同步变桨距式风力机的变桨原理及应用

同步变桨距式风力机的变桨原理及应用

1防止风轮叶片改变的设计条件目前，主要的风力机叶片的旋转形式为可变茎的距离。风力机可根据风速变化调整叶片的间距，并将风力机在特定风速范围内的风利用率计算为合理的值。常规变桨距式风力机设计时所考虑的是在一定风速下风力机风轮叶片所要实现的桨距变化,进而改变叶片的攻角。风轮叶片的改变是各叶片同步的,即各叶片无论在何时的安装角都相同。设计的假定前提是在整个风轮扫掠面内风速是相同的。但实际上由于风速存在高度的切变,叶片处在最顶端和最底端风速是不同的,这样设计的风力机各风轮叶片在实际运行中的上、下位置时所得到的升力是不同的,即叶轮运行中存在额外阻力,影响风力机的输出功率和减少风力机的使用寿命。要解决这个问题需要改变风力机变桨距控制系统对叶片的同步控制现状,实现风力机对叶片的异步控制。2分析和解决2.1同时，变距法的输送中的输送分析(1)工作下的状态同步变桨距式风力机在设计时假设风速在整个风轮扫掠面内都是相同的,按照经典叶素理论分析风力机叶片在工作下的状态见图1。图1中,β为安装角或节距角,是半径r处回转平面与桨叶截面翼弦的夹角;I为倾角,是长度为dr的叶素所受气流方向与回转平面的夹角;i为攻角,i=I-β。对于每个r值的风力机叶片的倾角可以由cotI=32λ=32λ0rR得出。式中:λ为半径r处所对应的尖速比;R为叶片长度。(2)空气动力系数cv对长度为dr的叶素进行分析如下:F=1/2ρCvSV2(1)式中:ρ—空气密度;S—叶片面积,叶片长×翼弦;CV—总的空气动力系数。其中CV可分为两个分力:平行与空气速度的阻力Fd;垂直于空气速度的升力Fl。这样式(1)可写为:Fl=1/2ρClSV2(2)Fd=1/2ρCdSV2(3)其中Cl和Cd分别为升力系数和阻力系数,它们只与叶片的攻角有关,属于叶片翼型的物理特性。对叶片整体受力分析时,叶片总的受力可根据积分法则,对叶片进行积分求得。2.2联合测距式风机的缺点分析(1)风轮扫阶段内的风速变化同步变桨距式风力机设计时的前提假定条件是风速在整个风轮扫掠面内是相同的。但这个条件在本质上是不成立的,因为风速在高度上存在与高度相关的切变。风速会随高度的增加而增加,增加的程度是由风的切变现象决定的。(2)最佳升力比和阻力同步变桨距式风力机设计时不考虑风速在风轮扫掠面内的高度切变,按给定尖速比以及叶片翼型的最佳升阻比的攻角计算出叶片的安装角,变桨时各叶片同步变化安装角。升力系数与阻力系数和攻角的关系见图3、4。每种翼型的升力系数与阻力系数都有固定的关系,升阻比为Cl/Cd。反映升阻比关系的曲线称为埃菲尔极曲线(Eiffelpolar),见图5。曲线上每个点对应一个攻角状态,当取M0点时,从O点与之连线与曲线相切,此点为最佳升阻比点,其对应的攻角为该翼型的最佳攻角。因为风力机风轮扫掠面内风速是不同的,所以风力机的各个叶片在风轮扫掠面内各个位置的尖速比也应该是不同的。根据尖速比与风力机攻角的关系可知,风力机叶片在整个扫掠面内的攻角随高度发生一个周期性的变化。目前,同步变桨距式风力机在实际运行中的各个叶片在扫掠面内的任意时刻的尖速比是相同的。如图6所示,假设风轮叶片只有在某一高度如a点和c点位置时达到最佳升阻比的攻角,但风轮叶片在其他点如b点和d点不能达到最佳升阻比的攻角,即偏离O-M0线所对应的位置。