第七讲 综合应用举例

1、风力发电技术 综合应用举例综合应用举例 2009年年6月月 100kW永磁风电系统设计 二、叶片设计与分析二、叶片设计与分析 一、塔架设计一、塔架设计 三、偏航系统设计三、偏航系统设计 四、变桨距系统设计四、变桨距系统设计 五、电气控制部分五、电气控制部分 切入风速：3m/s 额定风速：13m/s 切出风速：25m/s 安全风速：60m/s 额定功率：100kw 风轮直径：21m 风轮特征：水平轴水平轴,上风上风 向向,3叶片叶片 叶片材料：玻璃钢玻璃钢 传动方式：风轮直接驱动发电机风轮直接驱动发电机 电机类型：永磁三相交流永磁三相交流 输出形式：三相交流变频三相交流变频 安装塔架：独立塔杆、

2、轮毂中心高独立塔杆、轮毂中心高35m 温度范围：4050 噪音水平：机舱内机舱内95db、40m处处50db 过速保护：自动自动 偏航控制：偏航交流异步电动机驱动偏航交流异步电动机驱动 总 重 量 ：23,000kg 叶片、机罩：上海玻璃钢研究院、保定华翼叶片、上海耀华玻璃钢有限公司上海玻璃钢研究院、保定华翼叶片、上海耀华玻璃钢有限公司 电电 机机 ：湘电自制湘电自制 电控主系统：电控主系统：合肥阳光电源有限公司、北京科诺伟业合肥阳光电源有限公司、北京科诺伟业 塔塔 筒筒 ：青岛格林特、泰胜塔筒制造公司、河北强盛青岛格林特、泰胜塔筒制造公司、河北强盛 轴轴 承承 ：浙江天马、洛阳轴承浙江天马、

3、洛阳轴承 技术参数技术参数 主要部件相关配套企业主要部件相关配套企业 德国富兰德公司德国富兰德公司FL100型型100KW风力发电机风力发电机 与相关厂家产品比照参数与相关厂家产品比照参数 直驱型风电机组控制原理图直驱型风电机组控制原理图 可供参考的直驱型风电机组可供参考的直驱型风电机组(一一) 大型机仓大型机仓 人可进入人可进入 可供参考的直驱型风电机组可供参考的直驱型风电机组(二二) 机仓不进人机仓不进人 图例为半直驱图例为半直驱,带行星带行星 齿轮箱齿轮箱,将取消将取消 重点考虑重点考虑 可供参考的直驱型风电机组可供参考的直驱型风电机组(三三) 交流发电机交流发电机 机头罩机头罩 尾尾

4、杆杆 尾板尾板 机仓机仓 叶片叶片 机仓外壳机仓外壳 回转体回转体 塔架塔架 采用尾翼进行被动偏航也将予以论证采用尾翼进行被动偏航也将予以论证 叶片参考方案（部分）叶片参考方案（部分） 风力发电机组机械设计内容风力发电机组机械设计内容 一、塔架设计一、塔架设计 为了让风力发电机组接收到更多的风能，将机舱装在一定高度的塔架上。 由于叶片和机舱对风的阻力对塔架产生的倾覆力矩，以及非周期载荷对塔架产 生的振动，因此塔架的设计必须考虑其机械强度和疲劳强度。 重点考虑重点考虑 一、叶片设计与分析一、叶片设计与分析 叶片的设计目标为： （1）最大化风能利用系数 （2）最大功率输出限制(失速型风机) （3）

5、能承受极限载荷和疲劳载荷 （4）限制叶尖位移，防止叶片折断(上风向型风机) （5）避免共振 （6）最小化重量和成本 叶片设计包括其空气动力学设计空气动力学设计和结构设计结构设计，空气动力学设计可使叶片满足设计目 标中的(1)和(2)点，设计内容包括叶片的截面几何尺寸优化，以及扭曲和厚度分布。叶 片的结构设计内容包括材料选择、内部加强结构设计，使叶片满足设计目标中的(3) (6)。 2 2、偏航系统设计、偏航系统设计 偏航系统通过旋转机舱，能使风力机叶片的扫掠面与风速垂直，最大限度地吸 收风能，同时为了防止机舱因风向变化而摇摆，偏航系统安装有制动器。 3 3、变桨距系统设计、变桨距系统设计 主动

