水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、第二章：水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1葉片2.1.1 正常運(yùn)轉(zhuǎn)中陣風(fēng)引起的彎曲應(yīng)力 由于風(fēng)力機(jī)的慣性，和調(diào)向的滯后，發(fā)生對(duì)風(fēng)偏差（又稱偏航），使葉片受到的彎曲應(yīng)力增加。 風(fēng)力機(jī)主要部件是細(xì)長(zhǎng)桿件，剛度有限，工作環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)不但要保證風(fēng)能利用率高，還要在設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)安全可靠。風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必須考慮承受風(fēng)載荷和離心力；受到的重力彎矩。2.1.4陀螺效應(yīng)2.1.5 葉片震動(dòng)1.風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片自重力與長(zhǎng)度方向的夾角周期性變化2.風(fēng)廓引起的風(fēng)速不均3.風(fēng)輪不能精確對(duì)風(fēng)4.風(fēng)速的紊流、脈動(dòng)5.陀螺效應(yīng)1、葉片材料： 木制葉片、鋼制葉片、鋁合金葉片 目前葉片多為復(fù)合材料，即以玻璃纖維和碳纖維為增強(qiáng)材料

2、，基體材料為聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂。 優(yōu)點(diǎn)：比重小、拉伸強(qiáng)度高、易成型、耐腐 蝕性強(qiáng)。2、葉片外形： 等弦長(zhǎng)直葉片、變弦長(zhǎng)扭曲葉片. 確定葉片材料時(shí)應(yīng)考慮三個(gè)原則；一是材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和壽命；二是必須有良好的可成型性和可加工性；三是材料的來源和成本。 2.1.5葉片材料 一、葉片主體結(jié)構(gòu) 大型水平軸風(fēng)機(jī)組風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)主要為梁、殼結(jié) 構(gòu)，有以下幾種結(jié)構(gòu)形式： 1、 葉片主體采用硬質(zhì)泡沫塑料夾心結(jié)構(gòu)； 大梁是葉片的主要承載部件，材料為玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GRP)，大梁常用D形、O形、矩形等形式； 蒙皮GRP結(jié)構(gòu)校薄，僅23mm，主要保持翼型和承受葉片的扭轉(zhuǎn)載荷； 成型：D形、O形和矩形梁在纏繞機(jī)上

3、纏繞成型；在模具中成型上、下兩個(gè)半殼，利用結(jié)構(gòu)膠將C（或I）形梁和兩半殼粘接。 代表：丹麥Vestas 公司和荷蘭CTC公（NOI制造的葉片）。優(yōu)點(diǎn)：重量輕，制造成本低；缺點(diǎn)：對(duì)葉片運(yùn)輸要求較高，由于葉片前緣強(qiáng) 度和剛度較低，在運(yùn)輸過程中局部易于 損壞；這種葉片整體剛度較低，運(yùn)行過 程中葉片變形較大，必須選擇高性能的 結(jié)構(gòu)膠，否則極易造成后緣開裂。 2、 葉片殼體以GRP層板為主，厚度在10 20之間；為了減輕葉片后緣重量，提高葉 片整體剛度，在葉片上下殼體后緣局部采 用硬質(zhì)泡沫夾心結(jié)構(gòu)，葉片上下殼體是其 主要承載結(jié)構(gòu)。 C形梁用玻璃纖維夾心結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相對(duì)較 弱，與殼體粘結(jié)后形成盒式結(jié)構(gòu)，共同

4、提 供葉片的強(qiáng)度和剛度。這種結(jié)構(gòu)形式葉片 以丹麥LM公司為主。 葉片殼體和大梁用結(jié)構(gòu)膠牢固地粘接在一起。 優(yōu)點(diǎn)：葉片整體強(qiáng)度和剛度較大，在運(yùn)輸、使用中安全性好。 缺點(diǎn)：這種葉片比較重，比同型號(hào)的輕型葉片重20%30%，制造成本也相對(duì)較高。2.1.9 葉片葉片的熱脹、積水和雷擊保護(hù) 即使葉片是由純絕緣材料制成的，也不能排除遭雷擊的可能性。如果電流穿透葉片，葉片材料被加熱至很高溫度，就會(huì)導(dǎo)致葉片的破碎或剝離。 任何一種安裝在葉片內(nèi)的導(dǎo)體都會(huì)增加雷電擊中葉片的次數(shù)。此時(shí)電流從葉片傳至大地而對(duì)其他部件不產(chǎn)生損害就很重要。雷擊電流從葉片傳至大地要途經(jīng)軸承、機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、塔架及控制系統(tǒng)，每個(gè)途經(jīng)部件都要考

