風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法

1、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速選擇方法摘要：對(duì)風(fēng)力機(jī)幾種轉(zhuǎn)速選擇方法進(jìn)行介紹。 關(guān)鍵詞：失速調(diào)節(jié)、槳距調(diào)節(jié)、變速。1、失速調(diào)節(jié)失速調(diào)節(jié)的風(fēng)力機(jī)通常幾乎在恒定的速度下運(yùn)行，因此葉片攻角 隨風(fēng)速的增加而增加，隨著局部攻角的增加，葉片失速，引起升力系 數(shù)減少和阻力系數(shù)增加，最終導(dǎo)致切向載荷降低。功率的減少取決于 槳距角、葉片的扭轉(zhuǎn)角以及弦長分布和葉片上所使用的翼型。如果現(xiàn) 場測試表明功率的大小不能得到充分的限制，則需要卸下葉片，改 變固定的槳距角設(shè)置。在失速調(diào)節(jié)的風(fēng)力機(jī)中，通常采用異步發(fā)電機(jī)， 其轉(zhuǎn)速幾乎不變且由發(fā)電機(jī)的扭矩特性確定，即輸入發(fā)電機(jī)的軸扭矩 Mg是該軸轉(zhuǎn)速n的函數(shù)。根據(jù)扭矩特性可知，異步發(fā)電機(jī)既可以 作為

2、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式可以用來 啟動(dòng)風(fēng)力機(jī)。當(dāng)發(fā)電機(jī)在發(fā)電的情況下，選擇其符號(hào)為正值。發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速將位于 0和nnom之間，而扭矩等于風(fēng)輪葉片在發(fā)電機(jī)軸上產(chǎn) 生的扭矩M r。沒有軸扭矩時(shí)異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速no為：n60 f . / p此處f刁是電網(wǎng)頻率，p是發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。對(duì)4極發(fā)電機(jī)而言， n是1500r/min，而對(duì)6極發(fā)電機(jī)而言，n是1000r/min。由于發(fā)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速要高于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，因此在發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪之間需要配置增速 齒輪箱。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速3與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系式，可以用齒輪 箱的增速比r表示為3二n/r。實(shí)際轉(zhuǎn)速n和 0之間的相對(duì)差，稱為滑差率SL=(

3、n-%)/ n0, 對(duì)通常的失速調(diào)節(jié)的風(fēng)力機(jī)而言，滑差率之值大約為1%3%。這意味 著，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速幾乎是不變化的，因此，使用風(fēng)輪作為飛輪來儲(chǔ)存能 量，比如在陣風(fēng)的情況下，其可能性非常小。比如由于風(fēng)中的湍流所 引起的風(fēng)輪扭矩M的變化，將幾乎立即轉(zhuǎn)移到發(fā)電機(jī)扭矩M，然后 RG變成電功率PEL = M Z n/60 考慮風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在較低的轉(zhuǎn)速，并且風(fēng)速增加的情況。在這種情況下， 風(fēng)輪葉片所產(chǎn)生的扭矩mr也增加，剛性風(fēng)輪按照下面的方程加速：I de = M M直到上升到一定程度是扭矩MG再次等于扭矩mr。此處，I 代表風(fēng)輪圍繞其旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mr和MG分別是風(fēng)輪和發(fā)電 機(jī)在風(fēng)輪軸處得扭矩。如果mr

4、超過扭矩特性上的最大點(diǎn)，或者發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)解列， 方程(2)的右端項(xiàng)Mr - MG總是正值，因此風(fēng)輪將開始加速，在 這種情況下風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速變得如此之高，存在崩潰的危險(xiǎn)。安全系統(tǒng)必 須探測到這一點(diǎn)并且保證將風(fēng)輪停下來。在失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)中，葉 片的外側(cè)通常在離心力作用下旋轉(zhuǎn)90度，起到氣動(dòng)剎車作用從而限 制扭矩M。可轉(zhuǎn)動(dòng)的葉尖作為氣動(dòng)剎車在離心力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)2、槳距調(diào)節(jié)對(duì)槳距調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)而言，有可能主動(dòng)調(diào)節(jié)整個(gè)葉片的槳距，從而 同時(shí)改變整個(gè)葉片上的攻角。一種控制槳距角的方法如圖所示在此處 槳距角通過放置在主軸里的活塞來改變。活塞的位置由使用的液體壓 力確定。如果失去液體壓力，彈簧將釋放活塞，這樣葉片前緣