6、变桨控制是为保证风速超过额定风速时，通过旋转叶片角度而减小其迎角，限 制风轮转速，从而最终限制发电机功率输出。大型风机由于叶片较大，需要单独的电 机驱动叶片转动，但对于100kW的中型风机，考虑用一个液压缸同时驱动三个叶片转动， 这样可将液压缸放置在机舱中，通过连杆作用在轮毂中的叶片上，可减省电气引线环 和两套控制器的成本，同时有利于保持三叶片的协调性。 4 4、塔架设计、塔架设计 为了让风力发电机组接收到更多的风能，将机舱装在一定高度的塔架上。由于叶 片和机舱对风的阻力对塔架产生的倾覆力矩，以及非周期载荷对塔架产生的振动，因 此塔架的设计必须考虑其机械强度和疲劳强度。 塔架概述塔架概述 塔架

7、是风力发电机组中的主要支承装置，它将风电机与地面塔架是风力发电机组中的主要支承装置，它将风电机与地面 联接，为水平轴叶轮提供需要的高度而且要承受极限风速产联接，为水平轴叶轮提供需要的高度而且要承受极限风速产 生的载荷；生的载荷； 目前常见的塔架有锥筒式、桁架式、混凝土式等几种形式，目前常见的塔架有锥筒式、桁架式、混凝土式等几种形式， 现代大型风力发电机组通常采用锥筒式塔架。这种形式的塔现代大型风力发电机组通常采用锥筒式塔架。这种形式的塔 架一般有若干段架一般有若干段2030m 的锥筒，用法兰联接而成。塔架由的锥筒，用法兰联接而成。塔架由 底向上直径逐渐减小，整体呈圆台状；底向上直径逐渐减小，整

8、体呈圆台状； 圆台式塔架这类塔架的优点是安全性能好而且进行维修时比圆台式塔架这类塔架的优点是安全性能好而且进行维修时比 较方便安全。较方便安全。 V 塔架设计考虑因素塔架设计考虑因素 首先，整个风力发电机组中塔架的作用是支撑机舱和叶轮，首先，整个风力发电机组中塔架的作用是支撑机舱和叶轮， 把叶轮等部件举到设计高度处运行，以获得足够的能量驱动把叶轮等部件举到设计高度处运行，以获得足够的能量驱动 叶轮转动并带动发电机按照设计的额定功率发电（叶轮转动并带动发电机按照设计的额定功率发电（高度高度）；）； 同时，塔架又是整个风力发电机组的承载基础。它要有足够同时，塔架又是整个风力发电机组的承载基础。它要

9、有足够 的强度和刚度，以保证机组在各种载荷情况下能正常运行，的强度和刚度，以保证机组在各种载荷情况下能正常运行， 而且还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件如台风或暴风袭而且还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件如台风或暴风袭 击影响时的安全性（击影响时的安全性（强度与刚度强度与刚度）；）； 另外，由于风速风向的不稳定性，机组运行时塔架所受影响另外，由于风速风向的不稳定性，机组运行时塔架所受影响 也是动态随机的，因此塔架还必须有一定的抗疲劳性能（也是动态随机的，因此塔架还必须有一定的抗疲劳性能（抗抗 疲劳疲劳）。）。 V 塔架设计的计算分析塔架设计的计算分析 静强度分析：充分考虑塔架的强度静强度分析：