5、慮到防雷及電流傳導(dǎo)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架與基礎(chǔ)塔架與基礎(chǔ) 塔架 塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架，它不僅要有一定的高度，使風(fēng)力機(jī)處在較為理想的位置(即渦流影響較小的高度)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證在臺(tái)風(fēng)或暴風(fēng)襲擊時(shí)，不會(huì)使整機(jī)傾倒。 按外形結(jié)構(gòu)塔架可分為單管拉線式、桁架拉線式、桁架式、圓臺(tái)(或棱臺(tái))式。2.3 塔架塔架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮靜動(dòng)態(tài)特性、與機(jī)艙的連接、運(yùn)輸和安裝方法、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工等從結(jié)構(gòu)上分 無拉索 桁架、圓筒 矗立混凝土基礎(chǔ)中心 有拉索 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)四散 ，中心基礎(chǔ)很小一、單管拉線式 塔架由一根鋼管和34條拉線組成它具有簡(jiǎn)單、輕便、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。微型風(fēng)力機(jī)幾乎都是采用這種

6、形式的塔架。二、桁架拉線式 小、中型風(fēng)力機(jī)的塔架通常采用桁架拉線式結(jié)構(gòu)。它是由鋼管或角鋼焊接而成的桁梁，再輔以34根拉線組成。 桁架的斷面形狀最常見的是等邊三角形與正方形兩種。 三、桁架式 由鋼管或角鋼焊接而成底大頂小的桁架，其斷面最常用的是正方形，也有采用多邊形的。這種結(jié)構(gòu)不帶拉線，沿著桁架立柱的腳手架可爬往機(jī)艙。下風(fēng)向布置的中、大型風(fēng)力機(jī)多采用這種結(jié)構(gòu)的塔架. 按結(jié)構(gòu)材料分，塔架又可分為鋼結(jié)構(gòu)塔架和鋼筋混凝土塔架。 鋼筋混凝土塔架在早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)中大量被應(yīng)用，后來由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)大批量生產(chǎn)，從批量生產(chǎn)的需要而被鋼結(jié)構(gòu)塔架所取代。近年來隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增加，塔架的體積增大，使得塔架運(yùn)輸出

7、現(xiàn)困難，又有以鋼筋混凝土取代鋼結(jié)構(gòu)塔架的苗頭。第二節(jié) 塔架基礎(chǔ) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。從結(jié)構(gòu)的形式看，可分為塊狀基礎(chǔ)塊狀基礎(chǔ)和框架式基礎(chǔ)框架式基礎(chǔ)兩種。2.3.2 塔架的主要載荷2.3.2.1對(duì)于靜態(tài)，我們論述與塔架強(qiáng)度計(jì)算有關(guān)的兩種載荷，作用到風(fēng)輪上最大的氣動(dòng)推力和塔架本身所承受的最大風(fēng)壓。 為了確保在臺(tái)風(fēng)或暴風(fēng)襲擊時(shí)，塔架仍不會(huì)傾倒，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不管是變距調(diào)節(jié)還是失速控制的風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪的氣動(dòng)推力和塔架所受的風(fēng)壓均要按暴風(fēng)工況考慮。風(fēng)輪上最大的氣動(dòng)推力212tsbFCVABFtCbABsV丹麥風(fēng)電專家彼得森推薦風(fēng)輪氣動(dòng)推力推力系數(shù)1.6空氣動(dòng)力系數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)自振頻率2HZ

