直驱风力发电机

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1、直驱式风力发电机组变桨系统控制模型2008-11-1810:19:50  世界风力发电网信息中心　　   摘要：对直驱式风力发电机组变桨进行特性分析，进一步的讨论变桨控制模型。关键词：直驱式发电机，变桨，调节控制   0引言   直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。这里我们对直驱风力发电机组的变桨系统控制的模型进行探讨。   1直驱式风力发电机组简介   直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随

2、风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，多沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。   直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。其主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架等（如图1.1所示）。    1.1直驱型风力发电机总体设计方案   直驱型风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网

3、的总体设计方案，相对于传统的异步发电机组其优点如下[1]：   1（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率；   2（2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；   3（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；   4（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；   5（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；   6（6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；   7（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。   2直驱风力发电机组变桨特性叙述   直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机，叶片在

4、运行期间，它会在风速变化的时候绕其径向轴转动。因此，在整个风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速。在高风速下，改变桨距角以减少功角，从而减小了在叶片上的气动力。这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。   对于变桨距调节后对的功率特性的影响等等问题，这里我们将对机组叶片上的气动性能进行分析，从而进一步的了解变桨后，对风力发电机组的性能影响   2.1不同变桨角度下的特性   根据叶素理论，当一个叶素在流畅中运动时，叶素的上表面是负压力（吸力）；下表面是正压力。由于压力分布在叶素上而产生的载荷，可以用两个力（升力L垂直于风向V；阻力D平行于风向并与升力垂直

5、）和一个力矩（俯仰力矩M）来表示。[2]   对于变桨距风力机来说，调节变桨也同时意味着调节功角的大小。变桨距风力机的实际工作中，往往也通过轴承机构转动叶片来减小功角α，以此来减小CL，减小升力，扭矩和功率。   这里我们分析变桨距风机在不同变桨角度下的特性。   1．首先我们先举例一个风机的电机的功率曲线图。如图2.1所示：       2．我们根据此风力发电机的叶片特性，描绘出该风机变桨角度是0°时，在不同的风速下，叶轮对电机的驱动功率的大小。如图2.2所示：   2.3．在上述的图表中只列出了变桨角度为0°时的风机的特性曲线，我们再继续描绘变桨角度在10°和20°的情

6、况下，变桨距风机的特性曲线。如图2.3所示：     图2.3变桨距风机变桨角为0°,10°,20°时的特性曲线在图中我们很清楚的看到在变桨角分别为10°和20°时，叶轮在不同的风速下对电机的驱动功率。   为了使叶轮对电机的驱动功率能够满足电机的所能承受的状态。根据图2.3我们便需要在不同的风速条件下设定其合适的变桨角度。以满足发电机所处的工作状态再最优状态。例如：在风速为10m/s的状态下，通过变桨角度分别为0°和10°两个特性曲线的对比。当变桨为10°时，此时曲线与电机功率曲线交点在：叶轮转速为17RMP，电机功率约为350kW处。此时的变桨角度如果为0°时，曲线与电

7、机功率曲线的交点为：叶轮转速为8RMP，电机功率约为100kW处。由此可见，通过变桨距的调节，能够有效的改善风力发电机组的气动性能。   表2.4变桨距风机在不同风速下的变桨角度注：此表没有考虑到该风机的最大切出风速。   实际的风机设计中，要将变桨角在不同角度下的特性曲线细化，选出其在不同风速下最优化的变桨角度值。利用对风机在不同变桨角度的特性。在设计风力发电机组的时候，可以结合到以下3点：   保护风力发电机组，防止过载。   最小化风机的结构载荷。   优化控制模拟的变桨区域。   3针对直驱型风力发电机组的