、检测显 示装置等组成，风力发电机由风力机和发电机组成，实现风力发电的基本特点是 能量的转换。风力机的运行方式有独立运行、并网运行和联合运行三种。从对风 力机输出功率的控制方式上看，目前的风力发电机主要采取两种方式：一种是定 距失速控制，另一种是变桨距控制。目前国内外盛行的风力发电技术主要有如下 几种i ”j h i | s l ： 1 定桨距失速调节型风电机技术 它的基本原理是利用桨叶翼型本身的失速特性，即风速商于额定风速时，气 流的攻角增大到失速条件，使桨叶表面产生涡流，降低效率，从而达到限制功率 的目的，其优点是调节可靠，控制简单，缺点是桨叶等主部件受力大，输出功率 随风速的变化而变化，这种技术主要应用在几百千瓦的中小型风力发电机组上。 目前，我国已经掌握了定桨距失速调节技术，并运用于6 0 0 k w 以下的风力机组中。 2 变桨距调节型风电机技术 变桨距风力发电机是通过调节变距调节器，使风力机叶片的安装角随风速的 变化而变化，以达到控制风能吸收的目的；在额定风速以下时，它等同于定桨距 风电机，当在额定风速以上时，变桨距机构发生作用，调节叶片攻角，保证发电 机的输出功率在允许的范围之内。 3 变速恒频风电机技术 变速恒频技术是2 0 世纪7 0 年代中后期逐渐发展起来的一种新型发电技术， 变速发电机结构和运行原理与传统的恒速恒频风力发电机有较大的不同。在该系 统中，风力机可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳的叶尖速比，从而提高 了风力机的运行效率和系统的稳定性。 4 变速变桨距风力机技术 近年来，基于变桨距技术的各种变速风力发电机组进入市场。变速风力发电 机组把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制。变速风力发电 4 江苏大学硕士学位论文 机组的主要特点是：低于额定风速时，它能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组 具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，采用变桨距调节技术，增加了传动 系统的柔性，使功率输出更加稳定。基本实现了风力发电机组理想地向电网提供 电力的目标 s l p l l 【。 1 3 2 国内风力发电技术现状 与世界风电先进国家相比，我国风电设备制造起步较晚。我国从2 0 世纪7 0 年代开始研制大型并网风电机组，直到1 9 9 7 年在国家“乘风计划”的支持下，才真 正从科研走向了市场。自主研发力量严重不足，由于国家和企业投入的资金较少， 缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高，总体 来说还处于跟踪和引进国外的先进技术阶段。而且国产产品都是定桨定速技术， 只相当于国际上加世纪9 0 年代中期的水平。但就是这样的技术我们还没有自主 开发的产品。目前国内引进的许可证，有的是国外的淘汰技术，有的图纸虽然先 进，但受限于国内配套厂的技术、工艺、材料等因素，国产化的零部件质量、性 能需要一定时间才能达到国际水平。购买生产许可证技术的国内厂商要支付昂贵 的技术使用费，其机组性价比的优势不明显。由于试验和测试手段的不完备，有 些零部件在实验室要做的工作必须总装后到风电场现场才能做。风电机组的测试 和认证体系尚未建立。国内大型风力发电机组生产厂家基本都是合资公司，藐国 没有完全掌握风力发电机组的关键部件生产技术和核心控制技术。当前我国风力 发电机组的生产和研制水平同国外相比还有一定差距，还需要迎头赶上。风电机 组配套零部件的研发和产业化水平较低，这样增加了整机开发的难度和速度。特 别是对于变桨变速型风力机，国内相关零部件研发、制造方面处于起步阶段，各 种技术都要进行攻关和研发【刀【“。 随着国家对风能开发的重视，风电的关键技术攻坚已经陆续展开。在变桨距 控制技术研究方面，浙江大学的林勇刚、李伟等人利用电液比例控制技术，搭建 了风力机电液比例变桨距系统半物理仿真试验台，开展风力发电机变桨距技术研 究【1 q 1 1 s l “。沈阳工业大学的姚兴佳、秦立学等人研制成了国内首台1 m w 级变桨距 风力发电机，利用电液比例技术实现了风力机桨叶的开桨和闭桨过程“”。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题研究目的和意义 环境和能源是当今全人类面临的两大急需解决的问题，开发绿色能源、实行 可持续发展战略是世界各国解决能源问题、优化能源结构的正确选择。