8、時(shí)取1暴風(fēng)風(fēng)速風(fēng)輪掃掠面積槳葉數(shù)塔架所受的風(fēng)壓212sfFV AfA空氣密度塔架投影面積空氣動(dòng)力系數(shù)，圓形封閉塔架取0.7 桁架塔架取1.4 鑒于計(jì)算桁架構(gòu)件的實(shí)際投影面積比較麻煩，工作量也比較大，通?？捎盟茌喞鼑娣e的30計(jì)算(不能低于此值)。2.3.2.2塔架動(dòng)態(tài)特性 風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起塔架受迫振動(dòng)的模態(tài)是復(fù)雜的：由于葉片轉(zhuǎn)子殘存的旋轉(zhuǎn)不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的塔架以每秒n為頻率振動(dòng)，由于塔影、不對(duì)稱空氣來流風(fēng)剪切、尾流等造成的 頻率為zn的振動(dòng)（葉片數(shù)為z）。 塔架的一階固有頻率必須超過這些值得20%避免共振。還需注意避免高階次共振。剛性塔 ：塔架-機(jī)頭系統(tǒng)的固有頻率znf半剛性塔：nfzn柔塔：f

9、n12gyfyf可求塔架彎曲撓度 一般常用的輪轂形式有以下兩種： 1、剛性輪轂 剛性輪轂的制造成本低、維護(hù)少、沒有磨損，三葉片風(fēng)輪大部分采用剛性輪轂，也是目前使用最廣泛的一種形式。 2、鉸鏈?zhǔn)捷嗇灒ㄈ嵝暂嗇灮蜍E蹺板式輪轂） 鉸鏈?zhǔn)斤L(fēng)輪常用于單葉片和二葉片風(fēng)輪。2.4機(jī)艙、傳動(dòng)系統(tǒng)和剎車系統(tǒng) 為了使塔架上方的主要設(shè)備及附屬部件(槳葉及尾舵或舵輪除外)免受風(fēng)沙、雨雪、冰雹以及鹽霧的直接侵害，往往用罩殼把它們密封起來，這罩殼就是。“機(jī)艙”。 設(shè)計(jì)要求：減小質(zhì)量 增加剛度 便于艙內(nèi)安裝檢修 空間緊湊 滿足通風(fēng)散熱 最好是流線型 成本低 裝配要求：聯(lián)軸節(jié)精確對(duì)中 聯(lián)軸節(jié)最好選用彈性的 2.4.1機(jī)艙2.

10、4.3剎車裝置機(jī)械剎車：在低速軸剎車 在高速軸剎車 剎車設(shè)在低速軸時(shí)，制動(dòng)力直接作用在風(fēng)輪上，可靠性高，剎車力矩不會(huì)成為齒輪箱的負(fù)載。但在一定的制動(dòng)功率下，剎車力矩大，結(jié)構(gòu)布置方面較困難。 剎車設(shè)在高速軸的優(yōu)缺點(diǎn)與低速軸的相反?？諝鈩?dòng)力剎車：變槳距剎車 葉尖擾流器 改變?nèi)~片攻角使其失去升力，控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速。 葉尖擾流器的葉片在彈簧力和離心力的作用下形 性成阻力板。 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的剎車機(jī)構(gòu) 一、氣動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)一、氣動(dòng)剎車機(jī)構(gòu) 由安裝在葉尖的擾流器通過不銹鋼絲繩與葉片根部的液壓油缸的活塞桿相聯(lián)構(gòu)成的. 正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在液壓力的作用下，葉尖擾流器與葉片主題部分組成完整的葉片. 葉片擾流器是風(fēng)力發(fā)電

11、機(jī)組的主要制動(dòng)器，每次制動(dòng)時(shí)都是它起主要作用。 脫網(wǎng)停機(jī)時(shí)，液壓油缸失去壓力，擾流器在離心力的作用下釋放并旋轉(zhuǎn)形成阻尼板。 在正常停機(jī)的情況下，液壓力并不是完全釋放，即在制動(dòng)過程中只作用了一部分彈簧力。為此，在液壓系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)特殊的減壓閥和蓄能器,以保證在制動(dòng)過程中不完全提供彈簧的制動(dòng)力。 為了監(jiān)視機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài),剎車夾鉗內(nèi)部裝有溫度傳感器和指示剎車片厚度的傳感器。 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng) 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)實(shí)際上是制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通常它由兩個(gè)壓力保持回路組成: 一路通過蓄能器供給葉尖擾流器； 另一路通過蓄能器供給機(jī)械剎車機(jī)構(gòu). 兩個(gè)回路的工作任務(wù)是使運(yùn)行時(shí)制動(dòng)

