2024永磁直驱风力发电机组的设计与技术

目录TOC\o"1-2"\h\u4313 431284第1 619831.2 14138801.3 15188601.4 1715731.5 20127791.6 22312271.7 25130111.8 28152691.9 3150681.10 34198221.11 40195731.12 41135801.13 43199511.14玻璃纤维/聚酯和玻璃纤维/（表1-4～ 48164451.15 54214071.16 57140841.17 61242941.18 62125461.19 64239591.20 6511917第2 99146532.2 100233982.3 107157252.4 110205482.5 117301282.6 11844892.7 128265782.8 130155882.9 131301062.10 13393812.11 134187332.12 140202372.13 14424812.14 146166222.15 155168762.16 15630276第3 158289133.1 158165723.2 163156403.3 169172123.4 172173663.5 181150833.7 19054213.9 1962387第4 20181424.3 203206104.5 209151444.6 21014688第5章 21399665.2 215321485.3 219214735.4 233229565.5 235102125.6 244290285.7 246162835.8 247161905.9 2515575.12 289127485.13 294163465.14 300永磁直驱风力发电机组可以在额定转速的30～120范围内工作并网发电，提高了技术。然而我国中小型永磁直驱风力发电机已有20（CP），又要符合电机和风轮的匹配，所（CP）（CM）只要计算得准确，永磁发电机的功率曲线是经过测定的，第1几何弦，一般用C（与弦NACA632-图1-1（未出现较大分离以前），图1-2（升力）和一个力矩，如图1-2所示，这个合成理论上，薄翼的为0.109651，实验值略小；23012为0.1061。实验值略很重要，做风力机的性能计算时，往往要按去计算升力系数。升力为零的攻角称为零升角，记为α0，而过后缘点与几何弦成α0阻力曲线有个最低点，称为最小阻力系数，记为dn。它所对应的升力系数不一定是零，一般有弯度的翼型，其dn所对应的都是一个不大的正值。在dn的两边，DRe=6.0×106时Cdmin为0.0103，而光洁模型在Re=6.0×106时Cdmin只有0.0063。层流翼型的图1-3力机翼型主要选自航空翼型，如NACA44系列、NACA632-6、NACA632-4运行，一般在106（攻（攻角）图1-4翼型升力特性通常用翼型升力系数随攻角变化的曲线来表示。翼型升力特性与绕着流区的攻角范围从10～10；失速区的攻角范围从10～30；深失速区的攻角范围从薄翼分离一般出现在相对厚度6的薄翼型上，特别是雷诺数较低的时候，薄翼型气泡。气泡开始很短，只有弦长的2～3，随着攻角的增加，向后缘迅速扩展。攻角增大到一定角度时，气泡不再附着，所以，这种薄翼型的升力曲线很早就开始弯曲，最大升力系数也很小，仅1.0左右。在失速前后升力曲线变化缓慢。后缘分离一般出现在相对厚度大于15开始，即后缘处湍流分离。随着攻角的增加，分离点逐渐前移，上表面的分离区逐渐扩大，但这时升力系数仍继续增加，直到超过临界迎角后，升力系数才缓慢地减小。（主要是前缘形状和相对厚度）翼型的阻力特性可以用翼型阻力系数随攻角变化的阻力曲线来表示，也可以用翼后，翼型阻力主要是压差阻力，阻力系数随攻角的增大而迅速增大；当攻角增大到时，阻力特性和平板相类似，阻力系数接近于2.0（焦点）的力矩系数保持不变；翼型气动中心一般位于翼型的1/4弦点附近，（前缘钝度）对翼型的最大升力系数有重要影响。通常可用翼型上表面6%NASALS系列翼型较NACA系列翼型有更高的最大升力系数；对NASALS系列翼型，相对（中弧线）1-5所示。设原翼型相对厚度为，改型后翼型相对厚度为，则厚度改型系图1-5在保持中弧线不变时，改型后翼型上翼面的坐标y′u和下翼面的坐标y′d式中：yu为原翼型上翼面坐标；yd（一般）变化较小。但如果，改型后翼型相对弯度为，则弯度改型系（上风向或下外，还要用专门的风力机翼型，如美国系列、瑞典系列、荷兰系列等。系列翼型有较好的空气动力特性，其最大升力系数较小是为了满足定桨距失速叶片控制功率输出的需要。另外，该翼型的最大升力系数对表面粗糙度不敏感。（r/R=0.3）（r/R=0.95）附近布置的翼型除了有好的图1-61.5风轮实度是风轮叶片对风的投影总面积与风轮扫掠面积的比值，用σ（推力）的周期变化要大一些。（1-13）计算选定图1-7 可速度三角形和式可“制动圆盘”，这样有助于理解风轮盘面上的风速为vd，上游风速为v0vd=（1-a）v0（1-流动为v0、风轮叶素上的切向线速度为ωrb，下游处的切向速度为2ωrbMu=pR4（1-a）bv0ω（1-（扭角、锥角、或偏角、仰角）入流角（1-Ct=CLsinj-CDcosj（1-37）图1-8制的采用夹板式固定，这一点与直驱风力发电机相比没有什么特殊之处。对于调桨距叶片，其主要目的是同变桨距轴承配合，从根部截面展向方向15半径处的翼型截面在结构上应该很平滑地过渡，其结果是导致后者的截面厚度与弦长的比值高达12，虽然气动阻力有所增加，但占风轮面积很小，只占总面积的2左右，对于风能捕捉影响很小，而结构上增加截面模量对强度和刚度的增加是必须的，它关系到机组的模态和振动。用如图19～图112所示的结构形式，中小型风力发电机组中还有采用实心结构的。从受抵制平面内弯矩更有效，而且重心最好也在30叶片弦长附近。翼型截面决定的中空壳体切腹板，可以采用形梁或一个盒形中空矩形梁，用玻璃纤维在旋转轴上敷设，固化整修后心轴抽出就制成双腹板的矩形梁，如图111所示。图1-9木材/图1-10叶片前半壳用的木材/图1-11图1-12板的稳定性参数，E/（USC）2（GFRR和CFRR）同其他材料相比有更高的压（一般为45°）来抵抗剪切载荷，这样会降低轴线方向的（）2是逆相关的。因此，具有较高压缩强度值的材料，如木板复合材料对皱损具有有大得多的截面模量。下面将介绍抗皱损设计。（10%），再结合钢的比强度低，反映了它对于引力疲劳载荷变得很重要的而，相对于其他材料成本更高，还不能普遍使用。取而代之的最适用的材料是玻璃纤维/聚酯，其次是玻璃纤维环氧和木材环氧。