第二讲风力机的能量转换过程及基本特性

第二讲风力机的能量转换过程及基本特性第1页，共55页，2023年，2月20日，星期一风力机的能量转换过程一风力机的特性二风力机建模与仿真三主要内容风轮机的结构和能量控制四第2页，共55页，2023年，2月20日，星期一第一节风轮机的基本理论一、理想风轮机的能量利用1919年，德国物理学家贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮的气流模型如图所示。第3页，共55页，2023年，2月20日，星期一第4页，共55页，2023年，2月20日，星期一第5页，共55页，2023年，2月20日，星期一第6页，共55页，2023年，2月20日，星期一这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。第7页，共55页，2023年，2月20日，星期一1.风能利用系数Cp风能利用系数定义为风轮机的风轮能够从自然风能中吸收的能量与输入风能之比。风能利用系数可表示为第二节风轮机的空气动力特性第8页，共55页，2023年，2月20日，星期一理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593，即贝兹理论的极限值。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。第9页，共55页，2023年，2月20日，星期一2.叶尖速比第10页，共55页，2023年，2月20日，星期一风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线成风轮机空气动力特性曲线第11页，共55页，2023年，2月20日，星期一变桨距风力机的特性通常由一簇风能利用系数的无因次性能曲线来表示，如图2.2所示。风能利用系数CP是叶尖速比λ的函数(表示为CP(λ))，也是桨叶节距角β的函数(表示为CP(β))，综合起来可表示为CP(λ，β)。从图中可以看到，当桨叶节距角β逐渐增大时，CP(λ)曲线将显著缩小。第12页，共55页，2023年，2月20日，星期一风力机的风能利用系数只有在一个特定的最优尖速比下才达到最大值，当风速变化时，如果风力发电机组仍然保持某一固定的转速ω，那么必将偏离其最优值，从而使Cp降低，即降低了风力机的风能利用效率。所以，为了提高风能利用效率，必须使得风速变化时机组的转速也随之变化从而保持最优尖速比第13页，共55页，2023年，2月20日，星期一风力机的稳态特性由叶尖速比λ、风力机转矩系数CT(λ，β)、风能利用系数CP(λ，β)、风轮捕获功率P表示，分别为:第14页，共55页，2023年，2月20日，星期一第三节风力机的建模和仿真风力机的稳态特性可以通过数值表得到，但是为了便于软件模拟器的执行，更希望得到特性的分析表达式，而不是采用数据插值法。根据文献，CP(λ，β)为：式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。

第15页，共55页，2023年，2月20日，星期一当桨矩角β恒定时，在不同的风速下，只要控制风力机能使其保持在最佳叶尖速比λ下运行，从而可以确保风力机能取得风能利用系数CP(λ，β)，实现变速风力机的最大功率捕获[17]，同时增大桨矩角β会减少风能利用系数CP(λ，β)，减少捕获的能量。根据式计算可以得到当λ=8.1时，CP(λ，β)≈0.48[16]。

第16页，共55页，2023年，2月20日，星期一风能利用系数CP(λ，β)模型

式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。

第17页，共55页，2023年，2月20日，星期一风力机模型第18页，共55页，2023年，2月20日，星期一仿真结果a)模拟变速风速图b)风能利用系数曲线c)风力机功率输出曲线第19页，共55页，2023年，2月20日，星期一第四节风力机的结构和能量控制１．风轮机的机构风轮机设备的主要结构包括风轮机桨叶：通常采用３个或两个桨叶。轮毂：桨叶安装在轮毂上，轮毂与低速轴相连接。低速传动轴：转速通常较低，内部的液压传动系统与轮毂内的液压装置相连用于调节桨叶。齿轮箱：与低速轴和高速轴相连接高速轴：通常转速在1500r/min左右，与发电机相连，配有刹车装置。机械刹车装置：用于制动，必要时用于调节转速。第20页，共55页，2023年，2月20日，星期一风力发电机机舱内的组成