10、充分考虑塔架的强度 模态分析：计算分析配制好叶轮叶片和塔架系统的固有振动模态分析：计算分析配制好叶轮叶片和塔架系统的固有振动 特性，特性， 避免共振现象的发生避免共振现象的发生 稳定性分析：塔架壁厚等尺寸稳定性分析：塔架壁厚等尺寸 疲劳分析：由于风速风向的不稳定性，塔架上的载荷是动态随机疲劳分析：由于风速风向的不稳定性，塔架上的载荷是动态随机 的的 V 塔架初步设计（塔架初步设计（100Kw） 柔性塔架，以吸收振动柔性塔架，以吸收振动 塔架结构形式：圆筒锥状，钢结构塔架结构形式：圆筒锥状，钢结构 塔架初步参数：塔架初步参数： 顶部顶部底部底部 外径外径1.6m2.4m 壁厚壁厚按最大风速按最大

11、风速60m/s考虑，暂定考虑，暂定25mm 高度高度35m （一）（一）自主开发设计内容自主开发设计内容 1、基于空气动力学的外壳造型设计 2、基于材料性能、加工特性和成本控制的材料选择 3、基于强度、刚度和振动理论的结构设计 4、制造工艺方案设计 5、试验方案设计 6、样机试验后的改进设计 两种设计类型两种设计类型: 自主开发设计自主开发设计 选型设计选型设计 风力发电机叶片设计风力发电机叶片设计 1、基于空气动力学的外壳造型设计 确定其截面几何确定其截面几何 尺寸、扭曲、厚尺寸、扭曲、厚 度分布，以满足度分布，以满足 最大风能利用系最大风能利用系 数、最大功率输数、最大功率输 出限制等要求

12、。出限制等要求。 2、基于材料性能、加工特性和成本控制的材料选择 20世纪70年代的风力机叶片主要由钢材、铝材或 木材制成。 由于玻璃钢的比强度和比模量、耐久性、耐气候 性和耐腐蚀性都非常突出，足以用作户外的结构材料， 所以目前80%选材为玻璃钢复合材料，以E-玻纤增强塑 料(GFRP)居多。 目前碳纤维复合材料(CFRP) 也已开始采用，但价 格昂贵。 3、基于强度、刚度和振动理论的结构设计 确定内部结构形式及尺寸，以满足极限状态和疲 劳过程的承载能力、叶尖位移限制、防共振、轻量化 及成本控制等要求。 叶片长度从1980年的4.5m发展到今天的60 余米，容量从当初的55kW发展到今天的2M

13、W以 上。其结构形式经历了如下发展过程： 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 铝合金等弦长挤压成型叶片 玻璃钢叶片 玻璃钢复合叶片 碳纤维(CF)复合叶片 （二）（二）选型设计内容选型设计内容 1、叶片类型选择 2、基于系统工作要求的主要 性能参数设计计算（材料、 长度、直径、扫风面积） 3、规格型号、生产厂家选择 目前国内已上马叶片目前国内已上马叶片 生产企业超过生产企业超过50家家 目前叶片主要是玻璃钢复合叶片，大多采用截面逐渐变小的 型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁、叶根与轮毂连接用圆形金属结构 ， 表面缠绕玻璃纤维并涂树脂，普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树 脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂 。 目

14、前叶片类型 （三）研究方法（三）研究方法 1 1流体分析软件数值仿真分析流体分析软件数值仿真分析 利用流体分析软件对风力发电机的叶片进行流场 分析，确定风能利用效率，以及在极限载荷下的数值 仿真。 2 2风洞实验分析风洞实验分析 根据相似原理，将风力发电机组模型置于风洞中 进行吹风实验，由实验情况对风力发电机组的叶片、 软毂和机舱的各部分进行细节修改，使风能利用效率 达到设计要求。同进也可检验控制系统的有效性有可 靠性。 偏航机械系统偏航机械系统 偏航机械系统的作用 其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使 风力发电机组的风轮始终处 于迎风状态，充分利 用风能，提高风力发电机组的发电效率；

15、其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机 组的安全运行。 主要有两个：主要有两个： 偏航机械系统的种类偏航机械系统的种类 风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和 被动偏航系统。 被动偏航被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风 轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵（用于小微 型风力机 ）和舵轮（用于中小型风机 ）两种。 主动偏航主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动 作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。 对于并网型风力发电机组来说，通常都采用主动偏 航的齿轮驱动形式。 100kw风力机偏航机械系统风力机偏航机械系统 德国富兰德公司德国富兰德公司100KW风力发电机（主

