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风力发电技术基础教程 崔新维2002 7 11 目录 风力发电技术概述风力机的理论基础机组的机械零部件机组电气系统风资源概述 第一章风力发电技术概述 风力发电机组的总体构成风力发电机组的主要机型风力发电机组中的关键技术 一 风力发电机组的总体构成 风电机组 风力发电机组的主要组成部分 叶轮 将风能转变为机械能 传动系统 将叶轮的转速提升到发电机的额定转速 发电机 将叶轮获得的机械能再转变为电能 偏航系统 使叶轮可靠地迎风转动并解缆 其它部件 如塔架 机舱等 控制系统 使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制 包括调速 调向和安全控制 风力发电机组 以下简称风力机 是一种能量转换装置 将风能转换为电能的 二 风力发电机组的主要机型 按叶轮转速是否恒定分 定速风力机 变速风力机 按叶片与轮毂的联接方式分 定桨距 失速型 机组 变桨距机组 其它机型 主动失速型 无齿轮箱型 海上机组 基本特征 水平轴 三叶片 上风式 双速发电机机型的发展趋势 定桨距 变桨距 定速型 变速型 Kw级 MW级 有齿轮箱式 直接驱动式 三 风力发电机组中的关键技术 机组的设计方法与技术叶片的设计与制造技术 气动设计 结构设计 制造工艺机组控制技术 功率控制技术 载荷控制技术 并网技术 远程监控技术 第二章风力机基础理论 叶片的空气动力特性叶轮的空气动力模型 2 1空气动力学的基本概念 一 流线气体质点 体积无限小的具有质量和速度的流体微团 流线 在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线 描述了该时刻各气体质点的运动方向 切线方向 流场中众多流线的集合称为流线簇 一般情况下 各流线彼此不会相交如图所示 绕过物体的流线簇 绕过障碍物的流线 当流体绕过障碍物时 流线形状会改变 其形状取决于所绕过的障碍物的形状 不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同考虑几种形状的物体 它们的截面尺寸相同 但侧面形状各异 对气流的阻碍作用 用阻力系数度量 不同 侧面形状不同的几种物体 二 阻力与升力 阻力 当气流与物体有相对运动时 气流对物体的平行于气流方向的作用力 升力 先定性地考察一番飞机机翼附近的流线 当机翼相对气流保持图示的方向与方位时 在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的 121131 根据流体运动的质量守恒定律 有连续性方程A1V1 A2V2 A3V3其中 A V分别表示截面积和速度 下标1 2 3分别代表前方或后方 上表面和下表面处 根据伯努利方程 P Pi 1 2 Vi2即 气体总压力 静压力 动压力 恒定值考察翼型剖面气体流动的情况 上翼面突出 流场横截面面积减小 空气流速大 即V2 V1 而由伯努利方程 必使 P2 P1 即静压力减小 下翼面平缓 V3 V1 使其几乎保持原来的大气压 即 P3 P1 结论 由于机翼上下表面所受的压力差 使得机翼得到向上的作用力 升力 三 翼型的气动特性 1 翼型的几何描述前缘与后缘 翼弦 OB 长度称为弦长 记为C 弦长是翼型的基本长度 也称几何弦 此外 翼型上还有气动弦 又称零升力线 OB翼弦C 上翼面 凸出的翼型表面 下翼面 平缓的翼型表面 中弧线 翼型内切圆圆心的连线 对称翼型的中弧线与翼弦重合 厚度 翼弦垂直方向上上下翼面间的距离 厚度分布 沿着翼弦方向的厚度变化 弯度 翼型中弧线与翼弦间的距离 弯度分布 沿着翼弦方向的弯度变化 2 作用在翼型上的气动力 重要概念 攻角气流速度与翼弦间所夹的角度 记做 又称迎角 LRM VC 由于机翼上下表面所受的压力差 实际上存在着一个指向上翼面的合力 记为R 阻力与升力 R在风速方向的投影称为阻力 记为D 而在垂直于风速方向上的投影称为升力 记为L 气动力矩 合力R对 除自己的作用点外 其它点的力矩 记为M 