第七講綜合應(yīng)用舉例

1、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜合應(yīng)用舉例綜合應(yīng)用舉例2009年年6月月100kW永磁風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計二、葉片設(shè)計與分析二、葉片設(shè)計與分析一、塔架設(shè)計一、塔架設(shè)計三、偏航系統(tǒng)設(shè)計三、偏航系統(tǒng)設(shè)計四、變槳距系統(tǒng)設(shè)計四、變槳距系統(tǒng)設(shè)計五、電氣控制部分五、電氣控制部分切入風(fēng)速：3m/s額定風(fēng)速：13m/s切出風(fēng)速：25m/s安全風(fēng)速：60m/s額定功率：100kw風(fēng)輪直徑：21m風(fēng)輪特征：水平軸水平軸,上風(fēng)上風(fēng) 向向,3葉片葉片葉片材料：玻璃鋼玻璃鋼傳動方式：風(fēng)輪直接驅(qū)動發(fā)電機風(fēng)輪直接驅(qū)動發(fā)電機電機類型：永磁三相交流永磁三相交流輸出形式：三相交流變頻三相交流變頻安裝塔架：獨立塔桿、輪轂中心高獨立塔桿、輪轂中心高35m溫度

2、范圍：4050噪音水平：機艙內(nèi)機艙內(nèi)95db、40m處處50db過速保護(hù)：自動自動偏航控制：偏航交流異步電動機驅(qū)動偏航交流異步電動機驅(qū)動總 重 量 ：23,000kg葉片、機罩：上海玻璃鋼研究院、保定華翼葉片、上海耀華玻璃鋼有限公司上海玻璃鋼研究院、保定華翼葉片、上海耀華玻璃鋼有限公司 電電 機機 ：湘電自制湘電自制電控主系統(tǒng)：電控主系統(tǒng)：合肥陽光電源有限公司、北京科諾偉業(yè)合肥陽光電源有限公司、北京科諾偉業(yè) 塔塔 筒筒 ：青島格林特、泰勝塔筒制造公司、河北強盛青島格林特、泰勝塔筒制造公司、河北強盛 軸軸 承承 ：浙江天馬、洛陽軸承浙江天馬、洛陽軸承技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)主要部件相關(guān)配套企業(yè)主要部件相

3、關(guān)配套企業(yè)德國富蘭德公司德國富蘭德公司FL100型型100KW風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電機 與相關(guān)廠家產(chǎn)品比照參數(shù)與相關(guān)廠家產(chǎn)品比照參數(shù)直驅(qū)型風(fēng)電機組控制原理圖直驅(qū)型風(fēng)電機組控制原理圖可供參考的直驅(qū)型風(fēng)電機組可供參考的直驅(qū)型風(fēng)電機組(一一)大型機倉大型機倉人可進(jìn)入人可進(jìn)入可供參考的直驅(qū)型風(fēng)電機組可供參考的直驅(qū)型風(fēng)電機組(二二)機倉不進(jìn)人機倉不進(jìn)人圖例為半直驅(qū)圖例為半直驅(qū),帶行星帶行星 齒輪箱齒輪箱,將取消將取消重點考慮重點考慮可供參考的直驅(qū)型風(fēng)電機組可供參考的直驅(qū)型風(fēng)電機組(三三)交流發(fā)電機交流發(fā)電機機頭罩機頭罩尾尾桿桿尾板尾板機倉機倉葉片葉片機倉外殼機倉外殼回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體塔架塔架采用尾翼進(jìn)行被動偏航也