16、动）风力发电机（主动） 一、偏航轴承 偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用 螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。外齿形式是 轮齿位于偏航轴承的外圈上，加工相对来说比较简单； 内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上，啮合受力效 果较好，结构紧凑。具体采用内齿形式或外齿形式根 据机组的具体结构和总体布置进行选择。 主动偏航机械系统组成主动偏航机械系统组成 主动偏航机械系统一般由偏航轴承、偏航驱动装 置、偏航制动器、偏航液压回路、偏航计数器、 纽缆保护装置等几个部分组成。 二、驱动装置 驱动装置一般由驱动电动机或驱动马达、减速器、传 动齿轮、轮齿间隙调整机构等组成。驱动装置的减速 器一般可采用行

17、星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串 联；传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮。 三、偏航制动器 一般采用液压拖动的钳盘式制动器，由制动钳和制 动盘组成。在机组偏航过程中，制动器提供的阻尼力 矩应保持平稳。制动器可以采用常闭式和常开式两种 结构形式，常闭式制动器是在有动力的条件下处于松 开状态，常开式制动器则是处于锁紧状态。两种形式 相比较并考虑失效保护，一般采用常闭式制动器。 四、偏航计数器 记录偏航系统旋转圈数的装置，当偏航系统旋转的 圈数达到设计所规定的初级解缆和终极解缆圈数时， 计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆。计 数器一般是一个带控制开关的蜗轮蜗杆装置或是与其 相类似的程序。 五、纽

18、缆保护装置 是出于失效保护的目的而安装在偏航系统中的。其 作用是在偏航系统的偏航动作失效后，电缆的纽绞达 到威胁机组安全 运行的程度而触发该装置，使机组进 行紧急停机。当机组悬垂部分的电缆纽绞到一定程度 后，触点机构被提升或被松开而触发控制开关。 100KW风机偏航机构初步方案 四点接触式球轴承，内齿或外齿视强度条 件和结构条而定。 电机驱动装置，采用二、三或四套，视动 力条件和结构条而定。 液压碟式制动兼偏航阻尼。 变桨系统变桨系统 一般在中大型风力发电机中才设有变桨系统。变桨是指整个 叶片绕叶片中心轴旋转,使叶片攻角在一定范围(一般090)内 变化，以便调节输出功率不超过设计容许值。 在机

19、组出现故障时，需要紧急停机，一般应先使叶片顺桨，这 样机组结构中受力小，可以保证机组运行的安全可靠性。变桨距 叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需很大的 刹车，启动性能好。在低空气密度地区仍可达到额定功率，在额 定风速之后，输出功率可保持相对稳定，保证较高的发电量。但 由于增加了一套变桨距机构，增加了故障发生的机率，而且处理 变距机构叶片轴承故障难度大。变距机组比较适于高原空气密度 低的地区运行，避免了当失速机安装角确定后，有可能夏季发电 低，而冬季又超发的问题。变桨距机组适合于额定风速以上风速 较多的地区，这样发电量的提高比较明显。 电动变桨系统就是可以允许三个桨叶独立实现变

20、桨，它提供给风力发电机组功率输出和足够的刹车制 动能力。这样可以避免过载对风机的破坏。 三套蓄电池和轴控制盒以及伺服电机和减速机放 置于轮毂处，每支桨叶一套，一个总电气开关盒放置 在轮毂和机舱连接处，整个系统的通讯总线和电缆靠 滑环与机舱的主控制器连接。 1、电动变桨系统、电动变桨系统 常见变桨系统常见变桨系统： 特点是：通过电机绕线定子与磁钢转子组成永磁步进电机， 永磁步进电机定子、转子分别与回转支撑内、外圈连接构成永 磁步进电机支撑和旋转系统，回转支撑内外圈分别通过螺栓与 叶片和轮毂连接构成变桨机构。该变桨系统内没有齿轮咬合， 不可能造成齿轮的磨损和损坏，没有齿轮箱漏油和阻尼等问题， 易维