又称扭转力矩 为方便使用 通常用无量刚数值表示翼剖面的气动特性 故定义几个气动力系数 升力系数 CL L 1 2 V2C 阻力系数 CD D 1 2 V2C 气动力矩系数 CM M 1 2 V2C2 此处 L D M分别为翼型沿展向单位长度上的升力 阻力和气动力矩 CLmaxCL 0 CT 3 翼剖面的升力特性 用升力系数Cl随攻角 变化的曲线 升力特性曲线 来描述 如图 说明 在 0 CT之间 CL与 呈近似的线性关系表明随着 的增加 升力L逐渐加大 当 CT时 CL达到最大值CLmax CT称为临界攻角或失速攻角 当 CT时 CL下降 当 0 0 时 CL 0 表明无升力 0称为零升力角 对应零升力线 用阻力特性曲线来描述 CDCDmin CDmin 两个特征参数 最小阻力系数CDmin及对应攻角 CDmin 4 翼剖面的阻力特性 2 2叶轮空气动力学基础 叶轮的作用 将风能转换为机械能一 叶轮的几何描述叶轮轴线 叶轮旋转的轴线 旋转平面 桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面 叶片轴线 叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角 安装角 重要概念 半径r处的桨叶剖面 距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面 安装角 桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角 又称桨距角 记为 半径r处叶片截面的几何桨距 在r处几何螺旋线的螺距 可以从几个方面来理解 几何螺旋线的描述 半径r 螺旋升角 此处的螺旋升角为该半径处的安装角 r 该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切 桨距值 H 2 rtg r 二 贝兹理论 贝兹理论中的假设 叶轮是理想的 气流在整个叶轮扫略面上是均匀的 气流始终沿着叶轮轴线 叶轮处在单元流管模型中 如图 流体连续性条件 S1V1 SV S2V2 2 对叶轮应用气流冲量原理 叶轮所受的轴向推力 F m V1 V2 式中m SV 为单位时间内的流量质量叶轮单位时间内吸收的风能 叶轮吸收的功率为 P FV SV2 V1 V2 3 动能定理的应用 基本公式 E 1 2mV2 m同上 单位时间内气流所做的功 功率 P 1 2mV2 1 2 SVV2在叶轮前后 单位时间内气流动能的改变量 P 1 2 SV V21 V22 此既气流穿越叶轮时 被叶轮吸收的功率 因此 SV2 V1 V2 1 2 SV V21 V22 整理得 V 1 2 V1 V2 即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值 4 贝兹极限 引入轴向干扰因子进一步讨论 令 V V1 1 a V1 U则有 V2 V1 1 2a 其中 a 轴向干扰因子 又称入流因子 U V1a 轴向诱导速度 讨论 当a 1 2时 V2 0 因此a0 有1 a 0 a的范围 a 0 由于叶轮吸收的功率为P P 1 2 SV V21 V22 2 SV13a 1 a 2令dP da 0 可得吸收功率最大时的入流因子 解得 a 1和a 1 3 取a 1 3 得Pmax 16 27 1 2 SV13 注意到1 2 SV13是远前方单位时间内气流的动能 功率 并定义风能利用系数Cp为 Cp P 1 2 SV13 于是最大风能利用系数Cpmax为 Cpmax Pmax 1 2 SV13 16 27 0 593此乃贝兹极限 三 叶素理论 1 基本思想将叶片沿展向分成若干微段 叶片元素 叶素 视叶素为二元翼型 即不考虑展向的变化 作用在每个叶素上的力互不干扰 将作用在叶素上的气动力元沿展向积分 求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力 2 叶素模型端面 桨叶的径向距离r处取微段 展向长度dr 在旋转平面内的线速度 U r 