风力发电变桨系统

1、 新能源与动力工程学院 浅谈变桨距风力发电机组及前景 专业风能与动力工程 班级1201班 姓名高涌东 学号201211605 摘 要能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。传统的化石燃料虽能解决能源短缺的问题，却给环境造成了很大的破坏，而风能具有无污染、可再生、低成本等优点，所以其受到世界各国的重视。本文首先在对风力发电原理，风电机组研究的基础上从变桨距风力机空气动力学研究入手，分析了变桨距控制的基本规律，再结合目前国内主流的变桨距控制技术分别设计出了液压变桨距控制，电动变桨距控制的方案，最后在此基础上提出了一种较为理想的控制策半桨主动失速控制。关键词：风力发电，变桨距控制，伺服系统

2、第一章 风力发电机组概述1.1 风力发电的原理 风力发电的原理是利用风力带动风车桨叶旋转，再通过增速器将旋转的速度提升，来促使发电机发电。简单地说就是风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能。现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非“推”动风轮桨叶，而是吹过桨叶形成桨叶正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据Betz定律，理论上风电机能够提取的最大功率是风的功率的59.6%。但大多数风电机只能提取风的功率的40%甚至更少。1.2 风力发电机组的组成风力发电机组是风力发电系统最重要组

3、成部分，其主要由以下几部分组成：风轮（包括桨叶和轮毅）、传动机构（包括低速轴、齿轮箱和高速轴）、发电机、刹车机构、偏航机构、变桨距机构、塔架、变流器、传感器和控制系统等组成。如图2.1所示。机舱：包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。风轮：桨叶安装在轮毂上称作风轮，它包括桨叶、轮毂、主轴等。风轮是风力发电机接受风能的部件。桨叶：是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个转子桨叶的测量长度大约为20米桨叶数通常为2枚或3枚，大部分转子桨叶用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。桨叶可分为变浆距和定浆距两种桨叶，其作用都是为了调速，当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采

4、取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。轮毂：是连接桨叶和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。发电机：是风力发电机组中最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机（100-150千瓦）通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁（或在塔内）的变压器被提高至1到3万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种： 直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。 永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压440/240

5、V的高效永磁交流发电机，可以做成多对极低转速的，特别适合风力发电机。 同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低，当并网时转速应提高。塔架：是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。 图2.1 风力发电机组结构图1-桨叶 2-轮毂变桨距系统 3-主控系统 4-制动系统 5-齿轮箱 6-高速轴7-发电机 8-机舱 9-偏航系统 10-塔架 11-供电系统 12-基座1.3 风电机组的分类风力发电机组的分类有许多种，但主要是按功率控制方式、发电机控制方式进行分类的。1.3.1 按功率控制方式分类根据功率

6、控制的方式不同，可将风电机组分为以下三种：（1）定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流将在桨叶的表面产生涡流，使效率降低，产生失速，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。定桨失速调节型的优点是失速调节由指桨叶本身完成，简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但是在输

7、入变化的情况下，风力发电机组只有很小的机会能运行在最佳状态下，因此机组的整体效率较低。通常很少应用在兆瓦级以上的大型风力机上。（2）变桨距调节型风力发电机组变奖距是指安装在轮毂上的桨叶通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制，使发电机运行在最佳状态下。（3）主动失速调型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点

8、，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，所以控制相对容易，输出功率也更加平稳，更容易与电网并网。1.3.2按发电机控制方式分类的风力机组根据风力发电机控制方式又可将风电机组分为恒速恒频和变速恒频两种：（1）恒速恒频恒速恒频方式保持发电机的转速不变，从而得到恒频的电能。由于风速经常变化，显然为风能利用系数不可能保持在最佳值，不能最大限度地捕获风能，效率相对较低。（2）变速恒频变速恒频方

9、式中发电机的转速随风速变化，而通过适当的控制得到恒频电能。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无

10、功功率，改善电能质量。变速恒频方式控制复杂、成本高、需要避免共振的产生。1.4 风力发电控制系统简介控制系统组成主要包括各种传感器、变桨距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、偏航控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控等。其控制系统结构示意图如图2.2所示。图 2.2 风力发电机组控制系统结构图1.4.1 变桨距系统变桨距也就是调节桨距角。在风电机组中，通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距被动失速调

11、节的许多缺点。桨距角最重要的应用是功率调节，桨距角的控制还有其他优点。当风轮开始旋转时，采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩。停机的时候，经常使用90°的桨距角，因为在风力机在刹车制动时，这样做使得风轮的空转速度最小，也能起到保护桨叶的作用。在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能多地捕捉较多的风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速之上时小，因此也没有必要通过变桨距来调节载荷。然而，恒速风力发电机组的最佳桨距角随着风速的变化而变化，因此对于一些风力发电机组，在额定风速以下时，桨距角随风速仪或功率输出信号的变化而缓慢地改变桨距角度。在额定风速以上时

12、，变桨距控制可以有效的调节风力发电机组吸收功率及叶轮产生的载荷，使其不超过设计的限定值。然而，为了达到良好的调节效果，变桨距控制应该对变化的情况作出迅速的响应。这种主动的控制器需要精确地设计，因为它会与风力发电机组的动态特性产生相互影响。当达到额定功率时，随着桨距角的增加攻角会减小，攻角的减小将使升力和力矩减小。此时气流仍然附着在桨叶上。高于额定功率时，桨距角所对应的功率曲线与额定功率曲线相交，在交点处给出了所必需的桨距角，用以维持该风速下的额定功率。 这样无论在额定风速以下还是以上具有变桨距控制的风电机组就能输出额定的功率，也就是说其能输出稳定的电压。这样其产生的电能就能很容易并入电网从而被

