风力发电机组桨距控制系统设计说明

.PAGE.新疆大学科学技术学院Collegeofscience＆technologyXinjiangUniversity学生毕业论文<设计>题目：风力发电机组桨距控制系统设计指导教师:学生__专业：电气工程及自动化班级：电气07-1完成日期：20XX5月18日声明郑重声明,本片风力发电机组桨距控制系统设计论文是在老师的精心指导以及查阅资料独立完成的,没有任何版权问题,没有剽窃、抄袭他人的成果,否则,由此造成的一切后果由本人负责。本人签名：新疆大学科学技术学院学生毕业论文〔设计任务书学生姓名学号专业电气工程及其自动化班级论文〔设计题目风力发电机组桨距控制系统设计论文〔设计来源教师科研要求完成的内容〔1查阅相关资料,掌握定速风力发电机组的工作特性〔2查阅相关资料,掌握变速风力发电机组的工作特性〔3研究桨叶的气动特性,翼型的失速控制原理〔4研究变桨距控制系统的工作原理〔5研究主动失速控制系统的工作原理〔6完成毕业设计说明书一篇发题日期：20XX3月9日完成日期：20XX5月18日指导教师签名摘要空气流动所形成的动能极为风能。风能利用形成主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。随着风电技术不断进步,容量逐步增大,单机容量已达几百千瓦,并有兆瓦级风力发电机问世,近十几年来风力发电机产品质量有了显著提高,作为一种新的,安全可靠的,干净的能源而受到国际上风资源丰富国家的关注与大规模开发。桨距控制可以最大限度的捕获风能。桨距控制系统是风力发电机组的关键技术之一,本文对风力发电机组的桨距控制系统做了较为全面的分析及介绍。首先简述了风力发电的现状和发展的趋势,介绍了定速定桨和变速变桨风力发电机组的特点,综述了发电机组的构成及各部件的功能。阐述了课题研究的意义,并提出了本文主要研究的内容。深入学习定速发电机组的失速控制原理,在此基础上对变桨距控制和主动失速控制进行研究。关键字：风力发电机组；定速发电机组；失速控制；变桨距；主动失速；AbstractAirflowformedbykineticenergyextremelywindpower.Windenergyformationismainlywillatmosphericmotionwiththekineticenergywhenconvertedintootherformsofenergy.Thewindtechnologyunceasingprogress,increasingcapacity,standalonecapacityhasreachedseveralhundredkw,andhavemegawattswindgeneratorswaspublished,gradenearlytenyearswind-drivengeneratorproductqualityhasbeenimprovedgreatly,asakindofnew,safeandreliable,cleanenergyandwindresourcesarerichcountriesbyinternationalconcernandthelarge-scaledevelopment.OARSfromcontrolcanmaximumcapturethewind.OARSfromcontrolsystemisthekeytechnologyofwindturbinegeneratorsofthispaperWTGoardistancecontrolsystemtodoacomprehensiveanalysisandintroduce.First,thispaperexpoundsthepresentsituationanddevelopmentofwindpower,introducesthetrendsetOARSandvariablespeedchangeseveralOARSWTGsummarizedthecharacteristicsofgeneratingunits,thecompositionandfunctionofeachcomponent.Expoundsthesignificanceofresearchsubjects,andputsforwardthecontentsofthispapermainlystudies.Furtherstudyusinggeneratorstallcontrolprinciple,onthebasisofdistancecontrolandactivevariableoarcontrolstalled.AccordingtotheirrespectivecharacteristicsPIcontrolsimulation.Keyword:wtg；Fixedspeedwindgenerators；Stallcontrol；Fromcontrolvariableoar；Activestall目录1绪论11.1风力发电机的起源11.220XX我国风力发电的现状11.320XX我国风电装机容量21.4世界风力发电的现状51,5未来我国风力发电的发展趋势61.6总体概述62风力发电机组的组成82.1叶片92.2轮毂92.3机舱112.4齿轮箱112.5塔架133定速风力发电机组〔定桨距失速型143.1双速发电机143.2定桨距风力发电机组的特点143.3失速控制原理153.4定桨距失速调节164变速恒频风力发电机组〔变桨距174.1变速的必要性174.2变桨距风力发电机组的优点及其调节194.3变桨系统的工作原理194.4变速风力发电机组的运行区域194.5桨距控制方案214.6变桨距控制215变桨距主动失速型风力发电机组235.1风力发电机组功率控制的方式235.2主动失速技术的优点245.3主动失速型风力发电机组的基本思想255.4桨叶的失速调节原理25致谢28参考文献29..绪论风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式,是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同,产生温差,从而引起大气的对流运动形成风。风能利用已有数千年的历史。在蒸汽机发明以前,风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置。埃及被认为可能是最先利用风能的国家,约在几千年前,他们就开始利用风帆来帮助行船。波斯和中国也在很早就开始利用风能,主要使用垂直轴风车。我国至少在3000年前的商代就出现了帆船,到唐代,风帆船已广泛用于江河运输。最辉煌的是明代,14世纪郑和七下西洋,庞大的帆船队功不可没。明代以后,风车广泛应用,沿海一带主要用于帆船和风力机提水灌溉,制盐。在欧洲到中世纪才广泛利用风能,荷兰人发明了风车。18世纪荷兰曾用近万台风车排水,在低洼的海滩上围海造田,成为风车之国。成为有名的农用风车,最多达到了600万台。随着蒸汽机的出现,以及煤,石油,天然气的开采,风力机无法和蒸汽机,内燃机,电动机等相竞争,逐渐被淘汰。到了19世纪末,开始利用风力发电,特别是在20世纪70年代,利用风力发电进入了一个蓬勃发展的时代[1]。风力发电机的起源1973年的石油危机之前,风力发电技术仍处于科学研究阶段,主要在高校和科研单位开发研究,政府从技术储备的角度提供少量科研费。1973年以后,风力发电作为能源多样化措施之一,列入能源规划,一些国家对风力发电以工业化试点应用给予政策扶持,以减税、抵税和价格补贴等经济手段给予激励,推进了风力发电工业化的发展。