翼型剖面 弦长C 安装角 设V为来流的风速 由于有线速度U 气流相对于桨叶的速度应是两者的合成 记为W W VUdFdRdL 定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角 记为 则有叶片翼型的攻角为 3 叶素上的受力分析在W的作用下 叶素受到一个气动合力元dR 可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL 另一方面 dR还可分解为推力元dF和扭矩元dT 由几何关系可得 dF dLcos dDsin dT r dLsin dDcos 由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl分别求得dD和dL dL 1 2 CLW2CdrdD 1 2 CDW2Cdr故dF和dT可求 将叶素上的力元沿展向积分 得 作用在叶轮上的推力 F dF 作用在叶轮上的扭矩 T dT 叶轮的输出功率 P dT T 第三章机组机械零部件 主要机械零部件 叶轮 叶片 轮毂及其联接 变桨距机构 原动装置 传动部件 执行部件等 传动系 主轴 主轴轴承 齿轮箱 机械刹车 联轴器 发电机等 偏航系统 偏航轴承 偏航齿轮 偏航电机及减速器及其控制子系统其它机件 机舱 塔架 提升装置 3 1叶轮 一台设计良好的风力机必须具有良好的空气动力性能 风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动力性能 叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设计 气动设计时 必须先确定总体参数 这也是进行方案设计所必需的 一 叶轮的主要参数 1 尖速比 叶轮的叶尖线速度与额定风速之比 是一个重要设计参数 与叶片数及实度有关 用于风力发电的高速Cp风力机 常取较大的0 5尖速比 尖速比在5 0 415时 具有较高的0 3风能利用系数 通常0 2可取6 8 0 136912 2 叶片数 取决于叶轮的尖速比 具体对应关系如下表 由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数 适合于发电 三叶片的风力机运行和功率输出较平稳 两叶片的可降低成本 3 风轮直径D 风轮直径D主要取决于两个因素 风力机输出功率P 额定风速Vr计算公式的推导 叶轮输出功率 P1 1 2Cp SVr3 P 1 2 于是 P 1 2Cp Vr3 1 2D2 4 直径D的简化计算公式 D2 8P Cp 1 2Vr3 5P Vr3其中 取Cp 0 45 1 25 1 2 0 9 4 实度 定义 叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比 它是和尖速比密切相关的一个重要参数 取值 对于风力发电机而言 由于尖速比较高 要求有较高的转速 起动风速高 因此 可取较小的实度 通常大致在5 20 之间 示意图 作用 决定叶轮的力矩特性 尤其是起动力矩 决定叶轮的重量与材料成本 5 其它参数 1 叶轮中心离地面高度H取决于安装地点 山谷 丘陵等 垂直风梯度 安装条件 单机容量等因素 2 叶轮锥角 叶片和旋转平面的夹角 减少气动力引起的叶根弯曲应力 对下风式风力机 防止叶片梢部与塔架碰撞 对上风式 3 叶轮倾角 叶轮转轴与水平面的夹角 减少叶片梢部与塔架碰撞的机会 二 叶片 一个叶片大致分成四部分 叶根 厚翼型段 正常翼型段 叶尖段 大型风力机几乎都采用强化玻璃钢 GRP 制成的 叶片的外表面光滑且从叶根到叶尖呈扭曲状 叶片的中间结构需要考虑叶片的强度 刚度 惯性 重量等因素 1 叶片的载荷 对叶片运行载荷分析与计算 不仅是叶片的结构设计所必须的 而且更为重要的是分析整个风力机各部件受载的基础 风力机在运行情况下 作用在其上的载荷就比较复杂 主要有气动载荷 重力和惯性载荷 它们都随时间而变化 特别是气动载荷受阵风和风向变化的影响是随机的 要准确计算是困难的 作用在叶片上的力简化为三种力 空气动力 离心力和重力 