5、扭轉(zhuǎn)向 上逆風(fēng)。這里應(yīng)該提及的是，調(diào)節(jié)葉片槳距的方法不只是僅有這一種。 每一個(gè)葉片都可以配置一個(gè)小的電動(dòng)機(jī)，這樣每一個(gè)葉片的槳距都可 以單獨(dú)調(diào)節(jié)。液壓孔活塞空心主軸綢巨軸承通過放置在主軸里的活塞來改變?nèi)~片槳距的機(jī)理示意圖槳距角已經(jīng)調(diào)節(jié)的葉片可以發(fā)揮氣動(dòng)剎車的作用，因此，在槳距 調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)中，無需像失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)那樣，在葉尖配置氣動(dòng)剎 車。通過調(diào)節(jié)整個(gè)葉片的槳距角就有可能控制葉片的攻角，從而控 制功率輸出。通常情況下，通過調(diào)節(jié)葉片的前緣向上逆風(fēng)以減少攻角 的方式來降低功率，即在攻角的表達(dá)式a=-0中增加e，此處是 入流角。另一方面，人們也可以通過增加攻角的方式，即迫使葉片失 速來減少功率輸出

6、，這稱為主動(dòng)失速。由于風(fēng)的湍流特性，槳距調(diào)節(jié) 型風(fēng)力機(jī)的瞬時(shí)功率輸出經(jīng)常超過額定功率，并且這些波動(dòng)的時(shí)間度 量要小于調(diào)節(jié)葉片槳距角所需要的時(shí)間。槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行 時(shí)，隨著風(fēng)速增加。由于葉片的槳距角逐漸調(diào)小，因此風(fēng)力機(jī)得啟動(dòng) 過程更加平穩(wěn)。如果將一臺(tái)槳距調(diào)節(jié)方式運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)后的功率 輸出時(shí)間歷程與同一臺(tái)以失速調(diào)節(jié)方式運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)以后的功 率輸出時(shí)間歷程與同一臺(tái)以失速調(diào)節(jié)方式運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)以后的 功率輸出時(shí)間歷程進(jìn)行對(duì)比，則可以看到，當(dāng)該風(fēng)力機(jī)作為失速調(diào)節(jié) 方式運(yùn)行時(shí)的峰值更小。因?yàn)橥牧鞑▌?dòng)的時(shí)間度量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于葉片節(jié) 距調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間度量，槳距調(diào)節(jié)方式運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)的輸出功率有時(shí) 能

7、跟隨槳距角固定的穩(wěn)態(tài)功率曲線。高風(fēng)速時(shí)，槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)在 固定槳距角處得穩(wěn)態(tài)功率曲線比失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)的相應(yīng)穩(wěn)態(tài)功率 曲線具有更大的斜率dP/dv0，因此就是針對(duì)速度區(qū)間 v0有更大的 變化A P=dP/dv0這就是為什么高風(fēng)速時(shí)，失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)的功率波動(dòng)比槳距調(diào)節(jié)的 風(fēng)力機(jī)的功率波動(dòng)要小的原因。然而，傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)控制 器并不對(duì)風(fēng)速進(jìn)行響應(yīng)而是直接對(duì)輸出功率響應(yīng)，見下式：JOKI（P - P ）帶=Kk此處KI是積分常數(shù)，KK是增益，它是在槳距角本身較大時(shí)減少變距 速率。槳距角較大時(shí)對(duì)應(yīng)高風(fēng)速，此時(shí)載荷也非常大，因此對(duì)槳距角 非常敏感。3、變速功率系數(shù)Cp（O ,人）p是葉尖速比

8、和槳距角的函數(shù)，在節(jié)距調(diào)節(jié)的風(fēng)輪中通過使用變速，就有可能是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)點(diǎn)C p,max，此時(shí)槳距角為0 p,opt，葉尖速比為optJ尊糧沖度玄尊圈1輸出功率系數(shù)和尖速比的關(guān)系從圖中可以看到此槳距角的情況下，當(dāng)接近于8是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的最為有效。從該曲線中針對(duì)不同的風(fēng)速，可以導(dǎo)出顯示功率P是轉(zhuǎn)速的函數(shù)的圖形P = pv 3AC （入）人vo =0R考慮到功率是扭矩乘以角速度，即p = Mo將以上兩式代入，得到:po2R3AC （x6p）/人3發(fā)電機(jī)要獲得最大功率系數(shù)Cp,max=2 pO2R3 ACp心 G?,opt，七應(yīng)該使用該特征直到達(dá)到最大可允許葉尖速度。這樣Mopt（6p,opt，opt）的條件是:）/ 入 3 = const .o 2使用異步發(fā)電機(jī)獲得變速的一種方式是采用雙虧感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)。此時(shí)一種能有效控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)備與發(fā)電機(jī)相連接。有了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)就可能實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，這樣可以