b第二章定桨恒速风力发电机组的控制

1、风风 电电 机机 组组 检检 测测 与与 控控 制制 第二章定桨恒速风力发电机组的控制第二章定桨恒速风力发电机组的控制 第一节定桨恒速风力发电机组的工作原理第一节定桨恒速风力发电机组的工作原理 第二节定桨恒速风力发电机组的监测与运行控制第二节定桨恒速风力发电机组的监测与运行控制 第三节定桨恒速风力发电机组的发电过程控制第三节定桨恒速风力发电机组的发电过程控制 第四节定桨恒速风力发电机组的制动与保护系统第四节定桨恒速风力发电机组的制动与保护系统 第一节第一节 定桨恒速风力发电机组的工作原理定桨恒速风力发电机组的工作原理 一、叶轮结构一、叶轮结构 二、桨叶的失速调节原理二、桨叶的失速调节原理 三、

2、叶尖扰流器三、叶尖扰流器 四、双速发电机四、双速发电机 五、功率输出五、功率输出 六、桨距角与额定转速的设定对功率输出的影响六、桨距角与额定转速的设定对功率输出的影响 一、叶轮结构一、叶轮结构 定桨恒速风力发电机组的主要结构特点：桨叶与轮毂定桨恒速风力发电机组的主要结构特点：桨叶与轮毂 的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不 能随之变化。能随之变化。 这一特点给定桨恒速风力发电机组提出了几个必须解这一特点给定桨恒速风力发电机组提出了几个必须解 决的问题决的问题: 一是当风速高于叶轮的设计点风速即额定风速时，桨一是当风速高于叶轮的设计点风

3、速即额定风速时，桨 叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力 发电机组上所有材料的物理性能是有限度的，发电机组上所有材料的物理性能是有限度的，桨叶的这桨叶的这 一特性被称为自动失速性能；一特性被称为自动失速性能； 二是运行中的风力发电机组在电网突然失电或其他紧二是运行中的风力发电机组在电网突然失电或其他紧 急情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机急情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机 组能够在大风情况下安全停机。组能够在大风情况下安全停机。 一、叶轮结构一、叶轮结构 早期定桨恒速风力发电机组的叶轮并不具备制动能力，脱网时

4、早期定桨恒速风力发电机组的叶轮并不具备制动能力，脱网时 完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械制动装置通过摩擦制动，完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械制动装置通过摩擦制动， 即通过摩擦力做功耗尽风力发电机组的旋转动能来实现制动。即通过摩擦力做功耗尽风力发电机组的旋转动能来实现制动。 这对于数十千瓦的机组来说问题不大，但对于大型风力发电机这对于数十千瓦的机组来说问题不大，但对于大型风力发电机 组如果只采用摩擦制动，就会短时间在局部位置上产生巨大的热量组如果只采用摩擦制动，就会短时间在局部位置上产生巨大的热量 ，对机组的安全性和传动系统的结构强度产生严重的影响。对机组的安全性和传动系统的结构强度产

5、生严重的影响。 1956 1956年，丹麦工程师年，丹麦工程师Johannes JuulJohannes Juul针对定桨恒速风力发电机发针对定桨恒速风力发电机发 明了明了紧急叶尖气动刹车紧急叶尖气动刹车。当风力机超速时，通过离心力的作用将叶。当风力机超速时，通过离心力的作用将叶 尖气动阻尼板释放。为控制风力机转速提供了新的技术方案。尖气动阻尼板释放。为控制风力机转速提供了新的技术方案。 20 20世纪世纪8080年代，桨叶开发商以此为基础完成了年代，桨叶开发商以此为基础完成了叶尖扰流器叶尖扰流器的设的设 计，并成功地应用在失速性桨叶上，解决了在高风速情况下的安全计，并成功地应用在失速性桨叶上

6、，解决了在高风速情况下的安全 停机问题，使定桨恒速风力发电机组在相当长的时期内占据了主导停机问题，使定桨恒速风力发电机组在相当长的时期内占据了主导 地位，直到推出兆瓦级变速恒频风力发电机组。地位，直到推出兆瓦级变速恒频风力发电机组。 当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯 曲而使气流加速，压力较低；曲而使气流加速，压力较低； 凹面较平缓而使气流速度缓慢，压力较高，因而产生凹面较平缓而使气流速度缓慢，压力较高，因而产生 升力。升力。 二、桨叶的失速调节原理二、桨叶的失速调节原理 桨叶的失速性能是指它在最大升力系数桨叶的失速性能是指它在最大升力

7、系数Clmax附近的性能。附近的性能。 一方面，当桨叶的安装角一方面，当桨叶的安装角不变，随着风速增加攻角不变，随着风速增加攻角i增大时，升力系数增大时，升力系数Cl线线 性增大；在接近性增大；在接近Clmax时，增大变缓；达到时，增大变缓；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；在升力开始减小时，初期不断增大；在升力开始减小时，Cd继续增大，这继续增大，这 是由于气流在叶片上的分离区随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流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 动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差