各作用力的影响 2 叶片的附加载荷 阵风期间 风速在一秒内可变化15 20m s甚至更多 风向在一秒内可改变几十度 此时 叶片处在不利的攻角下 导致所受弯矩的增加 阵风效应 U WV1 3 锥角效应 对下风式风力机 叶片与转轴的夹角小于90度 将使正常运行时叶片受到的弯曲应力大大减小 甚至可为零 锥角效应 对于上风式风力机 要注意负锥角效应 4 陀螺效应 叶轮偏航时 桨叶除受到气动力的作用外 还受有离心力和旋转惯性力 在桨叶中产生附加力矩 陀螺效应 附加力矩的大小为 M 2I 1 三 轮毂 两种形式的轮毂 球形和叉形 一般采用球墨铸铁铸造而成轮毂是机组中受力最复杂的零件之一 因此需要进行详细的结构设计与疲劳强度分析 轮毂与叶片之间的联接有 固定式 铰链式 跷跷板式等形式 第四章机组电气系统 发电机并网运行控制系统基本运行过程 4 1发电机 一 常用的发电机种类1 同步发电机 基本构成定子定子铁心定子绕组 定子线圈 转子转子铁心 磁极 励磁绕组 转子绕组 发电原理 励磁绕组中通过直流电后 转子磁极磁化 产生磁场 原动机带动转子转动 转子磁场同时转动 与定子绕组相对运动 使其感应出交流电动势 发电机发出交流电 该交流电的频率取决于转子极对数p及转子的转速n f pn 60 Hz 当n改变时 f也改变 定子绕组中感应出的电动势 在外电路接通后产生交流电流 该电流也要在电机中产生旋转磁场 其转速称为同步转速 它由交流电频率f和定子绕组旋转磁场的极对数p1决定 n1 60f p1 r min 由于在这种发电机中 使得p1 p 则n1 n 故称为同步发电机 2 异步发电机 基本构造与同步发电机相似 异步电动机工作原理定子绕组接到交流电源上 定子在电机中产生旋转交变磁场 转速为同步转速n1 n1 60f p1 旋转磁场在转子绕组中产生感应电流 使转子绕组成为载流导体 它在旋转磁场中又受到电磁力的作用 于是就按照旋转磁场的方向转动起来 由于转子导体中的电流是靠电磁感应产生的 故又称为感应 式 电动机 由于转子绕组中的感应电流产生于转子相对于磁场的运动 而该感应电流又产生转子转动的电磁力 因此 转子转速n不能等于同步转速n1 异步电动机 滑差率定义 n1 n为转速差 滑差 s n1 n n1 100 为滑差率异步电动机的滑差率一般为1 5 6 用作发电机时 必须使转子转速n大于同步转速n1 此时 s小于0 二 双速发电机 1 问题 定桨距机组在低风速运行时的效率较低 由于转速恒定 而风速变化 如运行风速范围为3 25m s 如果设计低风速时效率过高 叶片会过早失速 发电机本身在低负荷时的效率问题 当P 30 的额定功率时 效率 90 但P 25 的额定功率时 效率将急剧下降 2 解决 采用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 5 如600Kw机组 6极 150Kw4极 600Kw1 3MW机组 6极 1300Kw4极 250Kw3 特点 叶轮和发电机在低风速段的效率提高 与变桨距机组在额定功率前的功率曲线差别缩小 4 双速发电机的功率曲线 功率大发电机功率曲线小发电机切换到大发电机小发电机功率曲线风速大发电机切换到小发电机发电机切换回差 4 2并网方式 风力发电机发出的电力通常以三种方式加以利用 独立供电 单独向负荷供电 储存能量 转变为化学能 势能 热能等能量形式 加以存储或使用 并网发电 是一种广义的储能方式 但却最为简便有效 技术难题 电压控制问题风能的不均匀性频率控制问题贮能问题解决途径之一 风力机并入电网运行 并网方式 直接并网并入强网间接并网并入弱网 一 直接并网 将发电机的交流输出直接并到电网上 连接示意图 特点 发电方式简化 所用电气设备和元件的总价格便宜 叶轮转速恒定 同步发电机 或接近恒定 异步发电机 风力机的功率必须是可调节的 使其波动在允许范围内 对所连接的电力系统 电网 的依赖程度较大 二 间接并网 将同步发电机发出的交流电通过逆变器并入电网 连接示意 特点 叶轮可变速运行 并网与解列时对电网的影响较小 电气设备的价格较高 使连接成本较大 三 软并网技术 