21、护。刹车采用永磁磁钢和直流电维持刹车，响应速度快， 无接触摩擦和震动，并可有效解决塔影现象。 2、电磁式变桨系统、电磁式变桨系统 1轮毂 2整流罩 3变桨延长节 4叶片 5电机绕线定子 6磁钢转子 7回转支撑轴承 两种变桨系统的比较：两种变桨系统的比较： 电动变桨系统电动变桨系统电磁式变桨系统电磁式变桨系统 通过齿轮箱改变角度，齿 轮的磨损和间隙直接影响 产品的质量和三只叶片的 一致性，并且齿轮箱的润 滑系统维护非常不便。另 外，由于是电动机拖动齿 轮旋转响应速度慢，很难 解决塔影现象。 变桨系统内没有齿轮咬合， 不可能造成齿轮磨损和损 坏，没有齿轮箱漏油和阻 尼等问题，易维护。刹车 采用永磁

22、磁钢和直流电维 持刹车，响应速度快，无 接触摩擦和震动，并可有 效解决塔影现象。 电机及控制部分电机及控制部分 一般采用具有良好低速特性的永磁同步发电一般采用具有良好低速特性的永磁同步发电 机，适用于低风速启动，并具有较高的发电机，适用于低风速启动，并具有较高的发电 效率。效率。 中小功率风机中小功率风机 由风力机、永磁发电机、变流器和主控制器组由风力机、永磁发电机、变流器和主控制器组 成成 永磁直驱式风电机组永磁直驱式风电机组 一 永磁风力发电机机组的基本组成永磁风力发电机机组的基本组成 1.11.1风力机风力机 随着单台风机容量的不断增大、并网风电质量 要求不断提高，以及对空气动力学认识的

23、不断深入， 传统的定桨距失速控制已经不能满足要求，因而对 变桨距控制的需求越来越迫切。 通过变桨距调节可以控制风机桨叶受力，捕捉 风能效率高以及在高风速时段保持输出功率平稳等 诸多优点，使其成为兆瓦级风力发电机的重要发展 方向。 因此，变桨距控制已经成为国际主流风力机组 关键技术之一。国外大、中型变速恒频风力发电系 统均采用了变桨距控制技术。 直接驱动式风力 发电机组主要部件 包括：叶轮叶片、 轮毂、变桨系统、 发电机转子、发电 机定子、偏航系统、 测风系统、底板、 塔架等，如图所示。 1.21.2直驱风力发电机组变桨特性直驱风力发电机组变桨特性 直驱型风力发电机组为变桨距调节型风 机，在整个

24、风速范围内可能具有最佳的 桨距角和较低的切入风速。在高风速下， 改变桨距角以减少功角，从而减小了在 叶片上的气动力，保证叶轮输 出功 率 不超过发电机的额定功 率。 变浆距调节型风机的特点 风力机在起动前, 桨叶的节距角约为90, 此时 气流对桨叶不产生力矩。 当风速达到切入风速时, 控制桨叶向0方向转 动, 直到气流对桨叶产生一定的攻角, 叶轮开始 起动。 在电机并网以前, 变距系统的节距给定值由电机 转速信号控制。转速控制器按一定的速度上升斜 率给出速度参考值, 变距系统根据此值, 调整节 距角, 进行所谓的速度控制。 风力机并网后, 机组运行分两个工况: 风速低 于额定风速。风速高于额定

25、风速。 风机的运行方式 变桨距控制策略 低于额定风速时, 利用变速恒频技术对发电机转子 转速进行控制, 使风能利用系数为最大值, 充分地 利用风能 ； 高于额定风速时, 利用变桨距机构对桨叶的节距角 进行控制, 使输出功率稳定在额定功率附近 。 风力机空气动力特性出发, 提出了变速恒频风力机 在低于额定风速和高于额定风速阶段的变桨距控制 策略 ： 1.31.3变桨距执行机构技术方案变桨距执行机构技术方案 液压执行机构 ： 优点：响应频率快、扭矩大、便于集中布置和集成 化 应用：适合于大型风力机的场合 电机执行机构 优点：结构简单、能对桨叶进行单独控制 常用的变桨距机构常用的变桨距机构 ： 变桨