玻璃纤维/聚酯和玻璃纤维/（表1-4～表1-4618表1-5使用不同玻璃布时的618表1-6（一般厚度为0.5～1.0mm），纤维可以排列成相同的方图1-13应变—在DnV时对10种不同层压板进行交变载荷疲劳试验的结果。其中，试验假想条件是它们都遵照同样的ε-N曲线，在lgN为0.437的标准偏差下，ε0、lgK和m分别取为2.84%、3.552%和7.838%。对DnV回归线和另一条ECN线，从0°/45°，-45°压层板的19个试验中获得的结果进行了比较，其中后者的ε0、lgK和m分别取为2.34%、3.775%和10.204%者没有在lgN=0（ca2.4%和2.0%）且在UTS或UCS处对回归线通过的应变值作出限制。如果这么做，则DnV线将会有一个小小的斜坡，即有一个比较大的m值。在和其他疲劳测试数据进行了比较后，归纳出DnV线为初始设计提供了一个合理的基础。（有名的Goodman曲线）来表示“FACT”（JooseDelft，1996），这项工作的一些（见图1-14中虚线），R为应力比。式中，ε0d=ε0k/γmf，当lgN=0时，根据ε—N曲线得出ε值；σ是考虑产品设计载荷周期情况图1-14（1-49）加上平均拉伸载荷的等效值，可以用来计算许用载荷周期数Ni的允许值。这进行0和45层板的一系列测试结果进行了分析，发现对于最大应力150，承受均应力，使用上述线性关系影响的预测值小100倍。1时的测试数据引出了按（σ/σu）10的曲线，这里的σ是应力周期的幅值，σu是最大拉伸强度，因此在为其他值时对于幅值载荷的失效周期数取σσu（1σσu）10为拉伸平均值，σσu（1σ/尽管木材环氧被认为是复合材料，但是与有明显不同，它由大量的木条或单层的每一层胶接起来的黏合剂，而不是基体。因此，纤维体积含量接近100，且木质层压板的各向异性原理是由木头的各向异性特征推出的。有的木片都安装在木纹平行于叶片轴向的位置。然而木条一般长度小于6，而薄片生产的最大长度是2.5，所以必须包含横向接头，这就使其具有很多没有的缺点。当然可以利用狗牙接头交错和使用嵌接接头而不是平接接头的方法来减小这种不良效果。表1-7无接头木材/表1-7中给出了无接头样本的抗拉强度，Bonfield（1992）报告了有接头样本的测种可变性可以通过在层压前进行仔细分级和挑出损坏的薄片而减轻。对椴木的32验结果表明，它的屈服压缩强度为50，标准偏差只有3。应该注意到，年轮的减压缩强度只有10～15。木材层板的疲劳特性作为h他样品。ond和n（1998）对这项有意义的工作作了总结。其基本结论为：木材的疲劳特性很好，具有小的曲线斜率，并且在高旋转周期下样本之间的疲劳强度变化不大。根据在其他值下的测试绘出等寿命图。例如，图115为nok和ond给出的白杨木嵌接接头等寿命图。注意，在0.84时应力幅比较低，这可能是由于压缩和拉伸损坏同时发生。尽管如此，等寿命图对于每个疲劳寿命简化为应力幅在1和或之间的一系列直线还是有较合理的精度。图1-15从S-N疲劳测试数据的50%根据上述内容，对于设计极限载荷，局部安全系数为1.5考虑一个在垂直气流中稳态条件下运行的机组，如果在半径处的风力机叶片的横截面受到面外和面内的扰动，并且扰动在下风向的速度为dxd，在与叶片转动相反的方向上（假设为顺时针）速度为dyd，则相对速度三角形如图116的升力和阻力为和，都可以分解为轴向和径向的作用力和，如图117和图118所图1-16图1-17（朝向轮毂图1-18（GFRP）或木材之间的相关刚度数量级的差别非常妨碍载荷的平滑传图119中显示了两种不同的叶根安装形式。叶片结构在根部通常是圆柱壳，在此情况下双头螺柱或螺栓通常按圆形排列。图119（）为胡萝卜接头，它是层压木质叶片的标准安装形式。接头由带有圆锥形部分的碳纤维环氧复合材料胶浆和与轮毂或变桨轴承连（）铸造的。它们通常都预加载荷以减少疲劳载荷。另一种类（）叶片。图1-19的复合层展向样条、横向样条、45°（大梁的结构样条如图1-19所示），进行图1-20图1-32NACA632-615翼型CD-α（Re=4.8×106空气动力特性参数图1-33NACA632-615翼型CL-α（Re=4.8×106空气动力特性参数图1-34NACA642-415翼型CD-α（Re=4.8×106空气动力特性参数图1-35NACA642-415翼型CL-α（Re=4.8×106空气动力特性参数图1-36NACA643-418翼型CD-α（Re=4.9×106空气动力特性参数图1-37NACA643-418翼型CL-α（Re=4.9×106空气动力特性参数）附表1-4S809翼型气动特性参数表第2（“磁密”），可以把电机设计到适合风力机组的转速，提高功率质转速很低，500风轮直径为2.5的永磁直驱机额定转速只有500n，1.5风轮直径为77的永磁直驱风力发电机只有17.5n，所以要求永磁体必须有很高的剩磁，因此目一般小的永磁直驱风力发电机，如1k的电机气隙已有3，兆瓦机一般在5以上，所以对结构和加工工艺的要求都大有好处。铁磁性材料：磁性磁矩平行排列，显示很强磁性的材料为铁磁材料，包括铁、镍、钴及其合金和某些稀土元素的合金化合物。其特点是在相当弱的磁性作用下也能磁化，其磁化率大于0，一般为103～101表2-1导体的电导率比绝缘体的电导率大1020（电路）中流过，导1.在非铁磁材料中，磁通密度B和磁场强度H之间成直线关系，其斜率即为μ0起始磁化曲线基本上可分为四段：在段，因开始磁化时外磁场较弱，磁通密度增加缓慢；在b外磁场方向，此时值增加迅速；在b段，大部分磁畴已趋向外磁场方向，可转向的磁畴越来越少，随着外磁场的继续增加，值增加越来越慢，这种现象称为饱和；饱和后，材料内部所有的磁畴都转向完毕，磁化曲线基本上成为直线，与非磁性材料的0特性曲图2-1图2-23.以不同的磁场对同一铁磁材料进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线。磁化曲线与起始磁化曲线差别不大，计算直流磁路时都采用基本磁化曲线。（或用频率很低的交流电）进行周期性磁化，可不计涡流的影响，式永磁材料首先要用磁滞回线来反映和描述其磁化过程的特点和磁特性，即用（）曲线来表示永磁体的磁感应强度随着充磁磁场强度的增强而增强。当充磁磁场强度达到或超过饱和磁场强度时，磁性能最稳定，我们所用的磁极材料就得到了一个稳的磁场在很多位置上与永磁体磁场是相反的，它主要表现为去磁作用，即对充磁作用来讲是负的，为了表达方便，用图23所示坐标系来表示。