12、系統(tǒng)始終保持壓力。 當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，兩回路中的常開電磁閥先后失電，葉尖擾流器一路壓力油被泄回油箱，葉尖動(dòng)作； 稍后，機(jī)械剎車一路壓力油進(jìn)入剎車油缸，驅(qū)動(dòng)剎車夾鉗，使葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 在兩個(gè)回路中各裝有兩個(gè)壓力傳感器，以指示系統(tǒng)壓力，控制液壓泵站補(bǔ)油和確定剎車機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。 2.5對(duì)風(fēng)裝置2.5.1風(fēng)輪的自動(dòng)對(duì)風(fēng)自動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)艙：將風(fēng)輪置于下風(fēng)向，置于下風(fēng)向的風(fēng)輪能自動(dòng)對(duì)風(fēng)，不必另行設(shè)置調(diào)向裝置。 常用在大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。由于下風(fēng)向風(fēng)輪調(diào)向易使風(fēng)輪隨風(fēng)向變化而擺動(dòng)，需加阻尼器。缺點(diǎn)：在小風(fēng)速下啟動(dòng)、對(duì)風(fēng)要借助外力進(jìn)行，單葉片，兩葉片風(fēng)輪對(duì)風(fēng)不穩(wěn)定。當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到塔架下風(fēng)向的紊流區(qū)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，易使葉片梁與輪

13、轂的連接處產(chǎn)生疲勞斷裂。同時(shí)葉片在塔架的紊流區(qū)內(nèi)不能正向接受風(fēng)能。優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)對(duì)風(fēng)，無需專門的對(duì)風(fēng) 裝置。不會(huì)對(duì)塔架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，2.5.2尾舵對(duì)風(fēng)尾舵是最常用的一種對(duì)風(fēng)裝置，它廣泛用于小、微型風(fēng)力機(jī)，主要內(nèi)兩部分組成。一是尾桿（尾舵梁），裝于風(fēng)力機(jī)尾部并與培架的軸線正交；另一是尾翼（尾舵板），裝在尾桿上與風(fēng)輪軸平行或成一定的角度。 并尾：將尾舵板置于與風(fēng)輪平面平行的位置。2.5.3舵輪對(duì)風(fēng) 舵輪是裝在風(fēng)輪后面，其旋轉(zhuǎn)面與風(fēng)輪掃掠而相垂直的兩個(gè)平行的多葉式小風(fēng)輪。舵輪的軸帶動(dòng)由圓錐齒輪及圓柱齒輪組成的傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖514所示。最后一對(duì)齒輪與裝在塔架上方的回轉(zhuǎn)體上的從動(dòng)大圓柱齒輪嚙合

14、。當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，風(fēng)從某一角度吹向舵輪并使其旋轉(zhuǎn)，再通過傳動(dòng)系統(tǒng)使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)。當(dāng)風(fēng)輪重新迎風(fēng)后，舵輪便停止轉(zhuǎn)動(dòng)。倘若最后級(jí)傳動(dòng)采用能自鎖的蝸輪組，則結(jié)構(gòu)會(huì)更簡(jiǎn)單些。第二節(jié) 主動(dòng)偏航系統(tǒng) 主動(dòng)偏航系統(tǒng)由風(fēng)向標(biāo)、偏航軸承、偏航驅(qū)動(dòng)裝置、偏航制動(dòng)器、偏航計(jì)數(shù)器、紐纜保護(hù)裝置、偏航行星齒輪減速器，回轉(zhuǎn)體大齒輪等部分組成。 一、偏航軸承 偏航齒圈的偏航軸承內(nèi)外圈內(nèi)外圈分別與機(jī)艙和塔架用螺栓聯(lián)接機(jī)艙和塔架用螺栓聯(lián)接。 輪齒 可采用內(nèi)齒或外齒型式: 二、偏航驅(qū)動(dòng)裝置 偏航驅(qū)動(dòng)裝置一般有: （1）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 偏航齒輪由偏航驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng); （2）液壓驅(qū)動(dòng) 偏航齒輪由液壓馬達(dá)通過減速器驅(qū)動(dòng)。三、偏航制