叶轮带动异步发电机起动或转速接近同步转速时 与电网相连的每相双向晶闸管 两端与自动并网常开触点并联 逐渐同步打开 自动并网开关尚未动作 发电机通过双向晶闸管平稳进入电网 异步转速小于同步转速阶段 异步发电机作为电动机运行 转速差为零时 双向晶闸管全部导通 自动并网开关动作 常开触点闭合 短接已全部开通的双向晶闸管 发电机 自动并网开关 双向晶闸管 电网 转速升高 发电机输出功率 双向晶闸管自动关闭 发电机输出电流通过自动开关触点流向电网示意如图 4 3控制系统简介 一 控制系统的功能 使机组自动运行保持叶轮平面迎风使发电机并网与脱网控制叶轮的转速保护机组不至于在高风速时超速或损坏检测故障并发出维护与修理的警示 二 主动控制方式的控制量 叶轮转速风速振动量环境温度发电机温度发电频率与电压电力负荷输出功率电缆扭绕偏航误差刹车磨损 4 4定桨距机组的基本运行过程 一 待机状态当风速 3m s 但不足以将机组拖动到切入转速时的自由转动状态 发电机未并入电网 但机组已处于工作状态 控制系统已经做好切入电网的一切准备 机械刹车松开 叶尖阻尼板收回 叶轮处于迎风位置 液压系统的压力保持在设定值上 风况 电网和机组的所有状态参数均在控制系统检测之中 一旦风速增大 转速升高 发电机即可并网 二 机组的自起动 早期的定桨距机组的利用发电机起动 Motorstar 由于叶片气动性能的改进 叶轮在自然风速的作用下 不依靠其它外力的协助 将发电机拖动到额定转速 自起动 现在绝大多数定桨距机组均有良好的自起动性 一般在 4m s的风速条件下 即可自起动到发电机的额定转速 三 叶轮对风 当风速传感器测得10min平均风速 3m s时 控制器允许叶轮对风 偏航角度通过风向仪测定 同时延迟10s执行偏航 以免在风向扰动情况下的频繁动作 释放偏航刹车1s后 偏航电机根据指令执行偏航 偏航停止时 偏航刹车投入 四 制动解除 当自起动条件满足时 控制叶尖扰流器的电磁阀打开 压力油进入叶片液压缸 扰流器被收回与叶片主体合为一体 控制器收到反馈信号后 控制盘式制动器 机械刹车 松开 第五章风资源概述 风的一般知识 风的形成 风向与风速风的统计学 风向频率 风速频率风的能量 5 1风的一般知识 一 风的形成地球表面上 受太阳加热的空气较轻 上升到高空 冷却的空气较重 倾向于去补充上升的空气 这就导致了空气的流动 风 全球性气流 海风与陆风 山谷风的形成大致都如此 风能是太阳能的一种表现形式 局部加热与冷却 形成风 二 风向与风速 风向 风向 来风的方向 通常说的西北风 南风等即表明的就是风向 陆地上的风向一般用16个方位观测 即以正北为零度 顺时针每转过22 5 为一个方位 风向的方位图图示如下 NNNWNNENWNEWNWENEWEWSWESESWSESSWSSES 风速 风速 空气流动的速度 用空气在单位时间内流经的距离表示 单位 m s或km h 是表示风能的一个重要物理量 风速和风向都是不断变化的 瞬时风速 任意时刻风的速度 具有随机性因而不可控制 测量时选用极短的采样间隔 如 1s 平均风速 某一时间段内各瞬时风速的平均值 如日平均风速 月平均风速等 1 风速的周期性变化 风速的日变化 一天之中 风速的大小是不同的 地面 或海拔较低处 一般是白天风速高 夜间风速较低 高空 或海拔较高处 则相反 夜间风强 白天风弱 其逆转的临界高度约为100 150m 风速的季节变化 一年之中 风的速度也有变化 在我国 大部分地区风的季节性变化规律是 春季最强 冬季次之 夏季最弱 2 影响风速的主要因素 垂直高度 由于风与地表面摩擦的结果 越往高处风速越高 定量关系常用实验式表示 V z Vr z zr V 高度z处的风速 Vr 参考高度zr处的风速 测得 地表摩擦系数 或地表面粗糙度 取值范围 0 1 光滑 0 4 粗糙 地形地貌不同地形与平坦地面的风速比值不同地形平坦地面的平均风速 3 5m s 山涧盆地0 95 0 85山背风坡0 9 0 8山迎风坡1 10 1 20峡谷口或山口1 30 1 40 地理位置海面上的风比海岸大 沿海的风比内陆大得多 障碍物风流经障碍物后 将产生不规则