对于永磁直驱风力发电机来讲主上，这条直线图2-3B=μ0H（2-B=μ0M+μ0H（2-（2-4）中：M为磁化强度，是单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为A/m（2-4）表明，磁性材料在外Bi=B-μ0H（2-Bi=B+μ0H（2-B=Bi-μ0H（2-图2-4图2-5所示为永磁电机的等效磁路图，图中Λ是磁导，；Φ0为永磁体自退磁磁通Φr为每极磁通，Φr=BrAm×10-4；Fm为每对磁极向外磁路提供的磁动势，Fm=Hh；Φm为图2-5式中：μ0=4p×10-7H/m；Am为每极磁通截面积，cm2；h为磁极厚，cm；μ0μ0=4λ×10-7H/m；μr（Λδ+Λσ）/Λδ。在永磁电机中漏磁系数的准确与否直接影响电磁计算的准确性，影响漏磁系数σ性材料，而它们多以等尺寸瓦片方式构成磁极，磁极气隙处面积为，磁通磁动势ch（式中：h为磁极厚，）；（h，0）（0，）两点之间的连线就是（）工作曲线。相应也可根据工厂提供的不同温度的曲线，可得到不同温度下的（）工作曲线。图2-6平行充磁瓦片形磁极永磁发电机的极间漏磁系数式中：hm为磁体中心厚；而空载时合气隙磁通密度。hm/δ比值再大负载运行时存在电枢反应磁动势a，其中直轴分量d对永磁体有助磁或去磁作用，其对永磁体的等效磁动势为′dd。当该磁动势起去磁作用时，将外磁路合成特性曲线向左平移，dσ与回复曲线交点就是永磁体向外磁路提供的磁动势和磁通经过该点的垂线与磁路特性曲线的交点所对应的磁通就是漏磁通，气隙磁通-。图2-7和空间矢量法，它们用脉宽方法整流，其输出电压、电流的波形前面有图表示。它们的关键部件就是（绝缘栅双极晶体管），作为功率器件广泛应用于变流器中，由于综合了os和的特点，其单管容量已达1800以上，而且它还具有驱动简单，保护容易，不用缓冲电路，开关速度快等优点。但开关速度快的优点使dud也变大的体积，如用铁氧体磁性材料体积要10倍以上，结构上很难处理。一个1.5永磁直驱风力发电机理论上要用铁氧体磁性材料15以上，在结构上很难实现，所以下面主要介绍使用钕铁硼永磁材料径向布置磁极。图2-8用。镀层必须在20年内是有效的，即使是海上的环境也不能出问题，否则镀层就没有意任何问题。但环氧树脂的选用应符合电机的绝缘等级，一般为级155℃绝缘，要和所设计的永磁同步电机的温升相适应。室温下剩余磁感应强度Br目前可高达1.47T，磁感应矫顽力Hc可达992kA/m（12.4kOe），最大磁能积高达397.9kJ/m3（50MGOe），是目前磁性能最高的永磁材料。由于钕在稀土泳和电镀等，一般涂层厚度为10～40。不同涂层的耐腐蚀能力不一样，环氧树脂涂层用环境来选择合适的保护涂层。铁硼永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲如图29所示，因此使超高矫顽力钕铁硼永磁材料，内禀矫顽力已可大于2000k，国内有些厂家已有成熟的产品，其退磁曲线在150℃时仍为直线，如图210所示。图2-9（NTP-图2-10（NTP-图2-11（一图2-11（二温下是直线，电机一般是级绝缘。一些电机要工作在140℃左右，按级选磁钢应用H级，如果温升不高也可用级的钕铁硼磁钢。一般永磁材料生产厂都可以提供，同时提供内禀退磁曲线与退磁曲线。内禀矫顽力又称磁化强度矫顽力，单位为k，它反映了度，特地定义一个参数k，称为临界场强，k等于内禀退磁曲线上当0.9时所对应的（应大于7.6g/cm3）的磁钢，而且磁极要进行电镀、电（电机的功率输出能力必须略大于风轮的对应功率输出能力），还果设计得好，不升压也可以做到低风速、低转速并网。利用电枢反应对永磁体磁场的影流器也有缺点，它是用电机的漏感来升压的，因此dud比较大。实际上额定电压为690V的电机绕组上有1400的脉冲尖峰，如果从塔上到塔下的连接电缆感抗不匹配或反射波叠加，脉冲尖峰可达2200（这是在上海万德1.5机组上用变流器时测到的）。它容度远大于一般变流器的输出标准，而且又不能随意用电容滤波，增加绝缘厚度也影响导热E0=4.44fNΦσKΦ（2-Eσ=4.44fNΦσNKΦ（2-磁通分为主磁通和漏磁通两部分。前者穿过气隙与定子绕组和转子永磁体相交链，常三相电机主磁通包括2个空气隙、6个电枢齿、1个电枢轭、2个磁体和转子轭共5子绕组内感应出频率为pn60（p为极对数；n为转速，n）的一组三相电动势，忽略高次谐波时感应电动势为0。E0=4.44NKnfΦ（2-图2-12磁磁极磁动势的相对位置，而这一相对位置与永磁励磁电动势E0j（内功率因数角）相关，jI与E0（j=0）为N1kN1/p的等效整距集中线圈来表示。这是因为对任何电机，不论其极对数和绕组形式如何，它所产生的基波电动势或磁动势的数值都和匝数为N1kN1/p的整距集中绕组等效。为B→Y，C相为C→Z。选取电动势正方向为绕组尾端朝向首端，则eOA为正，eOB和eOC所处位置，在图中所示瞬间，有eOA=+Em，eOB=-Em/2，eOC=-Em/2。在图中，取A相轴图2-13I与E0（j=0）I滞后E090°（j=+90°）图2-14为I滞后E090°时的情况。此时，定子三相电流和励磁电动势的相量图如图2-位于直轴I超前E090°（j=-90°）图2-14I滞后E090°（j=+90°）图2-15I超前E0=90°（j=-90°）（稀土类）的磁导率和空气的磁导率基本一样，因此交、直轴的磁阻基本相同，电枢反应的大小和功率因数及入流角相关。便，为了计算方便，把同步电抗分成交轴电抗和直轴电抗。为气隙等效长厚）由于背对背的可控整流器器件多，价格高，dud引起的电压尖脉冲也高，而且轴电磁钢的修型非常重要。只要和风轮的速比特性配合，完全能在低于3风速时切入发电。我们在设计中要求通过绕组的磁通是变化的，各处的dF/dt都不是零。但是磁极磁通分数槽绕组的每极每相槽数q由于结构磁路及其他一些原因，大型直驱发电机的气隙都比较大，一般大于5。会有较大影响。（冲击）短路。瞬态短路电流通常E0=Ed+KINXadsinyk（2-20）（bk，hk）。变流器有很多种，不同品种变流器对不同发电机的影响也不同。尤其可控整流和oo电路及矩阵变流器都有斩波，它们会给发电机绕组带来高压脉冲。脉冲峰值电压远高于线电压及直流母线电压值，而且频率比较高，可达2k，这样dud对电机绝缘的影响就不能简单处理。高频脉冲同时会影响轴电流，所以轴承绝缘也成为一个重要问题。图2-17PWM为2倍，电缆临界长度Ln（或下降）沿时图2-18PWM（包括电缆的单位长度电容C0和单位长度电感L0）有关，即图2-19由上式可知，电缆的临界长度与沿电缆传播的波速v成正比，而波速v相对电容率成反比。