15、動(dòng)器 偏航制動(dòng)器一般采用液壓拖動(dòng)的鉗盤式制動(dòng)器： （1）常閉式鉗盤制動(dòng)器）常閉式鉗盤制動(dòng)器 制動(dòng)器采用彈簧夾緊，電力或液壓拖動(dòng)松閘來實(shí)現(xiàn)阻尼偏航和失效安全。 （2） 常開式鉗盤制動(dòng)器常開式鉗盤制動(dòng)器 制動(dòng)器應(yīng)采用制動(dòng)期間高壓夾緊、偏航期間低壓夾緊的形式實(shí)現(xiàn)阻尼偏航。采用此種形式時(shí)，偏航傳動(dòng)鏈中應(yīng)有自鎖環(huán)節(jié)。 四、偏航計(jì)數(shù)器四、偏航計(jì)數(shù)器 偏航計(jì)數(shù)器是記錄偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，當(dāng)偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)所規(guī)定的初級(jí)解纜和終極解纜圈數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器則給控制系統(tǒng)發(fā)信號(hào)使機(jī)組自動(dòng)進(jìn)行解纜. 五、紐纜保護(hù)裝置 必備裝置。 作用：失效保護(hù)。 紐纜保護(hù)裝置一般由控制開關(guān)和觸控制開關(guān)和觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)點(diǎn)機(jī)構(gòu)組成，控制開關(guān)安

16、裝在機(jī)組的塔架內(nèi)壁的支架上，觸電機(jī)構(gòu)安裝與機(jī)組懸垂部分的電纜上。 當(dāng)機(jī)組懸垂部分的電纜紐絞到一定程度后，觸電機(jī)構(gòu)觸發(fā)控制開關(guān)，使機(jī)組進(jìn)行緊急停機(jī)。三、功率調(diào)節(jié) 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某一值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 達(dá)到額定功率。由于風(fēng)速和功率是三 次方的關(guān)系，風(fēng)速再增加，發(fā)電機(jī)就會(huì) 過載，必須有相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)措施，使 機(jī)組的輸出功率不再增加。目前主要有 兩種調(diào)節(jié)功率的方法，都是采用空氣動(dòng) 力方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 一種是定槳距（失速）調(diào)節(jié)方法； 一種是變槳距調(diào)節(jié)方法。 1、定槳距（失速）調(diào)節(jié)方法 葉片與輪轂剛性聯(lián)結(jié)。 失速控制主要是通過確定葉片翼型的扭角分布，使風(fēng)輪功率達(dá)到額定點(diǎn)后，減少升力提高阻力來實(shí)現(xiàn)的。 在一般運(yùn)

17、行情況下，風(fēng)輪上的動(dòng)力來源于氣流在翼型上流過產(chǎn)生的升力。由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)速增加葉片上的迎角隨之增加，直到最后氣流在翼型上表面分離而產(chǎn)生脫落，這種現(xiàn)象稱為失速。優(yōu)點(diǎn)： 1）葉片和輪轂之間無運(yùn)動(dòng)部件，輪轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低； 2）沒有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi); 3) 在失速后功率的波動(dòng)小。缺點(diǎn)： 1）氣動(dòng)剎車系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和制造要求高 ； 2）葉片、機(jī)艙和塔架上的動(dòng)態(tài)載荷高； 3）由于常需要?jiǎng)x車過程，在葉片和傳動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生很高的機(jī)械載荷； 4）起動(dòng)性差； 5）機(jī)組承受的風(fēng)載荷大； 6）在低空氣密度地區(qū)難以達(dá)到額定功率。 變槳距控制主要是通過改變翼型迎角變化，使翼型升力變化來進(jìn)行調(diào)的。變槳距控制多用