4、將予以論證采用尾翼進(jìn)行被動偏航也將予以論證葉片參考方案（部分）葉片參考方案（部分）風(fēng)力發(fā)電機組機械設(shè)計內(nèi)容風(fēng)力發(fā)電機組機械設(shè)計內(nèi)容一、塔架設(shè)計一、塔架設(shè)計 為了讓風(fēng)力發(fā)電機組接收到更多的風(fēng)能，將機艙裝在一定高度的塔架上。由于葉片和機艙對風(fēng)的阻力對塔架產(chǎn)生的傾覆力矩，以及非周期載荷對塔架產(chǎn)生的振動，因此塔架的設(shè)計必須考慮其機械強度和疲勞強度。重點考慮重點考慮一、葉片設(shè)計與分析一、葉片設(shè)計與分析 葉片的設(shè)計目標(biāo)為：（1）最大化風(fēng)能利用系數(shù)（2）最大功率輸出限制(失速型風(fēng)機)（3）能承受極限載荷和疲勞載荷（4）限制葉尖位移，防止葉片折斷(上風(fēng)向型風(fēng)機)（5）避免共振（6）最小化重量和成本 葉片設(shè)計包

5、括其空氣動力學(xué)設(shè)計空氣動力學(xué)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計，空氣動力學(xué)設(shè)計可使葉片滿足設(shè)計目標(biāo)中的(1)和(2)點，設(shè)計內(nèi)容包括葉片的截面幾何尺寸優(yōu)化，以及扭曲和厚度分布。葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容包括材料選擇、內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)設(shè)計，使葉片滿足設(shè)計目標(biāo)中的(3) (6)。2 2、偏航系統(tǒng)設(shè)計、偏航系統(tǒng)設(shè)計 偏航系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)機艙，能使風(fēng)力機葉片的掃掠面與風(fēng)速垂直，最大限度地吸收風(fēng)能，同時為了防止機艙因風(fēng)向變化而搖擺，偏航系統(tǒng)安裝有制動器。3 3、變槳距系統(tǒng)設(shè)計、變槳距系統(tǒng)設(shè)計 主動變槳控制是為保證風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，通過旋轉(zhuǎn)葉片角度而減小其迎角，限制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，從而最終限制發(fā)電機功率輸出。大型風(fēng)機由于葉片較大，需要單

6、獨的電機驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動，但對于100kW的中型風(fēng)機，考慮用一個液壓缸同時驅(qū)動三個葉片轉(zhuǎn)動，這樣可將液壓缸放置在機艙中，通過連桿作用在輪轂中的葉片上，可減省電氣引線環(huán)和兩套控制器的成本，同時有利于保持三葉片的協(xié)調(diào)性。4 4、塔架設(shè)計、塔架設(shè)計 為了讓風(fēng)力發(fā)電機組接收到更多的風(fēng)能，將機艙裝在一定高度的塔架上。由于葉片和機艙對風(fēng)的阻力對塔架產(chǎn)生的傾覆力矩，以及非周期載荷對塔架產(chǎn)生的振動，因此塔架的設(shè)計必須考慮其機械強度和疲勞強度。塔架概述塔架概述 塔架是風(fēng)力發(fā)電機組中的主要支承裝置，它將風(fēng)電機與地面塔架是風(fēng)力發(fā)電機組中的主要支承裝置，它將風(fēng)電機與地面聯(lián)接，為水平軸葉輪提供需要的高度而且要承受極限風(fēng)速產(chǎn)

7、聯(lián)接，為水平軸葉輪提供需要的高度而且要承受極限風(fēng)速產(chǎn)生的載荷；生的載荷； 目前常見的塔架有錐筒式、桁架式、混凝土式等幾種形式，目前常見的塔架有錐筒式、桁架式、混凝土式等幾種形式，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機組通常采用錐筒式塔架。這種形式的塔現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機組通常采用錐筒式塔架。這種形式的塔架一般有若干段架一般有若干段2030m 的錐筒，用法蘭聯(lián)接而成。塔架由的錐筒，用法蘭聯(lián)接而成。塔架由底向上直徑逐漸減小，整體呈圓臺狀；底向上直徑逐漸減小，整體呈圓臺狀； 圓臺式塔架這類塔架的優(yōu)點是安全性能好而且進(jìn)行維修時比圓臺式塔架這類塔架的優(yōu)點是安全性能好而且進(jìn)行維修時比較方便安全。較方便安全。V塔架設(shè)計考慮因素塔