进入90年代,风力发电技术日趋成熟,风场规模式建设；另一方面全球环境保护严重恶化,发达国家开始征收能源和碳税,环保对常规发电提出新的、严格的要求。情况变化缩短了风力发电与常规发电价格竞争的差距,风力发电正进入商业化发展的前夜。我国风力发电起步于80年代末,集中在沿海和新疆、内蒙风能带。1986～1994年试点,1994年新疆达坂城2号风场首次突破装机10MW<当年全国装机25MW>,4年后,全国装机223MW,增长9倍,占全球风力发电装机的2.3%[2]。20XX我国风力发电的现状装机容量继续增长,但增速明显放缓20XX,风电产业依旧是最受人们关注的新能源产业,并已被列入国家七大战略新兴产业。在全球大力发展清洁能源的大好时机下,我国风电装机容量继续保持增长。全年新增装机1602.2万千瓦,累计装机4182.7万千瓦〔如图1-1。与20XX新增装机1380万千瓦、累计装机2580万千瓦相比,20XX风电新增装机增长率仅为16%,累计装机增长率为62%,相比过去四年里风电装机容量连年翻番增长的态势,20XX我国风电装机容量增速明显放缓,风电产业正逐渐步入平稳增长[3]。图1-12006-20XX我国总装机容量国家重视风电产业,海上风电成为新宠为达到我国在哥本哈根会议上提出的"到2020年非化石能源占一次能源消费的比重达到15%、单位GDP二氧化碳排放强度比20XX下降40%-45%"的目标,20XX,国家陆续出台了一系列促进风电产业发展的法律、法规和产业政策,发展目标更加明确,思路更加清晰,前景非常广阔。此外,根据国家最新的能源规划,2020年前国家将在新能源领域增加5万亿元投资,其中可再生能源投资约3万亿元,风电占1.5万亿元。同时,20XX是我国海上风电加速发展的元年。国家能源局5月18日正式启动了总计100万千瓦的首轮海上风电招标工作,分别为滨海和射阳的两个30万千瓦的近海风电项目；大丰和东台的两个20万千瓦的潮间带项目,并于9月10日在北京开标。同年6月,我国首个海上风电项目——上XX海大桥102兆瓦项目全部并网发电。在国家大力推动海上风电加快发展的形势下,上海、XX、XX、XX和XX等省市纷纷提交了各自的海上风电发展规划,各风电企业更是前赴后继进行海上风机的研制与生产。1.320XX我国风电装机容量总体装机容量〔见图1-2：20XX中国〔不包括XX地区新增安装风电机组12904台,装机容量18927.99MW,年同比增长37.1%；累计安装风电机组34485台,装机容量44733.29MW,年同比增长73.3%。[4]图1-220XX中国总装机容量各区域装机情况〔见图1-3：图1-3中国各区域装机情况各省市装机容量及分布图〔见图1-4：图1-4我国各区域装机分布图表1-1各省市装机容量1.4世界风力发电的现状根据世界风力协会<WorldWindEnergyAssociation>于20XX3月发布「2009年世界风力报告」〔WorldWindEnergyReport2009指出,2009年全球风力机组总设备容量业达159.213GW<亿瓦>,并提供3,400亿度电力,约满足全球2%的电力需求。2009年新增设备38.312GW,较2008年总设备容量120.903GW增加31.7%。该协会推估2010年总设备容量将达203.5GW,2020年全球风力机组累计设备容量将上看1,900GW,约为2009年总设备容量之12倍。目前风力发电设备容量前3名分别为美国、中国、德国,这3个国家的风力机组容量计86.946GW,约占全球的55%。若再加上第3、第4位的西班牙及印度,则前5个国家合计117.02GW,约占全球风力机组容量3/4。显示风力发电技术成熟且前景看好,世界各国对风力发电推广,不遗余力[5]。2009年于丹麦哥本哈根举办的国际气候COP15会议,第15届签约国会议。中期目标是让世界约50个国家,到2020年为止温室效应废气排放量削减计划。计划中EU国家到2020年为止,占所有能源消费量的20%必须使用再生能源,以此作为设定共同努力的目标。加盟各国家努力开发可能再生能源,就以欧洲共同市场EU各国努力以赴的风力发电导入状况分析如下:1>世界风力发电规模比前1年增加41.5%在绿能方面世界各国的定义不同,近两年来各国政府承诺「绿能」投资金额为5.000亿美元,其中中国在这方面的投资居冠,投资金额高达2,180亿美元,其次是韩国投资金额为600亿美元,欧洲共同市场EU加上会员各国的投资总金额为550亿美元。但是若以绿能化刺激策略的绿色、能源领域<能源效率化、可能再生能源、电力送电网、低碳排放汽车>做为限定范围的话,美国居冠的660亿美元,其次是中国的47亿美元,EU为31亿美元,韩国是16亿美元。根据英国HSBC银行集团预估,在绿能化方面的投资金额中,若是以再生能源,以及能源效率技术方面为限,10年来成长了3倍。绿色能源全部的投资金额也受到经济危机的影响,2008年投资金额高达1,550亿美元。但是就世界的风力发电市场来看,并没有受到经济危机的影响,08年依然成长了41.5%。09年风力发电累积导入量为158GW<亿瓦><GW=10亿瓦>,比前1年增加31.7%。2>欧洲风力发电占电力需求的5%EU27个国家在09年的风力能源导入容量担负起世界领导责任。09年的风力发电导入量超过10GW,占世界的26.5%。累积导入容量从前年的64.719MW,增加到74.767MW,比前1年成长了15%。这也是占世界全体的47%市场占有率。对EU各国来说风力发电<风车,水车>可以说是早已经习惯的风景。在德国搭乘地方火车时,能够从车窗见到风车的风景。就09年新兴导入可能再生能源来看,占全体的61%,产生的电力为26GW,其中风力发电占39%。EU发表到2020年为止,能源消费量的20%以再生能源为目标。若是以EU各国制定目标来看,到2020年为止顺利的话可能再生能源,可以达到全体电力消费量的34%。其中预估风力发电领域方面约有14%~17%的贡献。欧洲从2000年以后累积风力发电容量为9.7GW,约成长了7倍的95GW。针对EU在2009年底为止的统计,风力发电领域的雇用人数为19万人,风力发电方面的投资金额为139亿欧元。09年的发电总容量若没有特殊改变的话162.5TWh,风力发电相当约占EU电力需求的4.8%。3>欧洲是以海上风力发电导入做为主流欧洲2009年在海洋风力发电方面的导入容量为582MW,比08年增加56%,占欧洲整体发电设备的6%左右。累积发电容量为2,063MW,占欧洲全体发电量的3%。欧洲的两大市场分别为英国的883MW,以及丹麦的646MW。就2010年欧洲海洋风力发电容量来看,预定导入1,000MW,相当于欧洲市场的约10%左右。海洋风力发电尚处于萌芽期,预估到2020年以海洋型的风力发电容量将达到40GW。由于欧洲海域的优势条件,适合海洋型的风力发电设备,预估这将成为欧洲能源再生的主流方式。此外、欧洲在海洋型风力发电技术方面,局于领先地位,故预估到了2030年,风力发电是目前的7倍能力,相当于能够供应30,000TWh的电力。2009年为止,海洋型风力发电设备共设立830座,通过海底送电网的传送,已经能够供应2,000MW的电力。目前在欧洲的9个国家,建立了39个风力发电系统,海洋型的风力发电也从1994年在荷兰外海建设的第1座发电能力2MW,一直到去年的09年在丹麦沿海设置的海洋型风力发电设备,能够产生209MW的发电能力。最近大型海上风力涡轮设备,主要是基于深海建设技术提高所赐。仅2009年就建设了9个场所的海洋型风力发电基地,供安置了201座风力发电设备,新设置的风力发电能力达到584MW,09年在风力发电方面的投资金额为130亿欧元。