风力发电技术基础

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风力发电技术基础第1页 1、概论1.1.风力发电机简介1.2.风力发电机设计总论1.2.1.设计过程1.2.2.风力发动机组结构形式1.2.3.机组载荷1.1.风力发电机简介1)风力发电机能量转换装置：风能Æ电能风力发电机组风电机组第2页2 •几点说明：1.风力发电机和风车电能——风力发电机（Windturbine)风能Æ机械能——风车(windmill)2.风力发电机和电网风力发电机总是连接着某种电网：——蓄电池电路——民用电网——独立电网——大型公用电网：现代大型风力发电机并入几点说明：3.风力发电机与风（叶轮）（发电机）——风能Æ机械能Æ电能——二次转换——不能储存风——风电的波动性和断续（不可调度）——风不能被传送，风电只能就地产生。第3页3 2）、风力发电机的组成控制系统叶轮传动系统机舱发电机偏航系统塔架基础第4页4 动画演示ò叶轮——机舱——塔架ò机舱内部ò整机风力发电机的组成（续）ò风力发电机组的主要组成部分：—叶轮：将风能转变为机械能。—传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额定转速—发电机：将叶轮获得的机械能再转变为电能。—偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆。—其它部件：如塔架、机舱等—控制系统：使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全控制。第5页5 3）、风力发电机组的分类ò根据额定功率分为小、中、大型机组。但由于各个国家和地区经济技术发展水平不同，界限不尽相同。欧洲美国中国微型机1kW以下小型机小于100kW1至10kW中型机100kW100kW~10kW~~500kW1000kW100kW大型机大于500kW大于1000kW大于100kW机组的容量、叶轮直径和塔架高度第6页6 4）、风力发电机的主要机型•按功率调节方式分：—定桨距（失速型）机组—变桨距机组组合成多•按叶轮转速是否恒定分：种机型—定速风力机—变速风力机•其它机型—主动失速型—无齿轮箱型—海上机组海上机组第7页7 风力发电机功率曲线5）基本技术特征及发展趋势ò基本技术特征水平轴、上风式、三叶片ò机型的发展趋势定桨距Æ变桨距定速型Æ变速型Kw级ÆMW级有齿轮箱式Æ直接驱动式第8页8 6）主要零部件简介叶轮ò由叶片和轮毂组成ò是机组中最重要的部件：决定性能和成本ò目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片。ò叶片与轮毂的连接：固定式，可动式。ò叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。传动系ò由风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低速轴，齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。ò齿轮箱有两种：平行轴式和行星式。大型机组中多用行星式（重量和尺寸优势）。ò有些机组无齿轮箱。ò传动系的设计按传统的机械工程方法，主要考虑特殊的受载荷情况。第9页9 机舱与偏航系统ò包括机舱盖，底板和偏航系统。ò机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。ò偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。ò上风式采用主动偏航，由偏航电机驱动，由偏航控制系统控制。ò偏航刹车用来固定机舱位置。ò自由偏航通常用于下风式机组。发电机•主要有感应电机和同步电机两种，两者都能在并网时定速或近似定速运行。ò感应电机由于可靠、廉价、易于接入电网而得到更多的使用。ò变速运行时，电气系统的将更复杂和昂贵。ò选用适当的变流装置，感应电机和同步电机都可以用于变速运行。第10页10 塔架与基础ò塔架有钢管、桁架和混凝土三种。ò塔架高度通常为叶轮直径的1～1.5倍。ò塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素。ò对于下风式机型，必须要考虑塔影效应、功率波动和噪声问题。钢制筒形塔架混凝土式塔架桁架式塔架三脚式塔架拉索桅杆式塔架控制ò控制系统主要控制机组的运行和功率的产生。ò控制系统主要包括：——传感器：转速、位置、气流、温度、电流、电压等；——控制器：机构、电路和计算机。