18、于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 變槳距控制是通過葉片和輪轂之間的軸承機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片來減小迎角，由此來減小翼型的升力，以達(dá)到減小作用在風(fēng)輪葉片上的扭矩和功率的目的。 變槳調(diào)節(jié)時(shí)葉片迎角可相對(duì)氣流連續(xù)變化，以便使風(fēng)輪功率輸出達(dá)到希望的范圍。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，葉片向小迎角方向變化而限制功率。優(yōu)點(diǎn)： 1）起動(dòng)性好； 2）剎車機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，葉片順槳后風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以逐漸下降； 3）額定點(diǎn)以前的功率輸出飽滿； 4）額定點(diǎn)以后的輸出功率平滑； 5）風(fēng)輪葉根承受的靜、動(dòng)載荷小。缺點(diǎn): 1) 由于有葉片變距機(jī)構(gòu)、輪轂較復(fù)雜，可靠性設(shè)計(jì)要求高，維護(hù)費(fèi)用高。 2) 功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)復(fù)雜，費(fèi)用高。 另外，還有一種功率控制方式 主動(dòng)失

19、速控制 在額定功率點(diǎn)以前，葉片的槳距角是固定不變的，與定槳距風(fēng)輪一樣； 在額定功率以后（即失速點(diǎn)以后），葉片失速導(dǎo)致風(fēng)輪功率下降，風(fēng)輪輸出功率低于額定功率，為了補(bǔ)償這部分損失，適當(dāng)調(diào)整葉片的槳距角，來提高風(fēng)輪的功率輸出。第四章 發(fā)電機(jī) 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)于發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和選型的原則是： 一一，發(fā)電機(jī)應(yīng)盡量是多極發(fā)電機(jī)多極發(fā)電機(jī)。 二二，由于發(fā)電機(jī)安裝在很高的機(jī)艙里，要求發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕重量輕、可靠性高可靠性高、壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng). 三三，生產(chǎn)制造成本低制造成本低。發(fā)電機(jī)分類 從結(jié)構(gòu)上分： 1、永磁式發(fā)電機(jī) 2、電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī) (1)他勵(lì) (2)并勵(lì) 從電流形式分： 當(dāng)頻率低于電網(wǎng)頻率時(shí)，

20、異步發(fā)電機(jī)成了電動(dòng)機(jī)，由電網(wǎng)的電力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此種現(xiàn)象稱為逆功率，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)應(yīng)安裝逆功率切換裝置。4、永磁交流發(fā)電機(jī) 用永磁體做發(fā)電機(jī)的磁極的交流發(fā)電機(jī)。 采用永磁體做發(fā)電機(jī)的磁極，這樣可以省去轉(zhuǎn)子繞組、勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁用電源及節(jié)省電能。 但目前都限于微、小型發(fā)電機(jī)，電壓大部分在220V以內(nèi)。 有功功率 式中： 有功功率瓦； 交流電壓有效值， 交流電流有效值， 負(fù)載的功率因數(shù)。cosUIP PUIcos 無功功率： 交流電壓與電流相位差的正弦值。 無功功率的單位是乏(var)或千乏(kvar) ,兆乏(Mvar)。 當(dāng)負(fù)載為純電感或純電容純電感或純電容時(shí)，只有無功功率而不消耗有功功率；為純

21、電阻純電阻時(shí)，只消耗有功功率而不需要無功。 sinUIQ sin視在功率視在功率 在一般的交流電路中，輸送的電功率輸送的電功率中既有有功成分，又有無功成分中既有有功成分，又有無功成分，為其電壓有效值與電流有效值的乘積，既不是有功功率，也不是無功功率，而是它們的合成量，視在功率，用字母S表示：UIS 蓄能裝置 風(fēng)能是隨機(jī)性的能源，即使在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，必須配備適當(dāng)?shù)男钅苎b置； 在風(fēng)力強(qiáng)的期間，除了通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向用電負(fù)荷提供所需的電能以外、將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量在蓄能裝置中儲(chǔ)布起來； 在風(fēng)力弱或無風(fēng)期間，再將蓄能裝置中儲(chǔ)存的能量釋放出來并轉(zhuǎn)換為電能，向用電負(fù)載供電。第七章第七章