8、架設(shè)計考慮因素 首先，整個風(fēng)力發(fā)電機組中塔架的作用是支撐機艙和葉輪，首先，整個風(fēng)力發(fā)電機組中塔架的作用是支撐機艙和葉輪，把葉輪等部件舉到設(shè)計高度處運行，以獲得足夠的能量驅(qū)動把葉輪等部件舉到設(shè)計高度處運行，以獲得足夠的能量驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動并帶動發(fā)電機按照設(shè)計的額定功率發(fā)電（葉輪轉(zhuǎn)動并帶動發(fā)電機按照設(shè)計的額定功率發(fā)電（高度高度）；）； 同時，塔架又是整個風(fēng)力發(fā)電機組的承載基礎(chǔ)。它要有足夠同時，塔架又是整個風(fēng)力發(fā)電機組的承載基礎(chǔ)。它要有足夠的強度和剛度，以保證機組在各種載荷情況下能正常運行，的強度和剛度，以保證機組在各種載荷情況下能正常運行，而且還要保證機組在遭受一些惡劣外部條件如臺風(fēng)或暴風(fēng)襲而且還要保

9、證機組在遭受一些惡劣外部條件如臺風(fēng)或暴風(fēng)襲擊影響時的安全性（擊影響時的安全性（強度與剛度強度與剛度）；）； 另外，由于風(fēng)速風(fēng)向的不穩(wěn)定性，機組運行時塔架所受影響另外，由于風(fēng)速風(fēng)向的不穩(wěn)定性，機組運行時塔架所受影響也是動態(tài)隨機的，因此塔架還必須有一定的抗疲勞性能（也是動態(tài)隨機的，因此塔架還必須有一定的抗疲勞性能（抗抗疲勞疲勞）。）。V塔架設(shè)計的計算分析塔架設(shè)計的計算分析 靜強度分析：充分考慮塔架的強度靜強度分析：充分考慮塔架的強度 模態(tài)分析：計算分析配制好葉輪葉片和塔架系統(tǒng)的固有振動模態(tài)分析：計算分析配制好葉輪葉片和塔架系統(tǒng)的固有振動特性，特性， 避免共振現(xiàn)象的發(fā)生避免共振現(xiàn)象的發(fā)生 穩(wěn)定性分析

10、：塔架壁厚等尺寸穩(wěn)定性分析：塔架壁厚等尺寸疲勞分析：由于風(fēng)速風(fēng)向的不穩(wěn)定性，塔架上的載荷是動態(tài)隨機疲勞分析：由于風(fēng)速風(fēng)向的不穩(wěn)定性，塔架上的載荷是動態(tài)隨機的的V塔架初步設(shè)計（塔架初步設(shè)計（100Kw） 柔性塔架，以吸收振動柔性塔架，以吸收振動 塔架結(jié)構(gòu)形式：圓筒錐狀，鋼結(jié)構(gòu)塔架結(jié)構(gòu)形式：圓筒錐狀，鋼結(jié)構(gòu) 塔架初步參數(shù)：塔架初步參數(shù)： 頂部頂部底部底部外徑外徑1.6m2.4m壁厚壁厚按最大風(fēng)速按最大風(fēng)速60m/s考慮，暫定考慮，暫定25mm高度高度35m（一）（一）自主開發(fā)設(shè)計內(nèi)容自主開發(fā)設(shè)計內(nèi)容 1、基于空氣動力學(xué)的外殼造型設(shè)計 2、基于材料性能、加工特性和成本控制的材料選擇 3、基于強度、剛