——功率放大器：开关、电气放大器、液压泵和阀。——致动器：电机、液压缸、磁铁、电磁线圈。ò控制系统的设计可采用控制工程的方法。主要包含：——限定扭矩和功率；——使疲劳寿命最大化；——使能量产生最大化。第11页11 1.2.风力发电机设计总论•风力发电机组的主要部件传动系统叶轮发电机机舱偏航系统塔架控制系统基础MajorComponents第12页12 风力发电机的主要部件ò典型的水平轴风力发电机：——叶轮包括叶片和轮毂——传动系除叶轮之外的旋转部件，主要有：主轴、齿轮箱、联轴器、机械刹车和发电机——机舱包括机舱罩、底板和偏航系统——塔架和基础——控制系统——电气系统包括电缆、开关装置、变压器，以及变流器•风力发电机设计的主要内容——叶片数目（2或3个）——叶轮的方位：上风式或下风式——叶片材料、结构和外形——轮毂设计：刚性或铰接——功率控制：失速或变桨距——定速或变速运行——主动偏航或自由偏航——同步电机或异步电机——有齿轮箱或直接驱动第13页13 1.2.1.设计要求与过程ò经济性是风力发电机设计要考虑的基本问题。设计的基本目标的使机组的能量成本最低。ò能量成本受许多因素影响，但主要有两个：——机组本身的成本（机器、安装、运行、维护等）；——年发电量（设计和风资源）。ò设计的基本要求：——单个零部件的成本最低，重量尽可能轻；——足够的强度承受可能的极限载荷；——运行可靠，最低的维护费用；——足够的疲劳寿命。•设计过程•确定应用•选择构型•初估载荷•初步设计•预测性能•设计评价成本估计详细设计建造样机样机测试产品设计第14页14 1.2.2.风力发电机总体布局ò风力机总体布局中的选项：——叶轮轴线的方位：水平或垂直；——功率控制：失速，变桨距；——叶轮的方位：上风式或下风式；——偏航控制：主动偏航，自由偏航或固定偏航；——叶轮转速：定速或变速；——轮毂类型：固定式或可动式；——叶片的数量。1）、叶轮轴线的方位：水平或垂直ò大多数现代机是水平轴（平行或近似平行于到面）——HAWT。ò水平轴机组有两个主要优势：——实度较低，进而能量成本低于垂直轴机组。——叶轮扫略面的平均高度可以更高，利于增加发电量。ò垂直轴机组的优势：——无需偏航。——叶片定弦长，无扭曲。——传动系位置可降低。第15页15 各种水平轴机组各种垂直轴机组第16页16 2）、叶轮功率控制：失速、变桨距ò失速控制方式——功率控制方式简单，成本较低；——叶片与轮毂的连接简单；——叶轮转速需单独控制（通常是用感应电机）；——在较高风速下达到最大功率；——传动系的设计偏安全；2）、叶轮功率控制：失速、变桨距ò变桨距控制方式——易于控制；——变桨距轴承使轮毂结构较复杂；——增加变桨距驱动装置。ò其它控制方式——气动表面控制；——偏航控制。第17页17 3）叶轮方位：上风式或下风式ò上风式：——须主动偏航；——塔影效应小；——叶根弯曲应力大。叶轮方位：上风式或下风式ò下风式：——可自由偏航；——减少或消除叶根弯曲应力。——有塔影效应（气动力减小、叶片疲劳、噪声）。第18页18 4）偏航：自由式或主动式水平轴机组必须考虑偏航问题。ò下风式机组——多用自由式偏航；——施加偏航阻尼，以限制偏航角速度和叶片中的陀螺力。ò上风式机组——通常采用主动偏航，其中含有偏航电机、齿轮和刹车，——要求塔架能承受偏航扭矩。5）叶轮转速：定速或变速ò定速机型：——发电方式简单，造价低；——对电网依赖程度高。齿轮箱发电机叶片变桨距失速第19页19 叶轮转速：定速或变速ò变速机型：——电气设备价高；——电能品质好。齿轮箱～＝～＝1.2.3、机组载荷ò总体布局完成后，必须考虑载荷，使机组能够承受得住。ò载荷以力或力矩的形式表示。ò机组零部件的设计考虑两种载荷：——极限载荷（最大载荷乘安全系数）；——疲劳载荷。ò作用在风力机上的载荷分为五类：——稳定载荷（包括静载荷）；——周期载荷；——随机载荷；——瞬态载荷；——谐振载荷。第20页20 •载荷及其来源平均风稳定载荷风剪切偏航误差周期载荷偏航运动重力湍流随机载荷阵风启动瞬态载荷停车变桨距结构和激励谐振载荷•设计载荷ò设计风力机必须使其满足一系列条件：——正常运行条件；——极限条件；——疲劳条件。ò设计过程中对载荷的考虑——确定风的条件范围；——选定关注的设计载荷情况；——计算设计载荷情况对应的载荷；——验算应力条件是否满足。ò国际或机构标准（IEC、GL等）本章完第21页21 第二章风资源概述ò风的一般知识—风的形成—风向与风速ò风的统计学—风向频率—风速频率ò风的能量§2.1风的一般知识一、风的形成ò地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气。