风能是一 种普遍的绿色能源，储量巨大，世界各国对此都比较重视。经过多年的努力，世 界风力发电技术越来越成熟，风力发电机组装机容量越来越大。从定桨距控制到 变桨距控制，从恒速恒频到变速恒频，从陆地到海上，风力发电正以前所未有的 速度发展。 风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污 染。阁风力发电，可减少常规能源的消耗，对保护环境和生态平衡，改善能源结 构具有重要意义。我国风能资源丰富，要在风力资源利用上有更大的发展，仅靠 国外进口是难以实现的。 我国是人口大国，又是资源相对缺乏的国家，要实现我国全面建设小康社会 和社会经济的可持续发展，就必须协调解决好发展、能源、环保的关系。开发绿 色能源，大力发展风力发电事业可优化我国能源消费结构，降低对国外石油能源 进口的依赖度，具有十分重要的战略意义。 大型化、变速运行、变桨距及无齿轮箱是世界风电设备发展的新趋势，变桨 距技术是合理控制桨叶节距角，在额定风速以下运行时与变速恒频技术结合能够 最大限度地获取能量，在额定风速以上运行时能够得到稳定的功率输出。可以说 变桨距系统的设计研究是变速恒频技术实现的前提条件。开展变桨距控制技术研 究，对于打破发达国家对先进的风力发电技术的垄断，对我国的风力发电技术水 平更上一个层次具有重要意义。 1 5 本论文的主要内容 从风力发电机大型化、变速变桨距的要求出发，本文立足于风力发电变桨距 控制技术，鉴于电液伺服技术响应速度快、控制精度高等优点，提出了基于电液 伺服控制的风力机变桨距控制方案。首先根据空气动力学原理分析变桨距控制原 理和控制策略，并通过三维软件设计出风力机变桨距机构；接着，针对变速变桨 距风力发电机系统，建立该系统的数学模型和相应的仿真模型，进行了变桨距控 制仿真分析，最后设计出电液伺服实验控制系统，开展了实验研究。本文主要做 6 江苏大学硕士学位论文 以下几个方面的工作： 1 利用风力机的空气动力学理论，分析了风力机的受力情况，并推导出 风能利用系数c 。的计算公式，从理论上说明了变桨距可行性：同时给 出了风力发电机的变桨距调节的原理，提出了采用电液技术的变桨距 控制方案。 2 为了实现风力机变桨距控制，其关键点之一是变桨距机构的设计。给 出了变桨距机构的设计思路，进行了变桨距机构的受力分析计算，并 利用了三维造型软件p r o e 建立了可变桨距的风力机虚拟样机，通过 运动学仿真证明所设计的变桨距机构切实可行，满足设计要求。 3 针对变速变桨距风力机控制系统，建立了系统各部分的数学模型，设 计了变距系统的速度控制器，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行了仿真分 析，实现了风力发电机变距控制。 4 采用阀控液压缸来驱动变桨距曲柄连杆机构，进行了变桨距控制系统 的软硬件设计，搭建电液伺服实验控制系统。采用l a bv i e w 的g 语 言设计了变桨距位移p i e ) 闭环控制软件平台。 5 利用电液伺服变桨距控制系统对液压缸的位移进行了p i d 控制，得 到比较理想的控制结果，并对实验结果进行了分析比较。 7 江苏犬学硕士学位论文 第二章风力机空气动力学及变桨距原理分析 2 1 风力机的空气动力学理论 2 1 1 风能的计算 由流体力学知在单位时间内气流的动能为 em，22(2-1) 式中m 一单位时同内气体的质量( 堙) p 一气体的速度( m s ) 设单位时间内气流流过截面积为s 的气体的体积为y ，则 v = s v 该体积的空气质量为 m = = p s v p 一是空气密度( 船m ) 单位时问通过的气流的动能表示为： e-2(2-2) 从风能的公式可以看出，风能的大小与气流密度p 、通过截面面积s 成正比， 与气流速度v 的立方成正比。其中p 和v 随地理位置、海拔、地形等因素而变“”。 2 1 2 贝兹理论 风力机的第一个气动理论由德国科学家贝兹( b e t z ) 于1 9 2 6 年建立。b e z z 假 设风轮是由无限多个叶片组成，风轮没有轮毂。气流通过风轮时没有阻力；此外， 假设气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向 方向“。 现分析理想风轮在流动的大气中的情况如图2 1 所示： 8 江苏大学硕士学位论文 图2 1 风轮的气流图 h 一距离风力机一定距离的上游风速； v 一通过风轮时实际风速； 屹一距离风轮远处的下游风速。 