22、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制與安全系統(tǒng)安全系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的要求： 1、滿足用戶提出的功能； 2、安全可靠。 在實(shí)際中，控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的，而控制系統(tǒng)的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聲譽(yù)。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制出現(xiàn)故障后對(duì)一般用戶來說維修十分困難。 第一節(jié) 控制與安全系統(tǒng)的技術(shù)要求 一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制思想： 定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)以安全運(yùn)行控制技術(shù)要求為主，功率控制由葉片的失速特性來完成。 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用控制槳距的方式使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率發(fā)生變化，最終達(dá)到限制功率輸出的目的。 控制系統(tǒng)可以控制的功能和參數(shù): 1、功率極限； 2、風(fēng)輪轉(zhuǎn)

23、速 3、電器負(fù)載的連接； 4、起動(dòng)及停機(jī)過程； 5、電網(wǎng)或負(fù)載丟失時(shí)的停機(jī)； 6、紐纜限制； 7、機(jī)艙對(duì)風(fēng)； 8、運(yùn)行時(shí)電量和溫度參數(shù)等。 二、工作參數(shù)的安全運(yùn)行范圍: 1、風(fēng)速： 325m/s； 2、轉(zhuǎn)速：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速常低于40r/min，發(fā)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不超過額定轉(zhuǎn)速的20%； 3、功率：在額定風(fēng)速以下時(shí)，不作功率調(diào)節(jié)控制，只有在額定風(fēng)速以上應(yīng)作限制最大功率的控制，通常運(yùn)行安全最大功率不允許超過設(shè)計(jì)值的20%。 4、溫度：通?？刂破鳝h(huán)境溫度應(yīng)為030，齒輪箱油溫小于120，發(fā)電機(jī)油溫小于150，傳動(dòng)環(huán)節(jié)溫度小于70。 5、電壓：發(fā)電電壓允許的范圍在設(shè)計(jì)值的10%，當(dāng)瞬間值超過額定值的30%時(shí)，

24、視為系統(tǒng)故障。 6、頻率 機(jī)組的發(fā)電頻率應(yīng)限制在50Hz1 Hz，否則視為系統(tǒng)故障。 7、壓力 機(jī)組的許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成，所以整個(gè)液壓站系統(tǒng)的壓力必須監(jiān)控，由壓力開關(guān)設(shè)計(jì)額定值確定，通常低于100MPa。 第二節(jié) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)： 1、控制系統(tǒng)保持機(jī)組安全可靠運(yùn)行，同時(shí)高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率、壓力恒定的交流電送入電網(wǎng)。 2、控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理，完成機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)管理和控制。 3、利用計(jì)算機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組的功率優(yōu)化控制，定槳距恒速機(jī)組主要進(jìn)行軟切入、軟切出及功率因素補(bǔ)償控制，

25、對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要進(jìn)行最佳尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。 4、大于開機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能軟切自動(dòng)并網(wǎng)，保證電流沖擊小于額定電流。二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制 1.開機(jī)并網(wǎng)控制 當(dāng)風(fēng)速10min平均值在工作區(qū)域內(nèi)，機(jī)械閘松開，葉尖復(fù)位，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組慢慢起動(dòng),當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于20小于 60的額定轉(zhuǎn)速持續(xù)5min，發(fā)電機(jī)進(jìn)入電網(wǎng)軟拖動(dòng)狀態(tài)。 正常情況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速連續(xù)增高，不必軟拖增速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到軟切轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入軟切入狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速升到發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行。 2.小風(fēng)和逆功率脫網(wǎng)小風(fēng)和逆功率脫網(wǎng) 當(dāng)10min平均風(fēng)速小于小風(fēng)脫網(wǎng)風(fēng)速或發(fā)電機(jī)輸