其中海洋型风力发电设备就占了15亿欧元。2010年更增加到30亿欧元。1,5未来我国风力发电的发展趋势海上风力发电已经悄然兴起并且将会成为重要能源形式,海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域,从而使海上风力发电技术成为最近的研究和应用热点。中国海上风能资源储量远大于陆地风能,储量10m高度可利用的风能资源超过7亿kW,而且距离电力负荷中心很近。随着风力发电的不段发展,陆地上的风力发电机的总和已经开始趋于饱和,那么就需要我们开发新的能源形式,海上风力发电场也就自然而然的成为了新的重要能源开发项目,同时也是风力发电的开发重点。不仅在中国是这样,海上发电也是近年来国际风力发电产业发展的一个新新领域,可谓是"方向中的方向"。随着现代风力发电技术发展的日趋成熟,风力发电机组正不断向大型化发展。大体上大型风力发电机组有两种发展模式。一种是陆地风力发电,其方向是低风速发电技术,这种模式关键是向电网输电。另外一种是近海风力发电,主要用于比较浅的近海海域,这种模式的主要制约因素是风力发电场的规划和建设成本,但是近海风力发电的优势是明显的,即不占用土地,海上风力资源较好。风力发电不仅仅为人们提供电力,同时它也伴随并且促进着经济的发展。风力发电整个过程都不产生任何污染,它既可以为人们提供电力,又可以减少燃料带来的环境污染,从而起到保护地球生态环境的作用,是真正的绿色能源。风电作为清洁的可再生能源,已成为当今世界电力发展的潮流和趋势。1.6总体概述本文围绕风力发电机组桨距控制系统阐述了近年来我国风电发展的状况、我国风电的装机容量、风力发电机组的先进技术、世界风力发电的趋势及其我国未来发展的趋势。随后介绍了风力发电机组的组成,定速风力发电机组,变速恒频风力发电机组,变桨距失速型风力发电机组,研究了桨叶的气动特性,翼型的失速控制原理,其中着重写了：1、我国风力发电近几年的发展,我国在20XX的装机容量2、介绍了水平轴风力发电机组的组成3、定速风力发电机组的特点、失速控制原理、定桨距失速调节4、变桨距风力发电机组的优点、工作原理、控制方案5、变桨距主动失速型风力发电机组的功率控制方式、主动失速的优点、桨叶的失速调节原理最后在论文的总结中对我国的风力发电的技术和桨距控制进行了展望,对未来的风力发电的发展进行了大胆的设想。风力发电机组的组成空气流动形成了风,而空气的流动是由地球自转和地球纬度温差形成的。流动的空气所具有的动能称作风能。风力发电利用风能来发电,而风力发电机组是将风能转化为电能的机械设备。风力机经过20XX的发展过程,现在已有很多种型式,如图3-1所示。其中有的是老式风力机,现在不再使用,有的是现代风力机,正为人们广泛利用,有的正在研究之中。广义的风力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置,如风帆船和中国古代的加帆手推车等。风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来,凡在气流中产生不对称力的物理构XX能成为风能接收装置,通过旋转、平移或摆动运动而发出机械功。无论何种类型的风力机,都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。目前,水平轴、上风向、三桨叶型、用于并网发电的风力机是当今普遍应用、推广的机型,如图2-1和2-2所示,在机械结构、功率控制和制动系统等方面具有多种选择方案。下面详细介绍典型的水平轴风力机的叶片、轮毂、机舱、齿轮箱、发电机和塔架[6]。图2-1典型的水平轴定桨距定速风力发电机组结构图1132457869101112图2-2典型的水平轴直驱式变桨变速风力发电机组的基本结构1.叶片2.变桨机构3.轮毂4.发电机转子5.发电机定子6.偏航驱动7.测风系统8.辅助提升机9.机舱控制柜10.机舱底座11.塔架12.导流罩2.1叶片叶片是风力机的关键部件。风力机正常运转时,叶片必须承受风载荷和离心力,由于叶片细长而且又重又大,受不断变化的流动空气影响,在地球应力场中运动,其所受重力弯矩的变化相当复杂,当狂风袭来,风轮迎风静止时,叶片又必须经受住最猛烈的风暴。叶片是风力机主要构成部分,当今95%以上的叶片都采用玻璃钢复合材料,质量轻、耐腐蚀、抗疲劳。叶片的技术含量高,属于风力机的关键部件,大型风力机的叶片往往由专业厂家制造。轮毂轮毂的作用是连接叶片和低速轴,要求能承受大的、复杂的载荷,中小型风力机采用刚性连接,兆瓦级风力机采用跷跷板连接方式。图2-3风力机固定式轮毂风轮轮毂是连接叶片与风轮转轴的部件,用于传递风轮的力和力矩到后面的机构。轮毂通常由球墨铸铁制成。使用球墨铸铁的主要原因是轮毂的复杂形状要求使用浇铸工艺,以方便其成型与加工。此外,球墨铸铁有较好的抗疲劳性能。比较典型的轮毂结构有以下三种：<1>固定式轮毂三叶片风轮大多采用固定式轮毂,悬臂叶片和主轴都固定在这种无铰链部件上〔见图2-3。它的主轴轴线与叶片长度方向的夹角固定不变。制造成本低、维护少,不存在铰链式轮毂中的磨损问题。但叶片上的全部力和力矩都将经轮毂传递至其后续部件。<2>叶片之间相对固定的铰链式轮毂如图2-4所示,铰链轴线通过叶轮的质心。这种铰链使两叶片之间固定连接,它们的轴向相对位置不变,但可绕铰链轴沿风轮俯仰方向〔拍向在设计位置作±<5º~10º>的摆动〔类似跷跷板。当来流速度在叶轮扫掠面上下有差别或阵风出现时,叶片上的载荷使得叶片离开设计位置,若位于上部的叶片向前,则下方的叶片将要向后。由于两叶片在旋转过程中驱动力矩的变化很大,因此叶轮会产生很高的噪声。叶片的悬挂角度也与风轮转速有关,转速越低,角度越大。具有这种铰链式轮毂的风轮具有阻尼器的作用。当来流速度变化时,叶片偏离原悬挂角度,其安装角也发生变化,一个叶片因安装角的变化升力下降,另一片升力提高,从而产生反抗风况变化的阻尼作用。图2-4不同形式的铰链式轮毂<3>各叶片自由的铰链式轮毂每个叶片互不依赖,在外力作用下叶片可单独作调整运动。这种调整不但可做成仅具有拍向锥角改变的形式,还可做成拍向、挥向〔风轮扫风面方向角度均可以变化的方式,见图2-4。理论上说,采用这种铰链机构的风轮可保持恒速运行。2.3机舱机舱一般容纳了将风轮获得的能量进行传递、转换的全部机械和电气部件。位于塔架上面的水平轴风力机机舱,通过轴承可随风向旋转。机舱多为铸铁结构,或采用带加强筋的板式焊接结构。风轮轴承、传动系统、齿轮箱、转速与功率调节器、发电机〔或泵等其他负载、刹车系统等均安装在机舱内〔见图2-5。设计机舱的要求是：尽可能减小机舱质量而增加其刚度；兼顾舱内各部件安装、检修便利与机舱空间要紧凑这两个相互矛盾的需求；满足机舱的通风、散热、检查等维护需求；机舱对流动空气的阻力要小以及考虑制造成本等因素。机舱装配时需要注意的是：从风轮到发电机各部件之间的联轴节要精确对中。由于所有的力、力矩、振动通过风轮传动装置作用在机舱结构上,反过来机舱结构的弱性变形又作为相应的耦合增载施加在主轴、轴承、机壳上。为减少这些载荷,建议使用弹性联轴节。联轴节既要承受风力机正常运行时所传递的力矩,也要承受机械刹车的刹车力矩。图2-5大中型水平轴风力发电机的机舱及其内外安装的部件2.4齿轮箱在有齿轮箱的风力发电机组中,齿轮箱是一个重要的机械部件。由于叶轮的转速很低,远远达不到发电机发电所要求的转速,必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现,将叶轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。