通用低压电缆（或电线）的绝缘材料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、氯丁橡胶等，其相对电容率分别为2.3、5～7、2.2和7～9。在无特殊要求的场聚氯乙烯绝缘电缆的1.5（或架空线），其相对电容率近似为1，其临界长度达到最大，约为聚氯乙烯绝缘电缆的2.5倍。式中：Z0（或特征阻抗），（L0/C1/2）；Zm（或集中阻抗）布电容）（即电机铁心或框架）电容是主要的影响因表2-3PWM在数千赫范围内，变流器几个小时产生的脉冲冲击数相当于传统正弦电压下约30数（如断路器产生），（简称脉冲）作用下，会加速绝缘的老当一般电机在最高脉冲频率为20k，最短上升时间为0.1，最高工作温度为155℃，电压幅值为1k的条件下工作时，电机绝缘寿命只有几个小时。（1～10ns），且放电主要发为“电晕放电”“耐电晕”“电晕”并（或扼流圈）（即变流器输出端）串接电抗器，虽然也能减小发电缆的波阻抗接近的电阻，由于电缆的波阻抗很小，如电力电缆为10～50f，双绞线为100～200f，这样在电阻上的功耗很大，达到数百至数千瓦。因此实际中不宜采用纯电阻宜采用无源一阶低通阻尼滤波器，如图220所示，它可以有效地滤去绕组的对地尖脉冲。图2-20（Petersen）规则，变流器与滤波器、电缆和电机组成了如图2-21所示的一相等效图2-21在通用PWM（4～2kHz）下，平均脉冲宽度在数百微秒以（或斜角波）的波过程来表示，则变流器的输出若取0为400，为0.1，为10k，则滤波器电阻上的总功耗为480。随着滤虑功耗这一因素。当滤波器电阻小于或等于100f时，滤波器的电容对高频振荡的幅值及波形有显著的大于100f时，滤波器的电容对高频振荡的幅值及波形的影响很小。图2-22Cf=0.02μF；1—600fi；2—350fi；3—150fi；4—100fi；5—“心脏”，是实现电磁能量转换的关键部件。电机的使用寿命与运行的级永磁发电机中，当然也有用于开槽的，这和绝缘结构相关联。当工作电压达到690，端部必须绕包云母纸，开口槽更容易使槽口的绝缘做得好。绕组可以做成单层的或双层的，从工艺方面考虑10k以下的机组可制成单层的，一般10k以上的机组多制成双层绕距绕组，而且绕组端部排列整齐。第3（调速控制）；大于额定风（PLC）和可靠性高的硬10min的平均值作为代表值，一般以0～20mA或格雷码采集风向角，用绝对值编码器作为图3-1图3-2永磁直驱机主要温度监控点由前后轴温度、电机三相绕组温度、环境温度等共10（仅适用于水平轴风力机）20mA表示角度输出模拟量，冗余配置。图3-3λ=ωR/υ（3-2）（图3-4和图3-5）。图3-4（CP-λ）图3-5机组并不一定能工作在曲线的峰值上。另外机组也不宜过快地加减速度，所以大型风（）的曲线顶部更应该设计得要平一些，宽一些显得更为重（图3-5），风力发电机组工作过程中不难判定工作点的加减速所需Mn1=Jω′，转速已知，，ρ可测到，0.5Aρ是常数，μ效率可测到使用更复杂的模型进行最佳跟踪可以提高一点的能量获得，但功率波动幅度可能达到额定值的3～4误差在10以内时，功率影响很小，基本可以忽略。况且风轮后面的风向传感器受风轮扰动以及叶柄后面的卡门涡流影响而不停地摆动，从气象学上讲，风向和风速的10n平均值具有代表性。一般在机舱顶部安装两个风向标，用来确认风向在10n以上偏离主轴超过10进行偏航，或者10n的平均偏离角度大于10，偏航动作使主轴方向和平均方向一的获取。松缆的紧迫等级。比如当绕缆2圈时可以等到风小或风停时解缆，而大于3可能沿着这条曲线运行，而风力机只能沿着线以恒定的转速1运行。当高风速时，一旦达到最高限定转速2，必须再一次脱离最佳载荷曲线而沿着线以转速2恒速运行，图3-6最大稳定运行速度通常是S2作为选择参数的替代办法，可以制作一个查验表，表中反算电机输入扭矩作为转电机可提供的最大电流和稳态短路电流是一致的。式中：x为输入；y图3-7在额定值以下，风轮速度设定点在12之间，在很低风速下风轮速度在1需求量在曲线上给出最大值运行点沿着运行，风速较高时，设置点变为2，扭矩的需要输出量限定在一个由最佳尖速比曲线给出的最小值上，同时导致运行点沿着轨迹变距驱动在接近90的范围内对叶片的变桨距角度进行控制，而在工作风速内一般来讲，变桨距角度在0～25内调整。对一台风力发电机来讲，确切的范围是由校准变距驱感器（包括编码器）靠另外一个，角度传感器不能使用限位开关调整变距系统的布置如图38所示。图3-8一旦0°方向的限位开关或90°（顺桨）的限位开关动作，叶片将被变距驱动系统obu、nbu等连接协议，通常采用广播应答式比较多，变距驱动器自身也有，过程，完成顺桨显示故障代码。当直流母线上电压低于规定值，超过6会报故障。当检测到电网电压下降，变距控制器将在1n内顺桨后断开电池，以保证电池不会过度放电。低于300V（电池规定的欠压标准），就认为电池有问题或者充电系统有问题。器，用小齿轮变速驱动多圈绝对值编码器作变桨距角的冗余传感器，它向主控以图3-9图3-10变速变桨距稳定运行曲线可以用图310所示的转矩转速来描述。低于额定风速时，运行曲线和前面描述的失速调节的变速运行的额定功率点完全相同。然而在额定转速以风速的曲线，迫使它通过需要的运行点。一旦在点达到最高转矩，在所有更高的风速中转矩的需要量保持常数，并由桨距来控制风轮最高转速不超过限定值，在点处转矩达最大值。与（此处开始桨控制）之间允许有一个小余量，以防在低于和高于额定转矩的模式之间作过度频繁的模式切换。1为最小转速；2为额定转速；3为最高转速。图3-11图3-12PID图3-13（kN·m/s），永磁直驱风力发电机的反扭矩就可以快速及时地通过图3-14图3-15（从变距机构到传感器）被模型图3-15传递函数的输入记为x，输出记为ytY′1=X-Y1（3-用X来表示，Y1A（s）的一个根为，其中tY′1=X-Y1具有Y=a+beσt形式的解，并且，如果t对共轭复数σ±jω。如果σ1和σ2当增益很小时，该闭环传递函数趋近于开环传递函数。尽管如此，当增益大的时候极点会朝向的根，换句话说，如果增益由0增到无穷大，闭环的极点会由开环系像叫做根轨迹图。这样非常有助于选择反馈增益，这个增益的选择要使所有的闭环极点位于平面的左半侧，使系统达到稳定，并具有很好的阻尼。它会增加频率ω1和ω2（ω1＜ω2），或者当ω1＞ω2，相位超前有制动——近额定功率时把匹配点向曲线的前缘拉，使转速上升得到控制，使扭矩系数下降，这（kW·h）的积也更小一条件有可能造成输入电流大于输出电流，输入功率大于输出功率。如果直流侧不采取措对电容造成损坏。