这就导致了空气的流动——风。ò全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。ò风能是太阳能的一种表现形式。第22页22 局部加热与冷却——形成风二、风向与风速—风向：•风向——来风的方向。通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。•陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5°为一个方位。•风向的方位图图示如下。第23页23 NNNWNNENWNEWNWENEWEWSWESESWSESSWSSES—风速：•风速——空气流动的速度。—用空气在单位时间内流经的距离表示；—单位：m/s或km/h；—是表示风能的一个重要物理量；—风速和风向都是不断变化的。•瞬时风速——任意时刻风的速度。——具有随机性因而不可控制。——测量时选用极短的采样间隔，如<1s。•平均风速——某一时间段内各瞬时风速的平均值。如日平均风速、月平均风速等。第24页24 1、风速的周期性变化•风速的日变化：一天之中，风速的大小是不同的。—地面（或海拔较低处）一般是白天风速高，夜间风速较低。—高空（或海拔较高处）则相反，夜间风强，白天风弱。其逆转的临界高度约为100~150m。•风速的季节变化：一年之中，风的速度也有变化。在我国，大部分地区风的季节性变化规律是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。2、影响风速的主要因素ò垂直高度：由于风与地表面摩擦的结果，越往高处风速越高。定量关系常用实验式表示：V(z)=V(z/z)αrrV—高度z处的风速。V—参考高度z处的风速，测得。rrα—地表摩擦系数，或地表面粗糙度。取值范围：0.1（光滑）~0.4（粗糙）。第25页25 ò地形地貌不同地形与平坦地面的风速比值不同地形平坦地面的平均风速（3~5m/s）山涧盆地0.95~0.85山背风坡0.9~0.8山迎风坡1.10~1.20峡谷口或山口1.30~1.40ò地理位置海面上的风比海岸大，沿海的风比内陆大得多。ò障碍物风流经障碍物后，将产生不规则的涡流，使风速降低。但随着远离物体，这种涡流逐渐消失。当距离大于10倍物体高度时，涡流可完全消失。启示：在障碍物附近设置风力机或多排设置风力机时的位置。第26页26 §2.2风的统计理论一、风向频率ò任意点处的风向时刻都在改变。但在一定时间内（月、季、年）多次测量，可以得到每一种风向出现的频率。ò风向频率的计算方法—选择观测的时间段，如月、季、年；—记录每个风向出现的次数ni，及总观测次数n；—某风向的风向频率=ni/n×100二、风速频率对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：风速频率和年平均风速。ò风速在某一时间段内平均，如10分钟；ò在计算风速频率时，通常把风速改变的间隔定为1m/s，如4.5~5.5m/s，5.5~6.5m/s；ò按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加1。ò把各个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。第27页27 风频（%）121110987654321002468101214161820风速（m/s）ò风况曲线20181614121086420100020003000400050006000700080009000时间（h）第28页28 根据风况曲线通常可以看出：1.一年之中有多少时间低于启动风速而无法起动？2.取多大的切出风速较合适？3.有多少小时可以达到额定出力？4.全年的有效风速的有多少小时？可见，风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据。ò风速的Weibull(威布尔)分布由于实测风速数据极为繁杂，且统计整理的工作量又很大，人们便用数学方式来描述风速分布情况。目前Weibull分布函数用得最广。Weibull分布函数有两特征参数：形状参数K和尺度参数C。对风频曲线用概率密度函数描述：上述的风况曲线用累计分布函数表达：第29页29 §2.3风能及其度量一、概述ò风能是地球表面空气移动时产生的动能，即风的动能。ò风能资源是可供人类开发利用的风能基本公式：E=1/2mV2式中m=ρAV，为单位时间内的流量质量。ò单位时间内的能量—功率:W=1/2ρAV3（W)ò风能的大小用风功率密度P来度量：P=1/2ρV3(W/m2)ò有效风能—切入风速到切出风速之间（有效风速）的风能。