26、距控制电机执行机构 每个桨叶采用一个伺服电 机进行单独调节。伺服电 机通过主动齿轮与桨叶轮 毂内齿圈相连, 直接对桨 叶的节距角进行控制。由 于大功率风力机的桨叶很 长, 而风速一般随着高度 的增加而增加, 在整个风 轮扫及面积上的风速不是 平均的, 因此对单一桨叶 控制是有利于最大限度利 用风能, 减小振动。如图 所示 风力机所捕获的风功率为： 风能利用系数Cp ： 3 0 1 2 mpwindp PC PCSV 18.4/2.14 151 0.73(0.580.00213.2) i p i Ce 3 0.0031 0.02 1 1 i 1.41.4风力机的数学模型风力机的数学模型 风力机是

27、风力发电系统能量转换的首要部件，它用来截获流动空气所具有的 动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分动能转换为机械能。它不仅 决定了风电系统的有效输出功率，而且直接影响机组的安全、稳定、可靠运 行，是风力发电中的关键组成部分之一。风力发电的动力系统包括风力机、 轮毂、连轴器。 风力机的CP-特性曲线 风况一定时，Pm只与Cp有关。风能利用系数Cp是表征风力机效率的重要 参数，它与风速、叶片转速、叶片的叶尖速比，可用下式表示： 式中：Pm、Cp、S、V0、Rw，w分别是风力机捕获的风功率、风 能利用系数、空气密度、风力机叶片迎风扫掠面积和进入风力机扫掠面积 前的风速、叶尖速比、风力机的风轮半径

28、，风轮旋转转速。 对于变桨距风力机，由上述数学模型可知：Cp与叶尖速比和叶片桨距角有 关，风力机运行于最优桨距角和最佳叶尖速时所捕获风能最大，即Cp最大。 0 / ww Rv 1.51.5变桨距控制原理变桨距控制原理 风电机组的桨距控制系统，通常采用速度、功率和桨距角速度、功率和桨距角三模态控 制。通过对桨距角的调节控制发电机转速、风力机的输出功率。根 据风速的不同，风力发电机组的控制目标也不同： 速低于额定风速速低于额定风速时，对于发电机的转速可以通过调节风力发 电机组的有功功率进行控制，控制目的是保证机组运行在最大 风功率追踪状态下。 风速高于额定风速风速高于额定风速时，受机械强度、发电机

29、容量和变频器容 量等限制，必须降低风轮捕获的能量，使功率保持在额定值附 近，此时，桨距角控制需要起作用，保证机组保持在额定功率 附近。同时，需要调节桨距角调节风轮转速，间接调节发电机 转速，对发电机转速进行“粗调”，通过调节发电机电磁转矩， 可以对发电机转速进行“微调”，将“粗调”与“微调”相结 合，保证发电机的转速维持在额定转速附近。 发电机采用内转子面贴式永磁同步发电机 额定功率：100kW 额定电压：400V 额定转速：50rpm 极数：60 额定频率：25Hz 极数60定子 外 径 1000m m 转子 外 径 865m m 定子 槽 数 144定子 内 径 870mm 转轴 直 径 700m m 转速50rp m 铁心 长 600mm 永磁 体 厚 14m m 主要电磁设计参数 1.61.6永磁同步发电机规格永磁同步发电机规格 中小功率风机启动输出电压低且在工作范围内输出电压大范围波动， 通常采用全功率的四象限PWM变流器，如图下所示，在变流器交流 输入侧采用PWM全控整流电路的拓扑结构，可实现风机输出功率因 数接近1、输出电流为正弦波、大大提高风机的效率。同时，通过控 制PWM整流桥中功率器件的占空比，能够有效跟踪风力发电机的最 大功率，能够在很低的风速情况下即可并网发电，提高系统发电效率。 同时由