因变距系统完成稳速或关机有一个时间过程，而当额定转速时电图3-16可以算出曲线，根据永磁发电机和变流器的厂内台架并网试验可以确定。不同转速下不同风速的功率扭矩曲线族如图317所示。图3-171.5MW永磁直驱不同转速下不同风速的功率扭矩曲线族速比下，一般在年平均风速1.5倍左右范围内工作在最佳速比下，而接近额定风速时向低速比方向移动。（ω′），（Jω′），风轮的转动惯量很大，轴的瞬间扭矩有可能大（图3-图3-18“真实的”“真实的”风速式中：vw为瞬时风速；v为平均风速；vσ为风速变化率；vz为阵风；vch（图3-19），时间常数t的值取决于风轮直径、风的湍流密度图3-19T=φdiq-φqid（3-P=Uaid+Uqiq（3-Q=Uqid+Udiq（3-（3-25）中Q的模型在研究机组与电网相互作用时没多大用处，但图3-20第4图4-1不可控整流但有Boost升压电路的变流器（图4-图4-2不可控整流但有Boost变流器没什么不同。利用oo电路在斩波的同时还可以实现功率因数校正，控制电感电流，使输入电流变化连续平和，保证其功率因数接近于1，不可控整流的电压随转速和载荷变化而变化，通过oo电路可使直流母线电压稳定。图4-3如图43所示的可控整流和逆变就是一般人们讲的双是用电机自身气隙漏感升压，但是它的dud引起的电压尖峰比较高，整流使电机输出的电流的正弦性比较好，提高了单位功率因数，其波形如图44和图45所示。图4-4图4-5（图4-图4-6图4-7（电感或电容），输入功率因数低，谐波电流大，当然储能容量大对风（图4-8）可把输入电流控制为正弦波电流，输入电压也控制为正图4-8图4-9图4-10第5章（对于永PR（vhub）=1-e-p（vhub/2vare）2（5-表5-1注：1.2.A表示较高湍流特性的类型；B表示较低湍流特性的类型；I15为v=15m/s时的湍流强度特性值；a接近惯性负区的高频尾端，湍流纵向分量的功率谱密度S1（f）S1（f）=0.05（σ1）2（Λ1/vhub）-2/3f-5/3（5-3）图5-1而表5-2注：σ1和Λ1 Coh（r，f）=e- ）2+（0.12r/L）2]0.5（5- 相关函数式用各向同性比例参数取代方程oh（，）8.8（vhub）2（0.12）20.5中的c后，由该式给出的指数模型，可得到方程式 的近似值。图5-2（图5-2所示为上风向机组）。它主要和重力、阻力、升力、惯性力相关。图5-3图5-4图5-5图5-6FXH=pHA（5-FXB=FXH/Z（5-MXB=MXH/Z（5-阵风载荷计算与正常载荷计算大致相同，但风速要乘以阵风系数kbvB=kbvt（5-19）根据，简化公式叶片上的气动载荷，但要用pB代替pH。对于扭矩MXH，需要采用的2倍值。FXH=pHA（5-FYH=±pHA（5-应按FXH=pHA计算扭矩MXH​由陀螺力引起的载荷FXH=±pBA（5-FYH=±pBA（5-fi（fi=dfi/dt）和角速度ω“启转”“匀速偏MZT=±pHAew（5-（当没有舵面时），MZT=±cpSAFeF（5-式中：c（c=2）；pS为风速等于vr时的风驻点压力；AF为风舵的表面面积；eF为风舵压力中心距塔架轴的距离。pS可由下式确定MZT=IMωTω（5-FYT=mMeMdfi/dt（5-式中：mM为机舱与风轮的总质量；eM为质量mM的重心与塔管中心线的距离。式中：μ（r）为单位叶片长度的质量；e0式中：mB为叶片的质量；IB为叶片相对风轮轴的惯性距；rS为叶片重心距风轮轴的距fXT=-mMeMw2（5-MYT=-ZIBωw（5-fXB（r）=-μ（r）（e0w2+2rωw）（5-fYB（r）=-μ（r）w2r/2（5-fZB（r）=μ（r）w2r/2（5-42）FXB=-mB（e0w2+2rSωw）（5-FYB=-mBw2rS/2（5-44）FZB=mBw2rS/2（5-45）MXB=IBw2/2（5-46）MYB=-mBrSe0w2-2IBωw（5-作用在风轮叶片上的载荷可按的方法进行计算偏心距eM，对于风轮需要考虑实际质量偏心距；若无偏心或不知道偏心距，则对平衡风轮：eM=0.005R对不平衡风轮：eM=0.05R（R为风轮半径）图5-7（（即顶部或底部最大）引起的载荷相位一致。（金属材料一个弹性系统，在动态载荷作用下将产生振动，如图58所示。不同的载荷形式和机器类图5-8（或称系统输入），用时间函数（）激励可能来自系统的外部或内部，形式可以是载荷或运动。载荷激励包括力、力矩等形式，而运动激励包括位移、速度、加速度等形式。件，运动时产生的阻尼力与相对速度成正比，即F=c（·x2-·x1）（c为阻尼系数）（牛顿定律、拉格朗日定理），可以得到如下形式的数学模型（时式中：（2p）的特例，是从频率载荷揭示输入与输出之间的关系。在机械振动系统分析中，频率响应函数（）也称需提供的激振力。系统的单位脉冲响应函数定义为频率响应函数傅里叶逆变换，即（固有振动（特别是周期性变化）而产生的振动称为参数振动。系统的运（瞬变信号）。动态信号按其变化规律分为确定性信号和随机信号，如图5-9所图5-9X（f）=x（f）ejj（f）（5-X（f）称为幅值谱；j（f）称为相位谱。它们分别反映信号中包含的频率成分的累积分布函数定义信号幅度取值小于或等于某给定幅度x0概率密度函数定义为累积分布函数的微分，反映信号幅度取x0（称为连续参数模型），并求出方程的解析解。但是实响应分析也称为动力学正问题，或直接问题，即在已知系统载荷（）和系统结构参数、、的条件下，确定系统的振动响应（）。这类问题是结构振动分析的最常见（质量、刚度和阻尼）就确定下来，则在已知的动态载荷时间历程，特频率和振型，也要计算叶片的摆振和挥舞固有频率，还有其他各种固有频率。载荷识别也称为第一类动力学逆问题。与动力学正问题相反，即由系统结构参数、、和振动响应（）可以描述系统载荷（）。一个最常见的工程实例是转子平衡问组中要通过振动频率分析振动的来源，通过加速度的测量确定振动造成的载荷。在力学模型基础上，形成表达式，即所列的常系[见图5-10（c）]，与[见图5-10（d）]，以及塔架的扭转图5-10（Campbell）图进行评估。坎分别对应转频1n、3n、6n、9n图5-11GHBladedGHBladed软件作为风力发电机组的设计计算和认证软件之一，可以进行风力发电机软件的结构动力学分析功能可以进行模态分析、谐波响应分析、瞬态动力学力、应变和变形。（Subspace）法、分块Lanczos（BlockLanczos）法、PowerDynamics①模型1②模型2：对数模型。