这是由于风电机受到各种条件限制不可能全部截取风的理论可用能量,只能利用有效的风能资源。二、中国的风能资源及其分布1、风能资源的特点•太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能,估计全球风能资源总量为1.3万亿kW。•风能资源的优越性是可以再生、不污染环境、就地可取和分布广泛。但它的能量密度低、不稳定,并且受地形影响大。第30页30 2、全国风能资源分布状况ò由于风速是一个随机性很大的量,必须通过长时间的观测计算出平均风功率密度。根据风的气候特点,一般选取十年风速资源中年平均风速最大、最小和中间的三个年份为代表年份,分别计算该三个年份的风功率密度然后加以平均,其结果可以作为当地长年平均值。ò中国气象科学研究院计算了全国900余个气象站的年平均风功率密度值,反映出全国风能资源分布状况,以及各个地区风能资源潜力的多少。中国有效风功率密度分布（w/m2)第31页31 中国3~20m/s风速全年累积小时数3、中国风能资源开发前景ò中国10m高度层的风能总储量为32.26亿kW,这个储量称作“理论可开发总量”。ò实际可供开发的量按上述总量的1/10估计,并考虑风能转换装置风轮的实际扫掠面积,再乘以面积系数0.785(即1m直径的圆面积是边长1m的正方形面积的0.785),得到中国10m高度层实际可开发的风能储量为2.53亿kW。ò这个数量比1996年全国发电总装机容量还大,说明中国风能资源丰富,但是可供经济开发的风能储量有多少尚需进一步查明。第32页32 中国风能资源丰富的省区省区风能资源省区风能资源(万kW)(万kW)内蒙古6178山东394新疆3433江西293黑龙江1723江苏238甘肃1143广东195吉林638浙江164河北612福建137辽宁606海南64第三章风力机空气动力学基础ò叶片的空气动力特性ò叶轮的空气动力模型第33页33 §3.1空气动力学的基本概念一、流线ò气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。ò流线：—在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。—描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。—流场中众多流线的集合称为流线簇。一般情况下，各流线彼此不会相交如图所示。绕过物体的流线簇第34页34 ò绕过障碍物的流线:当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。ò不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同考虑几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但侧面形状各异，对气流的阻碍作用（用阻力系数度量）不同。侧面形状不同的几种物体第35页35 二、阻力与升力ò阻力：当气流与物体有相对运动时，气流对物体的平行于气流方向的作用力。ò升力：先定性地考察一番飞机机翼附近的流线。当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。121131—根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程A1V1=A2V2+A3V3其中：A、V分别表示截面积和速度。下标1、2、3分别代表前方或后方、上表面和下表面处。第36页36 —根据伯努利方程：2P=Pi+1/2*ρVi即：气体总压力=静压力+动压力=恒定值考察翼型剖面气体流动的情况：①上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速大，即V2>V1。而由伯努利方程，必使：P2α时，CCTL下降。ò当α=α(<0)时，C=0，表明无升力。α0L0称为零升力角，对应零升力线。4、翼剖面的阻力特性用阻力特性曲线来描述。CDCDminαCDminα两个特征参数：最小阻力系数CDmin及对应攻角αCDmin。第40页40 五、极曲线CLmaxCLαCT在风力机的设计中往往更关心升力和阻力的比值—升阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线（又称艾菲尔曲线）CD来讨论。α有利CDαCDminCDminCD0α0说明：ò极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态，如α0、αCDmin、αCT等。