13、消耗。1.4.2 偏航系统风电机组的偏航系统也称为对风装置，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。小微型风力机常用尾舵对风，它主要有两部分组成，一是尾翼，装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角度。为了避免尾流的影响，也可将尾翼上翘，装在较高的位置。中小型风机可用舵轮作为对风装置，其工作原理大致如下：当风向变化时，位于风轮后面两舵轮（其旋转平面与风轮旋转平面相垂直）旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。1.4.3 制动系统 风力发电制动分两部分，气动制动与机械制动。气动制动就在定桨风机上就是让桨叶的液压缸

14、动作，使叶尖的扰流在离心力的作用下甩出，转动90度，产生气动阻力，实现气动制动。机械制动（也称为驻车刹车Parking Brake)就是在风机齿轮箱高速轴端或（小风机）低速轴端安装有盘式刹车，利用液压或弹簧的作用，使刹车片与刹车盘作用，产生制动力矩，因为机械刹车在制动时产生很大的热量（大多数的风机着火都是因为这个），所以一般情况下只在转速很低的情况下才动作。一般正常停机的的情况下，先动作气动制动，当转速下降到一定转速后再动作机械制动。紧急制动就是气动制动与机械制动一起动作。对于变桨距风电机组，根据不同的变桨距结构有不同的制动模式，对于不同模式有不同的控制时序，制动流程就复杂的多，这里就不再详细

15、介绍。1.5 本章小结本章主要介绍了风力发电的原理，风电机组各部位及其作用，风电机组的类型以及主要控制系统。风力机对风能进行收集，发电机使风能转化为电能，各种控制系统、电气系统执行相应的程序等等这些都是风电机组的内核，一台风电机组的是否合格，是否能满足不同环境场合的使用都取决于机组的性能。所以说风电机组的各个部位以及基础的控制系统是每台机组的骨骼与肌肉，缺一不可。 第二章 风力发电变桨距控制系统简介2.1 风力发电的空气动力学基础风力发电是以风能为动力，以流体力学为理论基础。具体内容如下。由流体力学可得，气流的动能为： （式3.1） 式中 m为气体质量 v 为气流速度。设单位时间内气流流过截面

16、积为S的气体的体积为V，则： （式3.2）如果以p表示气体的密度，该气体的空气质量为： （式3.3）这是气流的所具有的能量为： （式3.4）上式即为风能的表达式。从风能的公式可以看出风能的大小与气流的密度和通过的面积成正比，与气流的速度立方成正比，其中密度和速度随地理位置、海拔、地形等因素有关。2.2 变桨距变桨距是指安装在轮毂上的桨叶不是固定的，可以借助控制技术改变其桨距角的大小。机组在定桨距基础上加装桨距调节环节，使桨叶可绕自身轴转动，称为变桨距风力发电机组。变桨距调节型风力发电机为了尽可能提高风力发电机风能转换效率和保证风力发电机输出功率平稳，风力机可进行桨距调整。变桨距风力发电机组的功

17、率调节不完全依靠桨叶的气动特性，它要依靠与桨叶相匹配的桨叶攻角改变来进行调节。在额定风速以下时攻角处于零度附近，此时，桨叶角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同于定桨距风力发电机。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整桨叶攻角，保证发电机的输出功率基本保持不变。变桨距调节的主要优点是：桨叶受力较小。由于桨距角可以随风速大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的捕获风能，又可以在高风速时保持输出功率平稳，不致引起发电机的过载，还能在风速过大（超出切出风速）时通过顺桨（桨叶的几何攻角趋于零升力的状态）防止对风力发电机组的损坏。其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。2.3 变桨距控制过程

18、变桨距控制主要是对这两个工况进行控制：（1）风速低于额定风速；（2）风速高于额定风速。具体分析如下：变速变桨距风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现：在额定风速以下时，保持最优桨距角不变，采用最大功率跟踪法，通过变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化，使风能利用系数保持最大，风机一直运行在最大功率点：在额定风速以上时，通过变桨距系统改变桨距角来限制风轮获取能量，使风力发电机组保持在额定功率发电。而对于定桨距风力发电机组，在此风速高于额定的风速范围内，由于其桨距角不能改变，只能通过风机的失速特性来降低风能的吸收，因此在风速高于额定时不能维持额定功率输出，输出功率反而会下降。变桨距风电机

19、组的运行过程可以划分为以下四个阶段： 风速小于切入风速； 风速在切入风速和额定风速之间； 风速在额定风速和切出风速之间； 风速大于切出风速。在风速小于切入风速时，机组不产生电能，桨距角保持在90°；在风速高于切入风速后，桨距角转到0°。机组开始并网发电，并通过控制变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化，使风能利用系数保持最大，捕获最大风能；在风速超过额定值后，变桨机构开始动作，增大桨距角，减小风能利用系数，减少风轮的风能捕获，使发电机的输出功率稳定在额定值；在风速大于切除风速时，风力机组抱闸停机，桨距角变到90°。以保护机组不被大风损坏。2.4 变桨距控制

20、的特点2.4.1 输出功率特性变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠桨叶的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将桨叶节距角置于零度附近，不作变化，可以认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据桨叶的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整桨叶节距角，将发电机的输出功率限定在额定值附近。2.4.2 风能利用率变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速阶段的风能利用系数较高。当风速接

21、近额定点，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高，功率上升己趋平缓，而过了额定点以后，桨叶开始失速，风速升高，功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。2.4.3 额定功率 由于变桨距风力机的桨叶桨距角是根据风力机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变化的影响。故无论是由于温度变化还是由于海拔引起的空气密度的变化，变桨距系统都能够通过调节桨叶桨距角，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力机来说，具有明显的优越性。大大扩大了风力机的使用区域和使用时间。2.4.4 启动与制动性能变桨距风力机