第21页，共55页，2023年，2月20日，星期一GEProprietary第22页，共55页，2023年，2月20日，星期一发电机：输出电压一般为690V,发电功率在500~1500kW,并朝大容量方向发展。电子控制装置：监测风轮机运行状况，并自动实现偏转调节，故障时实现自动停机。冷却系统：冷却发电机。机塔：用于支撑风轮机。通常高度越高，风速越大，风况越好，需要更高的机塔。偏转装置：保持风轮机在迎风方向。风速风向测量系统：与控制装置相连，实现风轮机切入和切出的启停控制。第23页，共55页，2023年，2月20日，星期一机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。

轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为

19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。风电机结构

大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部,这是因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。风力发电技术为什么转子叶片呈螺旋状？

大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）,如果叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。

第24页，共55页，2023年，2月20日，星期一齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。

发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。

电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。

液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。

冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。

塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是桁架结构的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为可以通过内部的梯子到达塔顶。桁架结构的塔则比较便宜。

风速计及风向标：用于测量风速及风向。

风电机发电机:将机械能转化为电能。风电机上的发电机与你通常看到的电网上的发电设备相比有点不同。原因是，发电机需要在波动的机械能条件下运转。

输出电压

大型风电机（100-150千瓦）通常产生690V的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至一万至三万伏，这取决于当地电网的标准。

大型制造商可以提供50赫兹风电机类型（用于世界大部分的电网），或60赫兹类型（用于美国电网）。

冷却系统

发电机在运转时需要冷却。在大部分风电机上，发电机被放置在管内，并使用大型风扇来空冷；一部分制造商采用水冷。水冷发电机更加小巧，而且电效高，但这种方式需要在机舱内设置散热器，来消除液体冷却系统产生的热量。

启动及停止发电机

如果通过弹开一个普通开关将大型风电机发电机与电网连接或解开，很可能会损毁发电机、齿轮箱及邻近电网。第25页，共55页，2023年，2月20日，星期一发电机电网的设计

风电机可以使用同步或异步发电机，并直接或非直接地将发电机连接在电网上。直接电网连接指的是将发电机直接连接在交流电网上。非直接电网连接指的是，风电机的电流通过一系列电力设备，经调节与电网匹配。采用异步发电机，这个调节过程自动完成。

转子叶片

◢转子叶片轮廓（横切面）——风电机转子叶片看起来像航行器的机翼。实际上，设计师通常将叶片最远端的部分的横切面设计得类似于正统飞机的机翼。但是叶片内端的厚轮廓，通常是专门为风电机设计的。为转子叶片选择轮廓涉及很多折衷的方面，诸如可靠的运转与延时特性。叶片的轮廓设计，即使在表面有污垢时，叶片也可以运转良好。

◢转子叶片的材质——大型风电机上的大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。采用碳纤维或芳族聚酰胺作为强化材料是另外一种选择，但这种叶片对大型风电机是不经济的。木材、环氧木材、或环氧木纤维合成物目前还没有在转子叶片市场出现，尽管目前在这一领域已经有了发展。钢及铝合金分别存在重量及金属疲劳等问题，他们目前只用在小型风电机上。

风电机齿轮箱

为什么要使用齿轮箱？

风电机转子旋转产生的能量，通过主轴、齿轮箱及高速轴传送到发电机。

为什么要使用齿轮箱？为什么我们不能通过主轴直接驱动发电机？

如果我们使用普通发电机，并使用两个、四个或六个电极直接连接在50赫兹交流三相电网上，我们将不得不使用转速为1000至3000rpm的风电机。对于43米转子直径的风电机，这意味着转子末端的速度比声速的两倍还要高。另外一种可能性是建造一个带许多电极的交流发电机。但如果你要将发电机直接连在电网上，你需要使用200个电极的发电机，来获得30转每分钟的转速。另外一个问题是，发电机转子的质量需要与转矩大小成比例。因此直接驱动的发电机会非常重。

使用齿轮箱，你可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩，转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。风电机上的齿轮箱，通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600千瓦或750千瓦机器，齿轮比大约为1比50。

下图显示了用于风电机的1.5兆瓦的齿轮箱。这个齿轮箱有些不同寻常，因为在高速点的两个发电机上安装有法兰。右侧安装在发电机下的橙黄色配件，是液压驱动的紧急盘状刹车。在背景处可以看到用于1.5MW风电机的机舱的下半部分