11、度和振動理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4、制造工藝方案設(shè)計5、試驗方案設(shè)計 6、樣機試驗后的改進(jìn)設(shè)計 兩種設(shè)計類型兩種設(shè)計類型: 自主開發(fā)設(shè)計自主開發(fā)設(shè)計 選型設(shè)計選型設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機葉片設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機葉片設(shè)計1、基于空氣動力學(xué)的外殼造型設(shè)計確定其截面幾何確定其截面幾何尺寸、扭曲、厚尺寸、扭曲、厚度分布，以滿足度分布，以滿足最大風(fēng)能利用系最大風(fēng)能利用系數(shù)、最大功率輸數(shù)、最大功率輸出限制等要求。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選擇 20世紀(jì)70年代的風(fēng)力機葉片主要由鋼材、鋁材或木材制成。 由于玻璃鋼的比強度和比模量、耐久性、耐氣候性和耐腐蝕性都非常突出，足以用作戶外的結(jié)構(gòu)材料，所以目前8

12、0%選材為玻璃鋼復(fù)合材料，以E-玻纖增強塑料(GFRP)居多。 目前碳纖維復(fù)合材料(CFRP) 也已開始采用，但價格昂貴。 3、基于強度、剛度和振動理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計 確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式及尺寸，以滿足極限狀態(tài)和疲勞過程的承載能力、葉尖位移限制、防共振、輕量化及成本控制等要求。 葉片長度從1980年的4.5m發(fā)展到今天的60余米，容量從當(dāng)初的55kW發(fā)展到今天的2MW以上。其結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了如下發(fā)展過程： 鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片 鋁合金等弦長擠壓成型葉片 玻璃鋼葉片 玻璃鋼復(fù)合葉片 碳纖維(CF)復(fù)合葉片（二）（二）選型設(shè)計內(nèi)容選型設(shè)計內(nèi)容 1、葉片類型選擇 2、基于系統(tǒng)工作要求的主要 性能參數(shù)設(shè)計計算（

13、材料、 長度、直徑、掃風(fēng)面積） 3、規(guī)格型號、生產(chǎn)廠家選擇 目前國內(nèi)已上馬葉片目前國內(nèi)已上馬葉片生產(chǎn)企業(yè)超過生產(chǎn)企業(yè)超過50家家 目前葉片主要是玻璃鋼復(fù)合葉片，大多采用截面逐漸變小的型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁、葉根與輪轂連接用圓形金屬結(jié)構(gòu) ，表面纏繞玻璃纖維并涂樹脂，普遍采用的是玻璃纖維增強聚酯樹脂、玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂和碳纖維增強環(huán)氧樹脂 。目前葉片類型（三）研究方法（三）研究方法1 1流體分析軟件數(shù)值仿真分析流體分析軟件數(shù)值仿真分析 利用流體分析軟件對風(fēng)力發(fā)電機的葉片進(jìn)行流場分析，確定風(fēng)能利用效率，以及在極限載荷下的數(shù)值仿真。2 2風(fēng)洞實驗分析風(fēng)洞實驗分析 根據(jù)相似原理，將風(fēng)力發(fā)電機組模型置

14、于風(fēng)洞中進(jìn)行吹風(fēng)實驗，由實驗情況對風(fēng)力發(fā)電機組的葉片、軟轂和機艙的各部分進(jìn)行細(xì)節(jié)修改，使風(fēng)能利用效率達(dá)到設(shè)計要求。同進(jìn)也可檢驗控制系統(tǒng)的有效性有可靠性。偏航機械系統(tǒng)偏航機械系統(tǒng)偏航機械系統(tǒng)的作用 其一是與風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪始終處 于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電效率； 其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行。主要有兩個：主要有兩個：偏航機械系統(tǒng)的種類偏航機械系統(tǒng)的種類 風(fēng)力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)一般分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)。 被動偏航被動偏航指的是依靠風(fēng)力通過相關(guān)機構(gòu)完成機組風(fēng)輪對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有尾舵（用于小微型風(fēng)力