设通过风轮的气流其上游截面为墨，下游截面为岛。由于风轮的机械能量仅 由空气的动能降低所致，因而v 2 必然低于h ，所以通过风轮的气流截面积从上游 至下游是增加的，即是，s 。 假设空气是不可压缩的，由连续条件可得 s h 8 v 一是屹 风作用在风轮上的力可由动量定理写出 f - o s v ( v l v 2 ) ( 2 3 ) 故风轮吸收的功率为 p-fv-脚2nv2)(2-4) 气流的动能转换为风轮的功率，从上游到下游的动能的变化为 业= ；蒯嵋一咭) ( 撕) 令式( 2 - 4 ) 与式( 2 - 5 ) 相等，可得 p-(u+v2)2(2-6) 作用在风轮上的力和提供的功率可写 9 江苏大学硕士学位论文 f = ；施( 口一e ) ( 2 - 7 ) p = ；酬霄一咭x v i + 吃) ( 2 _ 8 ) 对于给定的上游速度h 。可写出以v 2 为函数的功率变化关系，将式( 2 - 8 ) 微分得 祟= ；删一姚一蜒) 令竽o 解得匕v l 3 ，对应于最大功率处。于是可得最大的功率为 p 慨= 嘉删 ( 毒舞秘够 弦埘 因此，风力机的实际风能利用系数g 0 5 9 3 风力机实际能得到的有用功率输出 e = 妥暖s c p ( 2 - 1 1 ) 1 风能利用系数c 。 风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用率系数c 。表示，由式 q 2 纛 沼1 2 ) 1 0 江苏大学硕士学位论文 p 一空气密度( 船m 3 ) ； h 一上游的风速( m s ) ； s 一风轮的扫风面积( ) 。 2 叶尖速比五 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度和风速之比来衡 量，称为叶尖速比旯。 五；丝：塑( 2 - 1 3 ) hh 式中一风轮的转速( r s ) ； 一风轮角速度( r a d s ) r 一风轮半径( m ) ： v l 一上游风速( m s ) 。 2 i 4 风力机桨叶的翼型 风力机的桨叶剖面一般采用螺旋桨翼型。目前在螺旋桨桨叶上用得较多 的是n a c a 系列翼型，如图2 2 所示。 图2 - 2 风力机翼型 由伯努利原理知，气体绕流过桨翼时，上面的流线较密下面的流线较稀， 故上面流体的速度大、压力小，下面的流体速度小，压力大，因而产生升力。桨 翼至少一部分是由流过上表面的空气把它吸起来的，上表面产生的负压对全部升 力的贡献比下表面正压力的贡献大。因而空气流经风力机表面时，能带动风轮转 动。图2 - 3 描述了风力机桨叶剖面翼型的节距角口，它是翼弦与风力机转动平面 之间的夹角。也称为安装角。 l l 江苏大学硕士学位论文 添西 毗嘲蒲手旱蕾 、 刚 # 椭 图2 - 3 叶片的节距角口 2 2 风力机桨叶空气动力学分析 利用叶素理论”1 ，对风力机进行受力分析“。取一长度为打的叶素， 令半径，处的弦长为，节距角为口。则叶素在旋转平面内具有一圆周速度”= r 口 ( 为圆周角速度) 。吹向风轮的轴向风速为，气流相对于叶片的速度为v r ，如 图2 - 4 所示。 图24 风力机三维视图和受力分析 由速度矢量合成定理知作用在风轮上的实际风速为 江苏大学硕士学位论文 v ，t ，。+ “ ( 2 - 1 4 ) 根据g l a u e r t 理论。”，对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它 形成两个主要的涡区：一个在轮毅附近，一个在叶尖处气流在通过风轮时存在 诱导涡，考虑涡流运动的影响，对于空间的某一给定点，其风速可认为是由非扰 动的风速和涡流系统产生的风速之和。如图2 _ 5 所示： 圈2 5 桨叶空气动力学性质 吹向风轮的实际的轴向风速为 止= v w 0 - a ) ( 2 1 5 ) 风轮沿周向转动的速度为 “= r 国( 1 + 4 ，) ( 2 - 1 6 ) 根据式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 有 = 吒+ h ( 2 1 7 ) 口一为轴向速度诱导系数； 4 一为切向速度诱导系数； f 一节距角( 安装角) ，半径为r 处转动平面和桨叶截面弦长之间的夹角； a 一攻角，来流速度u 和桨叶弦线之间的夹角； 一倾斜角，来流速度u 和转动平面之间的夹角。 