第26页，共55页，2023年，2月20日，星期一风电机偏航装置

◢风电机偏航装置用于将风电机转子转动到迎风的方向。

◢偏航误差——当转子不垂直于风向时，风电机存在偏航误差。偏航误差意味着，风中的能量只有很少一部分可以在转子区域流动。如果只发生这种情况，偏航控制将是控制向风电机转子电力输入的极佳方式。但是，转子靠近风源的部分受到的力比其它部分要大。一方面，这意味着转子倾向于自动对着风偏转，逆风或顺风的汽轮机都存在这种情况。另一方面，这意味着叶片在转子每一次转动时，都会沿着受力方向前后弯曲。存在偏航误差的风电机，与沿垂直于风向偏航的风电机相比，将承受更大的疲劳负载。◢偏航机构——几乎所有水平轴的风电机都会强迫偏航。即，使用一个带有电动机及齿轮箱的机构来保持风电机对着风偏转。上右图显示的是750千瓦风电机上的偏航机构。我们可以看到环绕外沿的偏航轴承，及内部偏航马达及偏航闸的轮子。几乎所有逆风设备的制造商都喜欢在不需要的情况下，停止偏航机构。偏航机构由电子控制器来激发。

电缆扭曲计数器

电缆用来将电流从风电机运载到塔下。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲。因此风电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。类似于所有风电机上的安全机构，系统具有冗余。风电机还会配备有拉动开关，在电缆扭曲太厉害时被激发。第27页，共55页，2023年，2月20日，星期一风力机设计内容一、叶片设计与分析叶片的设计目标为：最大化风能利用系数最大功率输出限制(失速型风机)能承受极限载荷和疲劳载荷限制叶尖位移，防止叶片折断(上风向型风机)避免共振最小化重量和成本叶片设计包括其空气动力学设计和结构设计，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)。叶片动力学分析叶片的防雷击保护第28页，共55页，2023年，2月20日，星期一2、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。第29页，共55页，2023年，2月20日，星期一3、变桨距系统设计主动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、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。5、塔架基础设计第30页，共55页，2023年，2月20日，星期一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；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。主要作用有两个：第31页，共55页，2023年，2月20日，星期一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。第32页，共55页，2023年，2月20日，星期一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。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。第33页，共55页，2023年，2月20日，星期一1000kw风力机偏航机械系统德国富兰德公司1000KW风力发电机（主动）

第34页，共55页，2023年，2月20日，星期一主动偏航机械系统组成一、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。第35页，共55页，2023年，2月20日，星期一主动偏航机械系统组成二、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。第36页，共55页，2023年，2月20日，星期一主动偏航机械系统组成三、偏航制动器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。第37页，共55页，2023年，2月20日，星期一低于额定风速时,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：变桨系统

第38页，共55页，2023年，2月20日，星期一

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：第39页，共55页，2023年，2月20日，星期一变桨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。如图所示第40页，共55页，2023年，2月20日，星期一

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2MW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)复合叶片风力发电机叶片设计第41页，共55页，2023年，2月20日，星期一1、基于空气动力学的外壳造型设计确定其截面几何尺寸、扭曲、厚度分布，以满足最大风能利用系数、最大功率输出限制等要求。第42页，共55页，2023年，2月20日，星期一2、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。第43页，共55页，2023年，2月20日，星期一3、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。

第44页，共55页，2023年，2月20日，星期一第45页，共55页，2023年，2月20日，星期一（二）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生产企业超过50家第46页，共55页，2023年，2月20日，星期一

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。目前叶片类型第47页，共55页，2023年，2月20日，星期一第48页，共55页，2023年，2月20日，星期一风轮机的设计思想是尽可能便宜的产生电能。风轮机的设计是基于目标风场的风速条件，因此风轮机一般被设计成在风速为8~15m/s时具有最佳的性能，即有最大的电能产出。而不是花费心思把风机设计在强风是有最多电能产出，因为强风天气不多见。因此在强风天气时必须浪费多余风能，以免破坏风机。所以风机设计有能量控制装置，安全控制方式有如下几种。风力机的能量控制第49页，共55页，2023年，2月20日，星期一(1)被动失速控制风轮机被动失速控制风轮机的桨叶被