15、機 ）和舵輪（用于中小型風(fēng)機 ）兩種。 主動偏航主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動兩種形式。對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。100kw風(fēng)力機偏航機械系統(tǒng)風(fēng)力機偏航機械系統(tǒng) 德國富蘭德公司德國富蘭德公司100KW風(fēng)力發(fā)電機（主動）風(fēng)力發(fā)電機（主動） 一、偏航軸承 偏航軸承的軸承內(nèi)外圈分別與機組的機艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內(nèi)齒或外齒形式。外齒形式是輪齒位于偏航軸承的外圈上，加工相對來說比較簡單；內(nèi)齒形式是輪齒位于偏航軸承的內(nèi)圈上，嚙合受力效果較好，結(jié)構(gòu)緊湊。具體采用內(nèi)齒形式或外齒形式根據(jù)機組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進(jìn)行選

16、擇。 主動偏航機械系統(tǒng)組成主動偏航機械系統(tǒng)組成 主動偏航機械系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航液壓回路、偏航計數(shù)器、紐纜保護(hù)裝置等幾個部分組成。 二、驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置一般由驅(qū)動電動機或驅(qū)動馬達(dá)、減速器、傳動齒輪、輪齒間隙調(diào)整機構(gòu)等組成。驅(qū)動裝置的減速器一般可采用行星減速器或蝸輪蝸桿與行星減速器串聯(lián)；傳動齒輪一般采用漸開線圓柱齒輪。 三、偏航制動器 一般采用液壓拖動的鉗盤式制動器，由制動鉗和制動盤組成。在機組偏航過程中，制動器提供的阻尼力矩應(yīng)保持平穩(wěn)。制動器可以采用常閉式和常開式兩種結(jié)構(gòu)形式，常閉式制動器是在有動力的條件下處于松開狀態(tài)，常開式制動器則是處于鎖緊狀態(tài)。兩種形式相比較

17、并考慮失效保護(hù)，一般采用常閉式制動器。 四、偏航計數(shù)器 記錄偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的裝置，當(dāng)偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)達(dá)到設(shè)計所規(guī)定的初級解纜和終極解纜圈數(shù)時，計數(shù)器則給控制系統(tǒng)發(fā)信號使機組自動進(jìn)行解纜。計數(shù)器一般是一個帶控制開關(guān)的蝸輪蝸桿裝置或是與其相類似的程序。 五、紐纜保護(hù)裝置 是出于失效保護(hù)的目的而安裝在偏航系統(tǒng)中的。其作用是在偏航系統(tǒng)的偏航動作失效后，電纜的紐絞達(dá)到威脅機組安全 運行的程度而觸發(fā)該裝置，使機組進(jìn)行緊急停機。當(dāng)機組懸垂部分的電纜紐絞到一定程度后，觸點機構(gòu)被提升或被松開而觸發(fā)控制開關(guān)。100KW風(fēng)機偏航機構(gòu)初步方案 四點接觸式球軸承，內(nèi)齒或外齒視強度條件和結(jié)構(gòu)條而定。 電機驅(qū)動裝置，采

18、用二、三或四套，視動力條件和結(jié)構(gòu)條而定。 液壓碟式制動兼偏航阻尼。變槳系統(tǒng)變槳系統(tǒng) 一般在中大型風(fēng)力發(fā)電機中才設(shè)有變槳系統(tǒng)。變槳是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn),使葉片攻角在一定范圍(一般090)內(nèi)變化，以便調(diào)節(jié)輸出功率不超過設(shè)計容許值。 在機組出現(xiàn)故障時，需要緊急停機，一般應(yīng)先使葉片順槳，這樣機組結(jié)構(gòu)中受力小，可以保證機組運行的安全可靠性。變槳距葉片一般葉寬小，葉片輕，機頭質(zhì)量比失速機組小，不需很大的剎車，啟動性能好。在低空氣密度地區(qū)仍可達(dá)到額定功率，在額定風(fēng)速之后，輸出功率可保持相對穩(wěn)定，保證較高的發(fā)電量。但由于增加了一套變槳距機構(gòu)，增加了故障發(fā)生的機率，而且處理變距機構(gòu)葉片軸承故障難度大。變