江苏大学硕士学位论文 由以上定义可确定：妒= 口+ 根据速度的定义及几何关系有： t a n 一= 参2 端 由( 2 - - 1 3 ) 知，在半径r 处尖速比丑 4 2 詈 所以式( 2 1 8 ) 对应的俪斜角表示为 t a n ：二 “ g = 型 4 ( 1 + 4 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 风相对于叶片的相对速度咋可用尖速比4 和速度诱导系数，af 和实际输入 风速来表示： v ，= k o 一妒+ 毋( 1 + d 2 ( 2 - - 2 1 ) 根据叶素理论，在每一段中，作用在桨叶小截面毋上的力抒可分解为两个分 量；阻力扔和升力d l 。其中升力皿与相对风速叶垂直，阻力曲与相对风速咋平 行。 函和也分别表示为： 也= 昙p 咖t c f ( 2 2 2 ) d d ：；西谚q ( 2 2 3 ) 其中c 为弦长，g 为升力系数、g 为阻力系数。两系数的大小由所选定的 翼型确定，与输入风速的攻角f 相关。 作用在桨叶小截面上的气动力d f 在风轮上的轴向推力刃1 ，作用在转轴上的 气动转矩勉- 分别如下式： 以1 = d l c d s d + d d s m 4 ( 2 2 4 ) 如= 池咖一扭s ) r 该截面段上产生的功率为 ( 2 2 5 ) 江苏大学硕士学位论文 审=删q(2-26) 此处相应的功率系数为 q 2 丽 其中m 为风轮转动速度。将方程( 2 - - 2 5 ) 代x , 到方程( 2 - - 2 6 ) 中。并在整个叶 片截面上进行积分，可得到个叶片总的推力t ，扭拒0 和功率p ： r ：等r 耐“c o s + c , , s i n ) d r ( 2 2 7 ) q = 等r 州“s i n 一。c o s # ) r d r ( 2 2 8 ) p=加(2-29) 翼型的诱导速度因子由f 式确定： ”亭4 s m 2 + 1 一。簪 因此，通过积分运算可求得风力机轴向推力t ，气动转矩q 和获取的功率p 。 根据( 2 - - 2 1 ) 和( 2 - - 2 9 ) 风力机总的功率系数表示为： r ： !：塑 0 2 ) 肛9 2 v 。p a r 2 v 。 励：型型塑譬型( 2 - - 3 0 ) 2 3 变桨距调节原理 由式( 2 - 3 0 ) 知，风能利用系数q 是一个与叶尖速比五和节距角卢相关的函 数。在风力机的翼型参数确定后，影响风能利用系数的因数有输入风速叱和风力 机安装时的节距角口。受自然条件影响，由于输入风速不能人为改变，可通过调 整节距角来调整风力机的输入功率，实现风力发电机功率平稳输出。 通过模拟可得风力机的功率系数曲线图2 6 表示： 江苏大学硕士学位论文 o p - i 图2 , - 6 风能利用系数c 。 由上图可知：当增大桨叶节距角卢，风能利用系数c 明显减小，风力机获取 的能量也相应减少。 当风速超过额定风速，也就是风力机输出功率超过发电机的额定功率时，可 通过调整节距角，使得发电机的输出功率稳定在额定功率上，既保证功率输出 的稳定，又防止发电机过载损坏。这就是变桨距功率调节的原理l 冽。 2 ：3 1 变桨距风力发电机的功率调节策略 变速风力机的运行区域可分为三个部分，这取决于作用在桨叶上的风速，在 对应的不同区间，能量转换方式和控制策略都不相同嗍。如图2 7 所示； 在低风速区，j ) ( l 速小于某一设定值( v h ) ，控制目标主要为了获得尽可能 多的风能在该区域内，系统运行在c ( ，l ，芦) 一q ，。a 桨距角保持在恒定的最 佳值艮上，通过控制发电机电磁转矩，转动的速度控制运行在且- 在较高风速区，ut vt v 2 采用超前控制策略风力机产生的发电机转速将超 过其额定转速。在半载区2 ，控制电磁转矩，风力机转速坼保持在额定转速上， 桨距角卢也保持在以。，以获得最大的风能 辩 般鲥 墙 江苏大学硕士学位论文 在高风速区，p ，v 2 ，风力机运行在全载区内，系统产生的电功率控制在额定 功率内。风力机转速保持在额定转速上，同时控制桨距角口来减少风能利用系数 q ( 以力采用的对发电机扭拒控制和变桨距控制的双重策略。 v 。 ，v f d 一 ， v 一 年2 图2 - 7 风力机运行策略 2 3 2 变桨距风力发电机的运行状态 从上节提出的控制策略可知，变桨距风力发电机组根据变桨距系统所起的作 用可分为三种运行状态，即风力发电机组的起动状态( 转速控制) 、欠功率状态( 不 控制) 和额定功率状态( 功率控制) “”。 2 3 2 1 起动状态 变距风轮的桨叶在静止时，节距角为9 0 ，如图2 - 8 所示。