8、减小，致使阻力激增，升动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，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，如图力减小，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、桨叶的失速调节原理二、桨叶的失速调节原理 图图2-1桨叶的失速原理桨叶的失速原理 气流动能为气流动能为 m 空气质量，空气质量，v 气流速度气流速度 密度为密度为的气流过面积的气流过面积 S 的气体体积为的气体体积为 V，M= V= Sv 则单位时间内气流所具有的动能为则单位时间内气流所具有的动能为 理想风轮与贝兹（理想风轮与贝兹（Betz）理论：）理论： 前后空气体积相等：前后空气体

9、积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= Sv(v1-v2) 风轮吸收的功率风轮吸收的功率P=Fv= Sv2 (v1-v2) 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化：风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： 令两式相等，得令两式相等，得 经过风轮风速变化产生的功率为经过风轮风速变化产生的功率为 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为，代入后得到的最大理想功率为 与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：与气流扫掠面积风的能量相比，可得风

10、力机的理论最大效率： 1. 风力机能量转换过程风力机能量转换过程 2 2 1 mvE 3 2 1 SvESv1Sv Sv2 )( 2 1 2 2 2 1 vvSvE 2 21 vv v )( 4 1 21 2 2 2 1 vvvvSP 0 2 dv dP 12 3 1 vv 3 1max 27 8 SvP 593. 0 27 16 max max E P 1、风能利用系数、风能利用系数 ： 风力机的实际功率风力机的实际功率 其中其中CP为风能利用系数，它小于为风能利用系数，它小于0.593 2、叶尖速比、叶尖速比 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比为了表示

11、风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比 PS SCvP 3 1 2 1 2、风力机的主要特性系数、风力机的主要特性系数 P C v Rn 2 0.2 0 0.1 0.3 0.4 0.5 13 1024 15 68 切出风速 12141618 切入风速 额定风速 2 6 10 9 8 7 5 4 3 1 恒定功率 Cp 1、桨叶的翼型、桨叶的翼型 l 3、桨叶的几何参数与空气动力特性、桨叶的几何参数与空气动力特性 0 i 功角 升力角 零升力角 风向 弦长 v 攻角攻角：来流方向与弦线的夹角：来流方向与弦线的夹角i 零升力角零升力角：弦线与零升力线夹角：弦线与零升力线夹

12、角 升力角升力角：来流方向与零升力线夹角：来流方向与零升力线夹角0 3、桨叶的几何参数与空气动力特性、桨叶的几何参数与空气动力特性 i v A B 2、桨叶上的气动力、桨叶上的气动力 2 2 1 SvCF r 总的气动力总的气动力，S 桨叶面积，桨叶面积，Cr 总气动系数总气动系数 C 压力中心 2 2 1 SvCF ll 2 2 1 SvCF dd 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 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算 的

13、原始依据。的原始依据。 i l C d C 4、升力和阻力的变化曲线、升力和阻力的变化曲线 -30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o 0.8 0.6 0.4 0.2 M i -0.2 minl C 升力系数与阻力系数是随攻角变化的升力系数与阻力系数是随攻角变化的 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，使得 桨叶的升力增加，但当增加到某个角桨叶的升力增加，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。出现最大升力的点叫失速点。升。出现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

14、、翼型厚度、前 缘位置）、表面粗糙度等都会影响升缘位置）、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。 对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流， 造成阻力增加，造成阻力增加， i 5、旋转桨叶的气动力、旋转桨叶的气动力 风向风向 v - u w 运动旋转方向运动旋转方向 安装角（桨距角、节距角）：安装角（桨距角、节距角）： 回转平面与桨叶截面弦长的夹角回转平面与桨叶截面弦长的夹角 I 倾斜角倾斜角 RnRu2 相对相对 速度速度 dF气流气流W产生的气动力产生的气动力 dL气流升力气流升力 dD气流阻力气流阻力 dSwCdL l 2 2 1 dSwC

15、dD d 2 2 1 I 轴向推力轴向推力dFa=dLcosI+dDsinI I 旋转力矩旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI) 驱动功率驱动功率dPw=dT 风输入的总气动功率风输入的总气动功率P=vFa 旋转轴得到的功率旋转轴得到的功率Pu=T 风轮效率风轮效率=Pu/P 6、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机Cp曲线）曲线） 有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使 风力机效率有所下降。风力机效率有所下降。 实际风力机曲线如下图所示：实际风力机曲线如下图所示： p C Betz极限