19、距機組比較適于高原空氣密度低的地區(qū)運行，避免了當(dāng)失速機安裝角確定后，有可能夏季發(fā)電低，而冬季又超發(fā)的問題。變槳距機組適合于額定風(fēng)速以上風(fēng)速較多的地區(qū)，這樣發(fā)電量的提高比較明顯。 電動變槳系統(tǒng)就是可以允許三個槳葉獨立實現(xiàn)變槳，它提供給風(fēng)力發(fā)電機組功率輸出和足夠的剎車制動能力。這樣可以避免過載對風(fēng)機的破壞。 三套蓄電池和軸控制盒以及伺服電機和減速機放置于輪轂處，每支槳葉一套，一個總電氣開關(guān)盒放置在輪轂和機艙連接處，整個系統(tǒng)的通訊總線和電纜靠滑環(huán)與機艙的主控制器連接。1、電動變槳系統(tǒng)、電動變槳系統(tǒng)常見變槳系統(tǒng)常見變槳系統(tǒng)： 特點是：通過電機繞線定子與磁鋼轉(zhuǎn)子組成永磁步進(jìn)電機，永磁步進(jìn)電機定子、轉(zhuǎn)子分

20、別與回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)、外圈連接構(gòu)成永磁步進(jìn)電機支撐和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)外圈分別通過螺栓與葉片和輪轂連接構(gòu)成變槳機構(gòu)。該變槳系統(tǒng)內(nèi)沒有齒輪咬合，不可能造成齒輪的磨損和損壞，沒有齒輪箱漏油和阻尼等問題，易維護(hù)。剎車采用永磁磁鋼和直流電維持剎車，響應(yīng)速度快，無接觸摩擦和震動，并可有效解決塔影現(xiàn)象。2、電磁式變槳系統(tǒng)、電磁式變槳系統(tǒng)1輪轂2整流罩3變槳延長節(jié)4葉片5電機繞線定子6磁鋼轉(zhuǎn)子7回轉(zhuǎn)支撐軸承兩種變槳系統(tǒng)的比較：兩種變槳系統(tǒng)的比較：電動變槳系統(tǒng)電動變槳系統(tǒng)電磁式變槳系統(tǒng)電磁式變槳系統(tǒng)通過齒輪箱改變角度，齒輪的磨損和間隙直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和三只葉片的一致性，并且齒輪箱的潤滑系統(tǒng)維護(hù)非常不便。另外，由

21、于是電動機拖動齒輪旋轉(zhuǎn)響應(yīng)速度慢，很難解決塔影現(xiàn)象。變槳系統(tǒng)內(nèi)沒有齒輪咬合，不可能造成齒輪磨損和損壞，沒有齒輪箱漏油和阻尼等問題，易維護(hù)。剎車采用永磁磁鋼和直流電維持剎車，響應(yīng)速度快，無接觸摩擦和震動，并可有效解決塔影現(xiàn)象。電機及控制部分電機及控制部分一般采用具有良好低速特性的永磁同步發(fā)電一般采用具有良好低速特性的永磁同步發(fā)電機，適用于低風(fēng)速啟動，并具有較高的發(fā)電機，適用于低風(fēng)速啟動，并具有較高的發(fā)電效率。效率。中小功率風(fēng)機中小功率風(fēng)機由風(fēng)力機、永磁發(fā)電機、變流器和主控制器組由風(fēng)力機、永磁發(fā)電機、變流器和主控制器組成成永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組 一永磁風(fēng)力發(fā)電機機組的基本組成永磁風(fēng)力