26、出功率負(fù)到一定值后,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不允許長(zhǎng)期在電網(wǎng)運(yùn)行,必須脫網(wǎng)，處于自由狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組靠自身的摩擦阻力緩慢停機(jī)，進(jìn)入待風(fēng)狀態(tài)。 3、無功補(bǔ)償控制、無功補(bǔ)償控制 異步發(fā)電機(jī)要從電網(wǎng)吸收無功功率，使風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)降低，而并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般要求其功率因數(shù)達(dá)到099以上，所以必須用電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償 因此對(duì)補(bǔ)償電容的投入與切除需要進(jìn)行自動(dòng)控制，保證功率因數(shù)達(dá)到要求。4、偏航與自動(dòng)解纜控制、偏航與自動(dòng)解纜控制 （1）自動(dòng)對(duì)風(fēng) 正常運(yùn)行時(shí)偏航控制系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)風(fēng)，即當(dāng)機(jī)艙偏離風(fēng)向一定角度時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調(diào)向的指令，機(jī)艙開始對(duì)風(fēng)，當(dāng)達(dá)到允許的誤差范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)對(duì)風(fēng)停止。（2）自動(dòng)解纜

27、 當(dāng)機(jī)艙向同一方向累計(jì)偏轉(zhuǎn)2.3圈后，若此時(shí)風(fēng)速小于風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)風(fēng)速且無功率輸出，則停機(jī)，控制系統(tǒng)使機(jī)艙反方向旋轉(zhuǎn)2.3圈解繞； 若此時(shí)機(jī)組有功率輸出，若機(jī)艙繼續(xù)向同一方向偏轉(zhuǎn)累計(jì)達(dá)3圈時(shí),則停機(jī),解繞； 若因故障自動(dòng)解繞未成功，在扭纜達(dá)4圈時(shí)，扭纜機(jī)械開關(guān)將動(dòng)作，此時(shí)報(bào)告扭纜故障，自動(dòng)停機(jī)；等待人工解纜操作。（3）風(fēng)輪保護(hù)當(dāng)有特大強(qiáng)風(fēng)發(fā)生時(shí)，停機(jī)并釋放葉尖阻尼板，槳距調(diào)到最大，偏航90度背風(fēng)，以保護(hù)風(fēng)輪免受損壞。5、停機(jī)控制 當(dāng)控制器發(fā)出正常停機(jī)指令后，風(fēng)電機(jī)組將按下列程序停機(jī)： 切除補(bǔ)償電容器；釋放葉尖阻尼板；發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)；測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到設(shè)定值后，投入機(jī)械剎車；若出現(xiàn)剎車故障則收槳，機(jī)

28、艙偏航90度背風(fēng)。 緊急停機(jī)故障時(shí)，執(zhí)行如下操作： 首先切除補(bǔ)償電容器，葉尖阻尼板動(dòng)作，延時(shí)0.3秒后卡鉗閘動(dòng)作。檢測(cè)瞬時(shí)功率為負(fù)或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)達(dá)小于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)解列（脫網(wǎng)），若制動(dòng)時(shí)間超過20秒，轉(zhuǎn)速仍未降到某設(shè)定值，則收槳，機(jī)艙偏航90度背風(fēng)。四、并網(wǎng)控制基本原理 分為恒速恒頻和變速恒頻控制。 恒速恒頻機(jī)組的整體效率較低。 變速恒頻是目前公認(rèn)的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的主要方向。 優(yōu)點(diǎn):大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，來適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功率的變化,控制上也很靈活，可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率; 缺點(diǎn)：控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 變速恒頻又根據(jù)發(fā)電機(jī)的不同分為以下幾種： 1 異步感應(yīng)發(fā)電機(jī) 2 繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī) 3 雙饋發(fā)電機(jī) 4 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)內(nèi)外兆瓦級(jí)以上技術(shù)較先進(jìn)的、有發(fā)展前景的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是：永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制回路少，控制簡(jiǎn)單，但要求逆變器容量大。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制回路多，控制復(fù)雜些，但控制靈活，尤其是對(duì)有功功率、無功功率的控制，而且逆變器容量小得多。二、雷電安全保護(hù)系統(tǒng) 根據(jù)國(guó)外風(fēng)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，雷擊事故中的4050涉及到風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)的損壞，1525涉及到通訊系統(tǒng)，1520涉及到風(fēng)機(jī)葉片，5涉及到發(fā)電機(jī)。防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要在風(fēng)電場(chǎng)整體設(shè)計(jì)