故也将齿轮箱称为增速箱。风力机的设计过程中,一般对齿轮箱、发电机都不做详细的设计,只是计算出所需的功率、工作转速及型号,向有关的厂家去选购。最好是确定为已有的定型产品,可取得最经济的效果；否则就需要自己设计或委托有关厂家设计,然后试制生产。小型风力机的简单齿轮箱可自行设计。风力发电机组齿轮箱的种类很多,按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动系统的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。水平轴风力机常采用单级或多级定轴线直齿齿轮〔见图2-6或行星齿轮增速器〔见图2-7。采用直齿齿轮增速器,风轮轴相对于高速轴要平移一定距离,因而使机舱变宽。行星齿轮箱很紧凑,驱动轴与输出轴是同轴线的,因此,当叶片需要变距控制〔叶片安装角变化调整时,通过齿轮箱到轮毂,控制动作不容易实现。根据机组的总体布置要求,有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴〔俗称大轴和齿轮箱的输入轴合为一体,其轴端的形式是法兰盘连接结构。也有将大轴与齿轮箱分别布置,其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力,常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置,配合叶尖制动〔定桨距风轮或变桨距制动装置,共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处,受无规律的变向变载荷的风力作用以及强阵风的冲击,常年经受酷暑、严寒和极端温差的影响,加之所处自然环境交通不便,齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内,一旦出现故障,修复非常困难,故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如：对构件材料的要求,除了常规状态下机械性能外,还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作,防止振动和冲击；保证充分的润滑条件等等。对冬夏温差巨大的地区,要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点,对运转和润滑状态进行遥控。不同形式的风力发电机组有不一样的要求,齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。以水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动为代表结构。图2-6图2-6定轴线齿轮传动图2-6定轴线齿轮传动图2-7行星齿轮传动图2-7行星齿轮传动2.5塔架水平轴风力机的塔架设计应考虑塔架的静动态特性、与机舱的连接、运输和安装方法、基础设计施工等问题。塔架的寿命与其自身质量大小、结构刚度和材料的疲劳特性有关。塔架从结构上可分为桁架式和塔筒式。桁架式塔架在早期风力发电机组中大量使用,其主要优点为制造简单、成本低、运输方便,但其主要缺点为通向塔顶的上下梯子不好安排,安全性差。塔筒式塔架在当前风力发电机组中大量采用,优点是美观大方,上下塔架安全可靠。塔架以结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。钢筋混凝土塔架在早期风力发电机组中大量被应用,后来由于风力发电机组大批量生产,被钢结构塔架所取代。近年来随着风力发电机组容量的增加,塔架的体积增大,使得塔架运输出现困难,又有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。图2-8塔架高度与风轮直径的关系图2-8塔架高度与风轮直径的关系3定速风力发电机组〔定桨距失速型3.1双速发电机事实上,定桨距风力发电机组还存在在低风速运行时的效率问题。在整个运行风速范围内〔3m/s>ν>25m/s由于气流的速度是在不断变化的,如果风力机的转速不能随风速的变化而调整,这就必须要使风轮在低风速时的效率降低〔而设计低风速时效率过高,会使桨叶过早进入失速状态。同时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的非常理想,它们在p>30%额定功率范围内,均有高于90%的效率,但当功率平p<25%额定功率时,效率仍然会急剧下降。为了解决上述问题,定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。例如600kw定桨距风力发电机组一般设计成6极150kw和4极600kw；750kw风力发电机组设计成6极200kw和4极750kw；最新推出的1000kw风力发电机组设计成6极200kw和4极1000kw。这样,当风力发电机组在低风速段进行时,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。从而使定桨距风力发电机组与变桨距风力发电机组在进入额定功率前的功率曲线差异不大。采用双速发电机的风力发电机组输出功率曲线如图3-1所示。图3-1风力发电机组功率输出曲线3.2定桨距风力发电机组的特点桨叶与轮毂的连接是固定的,即当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时,桨叶必须能够自动的将功率限制在额定值附近,因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。二是运行的风力发电机组在突然失去电网〔突甩负载的情况下,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。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力,这对于数十千瓦级机组来说问题不大,但对于大型风力发电机组,如果只使用机械刹车,就会对整机结构强度产生严重的影响。为了解决上述问题,桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶,解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题；20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上,解决了在突甩负载情况下的安全停机问题,使定桨距〔失速型风力发电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位,直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机型采用该项技术。失速控制原理失速型风力发电机组通过风轮叶片失速特性来控制风力发电机组在大风时的功率输出,以及通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。失速型风力发电机组的风轮叶片通过选择失速性能良好的翼型和合理的叶片扭角随展向的分布使叶片在风速大于额定风速后,在其根部开始进入失速,并随风速增加逐渐向叶尖扩展,使功率减少。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；凹面较平缓面使气流速度缓慢,压力较高,因而产生升力。