16、 理想的Cp曲线 实际的Cp曲线 失速损失 型阻损失 0 因桨叶的安装角因桨叶的安装角不变，风速增加不变，风速增加升力增加升力增加升力变缓升力变缓 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渐增加，根部先进入失速，随风叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风 速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分功率减少，未失速部分功速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分功率减少，未失速部分功 率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。 二、桨叶的失速调节原理二、桨叶的失速调节原理 三、叶尖扰流器三、叶尖扰流器 图图2-2叶尖扰流器结构叶尖扰流器结构

17、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，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80 90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。 叶尖扰流器叶尖扰流器 对于失速机组，叶片端部（叶尖）采用制动，超速保护。对于失速机组，叶片端部（叶尖）采用制动，超速保护。 制动时叶

18、尖部分绕叶片轴向旋转制动时叶尖部分绕叶片轴向旋转9090度，实现制动功能。度，实现制动功能。 四、双速发电机四、双速发电机 在整个运行风速范围内在整个运行风速范围内(3m/s-25m/s)由于气流对桨叶的攻角是由于气流对桨叶的攻角是 在不断变化的，如果风力发电机组的转速不能随风速的变化而在不断变化的，如果风力发电机组的转速不能随风速的变化而 调整，这就必然要使叶轮在低风速时的效率降低调整，这就必然要使叶轮在低风速时的效率降低(但如果将最高但如果将最高 效率点设置在低风速区，则会使桨叶过早进人失速状态效率点设置在低风速区，则会使桨叶过早进人失速状态)。同时。同时 发电机本身也存在低负荷时的效率问

19、题。尽管目前用于风力发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计得非常理想，它们在电机组的发电机已能设计得非常理想，它们在P25%额定功率额定功率 范围内，均有高于范围内，均有高于90%的效率，但当的效率，但当P25%额定功率时，效率额定功率时，效率 会急剧下降。为了解决低风速时的效率问题，有一些定桨恒速会急剧下降。为了解决低风速时的效率问题，有一些定桨恒速 风力发电机组采用双速发电机，分别设计成风力发电机组采用双速发电机，分别设计成4极和极和6极。极。 一般一般6极风力发电机的额定功率设计成极风力发电机的额定功率设计成4极发电机的极发电机的1/4一一1/5

20、。 例如例如600kW一般设计成一般设计成6极极150kW和和4极极600kW，750kW风力发风力发 电机组设计成电机组设计成6极极200kW和和4极极750kW。 这样当风力发电机组在低风速段运行时，不仅桨叶具有较高这样当风力发电机组在低风速段运行时，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。的气动效率，发电机的效率也能保持在较高水平。 四、双速发电机四、双速发电机 五、功率输出 根据风能转换的原理，风力发电机组的功率输出主根据风能转换的原理，风力发电机组的功率输出主 要取决于风速。但除此以外，气压、气温、海拔高度和要取决于风速。但除此以外，气压、气温、海拔高度和 气流

21、扰动等因素也会显著影响风力发电机组的功率输出，气流扰动等因素也会显著影响风力发电机组的功率输出， 如图如图2-42-4所示。所示。 因为定桨距叶片的标准功率曲线是在空气的标准状因为定桨距叶片的标准功率曲线是在空气的标准状 态下计算出来的，这时空气密度态下计算出来的，这时空气密度=1.225kg/m3=1.225kg/m3。当气。当气 压与气温变化时，压与气温变化时，会跟着变化，一般当温度变化土会跟着变化，一般当温度变化土 1010时，相应的空气密度变化可达土时，相应的空气密度变化可达土4%4%。而桨叶的失速。而桨叶的失速 性能只与风速有关，只要达到了叶片气动外形所决定的性能只与风速有关，只要达

22、到了叶片气动外形所决定的 失速调节风速，不论是否满足输出功率，桨叶的失速性失速调节风速，不论是否满足输出功率，桨叶的失速性 能都要起作用，影响功率输出。因此当气温升高时，空能都要起作用，影响功率输出。因此当气温升高时，空 气密度就会降低，相应的功率输出就会减少；反之，功气密度就会降低，相应的功率输出就会减少；反之，功 率输出就会增大，对于一台率输出就会增大，对于一台750kW750kW的定桨恒速风力发电的定桨恒速风力发电 机组，在冬季和夏季可能会出现机组，在冬季和夏季可能会出现303050kW50kW，甚至更大的，甚至更大的 功率偏差。功率偏差。 五、功率输出 图图2-4空气密度变化对功率输出的影响空气密度变化对功率输出的影响 对于全桨变距控制对于全桨变距控制(包括主动失速控制包括主动失速控制)的风力发电机的风力发电机 组，这个问题可以得到圆满解决，这类风力发电机组在组，这个问题可以得到圆满解决，这类风力发电机组在 达到额定功率以前，桨距角都基本固定在最佳角度上，达到额定功率以前，桨