由地面粗糙长度Z0（v0）D=FDT（5-v（x，z）=aV0（5-其中A=（0.5-cosj）+（0.5+cosj）（5-66）（与塔架中心后面相距Z，与塔架中心侧面距离为x）的风速速度矢v（x，z）=av0（5-式中：v0为稳态风速；Δ为部分中心线速度修正；W图5-12ε=FK1Bw（vi-vc）+εamb（5-式中：；为尾流扩展比率，δ=（v-v0）/Iv0（5-82）（r）（j）因子；FT（r，j）的塔影效应因子；Fw（r，j）的上游风力机尾流因子。（风速从风轮一侧向另外一侧的线性变化）（风速从风轮底部到风轮顶部的线性变化）。图5-13IECv（r，j，t）=（v0Fs0Fs+vtrans）FTFw（5-式中：Δy和Δz分别为间隔Δr（lateral）（vertical）分量；yLu和zLu分别为紊式中 为非空间频率参数，由下式给式中：xLu为纵向分量的长度度量，vZ0=紊流三组分的紊流强度定义时选用式中：L1=2.329xLu；v至少为vt+D（D为风力机直径）。GH公司的bladed风力发电机组载荷分为4（运行载（偏航轴承、变距轴承、电机轴承）BladedBladeInformation叶片信息BladeName叶片名称Pre-bendatTipSweepAnglePre-coneAngle：BladeSweptUpwindofPitchAxis预锥角IceDensity冰密度BladeGeometry叶片几何尺寸DistancefromRoot距根部距离PitchAxisTwistAxis（%）扭角轴线到前缘距离与弦长的百分比FoilSectionMassandStiffness质量和刚度CentreofMass（%）弦长方向的质量中心Mass/unitLength单位长度质量FlapwiseStiffness挥舞刚度EdgewiseStiffness扭转刚度ElasticAxis（%）（叶片气动弹性用）TorsionalRigidity（叶片气动弹性用）Inertia/unitLength（叶片气动弹性用）AdditionalMass额外质量ChordwisePosition（%）GeneralDataThicknesstoChordTatioReynoldsNumberPitchingMomentCentreDeploymentAngleIncludePitchingMoment（Yes/No）是否计算变桨力矩AngleofIncidence（α）攻角LiftCoefficient（CL）DragCoefficient（CD）阻力系数PitchCoefficient（CM）俯仰力矩系数NominalRotorDiameter风轮直径NumberofBlades叶片数量TowerHeight（Ht）塔架高度HubVerticalOffset（h）轮毂垂直偏移高度TotalHubHeight（Ht+h）轮毂总高度BladeSetAngle叶片安装角ConeAngleTiltAngle（T）LateralOffset（L）横向偏移RotationalSense旋转方向RotorPosition风轮位置SpeedTypeControlSurfaces控制变距、非控制变距、部分变距Transmission（齿轮箱或直驱）Cut-inWindspeed切入风速Cut-outWindspeed切出风速HubandGeneratorBladeRootRootLength（L）根部到轮毂中心的长度DragCoefficent（约为0.12）SpinnerDiameter（S）旋转部分直径DirectDriveGenerator直驱发电机RotorInertia转子转动惯量AssignMass指定质量MassCenter电机质量中心MomentsofInertia转动惯量aboutShaft相对于轴线Young’sMod弹性模量TowerType塔架类型TubularAxisymmetric管状轴对称AerodynamicDragCoefficient（约为HydrodynamicDragCoefficient流体阻力系数HydrodynamicInertiaCoefficient流体惯量因数MeanWaterDepth平均水深DepthofFirstTowerStation第一节塔架深度TowerStructure塔架结构HeightaboveSurface（海）OutsideDiameterMassPerUnitLength单位长度质量BendingStiffness弯曲刚度WallThickness壁厚HydroDragCoeff流体阻力系数HydroInertiaCoeff流体惯量因数PointMasses点质量HeightaboveSurface（海）VibrationDamper振动阻尼器DamperMass阻尼器质量ResonantFrequency共振频率DampingFactor阻尼因数DamperPosition阻尼器位置DamperAngle阻尼角PowerTrain传动系统GeneratorInertia发电机转动惯量BrakePosition刹车位置PowerElectronicsTimeConstant控制扭矩传递时间MinimumDemandedGeneratorTorque最小发电机转矩MaximumDemandedGeneratorTorque最大发电机转矩PhaseAngle相位角DriveTrainDampingFeedback驱动链阻尼反馈MechanicalLossTorque机械损失扭矩ExpressedasTorque以扭矩表示ShaftSpeedShaftInputTorque主轴输入转矩ElectricalLosses电气损耗NoLoadPowerLoss空载功率损失Efficiency（%）InputPowerPowerLoss功率损失NoNetwork无电网NetworkasShown如下电网NumberofAdditionalTurbinesonWindfarm风电场其他风机的数量ConnectionLinefromTurbinetoWindfarm连接风机到风电场的线路Resistance（Ohms/Phase）ConnectionfromTidalFarmtoInfiniteBus连接风电场到无限母线排NetworkVoltage电网电压AssignGeometry定义几何尺寸NacelleLength机舱长度NacelleHeight机舱高度NacelleWidth机舱宽度NacelleDragCoefficientAssignMass（ExcludingRotorandHub）（除了转子和轮毂