桨叶的失速性能是指它在最大升力系数Clmax附近的性能。当桨叶的安装角β〔对定桨距风力机而言,桨叶的安装角就是桨距角不变,随着风速增加,攻角增大,升力系数线性增大,在接近Clmax时,增加变缓；达到Clmax后开始减小。另一方面,阻力系数Cd初期不断增大；在升力开始减小时,Cd继续增大,这是由于气流在叶片上的分离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,上下翼面压力差减小,至使阻力激增,升力减少,造成叶片失速,从而限制了功率的增加,如图3-2所示。a.刚启动时b.有效运行时〔中风c.失速时〔额定风速附近图3-2定桨距风力机的气动特性失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减小,因而根部叶面先进入失速,随风速增大,失速部分向叶尖处扩展,原先已失速的部分,失速程度加深,未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少,未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。图3-3600kW风力发电机组的功率曲线定桨距风力发电机组功率特性还与风轮的转速和风轮叶片的初始安装角等有关。定桨距风力机风轮的转速和叶片安装角一般是固定不变的,因此,由风轮功率特性可知,它只在某一个叶尖速比下,具有最大功率系数。一般失速型风力机设计时,其额定转速不是按在额定风速时具有最大的功率系数来设定的,而是在低于额定风速下具有最大的功率系数来设定的。即使这样,为了使风力发电机组在低风速下运行时也具有较大的功率系数,许多失速型风力机采用双速异步发电机进行切换,使用双速发电机后,可以增加风力发电机组在低风速时的功率输出,但增加的幅度随风速增大而减小。图3-3给出600kW风力发电机组的功率曲线。一般定桨距风力发电机组在低风速段的风能利用系数较高。随着风速升高,功率上升趋缓,当风速接近额定风速时,风能利用系数开始大幅下降。对于定桨距风力发电机组而言,不同风轮叶片安装角具有不同的风轮功率特性,因此,定桨距风力发电机组风轮安装时,按风轮设计时选定的叶片初始安装角与轮毂进行连接。但是由于不同地区安装风力发电机组时,其实际的功率特性随空气密度变化而变化,因此,需要通过调节叶片初始安装角〔桨距角来达到额定的功率输出。有的失速型风力机叶片有双失速特性,如定速风力机在额定风速以上运行,有时输出功率低于额定功率25%,其原因与叶片前缘产生的层流分离泡的破裂有关。这对风力发电机的功率控制是不利的,当改变风力机翼型头部形状或在叶片上加失速条后可以避开双失速特性。定桨距失速调节定桨距是指风轮的桨叶与轮毂是刚性连接,叶片的桨距角不变。当空气流流经上下翼面形状不同的叶片时,叶片弯曲面的气流加速,压力降低,凹面的气流减速,压力升高,压差在叶片上产生由凹面指向弯曲面的升力。如果桨距角β不变[图3-1]〔a],随着风速νω增加,攻角α相应增大,开始升力会增大,到一定攻角后,尾缘气流分离区增大形成大的涡流,上下翼面压力差减小,升力迅速减小,造成叶片失速〔与飞机的机翼失速机理一样,自动限制了功率的增加。因此,定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距角伺服执行机构,整机结构简单、部件少、造价低,并且有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖于叶片独特的翼型结构,叶片本身结构较复杂,成型工艺难度较大。随着功率增大,叶片加长,所承受的气动推力大,使得叶片的刚度减弱,失速动态特性不易控制,所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上。变速恒频风力发电机组〔变桨距现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组多采用变桨距及变速运行的工作方式,这种运行方式可以实现优化风力发电机组部件的机械负载及优化机组系统的电网质量。风力机变速运行时,与其连接的发电机也作变速运行,因此必须采用电力电子变频设备,在变速运转时发出恒频恒压的电能,才能实现与电网的连接。变速的必要性风力发电机控制的关键是功率调节。当前风力发电机的功率调节主要有两类：一类是定桨距失速控制,另一类是变桨距控制。定桨距失速控制风力发电机组的风轮叶片直接固定在轮毂上,叶片的桨距角〔叶片上某一点的弦线与转子平面间的夹角在安装时确定,在运行期间风速变化时,桨叶的迎风角不能随之变化。因此,定桨距发电机组是利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大风能。这类风力发电机的特点是风力发电机的功率调节由风轮叶片来完成,控制简单,但风机叶片本身结构复杂,成型工艺难度较大,风机不宜大型化。变桨距风力发电机的叶片通过轴承固定在轮毂上,可以绕叶片的展向轴向转动,借助控制技术来调整其桨距角。变桨距风机就是通过变距调节机构使风轮叶片的安装角随风速变化而变化,从而达到调节功率的目的的。这类风机的变距调节机构非常复杂,另外由于风轮叶片是大惯性环节,调节一旦失误会引起灾难性的后果。目前,无论是定桨距风力发电机还是变桨距风力发电机,它们都属于恒速风力发电机,因为并网后定子磁场旋转频率等于电网频率,而异步电机的转差率一般为3％～5％,所以转子本身的转速变化范围很小,因此被称为恒速风机。恒速风力发电机组的一个显著缺点就是对风能的利用率不高[2]。风力发电机从风中捕获的机械功率为：<4-1>其中：—风轮吸收的功率,单位为W；—空气密度,单位为kg/m3；—风轮扫掠面积,单位为m2；—风力机的风能利用系数,即功率系数；—叶尖速比；—桨叶节距角,单位为度；—风速,单位为m/s。由上式可见,在风速给定的情况下,风轮获得的功率将取决于功率系数,值越高风机将风能转化为机械能的效率越高。功率系数是风力机叶尖速比和桨叶节距角的函数。在某一固定节距角,功率系数和叶尖速比的典型曲线如下图所示：0图4-1风力机的—性能曲线叶尖速比可表示为：<4-2> —风轮转动的角速度,单位为rad/s；—风轮半径,单位为m；—风速,单位为m/s。由上图4-1可知,只有在叶尖速比为某一特定值λopt时,功率系数最大。对于恒速风力发电机组,发电机转速的变化只比同步转速高百分之几,但风速v是不断变化的,而且其变化范围可以很宽。由式<4-2>,叶尖速比λ也在很宽的范围内变化,因此它只有很小的机会运行在max点。如果在任何风速下,风力机都能在max点运行,便可从风中获得最大风能。因此,当风速变化时要维持最佳值,就要使风轮的角速度也能随风速的变化而变化,这就要求与风轮机相联的发电机要具有变速运行的能力。当风速变化时,只要调节风轮转速,使其叶尖速度与风速之比保持不变<也就是保持叶尖速比不变>,就可持续获得最佳的功率系数max。另外,对恒速风力发电机组来说,当风速跃升时,巨大的风能将通过风轮机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力,如果该过程重复出现将会引起这些部件的疲劳损坏。因此设计时不得不加大安全系数,从而导致机组重量加大,制造成本增加。而当风力发电机组可变速运行时,由风速跃升产生的巨大风能,部分被加速旋转的风轮所吸收,存储于高速运行的风轮中,从而避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力；当风速下降时,在电力电子装置调控下,将高速风轮释放的能量转变为电能送入电网。