22、發(fā)電機機組的基本組成1.11.1風(fēng)力機風(fēng)力機 隨著單臺風(fēng)機容量的不斷增大、并網(wǎng)風(fēng)電質(zhì)量要求不斷提高，以及對空氣動力學(xué)認(rèn)識的不斷深入，傳統(tǒng)的定槳距失速控制已經(jīng)不能滿足要求，因而對變槳距控制的需求越來越迫切。 通過變槳距調(diào)節(jié)可以控制風(fēng)機槳葉受力，捕捉風(fēng)能效率高以及在高風(fēng)速時段保持輸出功率平穩(wěn)等諸多優(yōu)點，使其成為兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機的重要發(fā)展方向。 因此，變槳距控制已經(jīng)成為國際主流風(fēng)力機組關(guān)鍵技術(shù)之一。國外大、中型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)均采用了變槳距控制技術(shù)。 直接驅(qū)動式風(fēng)力發(fā)電機組主要部件包括：葉輪葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、發(fā)電機定子、偏航系統(tǒng)、測風(fēng)系統(tǒng)、底板、塔架等，如圖所示。1.21.2直驅(qū)

23、風(fēng)力發(fā)電機組變槳特性直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組變槳特性 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組為變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機，在整個風(fēng)速范圍內(nèi)可能具有最佳的槳距角和較低的切入風(fēng)速。在高風(fēng)速下，改變槳距角以減少功角，從而減小了在葉片上的氣動力，保證葉輪輸 出功 率不超過發(fā)電機的額定功 率。變漿距調(diào)節(jié)型風(fēng)機的特點 風(fēng)力機在起動前, 槳葉的節(jié)距角約為90, 此時氣流對槳葉不產(chǎn)生力矩。 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時, 控制槳葉向0方向轉(zhuǎn)動, 直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角, 葉輪開始起動。 在電機并網(wǎng)以前, 變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由電機轉(zhuǎn)速信號控制。轉(zhuǎn)速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值, 變距系統(tǒng)根據(jù)此值, 調(diào)整節(jié)距角, 進(jìn)行所謂的速度控制。 風(fēng)

24、力機并網(wǎng)后, 機組運行分兩個工況: 風(fēng)速低于額定風(fēng)速。風(fēng)速高于額定風(fēng)速。 風(fēng)機的運行方式變槳距控制策略 低于額定風(fēng)速時, 利用變速恒頻技術(shù)對發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制, 使風(fēng)能利用系數(shù)為最大值, 充分地利用風(fēng)能 ； 高于額定風(fēng)速時, 利用變槳距機構(gòu)對槳葉的節(jié)距角進(jìn)行控制, 使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近 。 風(fēng)力機空氣動力特性出發(fā), 提出了變速恒頻風(fēng)力機在低于額定風(fēng)速和高于額定風(fēng)速階段的變槳距控制策略 ：1.31.3變槳距執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)方案變槳距執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)方案 液壓執(zhí)行機構(gòu) ：優(yōu)點：響應(yīng)頻率快、扭矩大、便于集中布置和集成化 應(yīng)用：適合于大型風(fēng)力機的場合 電機執(zhí)行機構(gòu) 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、能對槳葉進(jìn)行單獨

25、控制 常用的變槳距機構(gòu)常用的變槳距機構(gòu) ：變槳距控制電機執(zhí)行機構(gòu) 每個槳葉采用一個伺服電機進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連, 直接對槳葉的節(jié)距角進(jìn)行控制。由于大功率風(fēng)力機的槳葉很長, 而風(fēng)速一般隨著高度的增加而增加, 在整個風(fēng)輪掃及面積上的風(fēng)速不是平均的, 因此對單一槳葉控制是有利于最大限度利用風(fēng)能, 減小振動。如圖 所示風(fēng)力機所捕獲的風(fēng)功率為：風(fēng)能利用系數(shù)Cp ：3012mpwindpPC PCSV18.4/2.141510.73(0.580.00213.2)ipiCe30.00310.0211i1.41.4風(fēng)力機的數(shù)學(xué)模型風(fēng)力機的數(shù)學(xué)模型 風(fēng)力機是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換