ò为了得到最佳升阻比，可从原点作极曲线的切线，由于此时的夹角θ最大，故切点处的升阻比CL/CD=tgθ最大，对应的攻角为最有利攻角α有利。六、压力中心压力中心：气动合力的作用点，为合力作用线与翼弦的交点。—作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。—压力中心的位置通常用距前缘的距离表示，约在0.25倍弦长处。第41页41 七、雷诺数对翼型气动力特性的影响ò关于雷诺数—层流与紊流：两种性质不同的流动状态。雷诺数是用来界定两种状态的判据。—雷诺数的表达形式：Re=VC/ν—临界雷诺数Recr：ReRecr紊流—雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。ò雷诺数的影响考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着雷诺数的增加：—升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加；—最小阻力系数减小；—升阻比增加。§3.2叶轮空气动力学基础叶轮的作用：将风能转换为机械能一、叶轮的几何描述ò叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。ò旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。ò叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角——安装角（重要概念）。ò半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。第42页42 ò安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为β。ò半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。可以从几个方面来理解：—几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角β。—此处的螺旋升角为该半径处的安装角βr。—该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。—桨距值：H=2πrtgβr第43页43 二、贝兹理论1.贝兹理论中的假设—叶轮是理想的；—气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；—气流始终沿着叶轮轴线；—叶轮处在单元流管模型中，如图。—流体连续性条件：S1V1=SV=S2V22.对叶轮应用气流冲量原理ò叶轮所受的轴向推力：F=m(V-V)12式中m=ρSV，为单位时间内的流量质量ò叶轮单位时间内吸收的风能——叶轮吸收的功率为：2P=FV=ρSV(V1-V2)第44页44 3、动能定理的应用ò基本公式：E=1/2mV2（m同上）单位时间内气流所做的功——功率：P’=1/2mV2==1/2ρSVV2ò在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：2_2∆P’=1/2ρSV(V1V2)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。22_2因此：ρSV(V1-V2)=1/2ρSV(V1V2)整理得：V=1/2(V1+V2)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。4.贝兹极限ò引入轴向干扰因子进一步讨论。令：V=V1(1-a)=V1–U则有：V2=V1(1-2a)其中：a—轴向干扰因子，又称入流因子。U=V1a—轴向诱导速度。ò讨论：—当a≧1/2时，V2≦0，因此a<1/2。又V0，有1>a>0。a的范围：½>a>0第45页45 —由于叶轮吸收的功率为P=2_2∆P’=1/2ρSV(V1V2)2=2ρSV31a(1-a)令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得3Pmax=16/27(1/2ρSV1)3注意到1/2ρSV1是远前方单位时间内气流的动能—功率，并定义风能利用系数Cp为：3Cp=P/(1/2ρSV1)于是最大风能利用系数Cpmax为：3Cpmax=Pmax/(1/2ρSV1)=16/27≈0.593此乃贝兹极限。