风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用,使风力发电机组内部能量传输部件应力变化比较平稳,防止破坏性机械应力产生,从而使风力发电机组运行更加平稳和安全。4.2变桨距风力发电机组的优点及其调节在不同的风速、风轮转速的情况下,风力机对风能的吸收都是不同的,当风速变化时,理论上桨叶桨距必须做出相应的变化,使得气流对叶片的攻角能够保持最佳,才能使得风力机对风能的利用达到最佳,并在超过额定风速的时候达到减小风能捕获的效果。由于过去的知识与技术有限,所以不能设计出满足工业稳定需求的变桨距机构。从而过去设计的风力机主要采用结构简单的定桨距控制方式。随着人们对风力机认识的加深,以及对风力机控制的精度有更大的需求,现在各大公司新设计的大功率的风力机都在尝试采用变桨距控制方式进行风轮控制。变桨系统的工作原理变桨距风机是通过叶片沿其纵向轴转动,改变气流对叶片的攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,使发电机功率输出保持稳定。变桨伺服控制系统作为风力发电控制系统的外环,在风力发电机组的控制中起着十分重要的作用。它控制风力发电机组的叶片节距角可以随风速的大小进行自动调节,在低风速启动时,桨叶节距可以转到合适的角度,使风轮具有最大的启动力距；当风速过高时,通过调整桨叶节距,改变气流对叶片的攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,使发电机功率输出保持稳定。变速风力发电机组的运行区域变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分为三个阶段。第一阶段是起动阶段,发电机转速从静止上升到切入速度。对于目前大多数风力发电机组来说,风力发电机组的起动,只要当作用在风轮上的风速达到起动风速便可实现。在切入速度以下,发电机并没有工作,机组在风力作用下机械转动,不涉及发电机的变速控制,因此对该阶段不作过多讨论。第二阶段是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域,风力发电机组开始获得能量并转换成电能。从理论上来说,根据风速的变化,风轮可以在现定的任何转速下运行,以便最大限度地获取能量。但由于受到运行转速的限制,不得不将该阶段分成两个运行区域：即变速运行区域<恒定区>和恒速运行区域。为了使风轮能在恒定区运行,必须采用变速发电机,其转速能够被控制以跟踪风速的变化。第三个阶段为功率恒定区。在更高的风速下,风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下,这个限制就确定了变速风力发电机组的第三运行阶段—功率恒定区。对于恒速风力发电机组,风速增大时,能量转换效率反而降低,而从风力中可获得能量与风速的三次方成正比,这样对变速风力发电机组来说,有很大的余地可以提高能量的获取。图4-2风力发电机组的等值线图图4-2是输出功率为转速和风速的函数的风力发电机组的等值线图。该图示出了变速风力发电机组的控制途径。在低风速段,按恒定<或恒定叶尖速比>途径控制风力发电机组,直到转速达到极限,然后按恒定转速控制发电机组,直到功率达到最大,最后按恒定功率控制发电机组。在三个工作区运行时风力发电机组的运行情况如下：1>恒定区在恒定区,风力发电机组受到功率—转速曲线控制,用目标功率与发电机实测功率之偏差驱动系统达到平衡。功率—转速特性曲线的形状由max和λopt决定。图4.2给出了转速变化时不同风速下风力发电机组功率与目标功率的关系。图4-3最佳功率和风轮转速如图4-3,假定风速是2,点A2是转速为1200转/分时发电机的工作点,点A1是风力机的工作点,它们都不是最佳点。由于风力机的机械功率大于电功率,过剩的功率使转速增大,它等与A1和A2两点的功率之差。随着转速增大,目标功率遵循Popt曲线持续增大。同样,风力机的工作点也沿2曲线变化。工作点A1和A2最终将在A3点交汇,风力机和发电机在A3点功率达到平衡。当风速是3时,发电机的工作点是B2,风力机的工作点是B1。由于发电机负荷大于风力机产生的机械功率,故风轮转速减小。随着风轮转速的减小,发电机的功率不断修正,沿Popt曲线变化。风力机的工作点沿3曲线变化。随着风轮转速降低,风轮功率与发电机功率之差减小,最终二者将在B3点交汇。2>转速恒定区如果保持max恒定,即使没有达到额定功率,发电机最终将达到其转速极限,此后风力机进入转速恒定区。在这个区域,随着风速的增大,发电机转速保持恒定,功率在达到极限之前一直增大,风力机在较小的区工作。3>功率恒定区随着功率增大,发电机最终将达到其功率极限。在功率恒定区,改变风轮桨叶的节距角,使值迅速降低,从而保持功率不变。桨距控制方案从空气动力学角度考虑,当风速过高时,只有通过调整桨距角,改变气流对叶片的攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转距,使功率输出保持稳定。同时,风力机在起动过程也需要通过变桨距来获得足够的起动转距。因此,最初研制的风力发电机组都被设计成全桨叶变距的。但由于一开始设计人员对风力发电机组的运行工况认识不足,设计的变桨距系统的可靠性远不能满足风力发电机组正常运行的要求,变桨距风力发电机组迟迟未能进入商业化运行。当失速型桨叶的启动性能得到了改进,人们便纷纷放弃变距机构而采用定桨距风轮,在一定时期内,商品化的风力发电机组大都是定桨距失速控制的。经过10多年的定桨距风力机的运行,设计人员对风力发电机组的运行工况和各种受力状态有了深入了解,不再满足于仅仅提高风力发电机组运行的可靠性,开始追求不断优化的输出功率曲线,同时采用变桨距技术的风力发电机组可以使桨叶和整机的受力状况大为改善。因此进入20世纪90年代以后,变桨距控制系统又重新受到了设计人员的重视。目前变桨距机型已成为市场上的主流机型。下面介绍变桨距机型通常采用的两种桨距控制方案：变桨距控制和主动失速控制。变桨距控制变桨距控制过程如图4-4所示,桨距调节曲线和转速调节曲线如图4-5所示。变桨距风力发电机组在低风速时,桨距角可以调节到合适的角度,使风轮具有较大的启动力矩,易于启动。当功率在额定功率以下时,控制器将叶片桨距角置于0°附近,不作变化,可认为等同于定桨距风力发电机组,发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。功率超过额定功率时,变桨距机构开始工作,调整叶片桨距角,将发电机的输出功率限制在额定值附近。当风力发电机组需要脱离电网时,变桨距系统可以先转动叶片使之减小功率,在发电机与电网断开之前,功率减小至0,这意味着当发电机与电网脱开时,没有转矩作用于风力发电机组[7]。a.顺桨〔启动前b.变桨到运行位置c.有效运行时〔变速d.变桨控制图4-4变桨距控制过程示意图变桨距风力发电机组的输出功率曲线如图4-6所示,由于功率调节不完全依靠叶片的气动性能,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。变桨距风力发电机组的桨距角根据发电机输出功率的反馈信号来控制,不受气流密度变化的影响。无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化,变桨距系统都能通过调整叶片角度,使之获得额定的功率输出。图4-5变速变桨风电机组的桨距角调节曲线和转速调节曲线[8]图4-6变桨距风电机组功率曲线[9]5变桨距主动失速型风力发电机组5.1风力发电机组功率控制的方式大型并网风力发电机组的主要功率控制方式有被动失速控制、主动桨距控制和主动失速控制三种[10]。