26、的首要部件，它用來截獲流動空氣所具有的動能，并將風(fēng)力機葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部分動能轉(zhuǎn)換為機械能。它不僅決定了風(fēng)電系統(tǒng)的有效輸出功率，而且直接影響機組的安全、穩(wěn)定、可靠運行，是風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵組成部分之一。風(fēng)力發(fā)電的動力系統(tǒng)包括風(fēng)力機、輪轂、連軸器。風(fēng)力機的CP-特性曲線 風(fēng)況一定時，Pm只與Cp有關(guān)。風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表征風(fēng)力機效率的重要參數(shù)，它與風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片的葉尖速比，可用下式表示：式中：Pm、Cp、S、V0、Rw，w分別是風(fēng)力機捕獲的風(fēng)功率、風(fēng)能利用系數(shù)、空氣密度、風(fēng)力機葉片迎風(fēng)掃掠面積和進(jìn)入風(fēng)力機掃掠面積前的風(fēng)速、葉尖速比、風(fēng)力機的風(fēng)輪半徑，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。對于變槳距風(fēng)力機，由上

27、述數(shù)學(xué)模型可知：Cp與葉尖速比和葉片槳距角有關(guān)，風(fēng)力機運行于最優(yōu)槳距角和最佳葉尖速時所捕獲風(fēng)能最大，即Cp最大。0/wwRv1.51.5變槳距控制原理變槳距控制原理 風(fēng)電機組的槳距控制系統(tǒng)，通常采用速度、功率和槳距角速度、功率和槳距角三模態(tài)控制。通過對槳距角的調(diào)節(jié)控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速、風(fēng)力機的輸出功率。根據(jù)風(fēng)速的不同，風(fēng)力發(fā)電機組的控制目標(biāo)也不同：速低于額定風(fēng)速速低于額定風(fēng)速時，對于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機組的有功功率進(jìn)行控制，控制目的是保證機組運行在最大風(fēng)功率追蹤狀態(tài)下。風(fēng)速高于額定風(fēng)速風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，受機械強度、發(fā)電機容量和變頻器容量等限制，必須降低風(fēng)輪捕獲的能量，使功率保持在額定

28、值附近，此時，槳距角控制需要起作用，保證機組保持在額定功率附近。同時，需要調(diào)節(jié)槳距角調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，間接調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，對發(fā)電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行“粗調(diào)”，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，可以對發(fā)電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行“微調(diào)”，將“粗調(diào)”與“微調(diào)”相結(jié)合，保證發(fā)電機的轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速附近。發(fā)電機采用內(nèi)轉(zhuǎn)子面貼式永磁同步發(fā)電機額定功率：100kW額定電壓：400V額定轉(zhuǎn)速：50rpm極數(shù)：60額定頻率：25Hz極數(shù)60定子外徑1000mm轉(zhuǎn)子外徑865mm定子槽數(shù)144定子內(nèi)徑870mm轉(zhuǎn)軸直徑700mm轉(zhuǎn)速50rpm鐵心長600mm永磁體厚14mm額定電流150.5A熱負(fù)荷224.4A2/mm3電密4.24A/mm2線負(fù)荷52.9kA/m最大功率162.1kW電機凈重1572.2kg主要電磁設(shè)計參數(shù)1.61.6永磁同步發(fā)電機規(guī)格永磁同步發(fā)電機規(guī)格中小功率風(fēng)機啟動輸出電壓低且在工作范圍內(nèi)輸出電壓大范圍波動，通常采用全功率的四象限PWM變流器，如圖下所示，在變流器交流輸入側(cè)采用PWM全控整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)風(fēng)機輸出功率因數(shù)接近1、輸出電流為正弦波、大大提高風(fēng)機的效率。同時，通過控制PWM整流橋中功率器件的占空比，能夠有效跟蹤風(fēng)力發(fā)電機的最大功率，能夠在很低的風(fēng)速情況下即可并網(wǎng)發(fā)電，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。同時