按照升力系数和攻角、阻力系数和攻角的关系图,可以知道各叶片在任意时刻得到的升力和阻力是不同的。这样同步变桨距式风力机最大的问题就是——风力机在运行中就存在额外的阻力。风力机叶轮要承受由于叶片的受力不同导致的额外内应力,缩短风力机的叶轮使用寿命,进而使风力机的使用年限降低,影响风电场的整体经济效益。2.3解决方法要解决上述问题,需改变风力机对各叶片变桨控制的同步性,实现风力机各叶片的异步变桨,使叶片无论在任何位置都处于最佳升阻比状态。(1)风轮直径取值的计算在计算风速的高度切变时一般采用统计公式VV0=(HH0)n。式中:V0是距地面H0观测到的风速,一般H0的值为10m;V是高度H的风速。统计公式的不足是未考虑地面粗糙度长度因素。考虑地表面粗糙长度z0后,上式变为以对数法表示如下:VV0=ln(H/z0)ln(H0/z0)(此式适用范围为30～50m高度)。H和H0不应看成距地面的高度,而是距零风速平面的高度。对n取值计算时可按下式:n=0.04lnz0+0.003(lnz0)2+0.24目前风力机一般轮毂高度都大于50m,风轮直径与之相似。计算时应注意各式的前提条件。当叶片在轮毂下方时可利用风速切变对数公式,叶片在轮毂上方时可利用风速切变统计公式。计算出风力机风轮扫掠面内各点的风速后,用数值方法拟合出在风轮扫掠面内的风速的变化方程。(2)原尖速比的计算风力机叶片在整个扫掠面内的尖速比是不相同的,引入修正尖速比的概念。即把λ0变为λ修正。原尖速比的计算公式为:λ0=nπr/V0(4)cotI0=32λ0(5)式中:n—风轮转速,rad/s;V0—基准风速,m/s。把叶片各位置的实际尖速比代入,解出风力机叶片扫掠面内各叶片的实际倾角I修正。计算叶片最佳安装角:β修正=I修正-i(3)最佳升阻比位置上述计算得出的一系列方程均为风速的函数,异步变桨机构所要实现的功能是在正常运行中使各叶片安装角β一直处于由风速值确定的β修正位置,即风轮各叶片始终处于最佳升阻比位置。异步变桨是根据轮毂高度上任一风速值为基本风速,折算出风轮扫掠面内叶片的最佳安装角,再由异步变桨机构实现的过程。2.4个运行周期内在最基本组织非线性递增安装角β修正与β原始差值的变化规律是:在一个运行周期内(在瞬时风速可认为是定值),从叶片在最项端开始到叶片在最底端的非线性递增过程;再由叶片最底端到叶片在最顶端的相反过程。(1)桨距控制器求取叶片在最底端变桨距机构由一个微处理单元控制,对其要求是:实现在任意一个叶片运动周期内,从叶片最顶端开始以某一加速度改变桨距,直到叶片到达最底端;而后又执行相反的操作。(2)机风轮叶片始终保持最佳升阻比状态异步变桨根据风速的大小调节变桨速度,在有效风速范围内使风力机风轮叶片始终保持在最佳升阻比的状态。在风力机工作时,可以减少风力机阻力、减少风力机叶轮叶片的内部应力、提高风力机的输出功率,从而延长风力机叶片的使用寿命,加长风力机的使用年限。(3)提高风电场的经济效益虽然每台风力机加装了异步变桨机构使单台风力机成本会有一些增加,但是整个风电场的发电能力有一定程度提高,风力发电机组的使用年限也有增加,这将会使风电场的经济效益得到很大程度的提高。3风力机变桨距控制原理异步变桨的风力机调节机构,可调节叶片使其一直处于最佳升阻比状态,使变桨距式风力机在风速低于额定风速时获得较好的功率输出,在风速高于额定风速时减少风力机风轮的内