被动失速控制被动失速控制是最简单的功率控制方式,它的工作原理是随着风速的增加,风轮叶片自动进入失速状态,升力系数下降,阻力系数上升,限制风力机的最大功率输出。这种控制方式的优点是不需要变桨距机构,缺点是在失速状态,由于气动特性的不确定性,气动性能载荷计算精度偏低,实际运行过程中常出现双失速现象。另外,由于失速以后升力系数曲线斜率是负值,即随着攻角的增大,升力系数下降,因此气动阻尼是负值,这将导致叶片挥舞和摆振方向振动的不稳定性,叶片将不可避免地承受较大的弯矩和应力,引起叶片的疲劳破坏。在高风速停机状态,由于叶片不能顺桨,风力机承受的极限载荷较变桨距风力机大。〔2主动桨距控制主动桨距控制是在高风速时调节叶片绕轴线旋转,减小攻角,降低升力系数,达到维持额定功率输出的目的,这种过程我们通称为顺桨。主动桨距控制的主要优点是增加了功率输出,降低了刹车及高风速状态下的极限载荷。主动桨距控制的变桨系统要求必须动作迅速,一般要求5°/s以上的变桨速率,保证在阵风发生时,变桨系统能及时地调节叶片角度,将功率输出变化限定在一定的范围之内。叶片在工作时桨距角的调节范围大约从0°到35°,气动刹车时,叶片需调到90度。〔3主动失速控制主动失速控制在额定风速以上通过调节叶片主动进入失速状态来维持额定功率输出,即叶片角度调节方向与主动桨距控制相反。主动失速控制的一个显着优点是在额定风速以上,叶片仍维持在失速状态,因此阵风引起的作用在叶片上的周期性波动载荷相对于主动桨距控制要小得多,同时叶片桨距角只需要微调就能维持额定功率输出,因此变桨速率可以比主动桨距控制小,同时气动刹车时叶片角度仅有20°,变桨机构的行程比主动桨距控制少了许多,如图5-1所示。桨距角主动失速控制主动桨距控制风速<m/s桨距角主动失速控制主动桨距控制风速<m/s图5-1主动失速与主动变桨风力机的桨距角调节范围主动失速控制的主要缺点是失速状态下难以准确计算风轮叶片气动特性。同时高风速下叶片工作在失速状态,阻力将增加,风轮承受较大的推力,但推力较稳定,变化幅度小,推力所产生的疲劳载荷小。另外,由于失速以后升力系数曲线斜率是负值,即随着攻角的增大,升力系数下降,因此气动阻尼是负值,这将导致叶片挥舞和摆振方向弯曲模态的不稳定性。5.2主动失速技术的优点任何类型的风力机都需要进行功率调节,否则将在高风速情况下出现过载。功率调节常用的两种形式是失速调节和桨距调节,传统的功率调节方式有一定的优缺点,主动失速技术则融合了两者的优点:1．传统被动失速调节的风力机叶片直接固定在轮毂上,叶片的安装角度在安装时确定好后,在运行期间不能变化。失速型叶片气动外型的设计能够使高风速下通过上翼面的气流出现分离,也就是所谓的失速现象。失速会导致叶片的升力下降,阻力上升,随风速增大气动效率下降从而限制了最大输出功率。因为失速是由叶片的空气动力特性而被动产生的,在任何条件下失速功率调节都是既简单又可靠。在高风速下风力机的输出功率受风速的突变影响较小。但是受失速特性地影响,通常风力机在额定风速后有所下降。另外失速调节的风力机最大出力对空气密度和叶片表面粗糙度的变化比较敏感,冬天与夏天,海拔高和海拔低的地区之间差别较大。2．传统的桨距调节风力机的叶片通过轴承固定在轮毂上,可以绕叶片的展向轴向转动调整桨距角度。在高风速情况下,桨距角随着风速的增高不断向更加正的安装角度方向调整,也就是减小气流攻角,偏离失速,保持较小的升力来限制功率。因为桨距角可以连续调节因此在高风速情况下风力机的出力可以保持恒定,而且可以自动补偿空气密度和表面粗糙度变化的影响。同时在低风速区域也可以通过调整桨距角来提高局部的气动效率,增加出力。但是变桨距调节对风速的变化非常敏感,湍流情况下容易引起出力的波动。这就要求变桨距机构需要具备足够的响应速度,变桨距机构和控制系统相应比较复杂。主动失速技术充分吸取了被动失速和桨距调节的优点。主动失速风力机叶片也是通过轴承固定在轮毂上,可以绕叶片的展向轴线转动调整桨距焦度。高风速时桨距角随着风速的变化不断调整维持失速状态,使最大出力受到限制,此时桨距角仅需要微调维持失速状态,保持恒定,湍流情况下波动也较小。在低风速时桨距角可以调整优化叶轮出力。刹车时,叶片转动,相当于气体刹车,很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。主动失速型风力发电机组的基本思想与失速调节型风力发电机组相比,主动失速型风力发电机组具有更高的发电量；同时与失速型风力发电机组和变桨风力发电机组相比具有较低的载荷。主动失速控制器的目标是：通过对叶片桨距角的调节,提高主动失速风力发电机的发电能力,特别是在额定风速以下时对叶片桨距角的控制。同时降低载荷,使风力发电机组有更好的可利用性以及更高的安全性,减少运行成本,降低调整、维护、维修等费用,使风力发电机组在寿命期内获得更好的经济性和较高的投资安全性,提高国产化机组的竞争力。基于以上思想,我们来设计该系统。图5-2给出了升力曲线图,变桨距调节是利用升力曲线的上升段调节,主动失速调节是在升力曲线的上升段和下降段都进行调节。图5-3给出了主动失速风力发电机组的功率曲线图。标出了３个区域,区域1是风力发电机组大部分时间运行的区间,风力发电机组运行的唯一目标就是效率的最大化。此外,这个区间的载荷是有限的,对风力发电机组寿命的影响不是很大,可以通过桨距调节来优化功率。在２、３区间,影响寿命的载荷就比较重要了。由于作用在部件上的实际载荷与功率是紧密相关的,基本的载荷控制原理就是降低功率。因此,在3区,风力发电机组运行的目标是使功率维持在额定,不要超发；2区,该区处于升力曲线斜率的变化点,由于风的随机性,功率的变化比较大,为不稳定区,调整叶片桨距角让叶片深度失速,减少载荷。图5-2升力曲线图5-3功率曲线桨叶的失速调节原理当气流流经上下翼面形状不同的叶片时,因突面的弯曲使气流加速,压力较低；凹面较平缓面使气流速度缓慢,压力较高,因而产生升力。桨叶的失速性能是指它在最大升力系数Clmax附近的性能。当桨叶的节距β角不变,随着风速增加攻角i增大,升力系数Cl线性增加；在接近时,增加变缓；达到Clmax后开始减小。另一方面,阻力系数Cd初期不断增大；在升力开始减小时,Cd继续增大,这时由于气流在叶片上的分离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。失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少,因而根部叶面先进入失速,随风速增大,失速部分向叶尖处扩展,原先已失速的部分,失速程度加深,未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少,未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。图5-4风力机功率曲线与功率系数曲线示意图由前已知风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用率系数〔5-1表示,图中给出了风能利用系数Cp随风速的变化示意图,可见Cp随着风速的增加逐渐增加直到最高点Cpmax,然后又随着风速的增加逐渐降低,这是因为由风速的增加阻力增加而升力减少造成了叶片的失速,使得风力机从自然风能中获得能量的利用程度逐渐减小的缘故。