三、叶素理论1、基本思想ò将叶片沿展向分成若干微段—叶片元素—叶素；ò视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；ò作用在每个叶素上的力互不干扰；ò将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。2、叶素模型•端面：—桨叶的径向距离r处取微段，展向长度dr。—在旋转平面内的线速度：U=rω。第46页46 •翼型剖面：—弦长C，安装角θ。—设V为来流的风速，由于有线速度U，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W。αφWθV旋转平面UdFdRdL—定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为φ，则有叶片翼型的攻角为：α=φ-θ。3、叶素上的受力分析ò在W的作用下，叶素受到一个气动合力元dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。ò另一方面，dR还可分解为推力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：dF＝dLcosφ+dDsinφdT＝r(dLsinφ-dDcosφ)第47页47 ò由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl分别求得dD和dL:2dL=1/2ρCLWCdr2dD=1/2ρCDWCdr故dF和dT可求。ò将叶素上的力元沿展向积分，得：—作用在叶轮上的推力：F=∫dF—作用在叶轮上的扭矩：T=∫dT—叶轮的输出功率：P=∫dTω=ωT第48页48 第四章风力发电机组方案设计内容1.叶轮直径2.额定风速3.叶轮转速4.叶片数5.功率控制6.制动系统7.定速与变速运行8.发电机类型9.传动系10.塔架的刚度11.人身安全与通道第49页1 某机组总体方案•机组设计等级：IECⅠ级•机组容量：1.3MW•风轮直径：62m•叶片数量：3•额定风速参数：14m/s•风轮额定转速：19rpm•主轴-齿轮箱支撑形式：三点支撑•风轮布置形式：上风向•轮毂高度：60m/70m4.1叶轮直径1、风轮直径Dò风轮直径D主要取决于两个因素：—风力机额定P—额定风速Vrò计算公式的推导：3—叶轮输出功率：P1=1/2CpρSVr=P/(η1η2)32于是：P=1/2CpρVrη1η2Dπ/4—直径D的简化计算公式：233D=8P/(πCpρη1η2Vr)≈5P/Vr其中，可取Cp≈0.45，ρ≈1.25，η1η2≈0.9第50页2 风轮直径D的确定除此之外，风轮直径选择时还应考虑：•最小能量成本（费用/kWh/年）。如某1.3MW机型对应的风轮直径为54～62m。•根据调查资料显示，额定功率值/单位风轮扫掠面积的比值（W/m2）。如某1.3MW机型约为405W/m2，由此可算得D≈64m另外，可参照国外同类机型。其它参数的确定1）叶轮中心离地面高度H取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风梯度，安装条件，单机容量等因素。2）叶轮锥角γ—叶片和旋转平面的夹角。—减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式风力机）；—防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）。3）叶轮倾角δ—叶轮转轴与水平面的夹角。减少叶片梢部与塔架碰撞的机会。第51页3 4.2.额定风速Vrò额定风速Vr：机组达到额定功率时的风速。Vr=15m/s额定风速Vrò额定风速与部件成本的关系成本与额定风速无成本随额定风速成本随额定风速二成本随额定风速三次关的部件变化的部件次方变化的部件方变化的部件部件成本%部件成本%部件成本%部件成本%基础4.2叶片18.3齿轮箱12.5发电机7.5控制器4.2轮毂2.5刹车1.7并网8.3装配2.1主轴4.2运输2.0机舱10.8偏航4.2塔架17.5合计12.557.514.215.8第52页4 额定风速VròVr太高，机组将很少达到额定功率，传动系和发电机的成本偏高，提高了能量成本；òVr过低，叶轮及其支撑的成本相对于发电量过高。ò统计数据表明，从成本最低的角度出发，优化的额定风速与年平均风速的比值关系Vro/Vave大致为1.5～2，其中——变桨距机组：1.67～1.77——失速型机组：≥24.3.叶轮额定转速考虑因素：•尺寸控制：叶片弦长（实度）与转速的平方成反比。