PositionofCentreofMasstoSideofTowerAxisHeightofCentreofMass，RelativetoTowerTop质量中心高度，相对于塔架顶部PositionofCentreofMassinfrontofTowerAxis塔轴前方质量中心位置YawInertia（aboutTowerAxis）（相对于塔架轴）NoddingInertia（aboutCentreofMass）（相对于质量中心）RollingInertia（aboutCentreofMass）（相对于质量中心）StallRegulated失速调节PitchRegulated变桨距调节FixedSpeed固定转速VariableSpeed可变转速（choosePitchRegulated/VariableSpeed选择变桨距可变转速控制器）Torque-speedCurveBelowRated低于额定转矩的转矩转速曲线OptimalTipSpeedRatio/Look-upTable尖速比最优模型/查阅表OptimalModeGain最优模型增益MinimumGeneratorSpeed最小发电机转速OptimalModeMaximumSpeed最优模式最大转速AboveRated：PitchRegulatedSpeed高于额定：变桨距调节转速PitchFeathering顺桨变桨距/AssistedStall主动失速MinimumPitchAngle最小桨距角MaximumPitchAngleDemangdedGeneratorTorque发电机扭矩要求DemangdedGeneratorSpeed发电机转速要求MaximumGeneratorSpeed最大发电机转速ControllerDynamics控制器动态参数PowerTransducerTimeConstant功率传感器时间常数SpeedSensorTimeConstant速度传感器时间常数PitchControl：SoftwareRateLimits变桨距控制：程序速率限定MinimumPitchRate最小变桨率MaximumPitchRate最大变桨率TorqueControl转矩控制ProportionalGain比例放大率IntegralGain积分调节增益DesaturationTimeConstantGainScheduling（FactorbywhichControllerGainisDivided）（分段的控制器LookupTable查阅表GainDivisor增益因子PitchControl变桨距控制PIControlPI控制ProportionalGain比例增益IntegralGain积分增益DesaturationTimeConstantGainScheduling（FactorbywhichControllerGainisDivided）（分段的控制器SupervisoryControl监督控制ExternalController外部控制器CommunicationInterval通信间隔NormalStop正常停机PitchRate变桨率FinalPitch最终桨距角RotorSpeedforCutinofShaftBrake切入轴制动时的风轮转速PropertiesforShaftBrake轴制动属性RamptoMaximumValue线性过渡至最大值MaximumShaftBrakeTorque最大轴制动力矩ShaftBrakeRampTime轴制动过渡时间Look-uptable：TorquevsTime查阅表：力矩—时间EmergencystopEmergencypitchtripmodeRotoroverspeedtriptostartpitching开始变桨距时的风轮转速Emergencypitchrate紧急停车变桨率EmergencyshaftbraketripmodeRotoroverspeedtripforbrakeapplication触发超速制动时的风轮转速Rotorspeedforbrakeapplicationforparking开始停车制动时的风轮转速Pitchangleforidling空转时的桨距角YawControl偏航控制RigidYawYawFriction偏航摩擦力矩TimetoStartYawManoeuvreRequiredYawPositionChange要求偏航位置改变的角度YawRateforYawManoeuvres偏航控制偏航率PitchanglewhenparkedRotorazimuthwhenparked停车时的风轮方位角Initialrotorspeed初始风轮转速InitialPitchangle初始桨距角Initialpitchrateduringstar-upGeneratorspeedatwhichgeneratorisputonline发电机并网时的转速PitchActuatorPitchpositiondemand变桨位置需求Pitchratedemand变桨速率需求Individualpitchcontrol独立桨距控制responsetopitchpositiondemand对变桨位置需求的反应responsetopitchratedemand对变桨速率需求的反应Pitchpositionlimits（hardware）（硬件）Pitchratelimits（hardware）（硬件）actuatordetails执行器详细linearactuatorgeometry线性执行器几何尺寸gearboxratio齿轮箱速比gearboxefficiency齿轮箱效率rotationalinertia转动惯量torquelimits转矩限值bladeandptichbearing叶片和变桨轴承additionalstictiontorque其他摩擦力矩bladepitchinginertia叶片变桨惯量ModelAnalysisParameters模型分析参数RotorModes风轮模态NumberofOutofPlaneRotorModes平面外风轮模态数量NumberofInPlaneRotorModes平面内风轮模态数量PitchAngles桨距角RotorSpeed风轮转速Couplingmodel链接模型TowerModes塔架模型NumberofFore-AftTowerModes塔架前后模态数量NumberofSide-SideTowerModes塔架左右模态数量AzimuthAngle叶轮机头方位角dampingfactorTimevaryingwind（的特性NoVariation稳定风Windspeed风速Heightatwhichspeedisdefined定义风速处的高度Winddirection（fromnorth）（从正北）Flowinclination气流倾角SinglePointHistory单点历史记录Flowinclination气流倾角3DTurbulentWind三维紊流风Turbulentwindfilename稳定风文件名TurbulenceIntensity（longitudinal）（纵向）TurbulenceIntensity（lateral）（横向）TurbulenceIntensity（vertical）（垂直）Winddirection（fromnorth）（相对北）Flowinclination气流倾角Additionalsinusoidalwinddirectiontransient附加的正弦风速瞬时变化Amplitudeofdirectionchange风向变化幅度Starttimefortransient瞬态风开始时间Durationoftransient瞬态风持续时间Typeoftransient（half/fullwave）（半/全波Continuousdirectionchange持续方位变化Rateofdirectionchange方位变化率ReferenceHeight参考高度FlowInclination气流倾角ReferenceHeight参考高度FlowInclination气流倾角HorizontalShear水平切变VerticalShear垂直切变VerticalDirectionShear垂直方向切变Startvalue起动值Amplitudeofchange变化幅度Timetostartcycle循环起动时间Timeperiodofcycle循环周期Typeofcycle（half/full）（半/全Windshear（风切变WindShearExponent风切变指数GroundRoughnessHeight地面粗糙度值Heightabovesurface距地表高度Windshearfactor风切变因数Towershadow塔影PotentialFlow（上风向DownwindEmpiricalTowerDiameterCorrectionFactor塔架直径修正系数MaximumVelocityDeficit/WindSpeed最大速度衰减/风速WidthofTowerShadow/WidthofTower塔影宽度/塔架宽度ReferencePosition/WidthofTower参考位置/塔架宽度Upwindturbinewake上风向风机尾流wakemodel尾流模型Gaussianwake高斯尾流eddyviscositymodelCentreLineVelocityDeficitWakehalf-width[fromcentrelinetoexp（-0.5）][从中心线到exp（0.5）]Upwindturbine：diameter上风向风力机：直径Upwindturbine：Thrustcoefficient推力系数Upwindturbine：Tipspeedratio尖速比Upwindturbine：Numberofblades叶片数Upwindturbine：Distanceupstream（从目标机组测量Defaultturbulenceintensity默认的湍流强度Addedturbulence附加湍流Horizontaloffsetofwakecentre-linefromhub尾流中心线从轮毂的水平偏移Verticaloffsetofwakecentre-linefromhub尾流中心线从轮毂的垂直偏移Defineturbulence定义湍流NumberofpointsalongY沿YNumberofpointsalongZ沿ZVolumewidthYY的长度VolumeheightZZDurationofwindfile（时间FrequencyalongX沿X轴的间隔Meanwindspeed平均风速TurbulenceSeed湍流风种子Annualwinddistribution年风速分布AnnualMeanWindSpeed年平均风速WeibullShapeFactor威布尔形状系数Userdefined用户自定义Exponentforhighwindspeeds高风速指数AnnualMeanWindSpeed年平均风速Windspeed风速Fractionoftimeexceeded超时部分Maximumwindspeedtoplot图上最大风速AerodynamicInformation空气动力信息WindSpeed风速PitchAngleRotationalSpeed风轮转速AerodynamicsControl空气动力控制WakeModel尾流模型EquilibriumWake稳定尾流模型FrozenWake冻结尾流模型DynamicInflow动态气流模型Zeroinflowbelowtipspeedratio低于尖速比的零流入Fullinflowabovetipspeedratio高于尖速比的全流入SeparationPositionTimeConstant分离位置时间常数Startingradius起始半径PhysicalConstants物理常数AirDensity空气密度AirViscosityAccelerationduetogravityDensityofWater水密度PerformanceCoefficients性能系数MinimumTipSpeedRatio最小尖速比MaximumTipSpeedRatio最大尖速比TipSpeedRatioStep尖速比步长PitchAngle桨距角RotationalSpeed风轮转速Idling…RotorSpeedsfrom空转……风轮转速PowerProduction功率输出Azimuthangle（运行点Mincorrelationcoefficient最小相关系数Windspeedperturbation风速扰动Pitchperturbation桨距扰动PowerCurve功率曲线MinimumWindSpeed最小风速MaximumWindSpeed最大风速WindspeedStepSizeCalculatePitchandSpeedChange计算桨距角和速度变化FixedPitchAngle固定的桨距角FixedRot