这时气流对桨叶不产 生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，桨叶向零度方 向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始起动，图29 、1 0 所示。在发 电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制 器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值， 调整节距角，进行速度控制。为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击， 变桨距系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时 1 7 江苏大学硕士学位论文 机并网。转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过同步转速时，桨叶节距就 向迎风面积减小方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。 当转速在同步速附近保持一定时间后发电机即并入电网。 图2 - 8 节距角口= 9 0 。 图2 9 节距角调整过程 2 3 2 2 欠功率状态 图2 1 0 节距角口= 矿 欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定 功率以下的低功率状态运行。这时的变桨距风力发电机组和定桨距风力发电机组 相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 3 额定功率状态 当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态，在传统的 变桨距控制方式中，这时将转速控制切换至功率控制，变桨距系统开始根据发电 机的功率信号进行控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反馈信 号与给定值进行比较，当功率超过额定功率时，桨叶节距就向迎风面积减小的方 向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。 由于变桨距系统的的响应速度受到限制，对快速变化的风速，通过改变节距 来控制输出功率的效果并不理想。因此， 风力发电机组在进行功率控制的过程中， 为了优化功率曲线。最新设计的变桨距 其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶 节距的变量。变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产 生的机械能波动，通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，即通过转子电流控制 器对发电机转差率进行控制，当风速高于额定风速时，允许发电机转速升高，将 瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来；转速降低时，再将动能释放出来，使功 率曲线达到理想的状态。 2 4 变桨距系统的驱动方案 风力机变桨距控制系统通常有伺服电动机驱动的独立桨叶控制系统和采用电 液控制技术驱动的统一桨叶控制系统。 2 4 1 伺服电机驱动的变桨距控制系统 由于电机驱动方式结构简单，易于施加各种控制，可靠性高，在大型的变速 风力发电机中得到使用p o l p ”。对于三叶片的风轮，通过伺服电动机直接驱动单个 叶片转动。桨叶以z 2 0 0 均布在轮毂内，由三个伺服电机分别对其进行控制。结构 原理如图2 1 l 所示。 圈2 - 1 1 风力机变桨距伺服驱动机构原理图 江苏大学硕士学位论文 如图2 - 1 2 所示为电机驱动方案，光电编码器安装在伺服电动机输出轴的尾 部，用于检测伺服电机的角位移量。伺服电机通过主动齿轮和桨叶轮毂内齿圈相 连，带动桨叶转动，实现对桨叶的节距角的调节。角度的精确控制可由伺服电机 反馈实现。 图2 1 2 伺服电机驱动方式 2 4 2 电液伺服驱动的变桨距控制系统 与电气传动相比，由于液压传动技术功率质量比大、工作压力和流量可调性 好、可实现无级调速等优点，液压技术在风力机控制系统中普遍运用，风力机中 的偏航控制、刹车保护系统、机舱内的冷却和过滤系统、变节距调整系统等中均 有应用。 电液控制的风力机变桨距控制技