与此同时风力机从自然风能中捕获的能量〔或功率也是随着风速的增加不断的增加到了Cpmax风速点之后并不是随着Cp的降低减少而是继续有所增加,这时因为风力发电机获得的功率为〔5-2空气密度ρ在一定时间范围内可以看作是恒定的,所以功率P不仅经与风能利用系数有关还与风速的三次方成正比,所以当Cp达到最大点之后虽然有所下降,但是由于风速上升的很快导致功率P并未随着Cp的降低而立刻降低,而是继续增加一段然后才逐渐减小。结论本文对风力发电机组桨距控制系统进行了详细的分析,并且针对不同的桨距控制,进行了不同的介绍。对风力机处于不同工作状况下运用不同的控制策略,采用不同的控制方法对变桨距桨叶的桨距进行调节。在第三章、第四章、第五章中介绍了定速定桨、变速变桨、主动失速原理,并且分别阐述了工作原理、各自的优点。其中变桨距风力发电机组的优越性显得更加突出：既能提高风力机运行的可靠性,又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻,使整机的受力状况大为改善,使风电机组有可能在不同风速下始终保持最佳转换效率,使输出功率最大,从而提高系统性能。随着风电机组功率等级的增加,采用变桨距技术已是大势所趋。独立变桨距方式,每个桨叶都由独立的变桨距执行机构驱动,如果其中一个变桨距执行结构出现故障,其他两个桨叶仍能调节桨叶节距角,实现功率控制,而统一变桨距执行结构出现故障,只能停机维修；另外自然界的风在整个风轮扫及面上分布是不均匀的,独立桨叶控制可以根据各个桨叶上的风速不同进行调节,不仅能维持发电机输出功率,而且能减小桨叶拍打振动,因此桨叶控制比统一控制更具有一定的优势。独立变桨距技术具有结构紧凑简单、易于施加各种控制、可靠性高等优势,越来越受到国际风电市场的欢迎。致谢在本科生论文即将结束时,我真心感谢很多给与我学习和生活关怀帮助的人。我首先要感谢的是我的导师王海云教授。在课题研究阶段,王老师指出了论文的研究方向,并给出许多指导意见,使我的论文工作能够顺利进行。王老师渊博的学识,严谨、认真、科学的治学态度,敏锐的学术洞察力,求实创新的科研作风,诲人不倦的敬业品德,乐于助人的师表精神是我永远学习的榜样。在这里我谨向王老师表示真挚衷心的感谢！其次感谢生我养我,含辛茹苦的父母。是你们,为我的学习创造了条件；是你们,一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今天。谢谢你们,我的父亲母亲！最后感谢与我并肩作战的舍友与同学们,感谢关心我支持我的朋友们,感谢学校领导、老师们,感谢你们给予我的帮助与关怀；感谢新疆大学科学技术学院四年来为我提供的良好学习环境,谢谢！参考文献[1]黄素逸能源与节能技术[M].北京中国电力出版社,2004[2]赵凤山风力发电论文集[M].金盾出版社,2002[3]中国新能源网,[4]20XX中国风电装机容量统计.中国可再生能源学会风能委员会[5]勒古里雷斯风力机的理论与设计[M].施鹏飞译.北京：机械工业出版杜,1987：[6]叶杭冶风力发电机组的控制技术[M].机械工业出版社,20XX6月第一版[7]黄XX风力发电变桨距传动及控制系统的虚拟设计[D].XX：XX理工大学,2005[2]林勇刚大型风力机变桨距控制技术研究[D].XX：XX大学,2005[8]张葛祥等Matlab仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社,20XX6月[9]董长虹MATLAB信号处理与应用[M].北京:国防工业出版社,2005[10]1.3MW主动失速型风力发电机组初步设计报告[R].新疆金风科技股份,20XX11月[11]贾要勤风力发电实验用模拟风力机[J].太阳能学报,2004,25[12]耿华,杨耕基于逆系统方法的变速变桨距风机的桨距角控制[J].清华大学学报<自然科学版>,2008[13]胡申华大型风力发电机控制策略的研究[D].新疆大学硕士学位论文,20XX6月[14]王承熙,张源风力发电[M].中国电力出版社,2002..辅助资料：新疆大学科学技术学院Collegeofscience＆technologyXinjiangUniversity学生毕业论文<设计>题目：风力发电机组桨距控制系统设计指导老师:王海云学生__冯涛专业：电气工程及其自动化班级：电气07-1班完成日期：20XX5月18日外文翻译ActiveLoadControlTechniquesforWindTurbines一、BackgroundWindenergyisthefastestgrowingsourceofenergyintheworldtoday,withanaveragegrowthrateofnearly30%peryearforthepast10years.1TheU.S.installedcapacitysurged45%in2007,nowtotalingmorethan16,800MW,whichgeneratesanestimated48billionkilowatt-hours<KWh>,enoughtopower4.5millionhomes.2Formanyutilitycompanies,windenergyhasbecomenotonlytherenewableenergyofchoice,butalsotheleast-costoptionfornewgeneration.Withglobalwarming,energysecurity,andrisingfuelpricesbeingmainpublicconcerns,itisfeasibletoassumethatthegrowthofthewindenergyindustrywillcontinue.However,itisstillimportanttoimproveuponthetechnologyinordertokeepwindenergyeconomicallycompetitivewithtraditionalandotherrenewableenergysources.Thisisdonebyloweringthecostofenergy<COE>,whichcanbeaccomplishedinanumberofdifferentways.Therearethreeindependentvariablesthatgointocalculatingthecostofenergy;theenergycaptureoftheturbineoveritslifetime,thecapitalcostoftheturbine,andtheoperationsandmaintenance<O&M>costs.O&Mcostscanbefurtherdividedintoscheduledandunscheduledcosts.ThereareseveraldifferentwaystolowertheCOE.Bysimplylookingattheequation,onewayistomakemorereliableturbines,therebyreducingthedowntimeandO&Mcosts.Anotheristodecreasetheamountofmaterialsorimprovemanufacturingtechniquesthatwouldallowthecapitalcosttodrop.Technologicaladvancestowindturbinesisbecomingevenmorecriticalbecausecapitalcostsarerisingduetoincreasingrawmaterialcosts,highturbinedemand,andinc