•重量控制：风轮转速增加后，叶片的重量（成本）将增加，但传动系统、机舱和塔架的费用降低，因此在考虑风轮转速时要进行优化，兼顾两者的费用。•噪声限制：风轮叶片所产生的气动噪音与叶尖线速度的五次方成正比，通常限制叶尖线速度小于65m/s。•视觉影响：从环保角度考虑，风轮转速增加对人的视觉会产生一种冲击。第53页5 4.4、叶片数1）、尖速比λ叶轮的叶尖线速度与风速之比。是一个重要设计参数。与叶片数及实度有关。用于风力发电的高速风力机，常取较大的尖速比。尖速比在5-15时，具有较高的风能利用系数Cp。通常可取6-8。Cp—λ曲线Cp0.50.40.30.20.136912λ第54页6 叶片数2）、实度λò定义：叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比。它是和尖速比密切相关的一个重要参数。ò取值：对于风力发电机而言，由于尖速比较高，要求有较高的转速和起动风速，因此，可取较小的实度。通常大致在5~20%之间。ò作用：—决定叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；—决定叶轮的重量与材料成本叶片数3）、叶片数和尖速比的对应关系：ò由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数，适合于发电。第55页7 叶片数4）三叶片和两叶片：ò叶片数3Æ2：叶片弦长增加50%或转速增加22.5%。ò在相同尖速比时，两叶片的Cp约是三叶片的1/3。两者的最大Cp接近，但两叶片发生在较大尖速比时。ò两叶片提高转速后增加了的噪声。ò三叶片转动的视觉效果好于两叶片。ò三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶片的可降低成本。叶片数叶片数对载荷的影响：源于风剪切的稳定载荷（以随机载荷叶根挥舞弯矩Mo表示）两叶片机组增弯曲载荷三叶片机组两叶片机组加的百分比％主轴弯矩1.5Mo2Mo22%机舱俯仰力矩1.5MoMo(1-cos2ψ)22%机舱偏航力矩0Mosin2ψ22%第56页8 4.5.功率控制方式1）（被动）失速控制ò最简单的控制方式，利用高风速时升力系数的降低和阻力系数的增加，限制功率输出的增加，在高风速时保持近似恒定。dF＝dLcosφ+dDsinφdT＝r(dLsinφ-dDcosφ)2dL=1/2ρCLWCdr2dD=1/2ρCDWCdr作用在叶轮上的扭矩：T=∫dT翼型的升力特性和阻力特性曲线AerofoilDataset63421主动失速工作区1.5变桨距工作区1.0Cl0.50.0CdCoefficients-0.5Cm-1.0-1.5-60-50-40-30-20-100102030405060AngleofAttack(deg)第57页9 （被动）失速控制主要优点：控制简单，百Kw级多用。主要缺点：1、功率曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不稳定，甚至是不确定的。2、阻尼较低，振动幅度较大，易疲劳损坏。3、高风速时，气动载荷较大，叶片及塔架等受载较大。4、在安装点需要试运行，优化安装角。5、低风速段，叶轮转速较低时的功率输出较高。2）变桨距控制ò高风速时，通过转动整个或部分叶片减小攻角，进而减小升力系数，达到限制功率的目的。ò主要优点：——更多获取风能；——提供气动刹车；——减少作用在机组上的极限载荷；ò桨距角的变化——速率：5°/s或更高；——范围：运行时0～35°；刹车时0～90°。0°时，叶尖弦线位于转动平面内。第58页10 桨距角的改变功率kW0额定功率-2-3-4-5低风速段13高风速段风速m/s变桨距控制ò主要缺点：增加一或三套变桨距系统（电动或液压驱动）第59页11 3）主动失速控制—采用失速叶片保证功率调节简单可靠；—利用桨距调节在中低风速区优化功率输出，高风速区维持额定功率输出；—在临界失速点，通过桨距调节跨越失速不稳定区。主动失速的技术特点：与传统失速功率调节相比：ò可以补偿空气密度、叶片粗糙度、翼型变化对功率输出的影响,优化中低风速的出力ò额定点之后可维持额定功率输出ò叶片可顺桨，刹车平稳,冲击小，极限载荷小主动失速与被动失速的功率曲线第60页12 主动失速控制与变桨距功率调节技术相比：ò受阵风、湍流影响较小，功率输出平稳，无需特殊的发电机ò桨距仅需微调，磨损少，疲劳载荷小4.7.定速与变速运行定速运行：控制简单，但不能最大限度获得风能。主要问题：ò定桨距机组在低风速运行时的效率较低—由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范围为3~25m/s）；—如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。ò发电机本身在低负荷时的效率问题—当P>30%的额定功率时，效率>90%；—但P<25%的额定功率时，效率将急剧下降。解决办法：两速运行和变速运行。第61页13 定速与变速运行1）双速运行将发电机分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。如600Kw机组：6极——150Kw4极——600Kw1.3MW机组：6极——250Kw4极——1300Kw特点：——叶轮和发电机在低风速段的效率提高；——与变桨距机组在额定功率前的功率曲线差别缩小。定速与变速运行双速发电机的功率曲线：功率大发电机功率曲线小发电机切换到大发电机小发电机功率曲线风速大发电机切换到小发电机发电机切换回差第62页14 2）变速运行优点：ò在低风速段，改变叶轮转速保持最佳尖速比；ò叶轮的低速运行降低了噪声；ò叶轮像飞轮一样，调节气动扭矩的波动，使之平稳传给传动系；ò通过变流器与电网相连，电能闪烁降低，品质提高。两种变速方式：ò宽幅变速：叶轮转速从0到额定转速，发电机静子通过变流器与电网连接。ò窄幅变速：叶轮转速从30～50％电机同步转速到额定转速。发电机静子直接连接电网，转子通过滑环和变流器与电网连接。变速运行失速调节桨距调节主动失速变速恒频ò其它变速运行方式1.变滑差运行2.变速齿轮箱3.自动变速箱第63页15 4.8.发电机类型ò风力发电机中使用的发电机通常有两种：——同步电机：定速机组较少采用——感应电机：定速机组较多采用ò从动力学的角度看，——同步电机可以看作一个扭转弹簧：弹性扭矩正比于转子磁场和静子磁场的角度差。——异步电机可看作一个扭转阻尼器：阻尼扭矩正比于转子磁场和静子磁场的转速差。ò在周期性的气动扭矩的作用，传动系要求较大的阻尼。因此定速风力发电机更多地使用异步发电机而不是同步发电机。发电机类型•叶轮输出的周期性气动扭矩第64页16 发电机类型•同步发电机和异步发电机的简化模型电网叶轮发电机同步电机传动连接电网叶轮发电机异步电机传动连接发电机类型ò定速机组使用同步电机，它是一个两弹簧两质量系统。在叶轮的周期性扭矩作用下，由于传动系没有阻尼而易发生扭转振动。ò定速机组使用异步电机，电机相当于一个扭转阻尼。可以抑制传动系可能发生的扭振。ò叶轮的周期性扭矩将出现在叶片的通过频率，该频率常常和连接电网的小型同步机的固有振动频率非常接近。ò变速机组的电机不是直接连接电网，因此可以使用同步电机。ò对同步电机的使用，人们曾经做过许多尝试。第65页17 发电机类型——直接驱动式机组ò对于旋转电机的功率输出可表示为：P＝KD2Ln如果降低转速n，则需增加长度L或直径D。显然增加直径更经济。因此直驱式机组通常采用大直径而较短的长度。ò感应电机要求很小的气隙，以保证适当的气隙磁通密度。而同步电机的转子上带励磁系统，可以在大气隙时运行。ò由于机械和热力学的原因，小气隙的大电机是难以制造的。因此，直驱式机组使用同步电机，永磁激励或励磁绕组激励。ò使用同步电机，在电机接入电网前，需要增加一个频率固定的逆变器，因此可以变速运行。4.9.传动系支撑的方案1）低速轴的支撑ò前后轴承结构第66页18 传动系支撑的方案ò主轴－齿轮箱一体式结构传动系支撑的方案ò后轴承置于齿轮箱内的结构第67页19 传动系支撑的方案ò直驱式机组的低速轴——连接叶轮轮毂和发电机转子——中空结构，被机舱底板的伸出部分悬臂支撑。传动系支撑的方案2）高速轴及发电机支撑——发电机通常安置在齿轮箱后部、机舱底板的延伸段上，通过高速轴及弹性联轴器与齿轮箱输出轴相连。——发电机轴线通常偏离低速轴轴线。——为解决电缆缠绕问题，有垂直安置电机的方案。第68页20 传动系支撑的方案机舱内传动系4.10.塔架的刚度ò风力发电机的稳定性是最主要的特性之一。因此设计中的关键问题之一是避免由于叶轮气动推力的周期性作用导致塔架共振。ò悬臂式塔架比拉索式塔架的变桨和扭转刚度高。但抵抗相同的弯矩需用的材料较多。ò在相同刚度时，栅格式塔架所用材料约为圆筒式塔架的一半。栅格式塔架由于大量铰接点的存在，具有比圆筒式塔架更高的结构阻尼。ò如果叶片的通过频率与塔架的自然频率一致时，塔架可能发生过大的应力和变形。ò叶片的转动频率可以忽略，因为只有当叶片之间的气动外形有偏差时，才会引起周期性载荷。第69页21 塔架的刚度ò塔架的分类：——叶轮转动频率：1P，叶片通过频率：3P——刚塔和柔塔：设塔架一阶弯曲固有频率为f，则刚塔：f>3P柔塔：1P